復合腔及其在激光技術中的應用

王 新，肖光宗，謝元平

(國防科技大學光電科學與工程學院，湖南長沙410073)

1 復合腔

復合腔是一種特殊的光學諧振腔，它是相對于簡單腔而言的。簡單腔是指只存在一條光傳播路徑的諧振腔，F－P腔就是典型的簡單腔。不同于簡單腔，復合腔具有兩條或兩條以上的光學傳輸路徑，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”，簡稱“子腔”，一個復合腔由多個子腔構成。按光的傳播路徑在方向上是否發生分離，復合腔又可以被分為“同向復合腔”和“分叉復合腔”。

2 幾種典型復合腔及其應用

2．1 干涉儀式復合腔

將簡單腔的一個反射鏡用一組反射干涉儀所代替，就組成了一個干涉儀式復合腔，其常被用于實現激光器的單縱模或可調諧輸出。反射干涉儀的反射率將變為光頻率的函數，改變子諧振腔的腔長可以實現輸出頻率的調諧。當選擇合適的子腔腔長使激光頻率間隔大于增益線寬時，就可以實現激光器的單模運轉。邁克爾遜干涉儀式復合腔［1］(如圖1所示)和福克斯－史密斯干涉儀式復合腔［2］(如圖2所示)是這種復合腔的兩種代表。

圖1 Michelson干涉儀式復合腔

圖2 Fox-Smith干涉儀式復合腔

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成F－P腔來選擇縱模［3］。同年，H．Kogelnik 和 C．K．N．Patel兩位科學家利用He－Ne激光器第一次實踐了這種方法［4］。

復合腔的調頻、選模作用在光纖激光器上也得到了很好的應用。1996年，Jianluo Zhang和Chaoyu Yue開始采用雙光纖環的復合腔結構(如圖3所示)替代傳統方法使用的光纖光柵和光纖F－P(FFP)濾波器實現光纖激光器可調頻，單縱模運轉，可調諧范圍達到從1525～1570nm，峰值輸出功率達到20 mW［5］。

圖3 雙光纖環復合腔結構

2008年，C．H．Yeh 和 T．T．Huang報道了利用三個光纖環代替F－P腔作為濾波器的單縱模可調頻復合腔光纖激光器，波長可調諧范圍從1481～1513 nm，輸出功率變化小于0．05 dB，波長變化小于 0．02 nm，邊模抑制比高于 54．3 dB/0．05 nm［6］。

2．2 光反饋弱復合腔

如果復合腔的一個子腔由于腔鏡反射率的限制不能實現激光輸出，而該子腔產生的較弱的反射光卻能在共同端與另一子腔產生的光場相互耦合，使該激光光場的光強、模式和偏振等參量發生改變，這種復合腔被稱為弱復合腔。其中，產生激光輸出的子腔叫做主腔，對光參量起調節作用的子腔被稱為從屬腔。從屬腔的腔鏡調諧時，會對輸出光的光強、頻率和偏振態等參量產生作用，這就是激光回饋效應，也叫自混合干涉效應。弱復合腔已經在激光自傳感測量和精密測量等領域得到了應用。

2．3 復合腔產生雙頻或雙波長光輸出

在諧振腔中加入分光片等光學分束元件可以使光在傳播路徑上發生分離，形成兩個腔長不同的子腔，在各子腔中可以產生雙波長或雙頻率激光振蕩。這種結構由于加入分光元件，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，實現正交偏振雙頻激光輸出，其頻差調諧范圍為0．2～60 GHz，由于采用外腔結構，頻差穩定性及復現性受限，頻差穩定性在5 MHz左右［7］。2005年，加拿大Dalhousie大學的WeiWang，Michael Cada等報道了一個由一對布拉格光柵所組成長度不等子腔的直線型可調諧、雙頻外腔激光器(如圖5所示)，增益介質采用Inphenix公司的IPSGC1550模塊，通過兩個光柵之間光纖的溫度變化來改變光纖的長度，進而實現輸出頻差調諧，可調諧范圍200 MHz，單頻線寬 2 MHz［8］。

