定义
制造光学谐振器的光学元件及其确切排列的描述。
术语谐振器设计（或腔体设计）最常用于固态体激光器的激光谐振器，但有时也用于更简单的谐振器，例如用于高分辨率光谱仪。 光学谐振器的设计基本上意味着定义光学元件（例如激光反射镜）的排列，包括它们的确切距离，以便谐振器模式具有所需的属性。 机械设计也是一个重要方面。
在简单的情况下，谐振器的基本设计从一开始就很清楚（例如：两个镜面谐振器），只需要调整某些设计参数，例如镜面曲率半径或元件之间的距离。 在其他情况下，还必须决定主要的谐振器架构 - 例如：
- 它应该是线性谐振器还是环形谐振器？
- 激光晶体应该放置在靠近端镜的地方，还是放在两个聚焦镜之间的某个地方？
- 波长调谐元件或可饱和吸收体应放置在哪里？
- 在某处插入弯曲的折叠镜有帮助吗？
在设计过程开始时并不总是能够回答这些问题。 人们可能从某种谐振器架构开始，但以后在认识到某些基本限制时必须改变它。
图1：两个简单的激光谐振器，以激光晶体作为增益介质。输出光束是在谐振镜部分透射的情况下产生的。
谐振器重要特性
谐振器，特别是激光谐振器的设计目标可能包括许多可能影响各种性能细节的方面：
- 经常遇到的要求是在某些光学元件中或某些光学元件（例如增益介质（在激光谐振器中）、可饱和吸收体（在锁模激光器中）或反射镜中）具有合适的模态尺寸。
- 在许多情况下，重要的是避免模型尺寸对机械公差（长度偏差或未对准）以及热透镜效应（包括光学像差）过于敏感。 对于激光器，这有助于在很宽的泵浦功率范围内获得良好的光束质量。
- 增益介质中热透镜屈光度功率的稳定区应尽可能宽，但该特性与最小模态尺寸有关，例如在激光增益介质中。
- 谐振器应具有适当的长度，例如，用于通过Q开关产生短脉冲或便于单频操作的短长度，或用于锁模激光器的合适脉冲重复率的一定长度。 在某些情况下，谐振器需要具有以可变谐振器长度运行的潜力，例如获得可调谐脉冲重复率。
- 在许多情况下，应将往返损耗降至最低，例如，对于低阈值泵浦功率和低激光噪声。
- 通常需要最少数量的光学元件。
- 整体尺寸可以优化，机械稳定性和易于制造。
不应低估这些标准的重要性。 在某些情况下，使用优化的谐振器可以显着提高激光器的性能，并大大降低对准灵敏度。
谐振器模式的作用
请注意，上面讨论的大多数重要谐振器属性都是指谐振器模式的属性。 因此，谐振器设计过程通常分两个不同的步骤完成：
- 首先，需要确定哪些模式属性对性能至关重要，以及它们应该具有哪些值。
- 此后，可以尝试找到具有这些属性的模式的谐振器设计。
第一步通常应该基于一些激光物理计算。 例如，可能必须设计一个谐振器，以实现光学强度与增益介质饱和强度的适当比率。
对于第二步，通常需要一些数值谐振器设计软件。
如果没有谐振器模式的概念，谐振器属性及其优化将更加难以理解。
示例：单横模激光器
一个简单的例子是端泵浦连续波固态激光器，它需要具有高（衍射极限）光束质量。 在这里，激光晶体中的模态半径应与泵浦光束半径大致匹配，因为这可以优化能量转换效率。 此外，这导致激光在高阶横向模态上受到抑制，与基本（高斯）模态相比，由于空间重叠较低，因此增益较低。
应根据所需的激光阈值计算适当的泵浦和激光束半径。
通常应选择泵浦光束半径和模态半径，以便在预期的泵浦功率水平下，激光器将在激光阈值以上运行数倍。 对于四级增益介质，这意味着腔内激光强度应该是激光增益饱和强度的几倍。 （对于准三电平激光增益介质，计算有点困难。 然后需要一定量的泵浦束质量，以保持整个晶体的适当泵浦束半径。
人们通常会避免在谐振器稳定区边缘附近操作！
请注意，模式半径通常取决于热透镜的强度。 特别是对于高功率激光器，因此有必要估计热透镜的强度（屈光度），并设计谐振器，使其在该值的一定范围内工作良好。 例如，激光晶体内和激光输出处的模态半径不应变化太大，模态半径也不应小到足以导致光学损伤或与光学强度过高相关的其他问题。 这通常是通过设计谐振器来实现的，对于热透镜的预期屈光度功率，人们将在稳定区内良好运行，即不靠近稳定区的边缘，其中模式半径可以发散或接近零。
不要忽视对准灵敏度的问题！
还应检查对准灵敏度。 请注意，激光晶体中具有相似模式半径的谐振器设计在对准灵敏度方面可能有很大差异，这使得某些设计在实践中很难使用。 请注意，对准灵敏度发散于线性谐振器两个稳定区域的四个边之一。
有时，为了更宽的稳定性范围和更低的对准灵敏度，最好牺牲光束质量。
稳定区的宽度相对于热透镜的屈光度功率与最小模式半径成反比 - 这表明需要大模式的高功率激光器存在问题。 此外，对准灵敏度通常会更高。 因此，人们有时会为更小的模式设计谐振器，这样稳定性范围要宽得多，对准也不太敏感，尽管此时会牺牲光束质量：激光晶体中的整个泵浦区域只能通过横向模式的某种组合来覆盖。 （由此产生的光束质量可以通过泵浦面积和基波谐振器模式面积的比值来估计。 这种多模激光器实现的功率转换效率通常略高于执行单横向工作模式的谐振器，这主要是因为激光强度曲线可以更灵活地根据可用增益进行自我调整。
