광학 공동

광학 공동, 공진 공동 또는 광학 공진기는 광파를 위한 정재파 공동 공진기를 형성하는 미러의 배열입니다.광학 공동은 이득 매체를 둘러싸고 레이저 빛의 피드백을 제공하는 레이저의 주요 구성요소입니다.또한 광학 파라미터 발진기 및 일부 간섭계에도 사용됩니다.공동에 갇힌 빛은 여러 번 반사되어 특정 공진 주파수에 대해 정상파를 생성합니다.생성되는 정상파 패턴을 모드라고 합니다.종방향 모드는 주파수만 다른 반면 횡단 모드는 주파수에 따라 다르며 빔의 단면 전체에 걸쳐 다른 강도 패턴을 가집니다.

광학 캐비티 내에 유리 나노 입자가 현탁되어 있다.

서로 다른 공진기 유형은 두 미러의 초점 거리 및 두 미러 사이의 거리로 구분됩니다.평면 미러는 필요한 정밀도에 맞추기가 어렵기 때문에 자주 사용되지 않습니다.빔이 안정적으로 유지되도록 지오메트리(공진기 유형)를 선택해야 합니다. 즉, 빔의 크기가 다중 반사로 인해 지속적으로 커지지 않습니다.또한 공진기 유형은 최소 빔 웨이스트 또는 캐비티 내부에 초점(따라서 그 지점에서의 강한 빛)이 없는 것과 같은 다른 기준을 충족하도록 설계되었습니다.

광학 공동은 Q계수가 ^[1]크도록 설계되어 있습니다.빔은 감쇠가 거의 없는 매우 많은 횟수를 반사합니다.따라서 빔의 주파수 선폭은 레이저 주파수에 비해 매우 작습니다.

공진기 모드

다양한 곡선의 거울이 있는 2-거울 광학 공동 유형으로, 각 공동 내부의 방사선 패턴을 보여줍니다.

공진기에 갇힌 빛은 거울로부터 여러 번 반사되며, 간섭의 영향으로 인해 공진기에 의해 특정 패턴과 주파수만 유지되고 다른 패턴은 파괴적인 간섭에 의해 억제됩니다.일반적으로 공진기를 통해 빛의 왕복마다 재현되는 방사선 패턴이 가장 안정적이며, 이러한 패턴이 공진기의 ^[2]고유 모드라고 알려져 있습니다.

공진기 모드는 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 즉, 주파수가 서로 다른 종방향 모드와 빛의 강도 패턴이 모두 다를 수 있는 횡방향 모드입니다.공진기의 기본 또는 기본 가로 모드는 가우스 빔입니다.

공진기 타입

가장 일반적인 유형의 광학 구멍은 두 개의 마주보는 평면(평면) 또는 구형 거울로 구성됩니다.이들 중 가장 단순한 것은 평면 평행 또는 Fabry-Péro 공동으로, 마주보는 두 개의 평면 ^[3]^[4]^[5]^[6]^[7]^[8]^[9]거울로 구성됩니다.단순하지만 정렬이 어렵기 때문에 이 배치는 대규모 레이저에서는 거의 사용되지 않습니다.미러는 호로부터 몇 초 이내에 평행하게 정렬해야 합니다.그렇지 않으면 공강 내 빔의 "워크오프"로 인해 캐비티 측면으로부터 유출됩니다.단, 이 문제는 거울의 이격거리(L < 1cm)가 작은 매우 짧은 캐비티에서는 크게 감소합니다.따라서 평면병렬공진기는 마이크로칩 및 마이크로캐비티 레이저 및 반도체 레이저에 일반적으로 사용됩니다.이 경우 별도의 거울을 사용하는 것이 아니라 레이저 매체에 직접 반사광학 코팅을 적용할 수 있다.평면 평행 공진기는 또한 Fabry-Péro 간섭계의 기초가 된다.

