可储存单向运行光束的无源环型光学腔及其应用的制作方法

专利名称：可储存单向运行光束的无源环型光学腔及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学腔，以及它的用途。
光学腔作为一种基础性光学器件，在光学科学、光学技术中有着重要的作用。新型光学腔的出现，曾对光学科学与技术，乃至整个现代科学技术的发展起过极大的推动作用。众所周知，肖洛和汤斯在他们著名的关于激光的第一篇论文“远红外和光脉塞”(A.L.Schawlow and C.H.Townes，Infrared and Optical Masers，Phys.Rev.，112，1940(1958))中，正是由于提出了开式光学谐振腔的构思，从而将受激辐射的微波放大-即Maser的工作原理能够应用到光频区，使得受激辐射的光波放大成为可能(参见文献A.亚里夫著，刘颂豪等译，量子电子学，上海科学技术出版社，1983年，183页)，从而导致了激光器的诞生。
现在已有多种类型的光学腔，分别具有不同的性能和用途(参见文献杨臣华，梅遂生，林钧挺主编，激光与红外技术手册，国防工业出版社，1990年，260页-273页)，其中的一种两镜式无源光学共振腔(即腔内没有活性工作介质的共振腔)可使由腔外入射的光束在其腔内得到储存并叠加增强(参见文献A.Ashkin et al，Resonant Optical Second Harmonic Generation and Mixing，IEEE Journal of Quantum Electronics，QE-2，6，109-124(1966))，因而在提高光学倍频转换的效率方面已得到极其重要的应用(参见文献R.Paschotta et al，82％ Efficient Continuous-wave frequency doubling of 1.06μm with a monolithicMgOLiNbO3 resonator，Optics Letters，19，17，1325-1327(1994))。由于这种无源光学共振腔的工作原理和结构是法布里-珀罗标准具(参见文献赵凯华 钟锡华著，光学(上册)，北京大学出版社，1984年，330页-342页)的延伸，故它们都是由两面反射镜所组成，腔外光束入射后，在腔内沿两个相反的方向相对传播，从而在腔内形成驻波，长期以来，人们虽对其不断改进，例如将两面平面镜改成球面镜或一面平面镜一面球面镜等，但没有脱离两镜式驻波共振腔的基本特征。这种光学腔，由于光束在其内沿两个相反的方向相对传播而形成驻波，因而对于很多应用是极其不利的(参见下述)。若能有一种新型的无源光学腔，它具有如下特性首先腔外光束可有效入射腔内，然后入射光束在腔内又只能沿单一方向传播，即能使入射光束仍以原来的单方向运行方式被储存在腔内，并且其强度也可在腔内被叠加增强，则此种新型的无源光学腔将比上述驻波式无源光学腔在光学科学和技术中得到更为广泛和重要的应用。
本发明的目的是提供这种新型无源光学腔，以及它在获得强光脉冲、提高多种光学线性或非线性转换(如倍频、和频、差频、高次谐波、参量放大、参量振荡、四波混频或连续波泵浦的激光产生等)的效率、提高高频光调制器及光开关的光能利用率、降低高频光调制器及光开关所需驱动电压、驱动磁场或驱动光场强度和降低光束振幅或位相的起伏噪声等方面的用途。
本发明的目的是这样实现的制作这样一种光学腔，它的构造特征是用数面反射镜(一般是三或四面，面数可适当增加，但不宜太多，否则会增加反射损耗)组成一单向环型光腔，使光腔等效腔长满足或近似满足对于入射光束频率的共振条件，即腔长的等效光程为或近似为入射光波长的整数倍，而输入端口镜的反射率满足或近似满足光腔的损耗匹配条件，即作为输入端口镜的反射镜的反射率依据或近似依据光腔的光能损耗率而定。在此(近)共振并匹配条件下，由于多光束干涉的作用，腔外光束可有效入射腔内；光束入射腔内后，由于腔内光路是一单向环型光路，故其只能沿此环型光路单方向地反复循环运行；加上由于外界能量的持续输入，腔内光束强度便不断增强，直至外界光能量的输入速率与光腔自身的能量损耗速率相等时而达到一平衡稳态最高值。光腔自身的能量损耗虽不可避免，但其速率却可采取措施使其尽量减小，从而使腔内光束强度远大于原入射值，于是便构成一种能储存入射光束能量，能使储存光束单方向反复循环运行和能叠加从而增强光束强度的新型无源光学腔。
本发明所述的组成可储存单向运行光束的无源环型光学腔的反射镜可以是平面镜，也可以是球面镜，或者是它们适当的组合。要求各反射镜本身对光束的损耗尽可能小，例如对光束的吸收很小，从而其光强反射率与光强透射率之和能近似为1，对于现代的反射镜制作技术这并不难实现。另外，本发明所述的可储存单向运行光束的无源环型光学腔的环型光路可以是三角形、四边形、蝶形及多边形等(详见下述)。
