谐振腔
谐振腔，是用以使高频电磁场在其内持续振荡的金属空腔。由于电磁场完全集中于腔内，没有辐射损耗，故具有较高的品质因数。谐振腔的形式很多，最常见的是矩形谐振腔和圆柱形谐振腔。在谐振腔内，电磁场可以在一系列频率下进行振荡，其频率大小与谐振腔的形状、几何尺寸及谐振的波型有关。
- 中文名；谐振腔
- 外文名Resonant Tank
- 别 名:共振腔
- 应 用:测量微波波长
目录
定义
谐振腔，也叫共振腔。微波波段中用作谐振电路的金属空腔。品质因数很高，可达数千或数万。是磁控管和速调管等微波电子管中主要的组成部分。有空心金属和同轴腔两种。前者有矩形、圆柱形、环形等。谐振腔的品质因数很高，可达几千或几万。在微波测量中可用于测量波长 [1] 。
谐振腔是在微波频率下工作的谐振元件，它是一个任意形状的由导电壁（或导磁壁）包围的，并能在其中形成电磁振荡的介质区域，它具有储存电磁能及选择一定频率信号的特性。和低频LC振荡回路相似，它在微波技术中有广泛的应用。如在各种微波振荡器中用它作为能量交换和选频元件，在微波倍频和放大器中用作选频元件，微波谐振腔还可直接构成微波波长计，微波滤波器用于微波测量和微波通讯中。高Q谐振腔在雷达设备中用作回波箱，用以检测雷达发射和接收系统的性能等。
光学谐振腔
光学谐振腔是光波在其中来回反射从而提供光能反馈的空腔，是激光器的必要组成部分[2] 。通常由两块与工作介质轴线垂直的平面或凹球面反射镜构成。工作介质实现了粒子数反转后就能产生光放大。谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把其他频率和方向的光加以抑制。凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外，与工作介质不再接触。沿轴线运动的光子将在腔内继续前进，并经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡，运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射，沿轴线运行的光子将不断增殖，在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束，这就是激光。为把激光引出腔外，可把一面反射镜做成部分透射的，透射部分成为可利用的激光，反射部分留在腔内继续增殖光子。光学谐振腔的作用有：①提供反馈能量；②选择光波的方向和频率。谐振腔内可能存在的频率和方向称为本征模，按频率区分的称纵模，按方向区分的称横模。两反射镜的曲率半径和间距（腔长）决定了谐振腔对本征模的限制情况。不同类型的谐振腔有不同的模式结构和限模特性。
光学谐振腔由两个或两个以上光学反射镜面组成、能提供光学正反馈作用的光学装置。两个反射镜可以是平面镜或球面镜，置于激光工作物质两端。两块反射镜之间的距离为腔长。其中一个镜面反射率接近100%，称为全反镜；另一个镜面反射率稍低些，激光由此镜输出，故称输出镜。两者有时也分别称为高反镜和低反镜。
按组成谐振腔的两块反射镜的形状以及它们的相对位置，可将光学谐振腔区分为：平行平面腔，平凹腔，对称凹面腔，凸面腔等。平凹腔中如果凹面镜的焦点正好落在平面镜上，则称为半共焦腔；如果凹面镜的球心落在平面镜上，便构成半共心腔。对称凹面腔中两块反射球面镜的曲率半径相同。如果反射镜焦点都位于腔的中点，便称为对称共焦腔。如果两球面镜的球心在腔的中心，称为共心腔。如果光束在腔内传播任意长时间而不会逸出腔外，则称该腔为稳定腔，否则称为不稳定腔。上述列举的谐振腔都属稳定腔。用两块凸面镜组成的谐振腔为不稳定腔。平凹腔中如腔长太长，使凹球面的球心落在腔内，则腔中除沿光轴的光线外，其它方向光束经多次反射后必然会逸出腔外，故也为不稳定腔。对称凹面腔中，如腔长太长，使两球面球心分别落在腔中心点靠近自身一侧，也是一种不稳定腔。光学谐振腔中任一束傍轴光束离光轴的距离，如果在它来回反射过程中不会无限增加，则这种腔必定是稳定腔。
