《激光回馈技术及发展 张书练》由会员分享，可在线阅读，更多相关《激光回馈技术及发展 张书练（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、中 国 光 学 期 刊 网w w w . o p t i c s j o u r n a l . n e t特 别报 道关 注 国 家 中 长 期 发 展 规 划V o l . 4 4 , N o . 1 1N o v . 2 0 0 7F e a t u r e s1 概 述1 . 1 回 馈 的 一 般 概 念激 光 器 问 世 不 久 , 由 于 激 光回 馈 效 应 严 重 影 响 激 光 器 和 应 用系 统 的 稳 定 性 , 引 起 了 人 们 广 泛 关注 , 成 为 被 消 除 的 对 象 。 特 别 是 在激 光 通 信 和 光 存 储 中 , 光 路 中 任何 一 个 光
2、 学 元 件 界 面 上 微 弱 的 光反 射 , 都 能 把 光 反 馈 回 激 光 器 内 ,引 起 激 光 器 噪 声 的 产 生 , 使 系 统不 能 工 作 。1 9 6 3 年 , K i n g 等 发 现 一 个 可移 动 的 外 部 反 射 镜 能 引 起 激 光 强度 周 期 波 动 , 类 似 于 传 统 的 双 光束 干 涉 现 象 ; 1 9 6 7 年 , P e e k 等 对H e - N e 激 光 器 的 回 馈 进 行 了 较 为系 统 的 研 究 , 观 察 到 外 部 回 馈 镜的 移 动 对 激 光 输 出 强 度 的 调 制 。1 9 6 8 年
3、, R u d d 使 用 H e - N e 激 光 器测 试 散 射 微 粒 的 多 普 勒 ( D o p p l e r )速 度 时 , 观 察 到 激 光 强 度 波 动 与D o p p l e r 频 移 有 关 ; 1 9 8 4 年 , C h u -r n s i d e 研 究 了 以 反 向 散 射 光 引 起C O2激 光 器 波 动 为 基 础 的 激 光D o p p l e r 测 速 仪 。 随 之 人 们 探 讨 该现 象 产 生 的 物 理 本 质 , 并 逐 渐 用术 语 “ 光 回 馈 ” , “ 自 混 合 干 涉 ” ,“ 激 光 自 混 合 ”
4、 描 述 这 一 现 象 。 本文 倾 向 “ 光 回 馈 ” 一 词 , 它 指 出 的是 一 个 物 理 事 件 。 而 “ 自 混 合 干涉 ” , “ 激 光 自 混 合 ” 指 出 的 是 物理 机 制 。 我 们 的 研 究 表 明 “ 自 混 合干 涉 ” , “ 激 光 自 混 合 ” 不 能 概 括激 光 回 馈 发 生 时 的 物 理 机 制 。 近年 来 , 光 回 馈 干 涉 技 术 越 来 越 引 起各 国 学 者 的 关 注 , 应 用 研 究 范 围逐 渐 扩 展 到 距 离 、 位 移 、 速 度 、 振动 、 形 貌 等 方 面 的 测 量 。激 光 回 馈
5、现 象 的 基 本 点 是 用一 个 外 反 射 表 面 将 激 光 器 输 出 的光 束 再 反 射 回 激 光 器 内 部 , 与 激光 器 内 部 的 光 场 混 合 , 从 而 引 起激 光 功 率 ( 光 强 ) 的 改 变 。 如 图 1( a ) , ( b ) 所 示 : 反 射 镜 1 和 反 射 镜2 构 成 激 光 谐 振 腔 ( 在 回 馈 技 术 中称 为 内 腔 ) , 反 射 镜 2 和 反 射 镜 3构 成 第 二 个 谐 振 腔 ( 在 回 馈 技 术中 称 为 外 腔 ) , 反 射 镜 3 把 激 光 束反 射 回 激 光 器 内 。 图 1 ( c )