곡률₁ R과 R의 반지름을₂ 가진 2개의 미러가 있는 공진기의 경우, 다수의 공통 캐비티 구성이 있습니다.2개의 반경이 캐비티 길이의 절반(R₁ = R₂ = L / 2)이면 동심원 또는 구면 공진기가 된다.이 유형의 공동은 공동 중앙에서 회절 제한 빔 허리가 생성되며, 미러의 빔 직경이 커 미러 구멍 전체를 채웁니다.이와 유사한 것이 반구형 공동이며, 하나의 평면 거울과 하나의 반지름 거울은 공동 길이와 같다.

공통적이고 중요한 설계는 공동 길이에 동일한 반지름을 가진 거울(R₁ = R₂ = L)^[10]^[11]^[12]^[13]^[14]^[15]을 가진 공초점 공진기이다.이 설계는 주어진 캐비티 길이에 대해 캐비티 미러에서 가능한 최소 빔 직경을 생성하며, 가로 모드 패턴의 순도가 중요한 레이저에 자주 사용됩니다.

음의 곡률 반경을 가지는 볼록 미러를 가지는 오목 볼록 캐비티.이 설계는 빔의 초점 내를 생성하지 않기 때문에 초점에 맞추면 초점 내 빛의 강도가 체내 매질을 손상시킬 수 있는 매우 고출력 레이저에서 유용합니다.

구면 공동

액체 방울과 같은 투명한 유전체 구도 흥미로운 광학 공동을 형성한다.1986년 리처드 K. Chang 등은 로다민 6G ^[16]염료를 도핑한 에탄올 마이크로드롭(반경 20~40마이크로미터)을 사용하여 라싱을 시연했다.이 유형의 광학 공동은 구체의 크기나 광학 파장 또는 굴절률이 변화할 때 광학 공명을 나타냅니다.그 공명은 형태학에 의존하는 공명으로 알려져 있다.

안정성.

2-미러 캐비티의 안정성 다이어그램.파란색 음영 영역은 안정적인 구성에 해당합니다.

R, R₂ 및 L에 대한₁ 특정 범위의 값만 안정적인 공진기를 생성하며, 이 경우 공진기 내에서 주기적으로 재초점화가 발생합니다.캐비티가 불안정하면 빔 크기가 무제한으로 커져 결국 캐비티 미러 크기보다 커지고 손실됩니다.광선 전달 행렬 분석과 같은 방법을 사용하여 안정성 ^[17]기준을 계산할 수 있습니다.

\displaystyle 0\leqslant \left(1-{\frac {L}{R_{1}}\right)\leqslant 1.}

부등식을 만족시키는 값은 안정적인 공진기에 해당합니다.

안정성은 각 미러에 대해 안정성 파라미터 g를 정의함으로써 그래픽으로 나타낼 수 있습니다.