谐振腔中包含了能实现粒子数反转的激光工作物质。它们受到激励后，许多原子将跃迁到激发态。但经过激发态寿命时间后又自发跃迁到低能态，放出光子。其中，偏离轴向的光子会很快逸出腔外。只有沿着轴向运动的光子会在谐振腔的两端反射镜之间来回运动而不逸出腔外。这些光子成为引起受激发射的外界光场。促使已实现粒子数反转的工作物质产生同样频率、同样方向、同样偏振状态和同样相位的受激辐射。这种过程在谐振腔轴线方向重复出现，从而使轴向行进的光子数不断增加，最后从部分反射镜中输出。所以，谐振腔是一种正反馈系统或谐振系统。
振腔的激励和耦合
微波谐振腔必须与外电路相连接作为微波系统的一个部件才能工作，即它必须由外电路引进微波信号在腔中激励起所需模式的电磁振荡；腔中的振荡必须通过电磁耦合才能将腔内的部分能量输送到外界负载上去。由于微波元件大多数都具有互逆性，谐振腔的激励和耦合结构及工作特性是完全一样的，即一个元件用作激励或耦合时其特性相同。两者的差别只是波的传播方向相反而已。对谐振腔的激励(或耦合)元件的基本要求，是它必须保证能在腔中激励起所需的振荡模式，而又能避免其他干扰模式的产生。谐振腔中某一振荡模式的建立，是通过激励元件首先在腔中某一局部区域激励起与所需模式相一致的电场或磁场分量，然后在由这一电场或磁场在整个腔中激励起所需的振荡。根据激励方式的不同；一般分为电耦合、磁耦合、绕射耦合和电子耦合四种。下面分别对它们作简单的定性的介绍。
电耦合（探针耦合）
它是利用插入谐振腔壁孔的一个探针来实现的，即通过电场的作用来实现耦合，因此称为电耦合。为激励起腔中所需的振荡模式，要求探针轴线方向和腔中所需要模式在该处的电力线方向一致。探针耦合常用于同轴传输线与谐振腔的耦合。这时探针即由同轴线内导体延伸至腔内所构成。
磁耦合
磁耦合是利用通过谐振腔壁的小孔而引入的耦合环实现的，因此也称为环耦合。耦合环是通过磁场耦合以激励腔中所需的振荡模式，因此耦合环平面的法线，应与腔中磁力线平行，或者说，腔中振荡模式的磁力线应穿过耦合环，才能实现所需的模式。耦合环也常用用于同轴线与谐振腔的耦合，它由同轴的内导体在腔中延伸并弯曲成环状，且的末端与腔壁要有良好的接触，以保证高频电流有闭合回路。
绕射耦合（小孔耦合）
波导与谐振腔的耦合通常是采用小孔耦合方式，它是利用谐振腔与波导的公共壁上开小孔或槽孔来实现的，又称小孔耦合。耦合孔位置的选择，应使孔所在处腔中所需模式的电力线或磁力线（或者两者兼而有之）与波导中传输波型在该处的同类力线相一致。因为这种耦合是利用电磁波的绕射特性来实现的，所以称为绕射耦合。采用孔耦合时，耦合的强弱和耦合孔的大小、形状及孔的位置有关。而孔的形状通常有小圆孔、椭圆孔等。
电子耦合
在微波电子管中，谐振腔中的电磁振荡是由管内的电子束激励的，称为电子耦合。在这种情况下，电子束先由直流高压加速，随后让它通过谐振腔中电场集中的间隙，使它在腔壁上产生高频感应电流并在腔中激发高频场，当高频场的相位能保证电子束通过间隙时为减束场，则电子束就把部分动能交给腔中的高频场，从而使腔中的振荡增强，如此不断地交换，便在腔中激励起稳定的电磁振荡，从而实现了由直流电能向高频能量的转换。
应用
光通信技术