6、为 传 统的 双 光 束 干 涉 系 统 。 图 1 ( d ) 为 回馈 曲 线 ( 激 光 功 率 随 反 射 镜 3 位移 而 变 化 的 曲 线 ) 。 从 图 1 ( d ) 可知 , 当 反 馈 光 的 位 相 改 变 时 ( 即 外部 反 射 表 面 顺 着 或 逆 着 光 束 方 向位 移 改 变 反 射 镜 2 和 反 射 镜 3 之间 距 离 ) , 激 光 器 的 输 出 功 率 呈 非正 弦 周 期 性 改 变 。 这 种 非 正 弦 周期 变 化 是 回 馈 光 和 激 光 器 内 光 束相 互 作 用 的 结 果 。 激 光 器 功 率 与反 射 镜 3 的 位 移
7、 量 的 关 系 曲 线 称为 “ 激 光 回 馈 干 涉 条 纹 ” , 也 叫 “ 激光 回 馈 曲 线 ” 。 激 光 “ 回 馈 干 涉 条纹 ” 或 “ 激 光 回 馈 曲 线 ” 的 基 本 特点 为 :1 ) 一 个 光 学 条 纹 出 现 对 应 外部 反 射 镜 半 个 光 波 长 的 位 移 ;2 ) 强 度 波 动 的 深 度 与 传 统 的双 光 束 干 涉 相 当 或 更 深 。这 两 个 特 点 奠 定 了 激 光 回 馈可 能 应 用 的 基 础 。 除 了 这 一 基 本特 点 外 , 研 究 人 员 注 意 到 了 光 回馈 的 强 度 对 条 纹 幅 度 和
8、 形 状 的 影响 : 1 9 6 7 年 , P e e k 等 发 现 激 光 强度 调 制 深 度 和 波 形 形 状 会 随 回 馈镜 反 射 率 的 不 同 而 发 生 变 化 。 反 射率 越 大 , 调 制 深 度 越 大 , 反 之 越 小 。当 回 馈 镜 的 反 射 率 较 低 时 , 激 光 强度 的 变 化 近 似 为 正 弦 波 形 。 1 9 8 7年 , S h i m i z u 发 现 , 在 较 强 光 回 馈时 , 回 馈 镜 位 移 时 , 激 光 的 输 出 强度 曲 线 为 一 类 锯 齿 波 , 且 该 锯 齿波 的 倾 斜 方 向 随 反 射 镜
9、 的 速 度 方向 而 改 变 。 如 回 馈 镜 向 左 位 移 , 类锯 齿 波 向 左 倾 斜 , 回 馈 镜 向 右 位移 , 类 锯 齿 波 向 右 倾 斜 。为 了 预 测 半 导 体 激 光 的 回 馈条 纹 形 状 , 定 义 了 一 个 参 量 C , 并称 它 的 大 小 为 光 回 馈 系 统 的 “ 光回 馈 水 平 ” 。C = e l 1 + a2! / ( L n )其 中 e = ( 1 - R2) R3!/ R2!,摘 要 : 介 绍 了 激 光 回 馈 的 概 念 、 研究 史 、 国 内 外 主 要 课 题 组 、 可 能 应用 ; 从 应 用 的 角 度
10、 指 出 了 其 有 待 解决 的 重 大 科 学 技 术 问 题 , 如 细 分 、判 向 , 环 境 干 扰 、 功 率 漂 移 、 频 率 漂移 和 应 用 开 拓 等 。激 光 回 馈 技 术 及 发 展( 清 华 大 学 精 密 测 试 技 术 及 仪 器 国 家 重 点 实 验 室 张 书 练 )6 5L激 光 与 光 电 子 学 进 展a s e r & O p t o e l e c t r o n i c s P r o g r e s sV o l . 4 4 , N o . 1 1N o v . 2 0 0 7中 国 光 学 期 刊 网w w w . o p t i c
11、s j o u r n a l . n e tR2为 激 光 器 输 出 镜 ( 反 射 镜 2 ) 反射 率 , R3为 回 馈 反 射 镜 的 反 射 率 ;l 为 外 腔 长 度 ; L 为 内 腔 长 度 , n 为半 导 体 激 光 器 有 源 区 的 折 射 率 ; a为 线 宽 展 宽 因 子 。 当 C 1 时 , 光回 馈 水 平 为 很 弱 光 回 馈 , 此 时 激光 器 光 回 馈 条 纹 为 余 弦 波 形 状 ;当 0 . 1 4 . 6 时 , 光 回 馈水 平 被 定 义 为 高 水 平 光 回 馈 , 此时 , 激 光 器 处 于 不 稳 定 工 作 状 态
