作者：Shaghayegh Yaraghi，Ivan Divliansky；中佛罗里达大学

光学谐振腔是现代光学与光子学的核心，因其能高效循环利用光场。通过将光场约束在两个反射镜构成的腔体内，谐振腔可在特定波长处产生显著的光场增强效应，支撑激光器、非线性光学过程、精密计量以及各类传感技术的实现。在这些系统中，谐振同时提供了光谱选择性与增强的光-物质相互作用。

然而，谐振腔存在谐振峰窄、对腔结构参数敏感的问题，这促使研究者持续探索新方法，在保证光场循环能力的同时，拓宽其工作带宽。白光腔、色散调控谐振器、基于角散场的全谐振腔等方案已经证明：可以通过光谱或角度控制（而非严格依赖腔几何结构）实现宽带耦合。但这些方法往往需要额外的材料、精密调谐或增加系统复杂度。

如果一个光学谐振腔能够循环光场，却不产生谐振，会怎样？

近期，研究人员展示了一种“无谐振法布里-珀罗腔”：它能在宽波长范围内平滑透射光，且对腔长变化基本不敏感。该方案并非直接整形光谱，而是通过单个全息相位掩模（HPM），利用轨道角动量（OAM）持续重塑腔内光场。

为明晰二者的区别，我们先分析传统法布里 - 珀罗腔（见图 1a）：光在两个相对的反射镜之间往返传播，当往返累积相位为 2π 的整数倍时，循环光场发生自洽叠加，进而产生相长干涉，从而在分立波长处形成尖锐透射峰。但这也使光腔性能与腔长、对准精度、温度等参数强相关。一旦这种相干干涉条件被破坏，腔内便无法形成驻波，谐振效应随之消失，这一状态下的谐振腔即为“无谐振腔”。

图 1：传统法布里-珀罗腔与无谐振法布里-珀罗腔原理对比：（a）传统谐振腔及其光谱响应；（b）“无谐振”腔及其可能的光谱响应。（图片来源：Shaghayegh Yaraghi）

无谐振腔

Yaraghi博士实现无谐振腔的思路，基于标准法布里-珀罗腔内往返的横向模式演化（见图1b）。具体而言，该机制依托拉盖尔-高斯（LG）模式实现。LG 模式是傍轴波动方程的精确解，所有 LG 模式共同构成了完备的正交模式基。其特点是具有绕光束轴的方位角相位旋转，同时保持稳定的横向光强分布。对本工作至关重要的一点是：不同 OAM 阶数的 LG 模式相互正交，因其方位角相位结构在光束截面上不发生相干叠加。

这种三维方位角相位变换，可仅通过一块全息相位掩模（HPM）高效实现：掩模对衍射光施加完整的2π方位角相位，对应一阶轨道角动量（LG₁模式）。与厄米-高斯模式不同，其在腔内相位变换下仅能在有限空间态间切换，而LG 模式会发生三维体演化。

当光经过产生LG₁模式的 HPM 时，其光场结构在正、反两个传播方向上均呈现非互易演化特性。将此类 HPM 置入谐振腔后，腔内循环光场的 OAM 阶数会随每次腔往返过程呈系统性升高。由于光每往返一次会穿过HPM两次，OAM阶数每圈增加 2。于是，普通高斯入射光束被转化为高阶涡旋光模式的级联序列。这些模式相互正交，不发生相干干涉，从而阻止驻波形成、消除腔谐振（见图1b）。

腔内元件为厚度约1 mm的薄型全息相位掩模，记录在光热折变（PTR）玻璃中。该材料可在玻璃体内部以体全息方式编码 LG₁相位信息，在1 μm 近红外波段具有低吸收、低散射、耐强光损伤等优异特性，使得HPM成为高效、近乎透明的模式转换器。

研究团队使用专用模式分选系统，根据相位将不同OAM态在空间上分离，直接观测透射光的空间结构。实验测得，由高斯入射光激发的模式级联可延伸至高阶，最高可达 LG₁₉。HPM为传统法布里-珀罗腔带来的空间模式演化，也对其光谱响应产生了显著影响，实验清晰展示了这一新行为（见图2）。

图 2：不同腔结构及其空间与光谱输出：（a）传统法布里-珀罗（FP）腔；

（b）无谐振腔；（c）镜面倾斜的无谐振腔（角分离LG模式）。（图片来源：Shaghayegh Yaraghi）

众所周知，传统法布里-珀罗腔的透射谱由尖锐的谐振峰主导（见图2a）。当在腔中置入并对准HPM后，这些谐振峰完全消失，输出光谱变得平滑平坦，与入射光源光谱高度接近，从而使腔进入“无谐振”状态（见图 2b）。该腔在腔长变化约350%的范围内仍保持相同的宽带透射特性。利用OAM模式分选仪测量前三个透射LG模式的光谱，均表现出一致的宽带特性。

谐振腔的腔长鲁棒性具有重要的实际应用价值：许多光学系统依赖谐振腔实现光循环或场增强，但稳定性差。对腔长波动不敏感的腔，可用于构建更可靠的传感器、宽带光学滤波器，以及无需主动稳频的紧凑型光子系统。该方法还可为激光设计开辟新路径：通过控制空间模式演化，提供调控反馈与发射特性的新手段。

光学设计的全新概念框架

此外，无谐振腔的宽带工作模式为光学领域构建了一套全新的概念框架。OAM模式的离散阶梯可被视为与光频率并列的合成维度，为研究光学中的非厄米与拓扑效应提供了平台。尽管这些效应并非本文重点，但“无谐振腔”为相关研究提供了紧凑、灵活的实验平台，有望用于未来基于谐振腔的传感器与非常规激光器。

除了直接应用外，“无谐振腔”也为光学设计提供了新思路：它证明了光谱行为可以通过空间工程调控，谐振并非光学谐振腔不可避免的特征。通过合理选取空间模式基，并在腔内引入单个模式转换元件，即可实现光场循环与光谱选择性的解耦。