激光稳频的共焦法布里-珀罗干涉仪

　　1　引　言

　　在光通信、光频标、激光雷达等领域对激光频率稳定有着较高的要求。激光稳频问题,其关键之一在于选取一个稳定的参考频率标准。目前的主要方法有:以增益曲线作为标准稳定激光频率,但很难达到很高的稳定度;利用塞曼效应或斯塔克效应稳定激光频率[1],稳定度可达;利用分子原子吸收谱线稳定激光频率[2,3],频率稳定度可高达~,但原子特定谱线的频率覆盖范围有限,限制了这种方法在不同波长激光器中的应用;利用光学元件稳定激光频率,主要元件是共焦法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪[4~7],优点是不受波段的限制,且随着光学加工技术的发展,可以得到很高的精细度。目前国内外报道的稳频工作主要以共焦法布里-珀罗干涉仪作为频率标准。

　　共焦法布里-珀罗干涉仪也被称为球面干涉仪[8]。相比于平面法布里-珀罗干涉仪,共焦法布里-珀罗干涉仪受校整和腔镜面型的影响较小,可以得到更高的精细度,因此有很高的集光本领和光谱分辨率,已广泛用于探测激光的模结构和线宽。

　　本课题组正在研制多普勒激光雷达[9,10],采用种子注入的Nd∶YAG三倍频激光器作为发射光源[11],由于多普勒激光雷达对激光频率要求相对稳定,短期内频率漂移需低于1 MHz。为此,设计、研制了一个共焦法布里-珀罗干涉仪,其腔镜及隔离器均使用具有极高温度稳定性的零膨胀微晶玻璃材料制成,采用光胶方式组合而成。本文介绍该干涉仪结构、特性及其测量结果,并将应用在多普勒激光雷达光源的频率稳定中。

　　2　结　构

　　在稳频系统中,激光频率的稳定性主要取决于参考频率的稳定性,其频率的微小变化直接导致激光的频率漂移,因此稳频系统中的频率标准本身必须具有较高的稳定性。对于法布里-珀罗干涉仪,其不稳定性主要是由于温度变化引起腔长变化,从而导致共振频率变化。对于一个共焦法布里-珀罗干涉仪,光线平行于干涉仪的轴进入,干涉仪的腔长为L,激光的波长为λ,透射极大的条件为

　　式中n为腔内折射率。因此当腔长变化λ/4时,透射光从一个极大值跳到另一个极大值,对应频率变化为一个自由光谱范围c/4L,c为光速。假设法布里-珀罗隔离器材料的热膨胀系数为α,当温度变化量为ΔT,腔长变化量随温度变化量的变化为

　　由(3)式可得,干涉仪的频率漂移要低于1 MHz,一方面要选择膨胀系数低的材料来制作干涉仪,另一方面要保持温度稳定。

　　另外,温度的变化不仅引起隔离器长度的变化,同样会引起腔镜面型的变化,破坏频率稳定性,所以考虑用同种材料制作隔离器和腔镜,整个系统膨胀系数相同,而且便于隔离器与腔镜进行光胶。光学加工中常用的融石英,光学特性优良,但是热稳定性较差,膨胀系数为0.55×。Corning公司的超低膨胀玻璃(ULE)材料膨胀系数很低,低于0.03×。德国Schott公司生产的零膨胀微晶玻璃材料,膨胀系数低于0.05×。根据(3)式,可以对比三种不同材料制作的干涉仪随温度的频率漂移。