g_{1}=1-{\frac {L}{R_{1}}},\qquad g_{2}=1-{\frac {L}{R_{2}}}

1

g_{1}=1-{\frac {L}{R_{1}}},\qquad g_{2}=1-{\frac {L}{R_{2}}}

-

g_{1}=1-{\frac {L}{R_{1}}},\qquad g_{2}=1-{\frac {L}{R_{2}}}

R

g_{1}=1-{\frac {L}{R_{1}}},\qquad g_{2}=1-{\frac {L}{R_{2}}}

,

g_{1}=1-{\frac {L}{R_{1}}},\qquad g_{2}=1-{\frac {L}{R_{2}}}

g_{1}=1-{\frac {L}{R_{1}}},\qquad g_{2}=1-{\frac {L}{R_{2}}}

g_{1}=1-{\frac {L}{R_{1}}},\qquad g_{2}=1-{\frac {L}{R_{2}}}

1 -

g_{1}=1-{\frac {L}{R_{1}}},\qquad g_{2}=1-{\frac {L}{R_{2}}}

R 2

g_{1}=1-{\frac {L}{R_{1}}},\qquad g_{2}=1-{\frac {L}{R_{2}}}

（ \

displaystyle

g _ { 1

} = 1

- { \ frac { L

g_{1}=1-{\frac {L}{R_{1}}},\qquad g_{2}=1-{\frac {L}{R_{2}}}

} { {

R

_ { } } 、 \

qquad

g _ { } =

g_{1}=1-{\frac {L}{R_{1}}},\qquad g_{2}=1-{\frac {L}{R_{2}}}

1 - { \

frac

{

L }

}

g_{1}=1-{\frac {L}{R_{1}}},\qquad g_{2}=1-{\frac {L}{R_{2}}}

、

그리고 그림과 같이 g에 대해₂ g를 표시한다₁.g₂ = 1 선과₁ 축으로 둘러싸인 영역은 안정적입니다.라인상의 정확한 점의 캐비티는 약간 안정되어 있습니다. 캐비티 길이의 작은 변화가 공진기를 불안정하게 만들 수 있기 때문에 이러한 캐비티를 사용하는 레이저는 실제로는 안정성 라인 바로 안에서 동작하는 경우가 많습니다.

간단한 기하학적 문장은 안정성 영역을 설명합니다.공동은 미러와 미러의 곡률 중심 사이의 선분이 겹치는 경우 안정적이지만, 한 부분이 완전히 다른 부분 안에 있는 것은 아닙니다.

공초점 캐비티에서 광선이 캐비티 중앙에서 원래 방향에서 어긋나면 미러 중 하나에서 반사된 후의 변위가 다른 캐비티 설계보다 크다.이는 증폭된 자연방사를 방지하고 빔 품질이 좋은 고출력 증폭기를 설계하는 데 중요합니다.

실용적인 공진기

광학 공동이 비어 있지 않은 경우(예를 들어 이득 매체를 포함하는 레이저 공동), 사용되는 L 값은 물리적 미러 분리가 아니라 미러 간의 광로 길이입니다.캐비티에 배치된 렌즈와 같은 광학 소자는 안정성 및 모드 크기를 변경합니다.또한 대부분의 게인 매체의 경우 열 및 기타 불균일성으로 인해 매체에 가변 렌즈 효과가 발생하며, 이는 레이저 공진기 설계에서 고려해야 합니다.

실용적인 레이저 공진기에는 3개 이상의 미러가 포함될 수 있습니다. 3-미러 및 4-미러 배열이 일반적이므로 "폴딩 캐비티"가 발생합니다.일반적으로 한 쌍의 곡선 거울은 하나 이상의 공초점 단면을 형성하고 나머지 공동은 준시준되며 평면 거울을 사용한다.레이저 빔의 모양은 공진기의 유형에 따라 달라집니다.안정적인 근축 공진기에 의해 생성된 빔은 가우스 빔에 의해 잘 모델링될 수 있습니다.특수한 경우 빔은 단일 가로 모드로 설명될 수 있으며 공간 특성은 가우스 빔 자체에 의해 잘 설명될 수 있습니다.보다 일반적으로, 이 빔은 횡단 모드의 중첩으로 설명될 수 있습니다.이러한 빔에 대한 정확한 설명은 헤르미트 다항식 또는 잉스 다항식과 같은 일부 완전한 직교 함수 집합(2차원 이상)에 대한 확장을 포함합니다.한편 불안정한 레이저 공진기는 프랙탈 형태의 ^[18]빔을 생성하는 것으로 나타났습니다.

일부 내부 요소는 일반적으로 접힌 섹션 사이의 빔 허리에 배치됩니다.예를 들어 캐비티 덤프용 음향광학변조기 및 횡모드 제어를 위한 진공공간필터 등이 있습니다.일부 저전력 레이저의 경우 레이저 이득 매체 자체가 빔 웨이스트에 위치할 수 있다.필터, 프리즘 및 회절 격자와 같은 다른 요소에는 종종 대형 준시준 빔이 필요합니다.

이러한 설계를 통해 캐비티 빔의 난시를 보정할 수 있으며, 캐비티 빔은 캐비티 내 브루스터 절단 요소에 의해 생성됩니다.또한 'Z'자 모양의 캐비티 배열은 혼수 상태를 보상하는 반면 '델타' 또는 'X'자 모양의 캐비티는 보상하지 않습니다.

평면 외 공진기를 사용하면 빔 프로파일이 회전하고 안정성이 향상됩니다.게인 매체에서 발생하는 열은 캐비티의 주파수 드리프트로 이어지므로 빈도를 전원 공급되지 않은 캐비티에 고정함으로써 능동적으로 주파수를 안정화시킬 수 있습니다.마찬가지로 레이저의 포인팅 안정성은 광섬유를 통한 공간 필터링에 의해 향상될 수 있습니다.

