浅谈光学谐振腔
摘要：光学谐振腔是激光器的基本组成部分之一,是用来加强输出激光的亮度, 调节和选定激光的波长和方向的装置，从真空紫外到远红外的绝大部分激光系统都使用了光学谐振腔。要使激光满足更高的要求研究谐振腔，设计谐振腔是关键。 关键词：激光，谐振腔，谐振腔稳定性条件，谐振腔特性,谐振腔损耗，微腔；
自1960年世界第一台红宝石固态激光器问世以来，作为一种新光源，激光器具有方向性、亮度高、单色性和相干性好的特点，称为激光的四性。产生激光的三个必要条件：1.工作物质； 2. 激励能源；3. 光学谐振腔。[3]
光学谐振腔（经常简称为“谐振腔”）是激光器的重要组成部分，它的主要作用有两个方面：①提供轴向光波的光学正反馈；②控制振荡模式的特性。激光器所采用的谐振腔，都属于“开放式谐振腔”。本文主要介绍谐振腔及其特性和光学谐振腔的模式，最后对光学谐振腔的发展做一定简介。
1、光学谐振腔的发展
在激光技术发展历史上最早提出的是所谓平行平面腔，它由两块平行平面反射镜组成。这种装置在光学上称为法布里-珀罗干涉仪，简记为F-P腔。随着激光技术的发展，以后又广泛采用由两块具有公共轴线的球面镜构成的谐振腔，称为共轴球面腔；其中一个反射镜为(或两个都为)平面的腔是这类腔的特例。由两个以上的反射镜构成谐振腔的情况也是常见的，折叠腔和环形腔就是这类谐振腔。只有具有一定的振荡频率和一定的空间分布的特定光束能够在腔内形成“自再现”振荡。在激光技术的术语中，通常将光学谐振腔内可能存在的这种特定光束称为腔的模式。不同的谐振腔具有不同的模式，因此选择不同的谐振腔就可以获得不同的输出光束形式。
2、谐振腔特性
2.1光学谐振腔的功能
光学谐振腔的功能有两个。
（1）提供光学正反馈作用，在腔内建立并维持激光振荡过程。激光器内的受激辐射过程通常具有自激振荡的特点，激活物质的自发辐射，在腔内多次通过处于粒子数反转状态的激活物质，从而不断地受到受激辐射的放大，这就是谐振腔的正反馈作用。它使振荡光束在腔内每运行一次，就获得足够的光增益，以克服腔内的各种光损耗和输出光损耗，形成持续的相干振荡。用光子的概念来说，就是保证振荡光子在腔内有足够长的寿命。腔的这个光学正反馈作用，决定于组成腔的两个镜面的反射率、几何形状和它们的组合方式。
（2）产生对实际振荡光束的限制作用，即波型限制作用。从几何光学考虑，
只有在一定方向范围内或沿一定光路范围行进的光，才可能在腔内往返足够多的次数。并且，由于多光束干涉效应，沿给定光路或给定方向行进的光束，只有波长或频率满足多光束相长干涉条件的光波，才有可能形成有效的持续振荡。这限制了振荡光束的方向和频率，即限制了振荡波型（模式）。
简言之，学谐振腔的作用有：①提供反馈能量，②选择光波的方向和频率
2.2谐振腔的构成
光学谐振腔由两个或两个以上光学反射镜面组成。反射镜可以是平面镜或球面镜，置于激光工作物质两端。两块反射镜之间的距离为腔长。其中一个镜面反射率接近100％，称为全反镜；另一个镜面反射率稍低些，激光由此镜输出，故称输出镜，两者有时也分别称为高反镜和低反镜。如下图所示。[1]
2.3 谐振腔的分类及比较
光学谐振腔按其稳定性可分为稳定腔、非稳定腔和临界腔；按组成谐振腔的两块反射镜的形状，可将激光谐振腔区分为：平行平面腔，平凹腔，凹凹腔，凸凹腔等；而按照反射镜的排列方式可以划分为直腔和折叠腔。如果光线在谐振腔内能够往返任意次而不会横向逸出腔外，这样的谐振腔就称为稳定谐振腔，简称稳定腔；如果光线经过若干次反射后离开腔体，则这样的谐振腔腔称为非稳定腔；稳定性介于稳定腔和非稳定腔之间的光学谐振腔就是临界腔[9]。
稳定腔的波形限制能力比较弱，激光束发散角大，但是损耗较小，调整精度要求低，主要适用于一般的低增益激光器和比较长的折叠腔系统。非稳定腔的波形限制能力很强，具有大的可控模体积和可控的衍射耦合输出，输出光束发散角小，但是损耗比较大，适用于高增益激光器系统。而临界腔的波形限制能力比较强，可获得发散角小，光场均匀性又比较好的输出光束，适用于各种类型的激光器系统[10]。
