Sandbox Physics

激光物理 · 受激辐射

Laser Resonant Cavity

两面反射镜筛选纵模，增益介质补偿每次往返的损耗。驻波、往返相位、增益曲线和允许纵模在同一画面中同步变化。

最近纵模

m

12

往返失谐0.00 rad

阈值

g_{\mathrm{th}}L

1.00

腔内功率0.0 a.u.

谐振腔状态正在建立

先抓重点

核心问题: 为什么腔长满足整数半波条件仍可能没有激光，而泵浦很强也可能因失谐无法建立腔内场？
一句话直觉: 相位条件回答“哪一个模式能回来同相相加”，阈值条件回答“每次往返后这个模式是增长还是衰减”。两者必须同时满足。

核心数学模型

纵模条件

2L=m\lambda,\qquad \nu_m=\frac{mc}{2L}

镜间往返必须积累整数个 $2\pi$ 相位，允许频率间隔为自由光谱范围 $c/(2L)$ 。

往返阈值

e^{2gL}R_1R_2\ge 1

增益补偿两面镜和腔内损耗后，光场才不会逐次衰减；饱和最终限制稳定功率。

常见难点

共振不等于激光振荡

容易误解只要 $2L=m\lambda$ ，腔中一定出现强激光。

正确理解无足够反转粒子数时，腔只是一只被动 Fabry–Pérot 滤波器，场仍会衰减。

驻波不是静止不动的光

容易误解驻波图形不平移，所以能量没有传播。

正确理解驻波由相反方向的行波叠加；输出耦合镜仍让一部分能量形成向外传播的激光束。

动手实验

01
隔离阈值条件
选择“精确共振”，把泵浦慢慢从 1 以下升到 1 以上。
应该观察到： 纵模位置不变，但腔内功率只在越过阈值后明显建立。
02
隔离相位条件
保持泵浦高于阈值，连续微调腔长。
应该观察到： 离开整数半波条件后，往返相位失配使功率快速下降。
03
改变反射率
提高镜面反射率并观察共振峰。
应该观察到： 光子寿命和腔内增强提高，同时共振允许范围变窄，对失谐更敏感。