[科普中国]-共振腔

共振腔（resonant cavity），通常可称为共振腔或光学腔。是运用在激光器中的光学反馈结构，它是为辐射能在整个增益介质中重复运转，并为建立共振、相干光场，所必须具备的一种光学结构。在最简单的情况下，光学腔可由两块镜面所组成，其结构类似于Fabry．Perot干涉仪。

简述基本定义激光器都包含有两种基本的结构组成。一为光学的增益介质，它可通过受激发射，而实现光的放大；二则是光学的反馈结构，它是为辐射能在整个增益介质中重复运转，并为建立共振、相干光场，所必须具备的一种光学结构。通常可称为共振腔或光学腔。在最简单的情况下，光学腔可由两块镜面所组成，其结构类似于Fabry．Perot干涉仪1。

这种类似于Fabry．Perot干涉仪的共振腔，最早是由Cavendish实验室的Tessler所提出。这是一种将100 nm厚的高分子薄膜，放置于两个镜面间的装置，其中的一个镜面可全部反射，而另一个则为可部分输出的反射镜。由这种方式所构成的类似于三明治结构的器件，其光泵吸收和增益二者都可达到较高的程度。但由于腔体很薄，因而所得激光功率不高1。

Fabry—Perot型共振腔Fabry—Perot型的共振腔是线性光学腔中最简单的一种。其中的两个镜面间距，可支持一个驻波光场。第二种简单光学腔的构型是所谓光学的环状共振器。在这种体系中，光可在三个或更多个镜面所组成的环状体系内，作行波般的封闭流动。对于这种基本的光学腔体，可有多种不同的布置方式。但所有这些布置，最终都将在振荡激光器的两个基本性质上表现出来，第一为器件所定义的允许共振频率(它被强制地处于增益介质的发射光谱范围之内)，以及由此确定的激光波长；第二则为器件所确定的从共振腔输出激光光束的空间特征1。

这种激光器所确定的光的特征，来自激光场的基本边界条件：即激光光场在光学腔内往返的振幅和相位等，应保持不变。 这一要求会导致给定的激光共振腔，出现一组互不连续的共振频率，而其中的任一频率，均应为激光在光学腔内往返一次的频率或波长的整数倍。激光腔还可调节激光器的功率特征，并对振荡阈值以及输出效率等有所影响。为实现激光器的持续振荡，光在腔内的每次传播中，其增益介质的放大必须(至少)要与光学损耗相平衡1。

作用共振腔对激光器输出性能，包括激光能量、激光光子简并度等有重要影响。激光器的共振腔起的作用主要有两个：

提供光学反馈回路，不断增强受激发射强度，直至发生激光振荡，形成激光输出。

限制波型数，使少数几个波型的光子衰减率小于其他波型。从而使激光振荡或者受激发射仅仅在这少数几个波型中发生，造就了激光器输出的辐射具有很高光子简并度2。

共振腔的研究研究内容①设计新腔结构，除了平行平面腔外，设计了球面腔、共焦腔以及外腔等新型共振腔。

②根据激光器设计要求，选择共振腔反射镜合适的反射率以及输；H反射镜合适的透过率，使激光器能够输出最大的激光功率；提高蒸镀在反射镜表面的反射膜质量，使其反射率很高，而光学吸收率很低，并且抗激光损伤能力强等2。

改进方法1．降低共振腔内光学损耗。
2．采用外腔结构2。

共振腔与量子效率虽然我们通过能够粒子数反转将光强放大，但如果光子只在增益腔中通过一次，得到的增益相当小，大多数自发发射的光子的相位与方向并不统一，对激光输出并没有贡献。为了成功地发射激光，我们需要一个正反馈机制，能够使多数原子都对相干输出做出贡献。这个正反馈机制就是共振腔（或Fabry Perot腔），即一个镜子系统。最简单的共振腔就是在激光介质两端各旋转一面镜子，可以将不相干的光子反射回去，一则对相位和方向调整到平行于激光介质有轴向，二则再进行放大。对激光介质不断加泵，使其在激光波长上实现粒子数反转。激发原子产生的多数光子是偏离轴向的，不能再激发所遇到的原子并发射光子。这些离轴光子到达端部时，会被反射回激光介质，也有机会激发其他原子。通过同轴光子的反复反射，能够激发越来越多的原子，自发发射不断减少，受激发射占了支配地位，就产生了激光3。

如果在介质中的增益大于损失，往复运动的光功率会指数上升。但每个受激发射事件将使一个原子从受激态回到基态，从而降低了介质的增益。如果施加的泵功率太低，增益将永远不足以克服共振器损失，不会产生激光。使激光器工作的最低泵功率称作激光阈值。一旦高于这个阈值，增益介质就会放大任何通过的光子。低于阈值时，光发射功率很弱，主要来源是载荷子的自发复合，即自发发射，就像LED中的一样。超过阈值后，输出功率随电流线性增加。将阈值后的曲线外推到零功率就定义了阈值电流。曲线斜率（阈值以上）除以驱动电压V，即为微分电-光转化效率（又称斜率效率或量子效率），一般在50%~80%3。

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学