复合腔及其在激光技术中的应用

王 新，肖光宗，谢元平

(国防科技大学光电科学与工程学院，湖南长沙410073)

1 复合腔

复合腔是一种特殊的光学谐振腔，它是相对于简单腔而言的。简单腔是指只存在一条光传播路径的谐振腔，F－P腔就是典型的简单腔。不同于简单腔，复合腔具有两条或两条以上的光学传输路径，并且它们又具有共用的部分，不同的光传输谐振腔被叫做“子谐振腔”，简称“子腔”，一个复合腔由多个子腔构成。按光的传播路径在方向上是否发生分离，复合腔又可以被分为“同向复合腔”和“分叉复合腔”。

2 几种典型复合腔及其应用

2．1 干涉仪式复合腔

将简单腔的一个反射镜用一组反射干涉仪所代替，就组成了一个干涉仪式复合腔，其常被用于实现激光器的单纵模或可调谐输出。反射干涉仪的反射率将变为光频率的函数，改变子谐振腔的腔长可以实现输出频率的调谐。当选择合适的子腔腔长使激光频率间隔大于增益线宽时，就可以实现激光器的单模运转。迈克尔逊干涉仪式复合腔［1］(如图1所示)和福克斯－史密斯干涉仪式复合腔［2］(如图2所示)是这种复合腔的两种代表。

图1 Michelson干涉仪式复合腔

图2 Fox-Smith干涉仪式复合腔

1962年，由 D．A．Kleinman和 P．P．Kisliuk首次提出在激光腔外加一反射镜构成F－P腔来选择纵模［3］。同年，H．Kogelnik 和 C．K．N．Patel两位科学家利用He－Ne激光器第一次实践了这种方法［4］。

复合腔的调频、选模作用在光纤激光器上也得到了很好的应用。1996年，Jianluo Zhang和Chaoyu Yue开始采用双光纤环的复合腔结构(如图3所示)替代传统方法使用的光纤光栅和光纤F－P(FFP)滤波器实现光纤激光器可调频，单纵模运转，可调谐范围达到从1525～1570nm，峰值输出功率达到20 mW［5］。

图3 双光纤环复合腔结构

2008年，C．H．Yeh 和 T．T．Huang报道了利用三个光纤环代替F－P腔作为滤波器的单纵模可调频复合腔光纤激光器，波长可调谐范围从1481～1513 nm，输出功率变化小于0．05 dB，波长变化小于 0．02 nm，边模抑制比高于 54．3 dB/0．05 nm［6］。

2．2 光反馈弱复合腔

如果复合腔的一个子腔由于腔镜反射率的限制不能实现激光输出，而该子腔产生的较弱的反射光却能在共同端与另一子腔产生的光场相互耦合，使该激光光场的光强、模式和偏振等参量发生改变，这种复合腔被称为弱复合腔。其中，产生激光输出的子腔叫做主腔，对光参量起调节作用的子腔被称为从属腔。从属腔的腔镜调谐时，会对输出光的光强、频率和偏振态等参量产生作用，这就是激光回馈效应，也叫自混合干涉效应。弱复合腔已经在激光自传感测量和精密测量等领域得到了应用。

2．3 复合腔产生双频或双波长光输出

在谐振腔中加入分光片等光学分束元件可以使光在传播路径上发生分离，形成两个腔长不同的子腔，在各子腔中可以产生双波长或双频率激光振荡。这种结构由于加入分光元件，增加了谐振腔的损耗，而两子谐振腔光模式共同分配增益，故对激光器的增益要求提高。

1996年，S．Pajarola和 G．Guekos在 InGaAsP 激光器与双光栅组成的分叉复合腔中(如图4所示)，使用偏振分光片分离TE模和TM模在两子腔中起振，实现正交偏振双频激光输出，其频差调谐范围为0．2～60 GHz，由于采用外腔结构，频差稳定性及复现性受限，频差稳定性在5 MHz左右［7］。2005年，加拿大Dalhousie大学的WeiWang，Michael Cada等报道了一个由一对布拉格光栅所组成长度不等子腔的直线型可调谐、双频外腔激光器(如图5所示)，增益介质采用Inphenix公司的IPSGC1550模块，通过两个光栅之间光纤的温度变化来改变光纤的长度，进而实现输出频差调谐，可调谐范围200 MHz，单频线宽 2 MHz［8］。

图4 一种分叉型复合腔双频激光器结构

图5 一种直线型复合腔双频激光器结构

2009年，中国科技大学的苏觉、洪蕾采用共用掺铒光纤(EDF)作为增益媒质加两路对称单模光纤组成的子谐振腔结构实现了光纤激光器的双波长、可调谐输出，波长间隔可调谐范围从 0．019～15 nm［9］。

