ตัวกำทอนแสงและโหมดโพรง

ตัวกำทอนแสงจะกักเก็บแสงไว้ระหว่างกระจกเงา โดยรองรับโหมดตามยาวและโหมดตามขวางแบบไม่ต่อเนื่อง ซึ่งเป็นตัวกำหนดสเปกตรัมและลำแสงของเลเซอร์

Definition

การจัดเรียงกระจกเงาที่กักเก็บแสงไว้ในคลื่นนิ่งหรือคลื่นหมุนเวียน โดยรองรับชุดของโหมดตามยาวและตามขวางแบบไม่ต่อเนื่อง ซึ่งมีลักษณะเฉพาะด้วยความถี่ โปรไฟล์เชิงพื้นที่ และการสูญเสีย

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมโพรงแสงที่ให้การป้อนกลับในเลเซอร์และทำหน้าที่เป็นตัวกรองสเปกตรัม ซึ่งรวมถึงตัวกำทอนแบบ Fabry-Perot และแบบ confocal, โหมดตามยาวที่กำหนดโดยเงื่อนไขเฟสแบบรอบทิศทางและระยะห่างของโหมด, โหมดตามขวางและโปรไฟล์แบบ Gaussian และ Hermite-Gaussian, เงื่อนไขความเสถียรสำหรับโพรงกระจกสองบาน, ปัจจัยคุณภาพและอายุการใช้งานของโฟตอน, ความละเอียด (finesse) และช่วงสเปกตรัมอิสระ (free spectral range), และความสัมพันธ์ระหว่างการสูญเสียของตัวกำทอนกับความกว้างของเส้นเลเซอร์ (laser linewidth) นอกจากนี้ยังอธิบายว่าโพรงกำหนดความถี่และรูปแบบเชิงพื้นที่ที่เกิดการสั่นได้อย่างไร

Core questions

• ความถี่และรูปแบบเชิงพื้นที่ใดบ้างที่สามารถกำทอนได้ในโพรงที่กำหนด?
• เงื่อนไขใดที่ทำให้ตัวกำทอนกระจกสองบานมีความเสถียร?
• ความละเอียด (finesse), ปัจจัยคุณภาพ (quality factor) และอายุการใช้งานของโฟตอน (photon lifetime) บ่งบอกถึงลักษณะของตัวกำทอนอย่างไร?
• ตัวกำทอนเลือกโหมดตามยาวและตามขวางของเลเซอร์ได้อย่างไร?

Key concepts

• ตัวกำทอน Fabry-Perot
• โหมดตามยาว
• โหมดตามขวาง
• ช่วงสเปกตรัมอิสระ
• ความละเอียด (finesse)
• ปัจจัยคุณภาพ
• เงื่อนไขความเสถียรของโพรง
• อายุการใช้งานของโฟตอน

Key theories

โหมดตามยาวและเงื่อนไขการกำทอน

เฉพาะความยาวคลื่นที่เส้นทางแสงแบบรอบทิศทางเป็นจำนวนเต็มของความยาวคลื่นเท่านั้นที่จะเกิดการกำทอน ทำให้เกิดหวีของโหมดตามยาวซึ่งมีระยะห่างกำหนดโดยความยาวของโพรง

โหมดตามขวางและความเสถียรของโพรง

สนามตามขวางก่อตัวเป็นโหมด Gaussian และโหมด Hermite- หรือ Laguerre-Gaussian ลำดับสูงกว่า; โพรงกระจกสองบานรองรับโหมดที่ถูกกักเก็บอย่างเสถียรก็ต่อเมื่อความโค้งของกระจกและระยะห่างเป็นไปตามเงื่อนไขความเสถียรของตัวกำทอน

Clinical relevance

การออกแบบตัวกำทอนจะกำหนดความยาวคลื่น ความกว้างของเส้น และคุณภาพของลำแสงของเลเซอร์ทางการแพทย์และการวินิจฉัย และโพรงแสงที่มีความละเอียดสูง (high-finesse optical cavities) ทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบที่เลือกความถี่ในเซ็นเซอร์สเปกโทรสโกปีที่ใช้สำหรับการวิเคราะห์ลมหายใจและเลือด

History

เครื่องแทรกสอด Fabry-Perot ในทศวรรษ 1890 ได้กลายเป็นต้นแบบของตัวกำทอนแสง เมื่อ Schawlow และ Townes เสนอเลเซอร์แสงในปี 1958 ขั้นตอนสำคัญที่เหนือกว่าเมเซอร์คือการใช้โพรงกระจกแบบเปิดดังกล่าวเพื่อให้การป้อนกลับและเลือกโหมดที่ความยาวคลื่นแสง

Key figures

• Charles Fabry
• Alfred Perot
• Arthur L. Schawlow

Seminal works

• siegman1986
• salehteich2019

Frequently asked questions

อะไรเป็นตัวกำหนดระยะห่างระหว่างโหมดตามยาวของเลเซอร์?

ระยะห่างในความถี่เท่ากับความเร็วแสงหารด้วยสองเท่าของความยาวโพรงแสง ดังนั้นโพรงที่ยาวกว่าจะมีโหมดที่อยู่ใกล้กันมากขึ้น

เหตุใดโพรงเลเซอร์จึงต้องมีความเสถียร?

ในตัวกำทอนที่เสถียร รังสีจะสะท้อนไปมาโดยไม่หลุดออกจากกระจก ทำให้โหมดที่ถูกกักเก็บสามารถก่อตัวขึ้นได้; โพรงที่ไม่เสถียรจะปล่อยให้แสงหลุดออกไปหลังจากผ่านไปไม่กี่ครั้ง เว้นแต่ว่าการสูญเสียนั้นจะถูกนำมาใช้ประโยชน์โดยเจตนาสำหรับการออกแบบที่มีกำลังสูง