광학 공진기 및 공동 모드

광학 공진기는 거울 사이에 빛을 가두어 레이저의 스펙트럼과 빔을 형성하는 이산적인 종방향 및 횡방향 모드를 지원합니다.

Definition

정재파 또는 순환파로 빛을 가두는 거울 배열로, 주파수, 공간 프로파일 및 손실로 특징지어지는 이산적인 공진 종방향 및 횡방향 모드 세트를 지원합니다.

Scope

이 주제는 레이저에서 피드백을 제공하고 스펙트럼 필터 역할을 하는 광학 공동을 다룹니다. 여기에는 패브리-페로 및 공초점 공진기, 왕복 위상 조건에 의해 설정되는 종방향 모드 및 그 간격, 가우시안 및 에르미트-가우시안 프로파일을 갖는 횡방향 모드, 두 거울 공동의 안정성 조건, 품질 계수 및 광자 수명, 미세도 및 자유 스펙트럼 범위, 그리고 공진기 손실과 레이저 선폭 간의 관계가 포함됩니다. 공동이 어떤 주파수와 공간 패턴을 발진시키는지 설명합니다.

Core questions

• 주어진 공동에서 어떤 주파수와 공간 패턴이 공진할 수 있습니까?
• 두 거울 공진기를 안정하게 만드는 조건은 무엇입니까?
• 미세도, 품질 계수 및 광자 수명은 공진기를 어떻게 특징짓습니까?
• 공진기는 레이저의 종방향 및 횡방향 모드를 어떻게 선택합니까?

Key concepts

• 패브리-페로 공진기
• 종방향 모드
• 횡방향 모드
• 자유 스펙트럼 범위
• 미세도
• 품질 계수
• 공동 안정성 조건
• 광자 수명

Key theories

종방향 모드 및 공진 조건

왕복 광 경로가 파장의 정수배인 파장만 공진하며, 공동 길이에 의해 간격이 결정되는 종방향 모드의 콤을 형성합니다.

횡방향 모드 및 공동 안정성

횡방향 필드는 가우시안 및 고차 에르미트- 또는 라게르-가우시안 모드를 형성합니다. 두 거울 공동은 거울 곡률과 간격이 공진기 안정성 조건을 만족할 때만 안정적인 제한된 모드를 지원합니다.

Clinical relevance

공진기 설계는 의료 및 진단 레이저의 파장, 선폭 및 빔 품질을 결정하며, 고미세도 광학 공동은 호흡 및 혈액 분석에 사용되는 분광 센서의 주파수 선택 요소 역할을 합니다.

History

1890년대의 패브리-페로 간섭계는 광학 공진기의 원형이 되었습니다. 1958년 샤울로와 타운스가 광학 레이저를 제안했을 때, 메이저를 넘어선 핵심 단계는 이러한 개방형 거울 공동을 사용하여 광학 파장에서 피드백을 제공하고 모드를 선택하는 것이었습니다.

Key figures

• Charles Fabry
• Alfred Perot
• Arthur L. Schawlow

Seminal works

• siegman1986
• salehteich2019

Frequently asked questions

레이저의 종방향 모드 간격을 결정하는 것은 무엇입니까?

주파수 간격은 빛의 속도를 광학 공동 길이의 두 배로 나눈 값과 같으므로, 공동 길이가 길수록 모드 간격이 더 조밀해집니다.

레이저 공동은 왜 안정적이어야 합니까?

안정적인 공진기에서는 광선이 거울에서 벗어나지 않고 앞뒤로 반사되어 제한된 모드가 형성될 수 있습니다. 불안정한 공동은 몇 번의 통과 후 빛이 빠져나가게 하며, 이러한 손실이 고출력 설계를 위해 의도적으로 활용되지 않는 한 그렇습니다.