復(fù)合腔及其在激光技術(shù)中的應(yīng)用

王 新，肖光宗，謝元平

(國(guó)防科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410073)

1 復(fù)合腔

復(fù)合腔是一種特殊的光學(xué)諧振腔，它是相對(duì)于簡(jiǎn)單腔而言的。簡(jiǎn)單腔是指只存在一條光傳播路徑的諧振腔，F(xiàn)－P腔就是典型的簡(jiǎn)單腔。不同于簡(jiǎn)單腔，復(fù)合腔具有兩條或兩條以上的光學(xué)傳輸路徑，并且它們又具有共用的部分，不同的光傳輸諧振腔被叫做“子諧振腔”，簡(jiǎn)稱“子腔”，一個(gè)復(fù)合腔由多個(gè)子腔構(gòu)成。按光的傳播路徑在方向上是否發(fā)生分離，復(fù)合腔又可以被分為“同向復(fù)合腔”和“分叉復(fù)合腔”。

2 幾種典型復(fù)合腔及其應(yīng)用

2．1 干涉儀式復(fù)合腔

將簡(jiǎn)單腔的一個(gè)反射鏡用一組反射干涉儀所代替，就組成了一個(gè)干涉儀式復(fù)合腔，其常被用于實(shí)現(xiàn)激光器的單縱?；蚩烧{(diào)諧輸出。反射干涉儀的反射率將變?yōu)楣忸l率的函數(shù)，改變子諧振腔的腔長(zhǎng)可以實(shí)現(xiàn)輸出頻率的調(diào)諧。當(dāng)選擇合適的子腔腔長(zhǎng)使激光頻率間隔大于增益線寬時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)激光器的單模運(yùn)轉(zhuǎn)。邁克爾遜干涉儀式復(fù)合腔［1］(如圖1所示)和?？怂梗访芩垢缮鎯x式復(fù)合腔［2］(如圖2所示)是這種復(fù)合腔的兩種代表。

圖1 Michelson干涉儀式復(fù)合腔

圖2 Fox-Smith干涉儀式復(fù)合腔

1962年，由 D．A．Kleinman和 P．P．Kisliuk首次提出在激光腔外加一反射鏡構(gòu)成F－P腔來選擇縱模［3］。同年，H．Kogelnik 和 C．K．N．Patel兩位科學(xué)家利用He－Ne激光器第一次實(shí)踐了這種方法［4］。

復(fù)合腔的調(diào)頻、選模作用在光纖激光器上也得到了很好的應(yīng)用。1996年，Jianluo Zhang和Chaoyu Yue開始采用雙光纖環(huán)的復(fù)合腔結(jié)構(gòu)(如圖3所示)替代傳統(tǒng)方法使用的光纖光柵和光纖F－P(FFP)濾波器實(shí)現(xiàn)光纖激光器可調(diào)頻，單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)，可調(diào)諧范圍達(dá)到從1525～1570nm，峰值輸出功率達(dá)到20 mW［5］。

圖3 雙光纖環(huán)復(fù)合腔結(jié)構(gòu)

2008年，C．H．Yeh 和 T．T．Huang報(bào)道了利用三個(gè)光纖環(huán)代替F－P腔作為濾波器的單縱?？烧{(diào)頻復(fù)合腔光纖激光器，波長(zhǎng)可調(diào)諧范圍從1481～1513 nm，輸出功率變化小于0．05 dB，波長(zhǎng)變化小于 0．02 nm，邊模抑制比高于 54．3 dB/0．05 nm［6］。

2．2 光反饋弱復(fù)合腔

如果復(fù)合腔的一個(gè)子腔由于腔鏡反射率的限制不能實(shí)現(xiàn)激光輸出，而該子腔產(chǎn)生的較弱的反射光卻能在共同端與另一子腔產(chǎn)生的光場(chǎng)相互耦合，使該激光光場(chǎng)的光強(qiáng)、模式和偏振等參量發(fā)生改變，這種復(fù)合腔被稱為弱復(fù)合腔。其中，產(chǎn)生激光輸出的子腔叫做主腔，對(duì)光參量起調(diào)節(jié)作用的子腔被稱為從屬腔。從屬腔的腔鏡調(diào)諧時(shí)，會(huì)對(duì)輸出光的光強(qiáng)、頻率和偏振態(tài)等參量產(chǎn)生作用，這就是激光回饋效應(yīng)，也叫自混合干涉效應(yīng)。弱復(fù)合腔已經(jīng)在激光自傳感測(cè)量和精密測(cè)量等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

