表征光學(xué)諧振腔特性的參數(shù)有很多， 包括品質(zhì)因數(shù)、模式體積、自由譜域、諧振波長(zhǎng)、模場(chǎng)分布以及諧振腔壽命等等。其中， 品質(zhì)因數(shù)、模式體積、自由譜域和諧振波長(zhǎng)作為實(shí)際應(yīng)用中最常用到的參數(shù)， 下面將分別對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

諧振波長(zhǎng)

光學(xué)諧振腔腔內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定諧振時(shí)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)或頻率稱為諧振波長(zhǎng)或諧振頻率。不同的諧振腔具有不同的諧振波長(zhǎng)， 因此模式求解方法也不同。不同于開放式光學(xué)諧振腔采用光線矩陣表達(dá)的衍射積分法的模式求解方式， 在對(duì)光學(xué)微腔中傳輸?shù)墓膺M(jìn)行求解時(shí)， 通常使用波動(dòng)方程與邊界條件相結(jié)合的方式。另外， 當(dāng)對(duì)一些形狀比較特殊的光學(xué)諧振腔進(jìn)行模式特性分析時(shí)， 有時(shí)也會(huì)采用等效諧振腔法。

品質(zhì)因數(shù)

品質(zhì)因數(shù)Ｑ可以表征光學(xué)諧振腔的品質(zhì)高低， 衡量光學(xué)諧振腔儲(chǔ)存能量（ 光能） 和選擇頻率的能力， 其定義式為：

式中， ｖ是腔的諧振頻率， E1代表的是諧振腔內(nèi)存儲(chǔ)的總能量， E0是每秒損耗的能量。其中，諧振腔中的能量損耗包括如下幾部分：幾何損耗、衍射損耗、透射損耗、吸收以及散射損耗等。腔內(nèi)損耗的能量越少， 腔的儲(chǔ)能能力越強(qiáng)， 說明諧振腔的品質(zhì)越好。

但在實(shí)際應(yīng)用中， 上述表達(dá)式?jīng)]有實(shí)際操作意義， 通常不使用上式計(jì)算腔的品質(zhì)。在光學(xué)實(shí)驗(yàn)的光譜表征中， 常用的計(jì)算品質(zhì)因數(shù)的公式為：

式中，是光譜諧振峰的半高全寬， ａ是光在腔內(nèi)諧振一次產(chǎn)生的損耗， Ｌ為腔長(zhǎng)， ｃ為真空中的光速。由上式可知， 光學(xué)諧振腔的腔長(zhǎng)與品質(zhì)因數(shù)呈正相關(guān)，腔長(zhǎng)越長(zhǎng)， 品質(zhì)因數(shù)越大；單程損耗與品質(zhì)因數(shù)呈負(fù)相關(guān)， 損耗越小， 品質(zhì)因數(shù)越大；光學(xué)諧振腔發(fā)生諧振時(shí)， 其光譜的半高全寬越窄， 品質(zhì)因數(shù)越大。

模式體積

光學(xué)諧振腔內(nèi)的光場(chǎng)在三維集合空間的能量密度分布可以用有效模式體積表征， 其大小為腔內(nèi)本征模式的電磁能量總和與電磁能量密度的最大值之比。

式中，為介電常數(shù)，代表的是諧振腔內(nèi)光場(chǎng)的電場(chǎng)分布。假設(shè)在ｚ方向上微腔的擴(kuò)展厚度為ｄ ， 那么對(duì)于填充各項(xiàng)同性介質(zhì)的諧振腔， 上式可以轉(zhuǎn)化為：

根據(jù)有效模式體積的定義可知， 光學(xué)諧振腔內(nèi)單位體積中的能量越高， 該腔的有效模式體積越大， 但根據(jù)品質(zhì)因數(shù)的定義式可知， 此時(shí)該腔的品質(zhì)因數(shù)也越大， 即一個(gè)光學(xué)諧振腔很難在具有高品質(zhì)因數(shù)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)小模式體積。但是我們可以通過對(duì)光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)， 使其在獲得高品質(zhì)因數(shù)的同時(shí)盡量實(shí)現(xiàn)小模式體積。

自由譜域 自由譜域（ＦＳＲ）又稱自由光譜范圍， 表示了相鄰兩個(gè)諧振峰之間的諧振波長(zhǎng)或頻率之間的距離， 相應(yīng)的表達(dá)式如下：

式中，是光學(xué)諧振腔內(nèi)介質(zhì)的群折射率，L為腔長(zhǎng)，表示真空中的光速。根據(jù)上式可知， 自由譜域的大小與諧振腔腔長(zhǎng)、腔內(nèi)填充的介質(zhì)有關(guān)， 可以通過調(diào)整腔長(zhǎng)、選擇合適的材料作填充介質(zhì)控制諧振腔的自由光譜范圍。

審核編輯：黃飛