用环形腔扫描干涉仪测量激光模间隔的研究

　　1　引　　言

　　目前四频差动激光陀螺是通过法拉第磁光效应产生偏频量[1],由于腔内必须有法拉第室,且需对增益管严格磁屏蔽,使得传统陀螺的尺寸不易做小、安装结构的稳定性也较差。为克服上述缺陷,人们正研制一种靠腔体的立体结构和旋光效应产生大偏频量的新式陀螺,这种陀螺既保留了差动陀螺的所有优点,又无须法拉第室,可采用内腔式结构,因而大大提高了陀螺的耐冲击振动的能力。根据新式陀螺的设想,我们制作了一个直管激光器,并用环形腔扫描干涉仪对产生的激光模式进行了测试,实验结果表明,两对椭圆偏振光的模间隔可控制在100MHz以内。

　　2　实验装置及测试原理

　　实验装置及光路如图1所示,激光器腔长LL为250mm,腔内的旋光晶体可产生两对椭圆偏振光以模拟四频陀螺信号,激光器的出射光由球面反射镜M1和平面反射镜M2耦合到环形谐振腔中,环形腔由两片曲率半径为RS的球面镜M3、M5和两片平面反射镜M4、M6构成,光在环行腔中传播一周的光程为Ls=4×80mm,根据谐振腔理论,若使无源腔和待测激光光束匹配得当,并增加高次横模的衍射损耗,则扫描干涉仪的无源腔将只有基模谐振,谐振频率为:

　　式中:c为光速,q为纵模模数,n为腔中介质的折射率。图1中反射镜贴在压电晶体上,给压电晶体施加扫描电压使无源谐振腔光程发生变化,则无源腔的谐振频率v00q将随扫描电压作周期变化,当v00q等于入射光频率时,腔内将产生谐振,该频率的入射光在无源腔内会大大增强,并从M5输出,通过光电接收和放大,可在示波器上显示入射偏振光各模的直流幅值,由于入射光纵模间隔v00q=c/(2nLL)=600MHz已知,所以根据各模在时间轴上的位置可求得模与模之间的频差。

　　3　球面反射镜的模式匹配设计

      为了使待测激光束的全部能量都耦合到无源腔的基模中去,必须满足一定的匹配条件:即入射光波的方向应同扫描干涉仪无源腔的轴线重合;入射光波的阵面曲率半径与首先相遇的无源腔的第一个镜面的曲率半径相等。为达到匹配目的,本文采用球面反射镜实现两球面波之间的共轭转换,因偏振光反射后其偏振方向与入射光相反,所以必须通过两次反射才能保证耦合到无源腔的模式与激光器出射的模式一致。设直管腔和环形腔的束腰半径分别为ωL和ωS,两腰与匹配反射镜的距离分别为ZL和ZS,当匹配反射镜的焦距f选定后ZL和ZS可由下面的公式求得:

　　激光束在腔内的光腰位置1和腰斑半径ω可由(4)、(5)式求得:

　　式中A、C、D为谐振腔的变换矩阵元素,可利用光学矩阵方法[2～3]计算。