光学谐振腔和谐振腔模式

光学谐振腔将光限制在反射镜之间，支持离散的纵向和横向模式，这些模式决定了激光器的光谱和光束。

Definition

一种由反射镜组成的装置，将光限制在驻波或循环波中，支持一组离散的共振纵向和横向模式，这些模式以其频率、空间分布和损耗为特征。

Scope

本主题涵盖了在激光器中提供反馈并充当光谱滤波器的光学谐振腔。它包括法布里-珀罗谐振腔和共焦谐振腔、由往返相位条件决定的纵向模式及其间距、横向模式及其高斯和厄米-高斯分布、双镜腔的稳定性条件、品质因数和光子寿命、精细度和自由光谱范围，以及谐振腔损耗与激光线宽之间的关系。它解释了谐振腔如何决定哪些频率和空间模式会发生振荡。

Core questions

• 在给定谐振腔中，哪些频率和空间模式可以共振？
• 什么条件能使双镜谐振腔稳定？
• 精细度、品质因数和光子寿命如何表征谐振腔？
• 谐振腔如何选择激光器的纵向和横向模式？

Key concepts

• 法布里-珀罗谐振腔
• 纵向模式
• 横向模式
• 自由光谱范围
• 精细度
• 品质因数
• 腔体稳定性条件
• 光子寿命

Key theories

纵向模式和共振条件

只有往返光程是波长整数倍的波长才能共振，从而形成一系列纵向模式，其间距由腔长决定。

横向模式和腔体稳定性

横向场形成高斯和高阶厄米-高斯或拉盖尔-高斯模式；只有当双镜腔的反射镜曲率和间距满足谐振腔稳定性条件时，它才能支持稳定的受限模式。

Clinical relevance

谐振腔设计决定了医疗和诊断激光器的波长、线宽和光束质量，而高精细度光学谐振腔则作为用于呼吸和血液分析的光谱传感器中的频率选择元件。

History

19世纪90年代的法布里-珀罗干涉仪成为光学谐振腔的原型。当肖洛和汤斯于1958年提出光学激光器时，超越微波激射器的关键一步是使用这种开放式反射镜腔来提供反馈并选择光学波长下的模式。

Key figures

• Charles Fabry
• Alfred Perot
• Arthur L. Schawlow

Seminal works

• siegman1986
• salehteich2019

Frequently asked questions

什么决定了激光器纵向模式之间的间距？

频率间距等于光速除以两倍的光学腔长，因此腔长越长，模式间距越密。

为什么激光腔必须稳定？

在稳定的谐振腔中，光线来回反射而不会偏离反射镜，因此可以形成受限模式；不稳定的谐振腔会使光在几次通过后逸出，除非这种损耗被有意用于高功率设计。