共振腔（Resonator）

共振腔（Resonator）
台中縣縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

所謂共振腔是指特定波長的波在長度固定的腔體內共振。因為腔體的兩端是共振的節點，所以波共振時，腔體長度必須為半波長的整數倍。當波動為電磁波時，稱為光學共振腔。

共振腔是雷射的三個組成之一，可以依照反射面的存在與否分為開腔與閉腔兩種。最常見的光學共振腔是法布里-博羅光共振腔(Fabry–Perot resonator)，當雷射在法布里-博羅共振腔共振時，一個往返行程後的相位改變必須是360度的整數倍，即m(2π)，此為雷射震盪之相位條件，其 中，m為正整數。又由於自由空間之波向量k=2π/λ，若n為介質的折射率，腔長為L，則mλ/2n=L，可以用來估計雷射共振腔模，這時的模態稱為縱向 軸模態(longitudinal axial modes)。另外一方面，如果反射場所有的模態都可以垂直於共振腔軸之場(電場與磁場)所組成，這些模態稱為橫向模(transverse modes)或橫向電與磁模(transverse electric and magnetic modes, TEM)。

上述為不考慮電磁波穿越介質的情形，稱為共振腔原理。但當共振腔兩面是由金屬所組成，因為電磁波在金屬表面會有滲透的現象，稱為肌膚效應(skin depth effect)，因此共振腔長度會比原本共振腔略長，稱為微共振腔(micro cavity)原理。

在固態雷射中，我們為了能確定固態雷射輸出為單模(single mode)，我們可以使用兩種方法，第一種是分布式布拉格反射鏡雷射(Distributed Bragg Reflector laser, DBR laser)，第二種為分布式回饋雷射(Distributed FeedBack laser, DFB laser)。

所謂分布式反射鏡雷射是指在半導體的劈裂面引入波長選擇器介電質鏡面，它具有週期性波浪型結構，使得電磁波在內部形成建設性干涉，此時反射光波的波長為兩倍週期，若波浪週期為T，n為折射率，2T=qλ/n，其中q為正整數，λ就稱為布拉格波長。

所謂分布式回饋雷射是指晶格鏡面提供光回饋，藉以提升光子的濃度，稱之。亦即在主動層上的波導層，有一波浪狀的光柵結構。在分布式回饋雷射中，行進波 在行進過程中會發生週期性反射，發生同調耦合(coherently coupled)，形成駐波而存在單一模態。所以分布式回饋雷射波長等於布拉格波長加減波長平方乘以m+1再除以2nL。在市面上商用的分布式回饋雷射， 大多使用於長波長之長程光纖通訊。

另外，如果兩個介面是金屬，而傳導電磁波時，因為電磁波對金屬會產生部分穿透的肌膚現象(skin depth effect)，因此形成略大於共振腔長度的設計，稱為微共振腔(micro-cavity)原理。在設計有機發光二極體(OLED)時，因為各種模態的電磁波在有機發光二極體中，可形成駐波，因此需要考慮微共振腔原理，可以用來改善元件的性能。

參考資料:
http://en.wikipedia.org/wiki/Resonater