圖4 一種分叉型復合腔雙頻激光器結構

圖5 一種直線型復合腔雙頻激光器結構

2009年，中國科技大學的蘇覺、洪蕾采用共用摻鉺光纖(EDF)作為增益媒質加兩路對稱單模光纖組成的子諧振腔結構實現了光纖激光器的雙波長、可調諧輸出，波長間隔可調諧范圍從 0．019～15 nm［9］。

3 不同應用復合腔的比較

通過上面的總結可以發現，復合腔的結構與簡單腔相比更為復雜，一般有更多的光學元件，因此諧振腔的總損耗也就更大。復合腔的子腔共用增益介質，不同模式的光往往各自的增益系數減小，所以諧振腔中光波模式的增益和損耗的關系是激光器能否正常運轉的關鍵。

對于弱復合腔，其從屬腔不需要產生激光振蕩，只需要其反射光能夠進入主腔，對光場模式進行參量調制，其從屬腔的損耗可以很大;對于縱模選擇的復合腔，兩個子腔光場工作在單一模式，因而對諧振腔損耗要求較小;而對于雙波長復合腔，不同波長使用增益介質不同能級的原子產生受激輻射，兩個波長的光相互作用很小，故只需要不同波長光的增益大于其子腔損耗即可;對于雙頻復合腔，增益介質為兩個頻率激光提供增益，兩個頻率光在介質增益曲線上的位置有所下降且有可能產生強烈的模式競爭，對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量中的應用

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的Y型腔正交偏振He－Ne激光器基本結構如圖6所示。其中，PBS為偏振分光片，它是該激光器的關鍵元件，經過了特殊的膜層設計和鍍膜制作，其對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構成Y型腔激光器的S子腔;由反射鏡M1，PBS和輸出鏡M3構成Y型腔激光器的P子腔。經PBS反射后的S偏振態光進入由S子腔;而經PBS透射的P偏振態光進入P子腔。M1鏡與偏振分光片間是兩個子腔的公共端，放有He－Ne氣體管為兩偏振態光提供增益，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激光器結構

由于腔鏡的微弱雙折射效應，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光學腔長不等的諧振腔中振蕩放大，因而產生兩套不同而相互交錯的縱模序列。

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因為損耗而自行湮滅。最終只留下增益曲線附近的兩個，利用光電探測器測量s和p分量光的干涉光場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。

實驗中，激光器M1鏡到偏振分光片PBS的公共端的長度選擇為185 cm，從偏振分光片到輸出鏡M2和M3的長度為35 cm，由于激光器的總損耗較大，選擇了較長的氣體管對激光放大，實現了激光器3縱模穩定運轉。頻差大小是決定雙頻激光器質量的重要指標，直接影響了以其為光源的雙頻干涉儀等計量系統的測量速度和分辨率。實驗中，通過改變壓電陶瓷PZT2上的電壓可以調節P子腔的長度，進而改變p偏振光的頻率，得到s，p偏振態拍頻從26～665 MHz的寬范圍動態變化，激光器的頻率穩定性主要受增益介質的熱效應影響，由于采用雙頻光共用增益介質，拍頻差動輸出的特性，熱效應對兩個光模式頻率的影響相互抵消，故輸出穩定性很高，小于 10 kHz。

4．2 Y型腔正交偏振雙頻He－Ne激光器在加速度測量中的應用

作者所在實驗室又在Y型腔正交偏振激光器的基礎上，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。在激光器中加入以氣體膜盒作為第一級敏感元件，使輸入的加速度信號轉化為膜盒內氣體的折射率變化，進而改變一個子腔的光學腔長，使激光器輸出拍頻感應加速度輸入。其優勢在于，Y型腔激光器的獨特結構使s，p分量偏振光共用增益區，雙頻光的頻率差動輸出和對稱的雙Y型腔結構有效消除由增益介質熱效應而引起的雙頻光頻率漂移，從而比其他激光加速度計具有更高的分辨率。通過理論計算，該新型氣體膜盒式Y型腔雙頻激光加速度計的比例因子為1．19×108Hz/(m·s－2)，分辨率可以達到 1．15 ×10－6g［12］。

5 總結

本文從復合腔的定義出發，分析了幾種不同復合腔的結構及其應用。并對不同復合腔的區別加以分析，指出了激光器能夠正常工作，必須根據具體應用，減小復合腔的損耗。最后，本文介紹了作者所在實驗室新研制的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，分析了其結構特點、輸出特性和優勢。

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