3 不同应用复合腔的比较

通过上面的总结可以发现，复合腔的结构与简单腔相比更为复杂，一般有更多的光学元件，因此谐振腔的总损耗也就更大。复合腔的子腔共用增益介质，不同模式的光往往各自的增益系数减小，所以谐振腔中光波模式的增益和损耗的关系是激光器能否正常运转的关键。

对于弱复合腔，其从属腔不需要产生激光振荡，只需要其反射光能够进入主腔，对光场模式进行参量调制，其从属腔的损耗可以很大;对于纵模选择的复合腔，两个子腔光场工作在单一模式，因而对谐振腔损耗要求较小;而对于双波长复合腔，不同波长使用增益介质不同能级的原子产生受激辐射，两个波长的光相互作用很小，故只需要不同波长光的增益大于其子腔损耗即可;对于双频复合腔，增益介质为两个频率激光提供增益，两个频率光在介质增益曲线上的位置有所下降且有可能产生强烈的模式竞争，对谐振腔的损耗要求最高［10］。

4 Y型腔正交偏振双频He－Ne激光器及其在加速度测量中的应用

4．1 Y型腔正交偏振双频He－Ne激光器

作者所在单位自主研发的Y型腔正交偏振He－Ne激光器基本结构如图6所示。其中，PBS为偏振分光片，它是该激光器的关键元件，经过了特殊的膜层设计和镀膜制作，其对S偏振光的反射率和P偏振光的透射率都大于99．9%。由反射镜M1，PBS和输出M2构成Y型腔激光器的S子腔;由反射镜M1，PBS和输出镜M3构成Y型腔激光器的P子腔。经PBS反射后的S偏振态光进入由S子腔;而经PBS透射的P偏振态光进入P子腔。M1镜与偏振分光片间是两个子腔的公共端，放有He－Ne气体管为两偏振态光提供增益，管中He气与Ne气的气压比例为 7∶1，Ne20和 Ne22的同位素配比为1∶1［11］。

图6 Y型腔正交偏振双频He－Ne激光器结构

由于腔镜的微弱双折射效应，受激辐射的多纵模He－Ne激光器的纵模输出一定是正交偏振的，但它们的偏振方向不确定，其频率对于Y型腔正交偏振双频He－Ne激光器来说，由于高精度偏振分光片的引入，平行于入射光主平面的p光与垂直于主平面的s偏振光被选出并分离在各自的子腔与共同腔组成二个光学腔长不等的谐振腔中振荡放大，因而产生两套不同而相互交错的纵模序列。

由于He－Ne激光器增益线宽的限制，超出增益线宽的光模式会因为损耗而自行湮灭。最终只留下增益曲线附近的两个，利用光电探测器测量s和p分量光的干涉光场变化就可以得到双频激光器的拍频输出，这就是Y型腔正交偏振双频He－Ne激光器的工作原理。

实验中，激光器M1镜到偏振分光片PBS的公共端的长度选择为185 cm，从偏振分光片到输出镜M2和M3的长度为35 cm，由于激光器的总损耗较大，选择了较长的气体管对激光放大，实现了激光器3纵模稳定运转。频差大小是决定双频激光器质量的重要指标，直接影响了以其为光源的双频干涉仪等计量系统的测量速度和分辨率。实验中，通过改变压电陶瓷PZT2上的电压可以调节P子腔的长度，进而改变p偏振光的频率，得到s，p偏振态拍频从26～665 MHz的宽范围动态变化，激光器的频率稳定性主要受增益介质的热效应影响，由于采用双频光共用增益介质，拍频差动输出的特性，热效应对两个光模式频率的影响相互抵消，故输出稳定性很高，小于 10 kHz。

4．2 Y型腔正交偏振双频He－Ne激光器在加速度测量中的应用

作者所在实验室又在Y型腔正交偏振激光器的基础上，研制了一种新型的气体膜盒式双Y型腔双频激光加速度计。在激光器中加入以气体膜盒作为第一级敏感元件，使输入的加速度信号转化为膜盒内气体的折射率变化，进而改变一个子腔的光学腔长，使激光器输出拍频感应加速度输入。其优势在于，Y型腔激光器的独特结构使s，p分量偏振光共用增益区，双频光的频率差动输出和对称的双Y型腔结构有效消除由增益介质热效应而引起的双频光频率漂移，从而比其他激光加速度计具有更高的分辨率。通过理论计算，该新型气体膜盒式Y型腔双频激光加速度计的比例因子为1．19×108Hz/(m·s－2)，分辨率可以达到 1．15 ×10－6g［12］。

5 总结

本文从复合腔的定义出发，分析了几种不同复合腔的结构及其应用。并对不同复合腔的区别加以分析，指出了激光器能够正常工作，必须根据具体应用，减小复合腔的损耗。最后，本文介绍了作者所在实验室新研制的Y型腔双频激光器和基于该激光器研制的气体膜盒式双Y型腔双频激光加速度计，分析了其结构特点、输出特性和优势。

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