光共振器とキャビティモード

光共振器は、ミラー間に光を閉じ込め、レーザーのスペクトルとビームを形成する離散的な縦モードと横モードをサポートします。

Definition

光を定在波または循環波として閉じ込め、周波数、空間プロファイル、および損失によって特徴付けられる離散的な共振縦モードと横モードのセットをサポートするミラーの配置。

Scope

このトピックでは、レーザーにフィードバックを提供し、スペクトルフィルターとして機能する光共振器について扱います。これには、ファブリ・ペロー共振器と共焦点共振器、往復位相条件によって設定される縦モードとその間隔、横モードとそのガウス型およびエルミート・ガウス型プロファイル、2ミラーキャビティの安定性条件、Q値と光子寿命、フィネスと自由スペクトル範囲、共振器損失とレーザー線幅の関係が含まれます。キャビティがどの周波数と空間パターンを振動させるかを決定する方法を説明します。

Core questions

• 特定のキャビティ内で共振できる周波数と空間パターンは何ですか？
• 2ミラー共振器を安定させる条件は何ですか？
• フィネス、Q値、光子寿命はどのように共振器を特徴付けますか？
• 共振器はどのようにレーザーの縦モードと横モードを選択しますか？

Key concepts

• ファブリ・ペロー共振器
• 縦モード
• 横モード
• 自由スペクトル範囲
• フィネス
• Q値
• キャビティ安定性条件
• 光子寿命

Key theories

縦モードと共振条件

往復光路が波長の整数倍である波長のみが共振し、キャビティ長によって間隔が設定される縦モードのコムを生成します。

横モードとキャビティ安定性

横方向の電界はガウス型および高次のエルミート・ガウス型またはラゲール・ガウス型モードを形成します。2ミラーキャビティは、ミラーの曲率と間隔が共振器安定性条件を満たす場合にのみ、安定した閉じ込められたモードをサポートします。

Clinical relevance

共振器の設計は、医療用および診断用レーザーの波長、線幅、ビーム品質を決定し、高フィネス光キャビティは、呼気および血液分析に使用される分光センサーの周波数選択要素として機能します。

History

1890年代のファブリ・ペロー干渉計は、光共振器の原型となりました。1958年にシャウローとタウンズが光レーザーを提案した際、メーザーを超える重要なステップは、このような開放型ミラーキャビティを使用して、光波長でフィードバックを提供し、モードを選択することでした。

Key figures

• Charles Fabry
• Alfred Perot
• Arthur L. Schawlow

Seminal works

• siegman1986
• salehteich2019

Frequently asked questions

レーザーの縦モード間の間隔は何によって決まりますか？

周波数間隔は、光速を光キャビティ長の2倍で割ったものに等しいため、キャビティが長いほどモード間隔は狭くなります。

レーザーキャビティはなぜ安定でなければならないのですか？

安定な共振器では、光線はミラーから外れることなく往復するため、閉じ込められたモードが構築されます。不安定なキャビティでは、光が数回の通過後に逃げてしまいます。ただし、その損失が高出力設計のために意図的に利用される場合を除きます。