얼라인먼트

자동 공진기를^[19] 사용한 접힌 공동 위치 맞추기

광학 공동을 조립할 때는 정확한 정렬이 중요합니다.최상의 출력 전력과 빔 품질을 위해 빔이 이어지는 경로가 각 요소를 통해 중앙에 오도록 광학 요소를 정렬해야 합니다.

단순한 캐비티는 종종 얼라인먼트 레이저와 정렬됩니다. 얼라인먼트레이저는 캐비티의 축을 따라 방향을 잡을 수 있는 잘 시준된 가시 레이저입니다.빔의 경로와 다양한 광학 요소로부터의 반사를 관찰함으로써 소자의 위치와 기울기를 조정할 수 있습니다.

보다 복잡한 캐비티는 전자 자동 공극기나 레이저 빔 프로파일러 등의 장치를 사용하여 정렬할 수 있습니다.

광지연선

광공극은 광빔을 접어서 좁은 공간에서 긴 경로 길이를 달성할 수 있도록 멀티패스 광지연 라인으로도 사용할 수 있습니다.평면 평행 공동과 평면 거울은 평평한 지그재그 광로를 생성하지만 위에서 설명한 바와 같이 이러한 설계는 기계적 장애와 종료에 매우 민감합니다.곡선 미러를 거의 공초점 구성으로 사용할 경우 빔은 원형 지그재그 경로를 따라 이동합니다.후자는 헤리어트형 지연선이라고 불립니다.한쪽 곡면 미러 근방에 고정 삽입 미러를 축외로 배치하고, 다른 한쪽 곡면 미러 근방에 이동식 픽업 미러를 동일하게 배치한다.플랫 미러의 경우 픽업 미러 1개가 있는 플랫 리니어 스테이지, 헤리어트형 지연라인은 미러 2개가 있는 회전 스테이지가 사용된다.

공동 내부 빔의 회전에 따라 빔의 편광 상태가 변경됩니다.이를 보완하려면 선형 스테이지 위에 3d의 각 2d 역반사 구성의 3개 또는 2개의 미러로 구성된 단일 패스 지연 라인도 필요합니다.빔 발산을 조정하기 위해 두 개의 렌즈가 있는 선형 스테이지의 두 번째 차량을 사용할 수 있습니다.두 렌즈는 가상 엔드 미러에서 가우스 빔의 평탄한 위상을 생성하는 망원경 역할을 합니다.

「」를 참조해 주세요.

