Оптические резонаторы и моды резонатора

Оптический резонатор удерживает свет между зеркалами, поддерживая дискретные продольные и поперечные моды, которые формируют спектр и луч лазера.

Definition

Система зеркал, которая улавливает свет в стоячих или циркулирующих волнах, поддерживая дискретный набор резонансных продольных и поперечных мод, характеризующихся их частотами, пространственными профилями и потерями.

Scope

Эта тема охватывает оптические резонаторы, которые обеспечивают обратную связь в лазерах и действуют как спектральные фильтры. Она включает резонаторы Фабри-Перо и конфокальные резонаторы, продольные моды, определяемые условием фазы при обходе резонатора, и их расстояние, поперечные моды и их гауссовы и эрмито-гауссовы профили, условие стабильности для двухзеркальных резонаторов, добротность и время жизни фотона, коэффициент пропускания (финесс) и свободный спектральный диапазон, а также связь между потерями в резонаторе и шириной линии лазера. Объясняется, как резонатор определяет, какие частоты и пространственные паттерны осциллируют.

Core questions

• Какие частоты и пространственные паттерны могут резонировать в данной полости?
• Какие условия делают двухзеркальный резонатор стабильным?
• Как добротность, фактор качества и время жизни фотона характеризуют резонатор?
• Как резонатор выбирает продольные и поперечные моды лазера?

Key concepts

• Резонатор Фабри-Перо
• продольные моды
• поперечные моды
• свободный спектральный диапазон
• добротность
• фактор качества
• условие стабильности резонатора
• время жизни фотона

Key theories

Продольные моды и условие резонанса

Резонируют только те длины волн, для которых оптический путь при обходе резонатора является целым числом длин волн, что дает гребенку продольных мод, расстояние между которыми определяется длиной резонатора.

Поперечные моды и стабильность резонатора

Поперечное поле формирует гауссовы и более высокие эрмито- или лагерро-гауссовы моды; двухзеркальный резонатор поддерживает стабильные ограниченные моды только тогда, когда кривизна его зеркал и расстояние между ними удовлетворяют условию стабильности резонатора.

Clinical relevance

Конструкция резонатора определяет длину волны, ширину линии и качество луча медицинских и диагностических лазеров, а оптические резонаторы с высокой добротностью служат частотно-селективными элементами в спектроскопических датчиках, используемых для анализа дыхания и крови.

History

Интерферометр Фабри-Перо 1890-х годов стал прототипом оптического резонатора. Когда Шавлов и Таунс предложили оптический лазер в 1958 году, ключевым шагом по сравнению с мазером было использование такой открытой зеркальной полости для обеспечения обратной связи и выбора мод на оптических длинах волн.

Key figures

• Charles Fabry
• Alfred Perot
• Arthur L. Schawlow

Seminal works

• siegman1986
• salehteich2019

Frequently asked questions

Что определяет расстояние между продольными модами лазера?

Расстояние по частоте равно скорости света, деленной на удвоенную оптическую длину резонатора, поэтому более длинные резонаторы имеют более близко расположенные моды.

Почему лазерный резонатор должен быть стабильным?

В стабильном резонаторе луч отражается взад и вперед, не отклоняясь от зеркал, поэтому может формироваться ограниченная мода; нестабильный резонатор позволяет свету выходить после нескольких проходов, если только эти потери не используются намеренно для конструкций высокой мощности.