Cavitätsmodus

Cavitätsmodus bezeichnet den spezifischen Eigenmodus des elektromagnetischen Feldes in einem resonanten Hohlraum oder einer Cavität. Das Feld verhält sich als stehendes Muster, das durch die Geometrie der Cavität und die Randbedingungen der Wände festgelegt wird. Jeder Modus besitzt eine charakteristische Frequenz, die Resonanzfrequenz, bei der das Feld nach einem Reflexionszyklus wieder exakt identisch ist. Die Reihenfolge der Moden und deren Frequenzausbildung hängt stark von der Form der Cavität, von Materialverlusten und von der Kopplung an äußere Felder ab.

Man unterscheidet in Hohlraum-Cavitäten typischerweise TE- und TM-Moden (transversale elektrische bzw. transversale magnetische Moden), also Felder, die in Richtung der Achse des Hohlraums transversale bzw. longitudinale Anteile haben. In optischen Resonatoren werden zudem Transversalmoden beschrieben, oft als TEMmn oder, im paraxialen Näherungsfall, als Hermite-Gauss- oder Laguerre-Gauss-Modalstrukturen; der fundamentalere Modus wird häufig als TEM00 bezeichnet. Die genaue Frequenz jeder Mode ergibt sich aus Randbedingungen und Geometrie, einschließlich der Resonatorlänge und Spiegelreflexionen.

Eigenschaften eines Cavitätsmodus sind der Frequenzabstand zu benachbarten Moden, das Modenvolumen und der Qualitätsfaktor Q, der Verluste (Leckage, Materialabsorption, Kopplung) misst. Die Kopplung an externe Signale erfolgt oft über Spiegel, Antennen oder Koppler; geringere Verluste erhöhen den Q-Wert, während gut konditionierte Kopplung eine effiziente Anregung erlaubt.

Anwendungen finden Cavitätsmoden in Laserresonatoren, Mikrowellen- und Supraleitungsresonatoren, Teilchenbeschleunigern sowie in der Quantenoptik, wo Cavitäten mit Emittern oder Qubits Wechselwirkungen ermöglichen. Die gezielte Kontrolle der Modenfrequenzen und Kopplungen unterstützt Frequenzstabilität, Verstärkung und starke Kopplung in quantenoptischen Systemen.