Optischer Resonator

Ein optischer Resonator ist eine Anordnung von Spiegeln, die dazu dient, Licht möglichst oft hin und her zu reflektieren. Aufgrund von Interferenz bildet sich im Resonator dann eine Stehende Welle, wenn die optische Weglänge des Resonators ein Vielfaches der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts beträgt. Aufgrund der Geometrie des Spiegelaufbaus unterscheidet man stabile und instabile Resonatoren. Bei einem instabilen Resonator kann ein Lichtstrahl nach einigen Reflektionen aus dem Aufbau entkommen, während er in einem stabilen Resonator nur durch die Spiegel wieder nach außen gelangt, im Falle perfekter Spiegel also überhaupt nicht. Die einfachste und wichtigste Bauform ist der Fabry-Perot-Resonator, bestehend aus zwei parallelen ebenen Spiegeln in einem Abstand L. Die Resonanzbedingung für die Ausbildung von Stehwellen lautet dann:

$n\times \lambda =2\times L$, es muss also ein Vielfaches der halben Wellenlänge $\lambda /2$ zwischen die Spiegel passen.

Der Abstand zwischen zwei Resonanzfrequenzen wird als freier Spektralbereich (FSR, von engl. free spectral range) bezeichnet:

$\mathrm {FSR} ={\frac {c}{2L}}$ (c ist die Lichtgeschwindigkeit im Resonator)

Die Transmission des Resonators, also das Verhältnis aus eingestrahlter und auftretender Intensität, ist frequenzabhängig und wird durch die Airy-Funktion beschrieben. Dabei sind die Transmissionsmaxima umso schärfer ausgeprägt, je besser die Spiegel reflektieren.

Die Halbwertsbreite Delta der Maxima ist

$\Delta =\mathrm {FSR} \times {\mathcal {F}}$

Der dabei auftretende Faktor ${\mathcal {F}}$ wird als Finesse bezeichnet und ist die entscheidende Kennzahl für Resonatoren, die das spektrale Auflösungsvermögen angibt. Die Finesse hängt dabei nur von der Reflektivität R der Spiegel ab:

${\mathcal {F}}={\frac {\pi {\sqrt {R}}}{1-R}}$

Je nach verwendeten Spiegeln kann die Finesse Werte von etwa 10 bis zu mehreren 100.000 annehmen.

Anwendung:

Ein optischer Resonator ist wesentlicher Bestandteil jedes Lasers. Dabei dient er sowohl zur Leistungsüberhöhung, um die Laserbedingung zu erreichen, als auch zur Frequenz- und Modenselektion.

Mechanisch und thermisch besonders stabilisierte optische Resonatoren werden als optische Frequenzreferenz für Spektroskopie und die Frequenzstabilisierung von Lasern verwendet.

In der Quantenoptik wird die Wechselwirkung von Atomen mit dem Lichtfeld in Resonatoren extrem hoher Finesse untersucht, die sogenannte Resonator-Quantenelektrodynamik.