광학 피드백
다중 프리즘 그레이팅 레이저 발진기(또는 다중 프리즘 그레이팅 레이저 캐비티)
결합 모드 이론
수직 공동 표면 발광 레이저

레퍼런스

^ Paschotta, Rüdiger. "Q Factor". Encyclopedia of Laser Physics and Technology. RP Photonics.
^ Lotsch, H.K.V. (1967). "The scalar theory for optical resonators and beam waveguides". Optik. 26: 112–130.
^ Fox, A.G.; Li, T. (1961). "Resonant modes in a maser interferometer". Bell Syst. Tech. J. 40 (2): 453–488. doi:10.1002/j.1538-7305.1961.tb01625.x.
^ Ismail, N.; Kores, C. C.; Geskus, D.; Pollnau, M. (2016). "Fabry-Pérot resonator: spectral line shapes, generic and related Airy distributions, linewidths, finesses, and performance at low or frequency-dependent reflectivity". Optics Express. 24 (15): 16366–16389. Bibcode:2016OExpr..2416366I. doi:10.1364/OE.24.016366. PMID 27464090.
^ Lotsch, H.K.V. (1968). "The Fabry-Perot resonator Part I". Optik. 28: 65–75.
^ Lotsch, H.K.V. (1969). "The Fabry-Perot resonator Part II". Optik. 28: 328–345.
^ Lotsch, H.K.V. (1969). "The Fabry-Perot resonator. Part III". Optik. 28: 555–574.
^ Lotsch, H.K.V. (1969). "The Fabry-Perot resonator. Part IV". Optik. 29: 130–145.
^ Lotsch, H.K.V. (1969). "The Fabry-Perot resonator Part V". Optik. 29: 622–623.
^ Boyd, G.D.; Gordon, J.P. (1961). "Confocal multimode resonator for millimeter through optical wavelength masers". Bell Syst. Tech. J. 40 (2): 489–508. doi:10.1002/j.1538-7305.1961.tb01626.x.
^ Boyd, G.D.; Kogelnik, H. (1962). "Generalized confocal resonator theory". Bell Syst. Tech. J. 41 (4): 1347–1369. doi:10.1002/j.1538-7305.1962.tb03281.x.
^ Lotsch, H.K.V. (1969). "The confocal resonator system I". Optik. 30: 1–14.
^ Lotsch, H.K.V. (1969). "The confocal resonator system II". Optik. 30: 181–201.
^ Lotsch, H.K.V. (1970). "The confocal resonator system III". Optik. 30: 217–233.
^ Lotsch, H.K.V. (1970). "The confocal resonator system IV". Optik. 30 (6): 563–576.
^ Qian, Shi-Xiong; Snow, Judith B.; Tzeng, Huey-Ming; Chang, Richard K. (1986-01-31). "Lasing Droplets: Highlighting the Liquid-Air Interface by Laser Emission". Science. doi:10.1126/science.231.4737.486.
^ Yariv, Amnon (1989). Quantum Electronics (3rd ed.). Wiley. p. 142. ISBN 0-4716-0997-8.
^ Karman, G. P.; et al. (1999). "Laser optics: Fractal modes in unstable resonators". Nature. 402 (6758): 138. Bibcode:1999Natur.402..138K. doi:10.1038/45960. S2CID 205046813.
^ Aharon. "Metrology System for Inter-Alignment of Lasers, Telescopes, and Mechanical Datum".

추가 정보

케치너, 윌리엄고체 레이저 공학, 2차 교육Springer Verlag(1988)
광학 공동의 이력에 대한 우수한 2부 리뷰:
- Siegman, Anthony E. (2000). "Laser beams and resonators: the 1960s" (PDF). IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 6 (6): 1380–1388. Bibcode:2000IJSTQ...6.1380S. CiteSeerX 10.1.1.205.5688. doi:10.1109/2944.902192. S2CID 15892498. Archived from the original (PDF) on 2007-01-07. Retrieved 2006-08-01.
- Siegman, Anthony E. (2000). "Laser beams and resonators: Beyond the 1960s" (PDF). IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 6 (6): 1389–1399. Bibcode:2000IJSTQ...6.1389S. CiteSeerX 10.1.1.205.5995. doi:10.1109/2944.902193. S2CID 796212. Archived from the original (PDF) on 2007-01-07. Retrieved 2006-08-01.

[1] Paschotta, Rüdiger. "Q Factor". Encyclopedia of Laser Physics and Technology. RP Photonics.

[2] Lotsch, H.K.V. (1967). "The scalar theory for optical resonators and beam waveguides". Optik. 26: 112–130.

[3] Fox, A.G.; Li, T. (1961). "Resonant modes in a maser interferometer". Bell Syst. Tech. J. 40 (2): 453–488. doi:10.1002/j.1538-7305.1961.tb01625.x.

[IsmailPollnau2016-4] Ismail, N.; Kores, C. C.; Geskus, D.; Pollnau, M. (2016). "Fabry-Pérot resonator: spectral line shapes, generic and related Airy distributions, linewidths, finesses, and performance at low or frequency-dependent reflectivity". Optics Express. 24 (15): 16366–16389. Bibcode:2016OExpr..2416366I. doi:10.1364/OE.24.016366. PMID 27464090.

[Lotsch_1969_65-5] Lotsch, H.K.V. (1968). "The Fabry-Perot resonator Part I". Optik. 28: 65–75.

[Lotsch_1969_328-6] Lotsch, H.K.V. (1969). "The Fabry-Perot resonator Part II". Optik. 28: 328–345.

