光共振器
光共振器は、レーザーにおいて主要な役割を果たしている。対面させた鏡の間にレーザー媒質を封入し、光を何度も往復させることで光の増幅を行う。 光共振器に閉じ込められた光は、特定の共振周波数の定常波を生じる。生じる定在波のパターンはモードと呼ばれる。縦モード(英語版)は周波数のみが異なる一方、横モード(英語版)は周波数に加えてビーム断面に沿った強度分布も異なる。
二つの鏡の間の距離とそれぞれの焦点距離によって共振器の種類が区別される(平面鏡は必要な精度で配置することが困難であるため、あまり用いられない)。形状(共振器の種類)はビームを安定に保つ(ビームのサイズが反射されるごとに継続的に大きくならない)よう選択される必要がある。共振器の種類は、ビームウェストが最小となることや共振器内に焦点を持たないこと(そのため光の強度が極端な点を持たないこと)、その他の基準を満たすよう設計される。
光共振器はQ値を大きくする、すなわち光が非常に多数回反射されても減衰が小さくなるよう設計される。したがって、レーザーの周波数スペクトル幅と周波数の絶対値との比は非常に小さくなる。
共振器内に閉じ込められた光は鏡の間を何回も反射し、干渉の効果により特定のパターンと周波数の光のみが共振器内に維持され、その他は弱めあう干渉により抑制される。一般的に、各往復で放射強度パターンが全く同じになるパターンが最も安定であり、これを固有モード、または共振器の「モード」と呼ぶ。
共振器のモードは次の二つの種類に分けられる。縦モード(英語版)はそれぞれ周波数が異なり、横モード(英語版)は周波数と光の放射強度パターンの両方が異なる。共振器の基底横モードはガウシアンビームである。
光共振器が中空でない(例えばレーザー共振器のように活性媒質で見たされている)場合、L の値としては鏡の間の幾何学的な距離ではなく光路長を用いる必要がある。レンズなどの光学要素が共振器内に存在する場合、安定性とモードサイズが影響を受ける。さらに、ほとんどの活性媒質では熱その他の非均一性によりさまざまなレンズ効果が媒質中に生じるため、レーザー共振器の設計上考慮する必要がある。
実用的レーザー共振器は、「折り返し共振器」を構成するために三つ、四つ、もしくはそれ以上の鏡を用いる構成が一般的である。一般に、一対の曲面鏡により一つ以上の共焦点断面を形成し、平面鏡により共振器の残りを擬似コリメート(英語版)状態とする。レーザービームの形状は共振器の型に依存し、近軸型共振器によるビームはガウシアンビームとして良くモデル化できる。特殊な場合ではビームを、単一横モードにより記述でき、その空間的性質はやはりガウシアンビームにより記述できる。より一般的には、ビームは複数の横モードの重ねあわせにより記述される。そのようなビームは、エルミート多項式もしくはインス多項式(英語版)などの完全直交基底(二次元)関数系により精密に記述することができる。