Bộ cộng hưởng quang học và các mode hốc

Bộ cộng hưởng quang học giới hạn ánh sáng giữa các gương, hỗ trợ các mode dọc và ngang rời rạc định hình phổ và chùm tia của laser.

Definition

Một sự sắp xếp các gương bẫy ánh sáng trong sóng đứng hoặc sóng tuần hoàn, hỗ trợ một tập hợp rời rạc các mode dọc và ngang cộng hưởng được đặc trưng bởi tần số, cấu hình không gian và tổn thất của chúng.

Scope

Chủ đề này bao gồm các hốc quang học cung cấp phản hồi trong laser và hoạt động như các bộ lọc phổ. Nó bao gồm các bộ cộng hưởng Fabry-Perot và đồng tiêu, các mode dọc được thiết lập bởi điều kiện pha khứ hồi và khoảng cách của chúng, các mode ngang và các cấu hình Gaussian và Hermite-Gaussian của chúng, điều kiện ổn định cho các hốc hai gương, yếu tố chất lượng và thời gian sống của photon, độ tinh xảo và dải phổ tự do, và mối quan hệ giữa tổn thất bộ cộng hưởng và độ rộng vạch laser. Nó giải thích cách hốc xác định tần số và các mẫu không gian dao động.

Core questions

• Tần số và các mẫu không gian nào có thể cộng hưởng trong một hốc nhất định?
• Những điều kiện nào làm cho bộ cộng hưởng hai gương ổn định?
• Độ tinh xảo, yếu tố chất lượng và thời gian sống của photon đặc trưng cho bộ cộng hưởng như thế nào?
• Bộ cộng hưởng chọn các mode dọc và ngang của laser như thế nào?

Key concepts

• Bộ cộng hưởng Fabry-Perot
• các mode dọc
• các mode ngang
• dải phổ tự do
• độ tinh xảo
• yếu tố chất lượng
• điều kiện ổn định hốc
• thời gian sống của photon

Key theories

Các mode dọc và điều kiện cộng hưởng

Chỉ những bước sóng mà đường quang khứ hồi là một số nguyên lần bước sóng mới cộng hưởng, tạo ra một dải các mode dọc có khoảng cách được thiết lập bởi chiều dài hốc.

Các mode ngang và sự ổn định của hốc

Trường ngang tạo thành các mode Gaussian và Hermite- hoặc Laguerre-Gaussian bậc cao hơn; một hốc hai gương chỉ hỗ trợ các mode bị giới hạn ổn định khi độ cong gương và khoảng cách của nó thỏa mãn điều kiện ổn định của bộ cộng hưởng.

Clinical relevance

Thiết kế bộ cộng hưởng cố định bước sóng, độ rộng vạch và chất lượng chùm tia của laser y tế và chẩn đoán, và các hốc quang học có độ tinh xảo cao đóng vai trò là các yếu tố chọn lọc tần số trong các cảm biến quang phổ được sử dụng để phân tích hơi thở và máu.

History

Giao thoa kế Fabry-Perot của những năm 1890 đã trở thành nguyên mẫu của bộ cộng hưởng quang học. Khi Schawlow và Townes đề xuất laser quang học vào năm 1958, bước quan trọng vượt ra ngoài maser là sử dụng một hốc gương mở như vậy để cung cấp phản hồi và chọn các mode ở bước sóng quang học.

Key figures

• Charles Fabry
• Alfred Perot
• Arthur L. Schawlow

Seminal works

• siegman1986
• salehteich2019

Frequently asked questions

Điều gì thiết lập khoảng cách giữa các mode dọc của laser?

Khoảng cách về tần số bằng tốc độ ánh sáng chia cho hai lần chiều dài hốc quang học, do đó các hốc dài hơn có các mode cách nhau gần hơn.

Tại sao hốc laser phải ổn định?

Trong một bộ cộng hưởng ổn định, một tia phản xạ qua lại mà không đi chệch khỏi gương, do đó một mode bị giới hạn có thể hình thành; một hốc không ổn định cho phép ánh sáng thoát ra sau một vài lần truyền trừ khi tổn thất đó được khai thác một cách có chủ ý cho các thiết kế công suất cao.