[Lotsch_1969_555-7] Lotsch, H.K.V. (1969). "The Fabry-Perot resonator. Part III". Optik. 28: 555–574.

[Lotsch_1969_130-8] Lotsch, H.K.V. (1969). "The Fabry-Perot resonator. Part IV". Optik. 29: 130–145.

[9] Lotsch, H.K.V. (1969). "The Fabry-Perot resonator Part V". Optik. 29: 622–623.

[10] Boyd, G.D.; Gordon, J.P. (1961). "Confocal multimode resonator for millimeter through optical wavelength masers". Bell Syst. Tech. J. 40 (2): 489–508. doi:10.1002/j.1538-7305.1961.tb01626.x.

[11] Boyd, G.D.; Kogelnik, H. (1962). "Generalized confocal resonator theory". Bell Syst. Tech. J. 41 (4): 1347–1369. doi:10.1002/j.1538-7305.1962.tb03281.x.

[Lotsch_1969_1-12] Lotsch, H.K.V. (1969). "The confocal resonator system I". Optik. 30: 1–14.

[Lotsch_1969_181-13] Lotsch, H.K.V. (1969). "The confocal resonator system II". Optik. 30: 181–201.

[Lotsch_1970_217-14] Lotsch, H.K.V. (1970). "The confocal resonator system III". Optik. 30: 217–233.

[Lotsch_1970_563-15] Lotsch, H.K.V. (1970). "The confocal resonator system IV". Optik. 30 (6): 563–576.

[16] Qian, Shi-Xiong; Snow, Judith B.; Tzeng, Huey-Ming; Chang, Richard K. (1986-01-31). "Lasing Droplets: Highlighting the Liquid-Air Interface by Laser Emission". Science. doi:10.1126/science.231.4737.486.

[17] Yariv, Amnon (1989). Quantum Electronics (3rd ed.). Wiley. p. 142. ISBN 0-4716-0997-8.

[18] Karman, G. P.; et al. (1999). "Laser optics: Fractal modes in unstable resonators". Nature. 402 (6758): 138. Bibcode:1999Natur.402..138K. doi:10.1038/45960. S2CID 205046813.

[19] Aharon. "Metrology System for Inter-Alignment of Lasers, Telescopes, and Mechanical Datum".

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

권한 관리
국립도서관	프랑스. (데이터) 독일. 이스라엘 미국
다른.	SUDOC(프랑스) 1

v t 레이저
레이저 기사 목록 레이저 타입 리스트 레이저 응용 프로그램 목록 레이저 줄임말
레이저의 종류	이산화탄소 레이저 화학 레이저 색소 레이저 Er: YAG 레이저 엑시머 레이저 자유 전자 레이저 헬륨 네온 레이저 이온 레이저 레이저 다이오드 액정 레이저 Nd: YAG 레이저 질소 레이저 라만 레이저 Ti-sapshire 레이저 X선 레이저
레이저 물리학	활성 레이저 매체 증폭된 자연 방출 연속파 도플러 냉각 레이저 절제 레이저 냉각 레이저 선폭 레이싱 임계값 자기 광학 트랩 광학 핀셋 모집단 반전 해결된 사이드밴드 냉각 초단파 펄스
레이저 광학	비임 익스팬더 빔 균질화기 B 적분 차프 펄스 증폭 게인 스위칭 가우스 빔 주입식 시드러 레이저광 프로파일러 M 제곱 모드 잠금 다중 프리즘 그레이팅 레이저 발진기 멀티호톤 펄스 내 간섭 페이즈 스캔 광증폭기 광학 공동 광 아이솔레이터 출력 커플러 Q 스위칭 라만 증폭 회생 증폭
카테고리

Search

광학 공동

네임스페이스

더

목차

공진기 모드

공진기 타입

구면 공동

안정성.

실용적인 공진기

얼라인먼트

광지연선

「」를 참조해 주세요.

레퍼런스

추가 정보

Search

광학 공동

공진기 모드

공진기 타입

구면 공동

안정성.

실용적인 공진기

얼라인먼트

광지연선

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

추가 정보

「」를 참조해 주세요.