脉冲激光器的其他约束
在有源调Q激光器中，需要某种光调制器。 因此，谐振器设计需要为此提供一些空间，并且应该在该位置具有适当的模式半径，这样就不会在调制器孔径处获得光束削波，也不会使光束聚焦太强，这可能会导致损坏。
同样，无源Q开关（可饱和吸收器）必须以适当的光束半径工作，以便获得适当程度的吸收器饱和度。 否则，吸收器可能会损坏或导致过多的功率损耗。
类似的考虑也适用于被动锁模激光器。 另一个方面是，如果吸收器饱和度太弱，可能会获得Q开关不稳定。 另请注意，稳定的单横向模式操作是模式锁定的重要条件，因此正确的模式大小尤为重要。 另一个问题可能是色散补偿，为此可能必须在设计中集成棱镜对和/或一些色散镜。
总谐振器长度决定了谐振器中光的往返时间，也是脉冲激光器中的一个重要数字。 对于调Q激光器，它对获得的脉冲持续时间有重要影响，而在模式锁定的情况下，它决定了脉冲重复率。
腔内倍频
在腔内倍频的情况下，谐振器当然必须为非线性晶体提供一些空间和适当的光束半径，以便实现合理的单程转换量（例如百分之几）。 此外，需要在合适的位置耦合出倍频光 - 最好是在利用两个方向的非线性转换的同时获得单个输出光束。 人们通常选择在折叠镜而不是端镜上进行输出耦合。
横向模式频率
在某些情况下，还应考虑横向模态的光学频率。 例如，当无法保证与基波模式的完美模式匹配时，这对于用作频率滤波器的无源谐振器至关重要。 在某些情况下，必须避免与激光谐振器中的高阶模式耦合，方法是确保这些模式（根据空间模式属性可以进行实质性耦合）具有与基本模式的光学频率大不相同的光学频率[5]。
谐振器设计中的典型权衡
理想情况下，通常不可能理想地满足谐振器设计的所有要求，因为存在某些基本限制，或者设计中没有足够多的自由参数。 因此，谐振器的优化可能涉及各种权衡：
- 特别紧凑的谐振器设计在光束质量或对准灵敏度方面可能并不理想。
- 在稳定区I中操作会大大降低对准灵敏度，但这可能需要更长的谐振器和/或谐振镜上的较小光斑尺寸，这可能会导致问题，例如在Q开关激光器的情况下。
- 高功率激光器可以设计为衍射限制光束质量，但对错位的容忍度较低。
因此，只有在对具体要求、相关物理效应和所涉及的权衡的深刻理解的基础上，才有可能成功优化。
设计问题
找到一个好的设计通常比分析一个设计要困难得多。
虽然评估给定谐振器的模式特性通常不是很困难，但找到具有所需模式特性的谐振器设计可能更具挑战性 - 特别是在必须同时满足多个条件的情况下。 另请注意，任何设计变更，例如旨在改善一个谐振器特性的设计变更，也可能同时影响所有其他特性。 因此，谐振器设计过程通常无法逐步解决不同的问题。 通常，在激光设计过程中，人们只能逐步实现各种问题，这很容易耗时且效率低下。
有时，某些设计目标事先并不完全清楚，例如，因为热透镜的强度尚不完全已知。 然后，最好有一个可以相应地调整的设计。
可以使用初步测试谐振器来精确测量热透镜的强度。
在某些情况下，可能需要首先设计和构建一个测试谐振器，以便在实施实际的激光谐振器以获得最佳性能之前准确测量热透镜的强度。 例如，有用的测试谐振器可以具有明确定义的稳定边沿，例如，当达到一定的屈光功率时，模态半径会迅速（而不是逐渐）上升。
在许多情况下，找到一个好的解决方案需要
- 对谐振器物理的深刻理解
- 灵活的谐振器设计软件，具有任意定义的品质因数的数值优化选项（见下文）
- 在不同类型的谐振器设计及其性能方面具有丰富的经验（不仅仅是某些软件的处理）
谐振器设计的一种强大的数值方法是定义一个品质因数，计算为所有非理想属性的“惩罚”之和，并通过改变谐振器臂长和可能的镜像曲率来使用数值技术将其最小化。 由于品质因数通常具有大量的局部极值，因此有时使用蒙特卡洛方法来寻找全局最优或至少是一个好的解。 请注意，该过程从一些基本的谐振器结构开始，如果找不到好的解决方案，则可能必须改变这些结构。
在锁模激光器的背景下，特别具有挑战性的谐振器设计任务，包括各种模式尺寸、谐振器长度限制和其他复杂性的组合。
参考文献
[1] D. Metcalf et al., “Laser resonators containing self-focusing elements”, Appl. Opt. 26 (21), 4508 (1987), doi:10.1364/AO.26.004508
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[7] A. E. Siegman, Lasers, University Science Books, Mill Valley, CA (1986)
[8] N. Hodgson and H. Weber, Laser Resonators and Beam Propagation, 2nd edn., Springer, Berlin (2005)
