引入激光回馈的双光束干涉效应的研究

引　言

在许多激光器应用系统,例如激光多普勒测速仪[1]、干涉仪中,激光器输出的光被反射以后,回馈到激光腔内以后将引起激光器功率的波动,从而影响激光器应用的性能,所以,人们起初在激光应用系统中尽量避免光回馈的发生。1963年,King[2]等在其实验中发现一个可移动的外部反射镜能引起激光强度波动,类似于传统的双光束干涉现象。从此以后,随着人们对各种光回馈现象的深入研究,出现了大量的研究成果,发现可以利用光回馈现象进行位移测量,并把用回馈现象进行位移测量的激光系统叫自混合干涉系统。激光自混合干涉是指在激光应用系统中,激光器输出光被外部物体反射或散射后,其中部分光又回馈到激光器谐振腔,回馈光携载外部物体信息,与腔内光相混合后,调制激光器的输出功率,因输出信号特点与传统的双光束干涉信号有相似之处,故被称为自混合干涉。

作者的目的在于在干涉仪中引入回馈,去发现引入回馈的He-Ne激光器干涉仪干涉信号及激光功率变化的特点,并建立模型,从理论上分析信号的成因。所得实验结果与理论分析完全吻合。另外,还讨论了利用文中发现的现象进行测量的可行性。在测量领域中,干涉仪应用广泛,但其判向方法比较复杂。随着自混合干涉研究的进展,人们找到了一种新的判向方法。即在一定的反馈水平下,自混合干涉效应使得激光器的输出信号为类锯齿波形,类锯齿波的偏斜方向就代表着物体移动的方向。锯齿波在感观上容易判向却在硬件上不易于实现判向。而作者在文中所提出的测量系统利用干涉信号及激光功率变化信号的特点和二者的相关性提出了一套易于硬件实现判向的位移测量系统。

1　实验装置

引入回馈的双光束干涉系统示意图如图1所示。实验中所用的激光器为半外腔结构,腔长L为180mm,为单纵模的激光器。图1中M1,M2为激光器两端的反射镜,其中,M2的反射率R2为98%,为激光输出端。M1的反射率R1为99%,为激光器的尾光输出端。B是布儒斯特窗,以产生稳定偏振态的偏振光。S为分光镜,反射率为80%,透射率为20%。M4为主回馈反射镜,R4为95%。M3为次回馈反射镜,R3为95%。P为压电陶瓷。M4固定于压电陶瓷上,由压电陶瓷驱动M4来移动。D1,D2代表光电探测器,分别用来探测双光束干涉信号和激光尾光输出信号。A为信号放大电路,A/D代表A/D采集卡,采集卡采集的数据直接存储到计算机(computer)中。D/A代表D/A输出卡,其输出的低电压的变化可以引起高压电源(high voltage)的大幅度变化。实验中计算机控制D/A输出卡的输出电压以控制高压电源的输出电压从而来驱动压电陶瓷的移动。M3保持固定,M4随着压电陶瓷的移动而移动。探测器D1探测到在激光器功率波动的情况下双光束干涉的波形,探测器D2探测到在激光器功率波动的信号波形,两路信号经放大电路放大,再经A/D卡采集,直接存储于计算机中以便分析。