2．3 復(fù)合腔產(chǎn)生雙頻或雙波長(zhǎng)光輸出

在諧振腔中加入分光片等光學(xué)分束元件可以使光在傳播路徑上發(fā)生分離，形成兩個(gè)腔長(zhǎng)不同的子腔，在各子腔中可以產(chǎn)生雙波長(zhǎng)或雙頻率激光振蕩。這種結(jié)構(gòu)由于加入分光元件，增加了諧振腔的損耗，而兩子諧振腔光模式共同分配增益，故對(duì)激光器的增益要求提高。

1996年，S．Pajarola和 G．Guekos在 InGaAsP 激光器與雙光柵組成的分叉復(fù)合腔中(如圖4所示)，使用偏振分光片分離TE模和TM模在兩子腔中起振，實(shí)現(xiàn)正交偏振雙頻激光輸出，其頻差調(diào)諧范圍為0．2～60 GHz，由于采用外腔結(jié)構(gòu)，頻差穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性受限，頻差穩(wěn)定性在5 MHz左右［7］。2005年，加拿大Dalhousie大學(xué)的WeiWang，Michael Cada等報(bào)道了一個(gè)由一對(duì)布拉格光柵所組成長(zhǎng)度不等子腔的直線型可調(diào)諧、雙頻外腔激光器(如圖5所示)，增益介質(zhì)采用Inphenix公司的IPSGC1550模塊，通過兩個(gè)光柵之間光纖的溫度變化來改變光纖的長(zhǎng)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸出頻差調(diào)諧，可調(diào)諧范圍200 MHz，單頻線寬 2 MHz［8］。

圖4 一種分叉型復(fù)合腔雙頻激光器結(jié)構(gòu)

圖5 一種直線型復(fù)合腔雙頻激光器結(jié)構(gòu)

2009年，中國(guó)科技大學(xué)的蘇覺、洪蕾采用共用摻鉺光纖(EDF)作為增益媒質(zhì)加兩路對(duì)稱單模光纖組成的子諧振腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了光纖激光器的雙波長(zhǎng)、可調(diào)諧輸出，波長(zhǎng)間隔可調(diào)諧范圍從 0．019～15 nm［9］。

3 不同應(yīng)用復(fù)合腔的比較

通過上面的總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合腔的結(jié)構(gòu)與簡(jiǎn)單腔相比更為復(fù)雜，一般有更多的光學(xué)元件，因此諧振腔的總損耗也就更大。復(fù)合腔的子腔共用增益介質(zhì)，不同模式的光往往各自的增益系數(shù)減小，所以諧振腔中光波模式的增益和損耗的關(guān)系是激光器能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。

對(duì)于弱復(fù)合腔，其從屬腔不需要產(chǎn)生激光振蕩，只需要其反射光能夠進(jìn)入主腔，對(duì)光場(chǎng)模式進(jìn)行參量調(diào)制，其從屬腔的損耗可以很大;對(duì)于縱模選擇的復(fù)合腔，兩個(gè)子腔光場(chǎng)工作在單一模式，因而對(duì)諧振腔損耗要求較小;而對(duì)于雙波長(zhǎng)復(fù)合腔，不同波長(zhǎng)使用增益介質(zhì)不同能級(jí)的原子產(chǎn)生受激輻射，兩個(gè)波長(zhǎng)的光相互作用很小，故只需要不同波長(zhǎng)光的增益大于其子腔損耗即可;對(duì)于雙頻復(fù)合腔，增益介質(zhì)為兩個(gè)頻率激光提供增益，兩個(gè)頻率光在介質(zhì)增益曲線上的位置有所下降且有可能產(chǎn)生強(qiáng)烈的模式競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)諧振腔的損耗要求最高［10］。

4 Y型腔正交偏振雙頻He－Ne激光器及其在加速度測(cè)量中的應(yīng)用

4．1 Y型腔正交偏振雙頻He－Ne激光器

作者所在單位自主研發(fā)的Y型腔正交偏振He－Ne激光器基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。其中，PBS為偏振分光片，它是該激光器的關(guān)鍵元件，經(jīng)過了特殊的膜層設(shè)計(jì)和鍍膜制作，其對(duì)S偏振光的反射率和P偏振光的透射率都大于99．9%。由反射鏡M1，PBS和輸出M2構(gòu)成Y型腔激光器的S子腔;由反射鏡M1，PBS和輸出鏡M3構(gòu)成Y型腔激光器的P子腔。經(jīng)PBS反射后的S偏振態(tài)光進(jìn)入由S子腔;而經(jīng)PBS透射的P偏振態(tài)光進(jìn)入P子腔。M1鏡與偏振分光片間是兩個(gè)子腔的公共端，放有He－Ne氣體管為兩偏振態(tài)光提供增益，管中He氣與Ne氣的氣壓比例為 7∶1，Ne20和 Ne22的同位素配比為1∶1［11］。

