光学谐振腔 基本概念 光学谐振腔是一种由两个或更多反射镜组成的结构，用于将光线限制在特定区域内往返传播，形成稳定的光场分布。最简单的光学谐振腔由两个平行放置的反射镜构成（如法布里-珀罗腔），其中至少一个反射镜部分透光，允许光输入或输出。谐振腔的主要功能是提供光学反馈，使特定频率的光波在腔内发生相长干涉，从而增强光场或产生激光。 谐振条件与纵模 光波在谐振腔内往返一次后，其相位必须与原始波相差 \(2\pi\) 的整数倍，才能发生相长干涉。这一条件称为谐振条件，数学表示为： \[ 2nL = m\lambda \] 其中 \(n\) 为腔内介质折射率，\(L\) 为腔长，\(m\) 为正整数，\(\lambda\) 为波长。满足该条件的波长称为谐振腔的纵模（轴向模），相邻纵模的频率间隔为： \[ \Delta \nu = \frac{c}{2nL} \] 其中 \(c\) 为光速。腔长越长，纵模间隔越小。 横模与光场分布 除了纵模，谐振腔内还存在横模，表示垂直于传播方向的光场横向分布。横模由腔镜的曲率半径和腔结构决定，常见模式如基模（高斯光束）和高阶模（如厄米-高斯模或拉盖尔-高斯模），通常用 \(\text{TEM}_ {pq}\) 表示（\(p, q\) 为横模指数）。横模分布影响光束的空间形状和发散角。 品质因数（Q值）与损耗 谐振腔的品质因数 \(Q\) 衡量其储能能力与能量损耗的比值，定义为： \[ Q = 2\pi \nu_ 0 \frac{\text{腔内存储能量}}{\text{每周期损耗能量}} \] 损耗来源包括：镜面透射损耗（用于输出）、散射、吸收，以及衍射损耗（由腔镜尺寸与曲率引起）。高 \(Q\) 值腔对应低损耗和窄线宽，常见于精密光谱学或激光器。 常见类型与应用 稳定腔与非稳腔 ：稳定腔（如共焦腔）中光线往返后始终局限于腔轴附近，适用于多数激光器；非稳腔中光线逐渐偏离，但可通过设计实现大模体积输出，常用于高功率激光。 环形腔 ：光路呈环形，常用于光学陀螺和某些激光器。 微腔 ：尺寸接近光波长的微型谐振腔（如微球腔、光子晶体腔），具有极高 \(Q\) 值，用于传感和量子光学。 在激光器中的作用 在激光器中，谐振腔与增益介质结合：受激辐射的光在腔内往返放大，只有满足谐振条件的频率被增强，最终形成方向性好、单色性高的激光输出。通过调节腔长或插入频率选择元件，可实现单纵模输出。