共振腔

共振腔（resonant cavity），通常可稱為共振腔或光學腔。是運用在雷射器中的光學反饋結構，它是為輻射能在整個增益介質中重複運轉，並為建立共振、相干光場，所必須具備的一種光學結構。在最簡單的情況下，光學腔可由兩塊鏡面所組成，其結構類似於Fabry．Perot干涉儀。

基本介紹

• 中文名：共振腔
• 外文名：resonant cavity
• 屬於：天文學專有名詞
• 審定發布：中國天文學名詞審定委員會
• 別名：光學腔/諧振腔

簡述

基本定義

雷射器都包含有兩種基本的結構組成。一為光學的增益介質，它可通過受激發射，而實現光的放大；二則是光學的反饋結構，它是為輻射能在整個增益介質中重複運轉，並為建立共振、相干光場，所必須具備的一種光學結構。通常可稱為共振腔或光學腔。在最簡單的情況下，光學腔可由兩塊鏡面所組成，其結構類似於Fabry．Perot干涉儀。

這種類似於Fabry．Perot干涉儀的共振腔，最早是由Cavendish實驗室的Tessler所提出。這是一種將100 nm厚的高分子薄膜，放置於兩個鏡面間的裝置，其中的一個鏡面可全部反射，而另一個則為可部分輸出的反射鏡。由這種方式所構成的類似於三明治結構的器件，其光泵吸收和增益二者都可達到較高的程度。但由於腔體很薄，因而所得雷射功率不高。

Fabry—Perot型共振腔

Fabry—Perot型的共振腔是線性光學腔中最簡單的一種。其中的兩個鏡面間距，可支持一個駐波光場。第二種簡單光學腔的構型是所謂光學的環狀共振器。在這種體系中，光可在三個或更多個鏡面所組成的環狀體系內，作行波般的封閉流動。對於這種基本的光學腔體，可有多種不同的布置方式。但所有這些布置，最終都將在振盪雷射器的兩個基本性質上表現出來，第一為器件所定義的允許共振頻率(它被強制地處於增益介質的發射光譜範圍之內)，以及由此確定的雷射波長；第二則為器件所確定的從共振腔輸出雷射光束的空間特徵。

這種雷射器所確定的光的特徵，來自雷射場的基本邊界條件：即雷射光場在光學腔內往返的振幅和相位等，應保持不變。 這一要求會導致給定的雷射共振腔，出現一組互不連續的共振頻率，而其中的任一頻率，均應為雷射在光學腔內往返一次的頻率或波長的整數倍。雷射腔還可調節雷射器的功率特徵，並對振盪閾值以及輸出效率等有所影響。為實現雷射器的持續振盪，光在腔內的每次傳播中，其增益介質的放大必須(至少)要與光學損耗相平衡。

作用

共振腔對雷射器輸出性能，包括雷射能量、雷射光子簡併度等有重要影響。雷射器的共振腔起的作用主要有兩個：

1. 提供光學反饋迴路，不斷增強受激發射強度，直至發生雷射振盪，形成雷射輸出。
2. 限制波型數，使少數幾個波型的光子衰減率小於其他波型。從而使雷射振盪或者受激發射僅僅在這少數幾個波型中發生，造就了雷射器輸出的輻射具有很高光子簡併度。

共振腔的研究

研究內容

①設計新腔結構，除了平行平面腔外，設計了球面腔、共焦腔以及外腔等新型共振腔。

②根據雷射器設計要求，選擇共振腔反射鏡合適的反射率以及輸；H反射鏡合適的透過率，使雷射器能夠輸出最大的雷射功率；提高蒸鍍在反射鏡表面的反射膜質量，使其反射率很高，而光學吸收率很低，並且抗雷射損傷能力強等。

改進方法

1．降低共振腔內光學損耗。
2．採用外腔結構。

共振腔與量子效率

雖然我們通過能夠粒子數反轉將光強放大，但如果光子只在增益腔中通過一次，得到的增益相當小，大多數自發發射的光子的相位與方向並不統一，對雷射輸出並沒有貢獻。為了成功地發射雷射，我們需要一個正反饋機制，能夠使多數原子都對相干輸出做出貢獻。這個正反饋機制就是共振腔（或Fabry Perot腔），即一個鏡子系統。最簡單的共振腔就是在雷射介質兩端各旋轉一面鏡子，可以將不相干的光子反射回去，一則對相位和方向調整到平行於雷射介質有軸向，二則再進行放大。對雷射介質不斷加泵，使其在雷射波長上實現粒子數反轉。激發原子產生的多數光子是偏離軸向的，不能再激發所遇到的原子並發射光子。這些離軸光子到達端部時，會被反射回雷射介質，也有機會激發其他原子。通過同軸光子的反覆反射，能夠激發越來越多的原子，自發發射不斷減少，受激發射占了支配地位，就產生了雷射。

如果在介質中的增益大於損失，往復運動的光功率會指數上升。但每個受激發射事件將使一個原子從受激態回到基態，從而降低了介質的增益。如果施加的泵功率太低，增益將永遠不足以克服共振器損失，不會產生雷射。使雷射器工作的最低泵功率稱作雷射閾值。一旦高於這個閾值，增益介質就會放大任何通過的光子。低於閾值時，光發射功率很弱，主要來源是載荷子的自發複合，即自發發射，就像LED中的一樣。超過閾值後，輸出功率隨電流線性增加。將閾值後的曲線外推到零功率就定義了閾值電流。曲線斜率（閾值以上）除以驅動電壓V，即為微分電-光轉化效率（又稱斜率效率或量子效率），一般在50%~80%。