圖6 Y型腔正交偏振雙頻He－Ne激光器結(jié)構(gòu)

由于腔鏡的微弱雙折射效應(yīng)，受激輻射的多縱模He－Ne激光器的縱模輸出一定是正交偏振的，但它們的偏振方向不確定，其頻率對(duì)于Y型腔正交偏振雙頻He－Ne激光器來說，由于高精度偏振分光片的引入，平行于入射光主平面的p光與垂直于主平面的s偏振光被選出并分離在各自的子腔與共同腔組成二個(gè)光學(xué)腔長(zhǎng)不等的諧振腔中振蕩放大，因而產(chǎn)生兩套不同而相互交錯(cuò)的縱模序列。

由于He－Ne激光器增益線寬的限制，超出增益線寬的光模式會(huì)因?yàn)閾p耗而自行湮滅。最終只留下增益曲線附近的兩個(gè)，利用光電探測(cè)器測(cè)量s和p分量光的干涉光場(chǎng)變化就可以得到雙頻激光器的拍頻輸出，這就是Y型腔正交偏振雙頻He－Ne激光器的工作原理。

實(shí)驗(yàn)中，激光器M1鏡到偏振分光片PBS的公共端的長(zhǎng)度選擇為185 cm，從偏振分光片到輸出鏡M2和M3的長(zhǎng)度為35 cm，由于激光器的總損耗較大，選擇了較長(zhǎng)的氣體管對(duì)激光放大，實(shí)現(xiàn)了激光器3縱模穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。頻差大小是決定雙頻激光器質(zhì)量的重要指標(biāo)，直接影響了以其為光源的雙頻干涉儀等計(jì)量系統(tǒng)的測(cè)量速度和分辨率。實(shí)驗(yàn)中，通過改變壓電陶瓷PZT2上的電壓可以調(diào)節(jié)P子腔的長(zhǎng)度，進(jìn)而改變p偏振光的頻率，得到s，p偏振態(tài)拍頻從26～665 MHz的寬范圍動(dòng)態(tài)變化，激光器的頻率穩(wěn)定性主要受增益介質(zhì)的熱效應(yīng)影響，由于采用雙頻光共用增益介質(zhì)，拍頻差動(dòng)輸出的特性，熱效應(yīng)對(duì)兩個(gè)光模式頻率的影響相互抵消，故輸出穩(wěn)定性很高，小于 10 kHz。

4．2 Y型腔正交偏振雙頻He－Ne激光器在加速度測(cè)量中的應(yīng)用

作者所在實(shí)驗(yàn)室又在Y型腔正交偏振激光器的基礎(chǔ)上，研制了一種新型的氣體膜盒式雙Y型腔雙頻激光加速度計(jì)。在激光器中加入以氣體膜盒作為第一級(jí)敏感元件，使輸入的加速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為膜盒內(nèi)氣體的折射率變化，進(jìn)而改變一個(gè)子腔的光學(xué)腔長(zhǎng)，使激光器輸出拍頻感應(yīng)加速度輸入。其優(yōu)勢(shì)在于，Y型腔激光器的獨(dú)特結(jié)構(gòu)使s，p分量偏振光共用增益區(qū)，雙頻光的頻率差動(dòng)輸出和對(duì)稱的雙Y型腔結(jié)構(gòu)有效消除由增益介質(zhì)熱效應(yīng)而引起的雙頻光頻率漂移，從而比其他激光加速度計(jì)具有更高的分辨率。通過理論計(jì)算，該新型氣體膜盒式Y(jié)型腔雙頻激光加速度計(jì)的比例因子為1．19×108Hz/(m·s－2)，分辨率可以達(dá)到 1．15 ×10－6g［12］。

5 總結(jié)

本文從復(fù)合腔的定義出發(fā)，分析了幾種不同復(fù)合腔的結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用。并對(duì)不同復(fù)合腔的區(qū)別加以分析，指出了激光器能夠正常工作，必須根據(jù)具體應(yīng)用，減小復(fù)合腔的損耗。最后，本文介紹了作者所在實(shí)驗(yàn)室新研制的Y型腔雙頻激光器和基于該激光器研制的氣體膜盒式雙Y型腔雙頻激光加速度計(jì)，分析了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、輸出特性和優(yōu)勢(shì)。

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