12、。尽 管 C 参 量 出 现 在 半 导 体 激光 器 回 馈 的 很 多 文 献 中 , 但 从 定义 可 知 , 它 是 一 个 复 杂 的 物 理 参量 , 使 用 起 来 不 很 方 便 。 对 于 研 究者 和 工 程 来 说 , 更 需 要 用 元 件 的参 量 表 征 , 如 回 馈 镜 的 反 射 率 。 在本 文 作 者 发 表 的 文 章 中 , 更 多 使用 了 反 射 率 。值 得 注 意 的 是 , N d : Y A G 激 光器 、 H e - N e 激 光 器 回 馈 和 半 导 体激 光 器 回 馈 特 性 差 别 很 大 , 比 如 ,这 些 激 光 器
13、的 回 馈 曲 线 的 锯 齿 现象 不 明 显 , 甚 至 并 不 出 现 。1 . 2 回 馈 “ 干 涉 仪 ” 的 特 点图 1 表 明 传 统 激 光 干 涉 仪 和激 光 回 馈 干 涉 仪 结 构 上 的 同 异 。激 光 回 馈 干 涉 技 术 的 潜 在 优 点 主要 是 从 应 用 角 度 衡 量 。 作 为 测 量的 方 法 , 激 光 回 馈 干 涉 仪 的 结 构简 单 并 能 实 现 非 接 触 测 量 。 此 种激 光 系 统 仅 有 一 个 干 涉 通 道 如图 1 ( a ) , ( b ) 所 示 , 而 传 统 的 干 涉仪 都 有 两 个 臂 图 1 (
14、 c ) 。 而 非 接 触的 优 点 , 可 使 激 光 回 馈 干 涉 技 术在 微 电 子 机 械 系 统 ( M E M S ) 的 元部 件 测 量 中 起 不 可 替 代 的 作 用 。M E M S 元 、 部 件 的 尺 寸 很 小 , 很薄 , 其 上 不 可 能 放 置 任 何 的 合 作目 标 ( 如 激 光 干 涉 仪 的 角 隅 棱 镜 ) 。而 激 光 回 馈 可 以 做 到 “ 绝 对 ” 的非 接 触 , 非 常 适 合 于 测 量 M E M S元 件 的 位 移 、 振 动 、 平 动 、 转 速 等“ 运 动 ” 信 息 , 也 适 合 对 其 零 件 表
15、面 的 形 状 和 形 貌 的 “ 静 态 ” 测 量 。现 有 仪 器 中 , 标 称 非 接 触 测量 的 仪 器 不 少 , 但 具 有 真 正 非 接触 , 大 线 性 的 范 围 的 并 不 多 。 电 涡流 传 感 器 , 只 能 测 量 金 属 表 面 位移 , 其 位 移 / 电 压 输 出 曲 线 本 身 就是 非 线 性 的 。 光 纤 传 感 器 , 要 求 被测 面 有 高 的 反 射 率 , 其 位 移 / 光 强输 出 曲 线 本 身 也 是 非 线 性 的 。 位置 敏 感 元 件 ( P S D ) 和 C C D 测 量 的是 光 斑 光 强 “ 中 心 ”
16、的 位 置 , 必 须和 透 镜 组 合 使 用 , 容 易 引 入 非 线性 且 受 光 学 散 斑 的 影 响 。 电 容 传感 器 实 际 上 有 接 触 , 需 要 安 装 电极 板 , 至 少 要 有 电 极 “ 点 ” 。 光 学 干涉 型 位 移 传 感 器 没 有 非 线 性 , 但测 量 位 移 的 干 涉 仪 需 要 合 作 靶镜 , 靶 镜 有 体 积 、 重 量 , 小 、 薄 、 软的 被 测 零 件 是 不 能 承 受 的 。 回 馈效 应 的 干 涉 仪 可 以 真 正 非 接 触 ,且 基 于 “ 一 个 光 学 条 纹 出 现 对 应外 部 反 射 镜 半 个 光 波 长 的 位 移 ”原 理 , 原 理 上 的 非 线 性 可 以 避 免 ,且 和 位 移 测 量 范 围 无 关 。另 外 , 非 接 触 光 学 位 移 测 量的 精 度 一 直 无 法 超 过 接 触 方 法 ,原 因 之 一 就 是 激 光 散 斑 的 存 在 。图 1 激 光 干 涉 仪 和 激 光 回 馈 干 涉 仪 的 结 构 对 比 及 激