光通信技术的发展需要光学器件实现微型化、集成化和多功能化。环形谐振腔可实现微纳级别的尺寸，完全满足了微型可集成的要求。而它自身具备的高品质因子、高精细度等优点又使其可以应用在多种功能器件中。因此，环形谐振腔是光通信领域的关键器件，在滤波器、光延时器和光调制器等方面都承担了重要的角色。
滤波器
环形谐振腔利用多光束干涉原理，使满足相位匹配条件的波长信号在环内形成谐振状态，表现在透 射谱线上就是某些频率的光信号被滤掉。因此滤波器是环形谐振腔的最主要的应用之一。为了实现不同的滤波功能，可以从两个方面对环形谐振腔进行改进，一是改变结构参数，二是采用新结构。结构参数主要包括谐振腔的耦合比，谐振腔长度等，通过对这些参数的调整可以实现宽带、窄带等滤波功能。2009 年，东南大学的ZHANG等提出了带有可调谐耦合器的环形谐振腔结构。 通过选择合理的调谐方式和结构，谐振频率漂移被最大程度地抑制，这对于带宽可调谐滤波器具有重要意义。除了改变结构参数，新结构的研究也获得了人们的关注。最早在 2004 年，马里兰大学帕克分校的LITTLE等就发现将多个环级联后得到的新型环形谐振腔滤波器具有显著的带通滤波效果。他们通过多环级联得到了平坦的通带和较好的带外抑制，在波分复用技术领域具有极大的潜力。2014 年，香港中文大学的 XU 等基于硅基耦合环形谐振腔光波导结构提出了一种集成光学 Nyquist滤波器，对于实现单片集成有重要的意义。
光调制器
光调制器是最重要的集成光学器件之一，在光通信领域发挥着重要作用。光调制器主要利用热光、电光或者声光效应来 实现。以电光调制器为例，它是利用外加电压改变传输介质的折射率，使得传输光的相位、振幅等发生变化，从而达到调制的目的。环形谐振腔制作光调制器的好处在于环的多光束干涉可以使得调制信号被不断放大增强，因此仅需 要很小的物理尺寸就可以达到很好的调制效果。2005 年，康奈尔大学的课题小组利用硅基成功制作出直径仅为12 μm 的环形电光调制器，相比较之前展示的同类型电光调制器缩小了3个数量级，该工作也被《Nature》报道。 除了尺寸的不断缩小以外，环形调制器在结构上也不断有创新。前文介绍的环形辅助马赫-增德尔干涉仪和集成非对称马赫-增德尔干涉仪结构都可以应用于光调制器中。新颖的结构带来的高速、低功耗、大带宽等特点都是电光调制领域迫切需要解决的问题。环形谐振腔及其衍生的新结构为解决这些问题提供了新的思路。
纳米集成光学芯片
随着纳米加工和纳米材料制备技术的发展，纳米集成光学芯片的研究逐渐成为纳米科学领域的热点，其中表面等离子激元波导与器件是最具吸引力的代表。表面等离子激元是入射光与金属表面自由电子相互作用而形成的混合电磁模式。利用表面等离子激元效应可以实现光的亚波长传输，达到突破衍射极限；具有显著的光局域和光散射特性，提高光与物质之间的相互作用效果；实现高光密度传输。因此表面等离子激元受到了世界范围内的关注，并且在光学 成像和传感、光信息存储、非线性光学等众多领域都显示了巨大的潜力。表面等离子激元谐振腔利用光学谐振效应，可进一步增强光的局域效果，将表面等离子激元信号的光强密度提高几个数量级，已逐渐成为等离子激元学领域的研究焦点。2010年，东南大学ZHANG等提出一种深度亚波长等离子激元光学谐振腔，其对光信号束缚能力远高于一般的等离子激元波导，辐射损耗极低。谐振腔直径仅为1 µm，甚至小于入射光波长。这种等离子激元谐振腔器件仅为传统硅基光波导谐振腔面积的1%，有望极大提高集成光学芯片的集成度。2012 年，美国哈佛大学RUSSELL 等报道了基于银纳米线微腔的单光子源实验进展，利用等离子激元显著的光局域效应，将量子光源的自发辐射率提高了1000倍以上。
视频
自由能量的谐振腔