一般来说，激光器最简单的腔型结构是直腔，其结构图如图1.2.1所示。该光学谐振腔由两块平凹镜组成，能够比较容易形成稳定腔。随着激光技术的发展，要 想在这种直腔内加入调Q、选频、倍频晶体，以实现大功率的非线性倍频激光输出时，是很难做到的。因此直腔的应用有比较大的局限性，而正是由于直腔的这种局限性催生了折叠腔。折叠腔最少由三块镜面组成。常用的折叠腔可以分为两类，一类是三镜折叠腔，也称为V型腔，如图1.2.2所示；另一类是四境的折叠腔，
也称为Z型腔，如图1.2.3所示。
图1.2.1 直腔腔型图 图1.2.2 V型折叠腔腔型图
图1.2.3 Z型折叠腔腔型图
折叠腔是由H.W.Logelnik于l972年在研究染料激光器时首次提出的。他将激光介质放在有较小光腰的折叠臂处，而长臂内放置其他一些光学元件。这样一方面保证了激光介质处光斑半径较小，另一方面又突破了腔长的限制。与直腔相比, 折叠腔更利于获得热稳定运转。
不同类型的谐振腔有着各自不同的特点。传统直腔激光器的谐振腔易于调整，比较稳定，且有较小的体积，更有利于形成整机，适合产品化，但是光束质量较差。三镜折叠腔存在两个光腰，激光晶体和倍频晶体可分别放在两个光腰处，提高了倍频效率；这种腔型的另一优点是基频光和倍频光分开，减少了激光晶体对倍频光的吸收，并且这种腔型实现了腔内双通倍频，即基频光两次通过倍频晶体再输出，使倍频效率有所提高。四镜折叠腔还可以做成行波腔，利用这种谐振腔，通过在谐振腔中插入光学单向器使激光器单向运转，可以实现精密的选模，从而达到理想的频率稳定性；这种腔型的固体激光器具有激光束质量好、噪声低等优点，而且克服了驻波腔存在的空间烧孔效应
[11]
2.4谐振腔的稳定条件
用几何光学方法分析谐振腔的实质是研究光线在腔内往复反射的过程。轴模(即近轴光线)在腔内往返无限多次不逸出腔外的条件, 即近轴光线几何光学损耗为零, 其数学表达式为：0≤g1g2≤1。（g参数的定义：g1=1-[1] LL,g2=1-）R1R2
2.5谐振腔的损耗
光在传播过程中因为各种原因产生的光强衰减称为损耗。损耗是评价谐振腔质量的一个重要指标，它决定了激光振荡的阈值和激光的输出能量。产生损耗的物理因素很多，对开放式谐振腔而言，损耗机理可大致归结为四个方面：(1) 几何损耗(2)衍射损耗(3) )输出腔镜的透射损耗(4) 非激活吸收、散射等其他损耗。[8]
2.6谐振腔的模式
在谐振腔中，反射镜将光束限制在有限空间里，腔内光（电磁场）场分布为一系列本征态；即只有满足特定条件的光场都可以在腔内稳定存在。这些分布称为光学谐振腔的模式，这是本章一个重要概念。不同的模式对应于不同的场分布和共振频率，谐振腔内光场的分布可以由纵模和横模来描述。[5]
3.光学微腔 光学微腔是一种尺寸在微米量级或者亚微米量级的光学谐振腔，它利用在折射率不连续的界面上的反射、全反射、散射或者衍射等效应，将光限制在一个很小的区域。基于回音壁模式( Whispering Gallery Mode，简称WGM[12])的光学微腔成为了近年来研究的热点。光学谐振腔是一个重要的光学器件,它在光通讯器件、光纤传感等领域里得到了广泛的应用,同时也是激光器的重要组成部分。所以具有高集成度的微纳米光学谐振腔器件必将成为一个研究的热点。
总结
经过半个多世纪的探索和深入研究，光学谐振腔的研究与设计不断取得了突破，从激光的问世使得各个领域得到空前的发展，微腔的出现使信息、通信技术突破了瓶颈。此技术在科研和生产生活中得到了广泛的应用，从最初的物理学研究领域很快渗透到包括化学、生物学、地质学、医疗、通信保健在内的各种学科之中，并在使用过程促进了相关学科的飞速发展。
简要了解谐振腔的基本特性，才能知道其优缺点，并可对其进行合理选择和设计，可展望其未来的发展趋势，所以理应对谐振腔的研究重视。
参考文献
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