根據(jù)其設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)，光學(xué)諧振腔相對于橫向光束偏移是穩(wěn)定的或不穩(wěn)定的。從這個(gè)意義上講，穩(wěn)定性是指在多次往返過程中，任何以一些不太大的初始橫向偏移位置和角度注入系統(tǒng)的幾何射線都將停留在系統(tǒng)內(nèi)部。在非穩(wěn)腔中，這樣的射線遲早會被彈射出來。利用ABCD矩陣算法，可以很容易地判斷一個(gè)諧振腔工作在穩(wěn)定或不穩(wěn)定狀態(tài)，以及從一個(gè)狀態(tài)移動到另一個(gè)狀態(tài)所需要的諧振腔參數(shù)的變化。

對諧振腔特性的更全面的分析需要波動光學(xué)，并且通常涉及分析諧振腔模式。在穩(wěn)態(tài)區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)，諧振腔模式的性質(zhì)有很大的不同。非穩(wěn)諧振腔具有許多特殊性質(zhì)：

①模式總是經(jīng)歷顯著的衍射損耗，通常是非常高的(每個(gè)往返50%或更高的數(shù)量級)。

②模式階數(shù)越高，衍射損耗通常越大。這種本征模式識別通常有助于獲得激光器的單橫模工作。

③特別是對于硬邊有衍射的諧振腔，橫模分布比較復(fù)雜，通常表現(xiàn)出明顯的環(huán)形結(jié)構(gòu)。只有數(shù)值方法才能用來計(jì)算詳細(xì)的模式分布。然而，對于一些軟孔徑諧振腔(見下文)，至少可以使用解析方法以合理的精度估計(jì)模式特性。

④在線性非穩(wěn)腔中，反向傳播光束的波前不一定相互匹配，也不一定與兩端鏡面面形匹配。

不應(yīng)該將"不穩(wěn)定"的屬性誤解為這樣的諧振腔比穩(wěn)定的諧振腔更不穩(wěn)定。相反，不穩(wěn)定激光諧振腔的對準(zhǔn)靈敏度甚至可以大幅低于穩(wěn)定諧振腔，并且使用不穩(wěn)定諧振腔已經(jīng)開發(fā)出相當(dāng)穩(wěn)健的高功率激光器。

不穩(wěn)定激光諧振腔中的輸出耦合

通常制作不穩(wěn)定的激光諧振腔，將上述衍射"損耗"作為有用的激光輸出。輸出耦合器可以是一個(gè)普通的激光反射鏡，其場分布延伸到反射鏡邊緣以外，使部分光通過(見圖1)側(cè)面的反射鏡。雖然輸出的光束輪廓在近場有一個(gè)小孔，但光束發(fā)散度很小，對于一些非常高功率的激光器，這種諧振腔的光束質(zhì)量至少比穩(wěn)定諧振腔的光束質(zhì)量要高，特別是在可以容忍較大的衍射損耗的情況下，這樣可以使小孔變得相對較小。

圖1:側(cè)邊反射鏡輸出耦合的非穩(wěn)態(tài)激光諧振腔。

在其他情況下，使用反射鏡面(圖2，例如，帶有橢圓孔的傾斜反射鏡)，它從循環(huán)的內(nèi)腔光束中“刮走”部分光。

圖2:在鏡面輸出耦合的不穩(wěn)定激光諧振腔。

另一種可能性是使用可變反射率鏡，其中反射率隨著到光束軸的距離的增加而減小——通常根據(jù)高斯或超高斯函數(shù)。這種方法可以避免在近場輸出光束輪廓中出現(xiàn)其他典型的環(huán)形結(jié)構(gòu)，并且通常適合于獲得相當(dāng)高的光束質(zhì)量。

在某些情況下，諧振腔在一個(gè)方向上是穩(wěn)定的，而在另一個(gè)方向上是不穩(wěn)定的。這種混合諧振腔有時(shí)用于光束高度橢圓形的情況。

在大多數(shù)情況下，不穩(wěn)定諧振腔比穩(wěn)定諧振腔更難分析和優(yōu)化。對于穩(wěn)定的諧振腔，ABCD矩陣算法允許人們以相對簡單的方式計(jì)算各種模式特性，但為了分析不穩(wěn)定的諧振腔模式，人們通常需要數(shù)值光束傳輸。除了合適的軟件外，了解各種復(fù)雜的光學(xué)概念，包括往返放大倍率M和菲涅爾數(shù)N_F  等術(shù)語，可能會有所幫助。

不穩(wěn)定激光諧振腔的優(yōu)點(diǎn)和局限性

雖然大多數(shù)激光諧振腔被設(shè)計(jì)為穩(wěn)定諧振腔，但不穩(wěn)定諧振腔在某些情況下具有顯著的優(yōu)勢。特別是，它們可以幫助生成激光束非常高光功率并且仍然相對較高光束質(zhì)量。在這種情況下穩(wěn)定諧振腔的一個(gè)常見問題是諧振腔模無法實(shí)現(xiàn)，或者這種模式對以下干擾非常敏感熱透鏡化或者角誤差。然而，不穩(wěn)定諧振腔可以具有非常大的基模，與所有高階模式相比具有顯著的凈增益優(yōu)勢，并且沒有過度的靈敏度。

雖然大多數(shù)激光諧振腔被設(shè)計(jì)為穩(wěn)定諧振腔，但是在某些情況下，不穩(wěn)定諧振腔可以有很大的優(yōu)勢。特別是，它們可以幫助產(chǎn)生具有非常高的光功率和仍然相對較高的光束質(zhì)量的激光束。在這種情況下，穩(wěn)定諧振腔的一個(gè)常見問題是不能實(shí)現(xiàn)足夠大的基波諧振模，或者這種模式對熱透鏡或失調(diào)等擾動非常敏感。然而，不穩(wěn)定諧振腔可以具有非常大的基模，比所有高階模具有實(shí)質(zhì)性的凈增益優(yōu)勢，并且沒有過高的靈敏度。

然而，這一原理通常只有在增益介質(zhì)能夠提供相當(dāng)大的增益時(shí)才能很好地工作。這可以是脈沖閃光燈泵浦或二極管泵浦的YAG激光器的情況，例如，在金屬蒸氣激光器、準(zhǔn)分子激光器和化學(xué)激光器中。應(yīng)用于低增益激光器，如連續(xù)波CO2激光器或燈抽運(yùn)的固態(tài)激光器更加困難，并且通常導(dǎo)致較低的光束質(zhì)量。

對非穩(wěn)腔進(jìn)行更困難的分析可以被認(rèn)為是一個(gè)缺點(diǎn)，這使得找到優(yōu)化的激光器設(shè)計(jì)變得更加困難。