这种可储存单向运行光束并能叠加增强光束强度的无源环型光学腔具有如下的重要用途首先，由于腔外入射的光束，通过腔内循环而光强叠加、长度变短，在适当的时候使其经一置于腔内的光束行进方向切换装置改向而输出，则会获得高强度短脉宽的光脉冲；其次，此种光学腔可以用来提高在光学技术中广泛使用的多种光学转换的效率，例如光学倍频、和频、差频、高次谐波的产生，参量放大、参量振荡、四波混频甚至连续波泵浦的激光产生等，因为对于这些光学转换，由于它们的转换效率总是小于1，则输入光或泵浦光中便剩有未得到转换的光能量部分，通过单向环型光路，可将它们多次地再输入转换工作介质而进行再转换，而得到转换的光能量部分可通过一分光器件而改变行进方向从而输出腔外，加上腔内光强远大于原入射值，这也会进一步增强多种非线性转换的效率，从而可提高总的光学转换效率；另外，在此种光学腔的腔内环型光路上，放置由电致、磁致或光致偏振面旋转介质和偏振分光器件组成的高频光调制装置或光开关装置，由于未被调制装置或开关装置输出的光束能量可沿腔内环型光路循环而被储存，并可再入射这些装置而被再利用，从而可提高高频光调制装置或光开关装置对入射光能的利用率；还有，由于入射光束在腔内的循环叠加，从而使入射这些装置的工作介质的光束强度大幅度提高，这使电致、磁致或光致偏振面旋转介质所需的输出原幅度光强的驱动电压、驱动磁场或驱动光场强度大幅度降低(详见后实施例及说明)；最后，由于此种光学腔只能有效储存满足其频率共振条件的入射光束，若一光束其振幅或位相具有起伏噪声，按傅立叶频谱分析的观点，则该光束可被分解成具有不同频率成分的频谱分量(参见文献J.W.顾德门著，章达三 董经武 顾本源译，傅立叶光学导论，科学出版社，1976年，第二章)，其中只有频率满足该光学腔频率共振条件的光束才能有效入射其内并在其内得到储存，由于随机噪声光束的振幅或位相对于其理想的振幅或位相值的偏离值会是从最大偏离负值到最大偏离正值之间的所有可能值，由于这些光束在腔内的被多次循环叠加，这些偏离可能值相加的结果是向偏离零值靠近，因而在腔内的光束，由于共振环型腔的窄带选通和经多次循环叠加的双重作用，其振幅或位相的起伏噪声会被大为降低，利用适当的置于腔内的装置使其输出，则会获得振幅或位相起伏噪声降低的光束。
使用上述的两镜驻波式无源光学共振腔，在共振腔的窄带选通和光束在腔内多次循环叠加的双重作用下，入射光束的振幅或位相的起伏噪声也会被降低，利用适当的置于腔内的装置使其输出，则也会获得振幅或位相起伏噪声降低的光束，这是由两面反射镜构成的无源驻波式共振腔的一种新用途。
本发明所提供的可储存单向运行光束的无源环型光学腔在获得强光脉冲、提高光学转换的效率、提高高频光调制器或光开关的光能利用率、降低高频光调制器或光开关中工作介质所需的驱动电压、驱动磁场或驱动光场强度和降低光束的振幅或位相起伏噪声方面的应用，以及使用两镜驻波式无源光学共振腔在降低光束的振幅或位相的起伏噪声方面的应用，与已有技术相比，分别具有如下的优点和积极效果
一.在获得强光脉冲的应用方面，与已有技术相比的优点现有技术中获得强光脉冲的方法主要是调Q和锁模(参见文献A.亚里夫著，刘颂豪等译，量子电子学，上海科学技术出版社，1983年，257页-291页)。
与调Q相比，使用无源环型光学腔的主要优点是可获得更短的光脉冲。例如可以用此种光学腔进一步压缩经过调Q的光脉冲，一般调Q光脉冲的脉宽是几十纳秒量级(参见文献杨臣华，梅遂生，林钧挺主编，激光与红外技术手册，国防工业出版社，1990年，344页-345页)，即该种光脉冲在空气介质中的长度约为数米量级，将其输入环型腔，由于光束在腔内的循环迭加，入射光脉冲将变成与腔等长(一般腔长为几十厘米)，若随后快速地让它输出腔外，则出射光脉冲长度也就只有几十厘米，从而脉冲宽度缩短成纳秒量级与锁模相比，使用无源环型光学腔的主要优点是可获得更高的单脉冲能量。一般锁模光脉冲脉宽是皮秒量级，峰值功率是几百兆瓦(参见文献杨臣华，梅遂生，林钧挺主编，激光与红外技术手册，国防工业出版社，1990年，686页)，因此，其每脉冲能量为毫焦耳量级。而上述的将调Q光脉冲压缩后再输出而得到的光脉冲，即使腔的多次循环损耗大到10％，输出的每脉冲能量也有输入脉冲能量的90％，即一般也可达到几十到几百毫焦耳(参见文献杨臣华，梅遂生，林钧挺主编，激光与红外技术手册，国防工业出版社，1990年，344页-345页)。
二.在提高光学线性或非线性转换效率的应用方面，与已有技术相比的优点对于现代光学技术中广泛使用的光学线性或非线性转换，其中绝大多数的转换效率小于1，即输入光或泵浦光不能全部转换成所期待性质的光波束。有若干种已有方法可以提高上述多种光学转换中的一种或几种的转换效率，例如用驻波式共振腔、相位匹配和增大光强的方法提高倍频效率，用增大光强的方法提高产生高次谐波的效率，用参量振荡的方法提高参量变换的效率，用激光腔内四波混频的方法提高四波混频的效率等(参见文献A.Ashkin et al，Resonant Optical Second Harmonic Generation and Mixing，IEEE Journal of Quantum Electronics，QE-2，6，109-124(1966)和文献沈元壤著，非线性光学原理，科学出版社，1987年，上册和文献A.亚里夫著，刘颂豪等译，量子电子学，上海科学技术出版社，1983年，第10、16、17章)。与用驻波式共振腔倍频的方法相比，使用无源环型光学腔的优点是不会在倍频工作介质中产生“空间烧孔”效应，从而可更有效地利用倍频工作介质；与用相位匹配的方法相比，使用无源环型光学腔的优点是容易实现高效率转换，因相位匹配条件在实际中难于理想满足；与用增大光强的方法相比，使用无源环型光学腔的优点是对输入光束功率强度的要求降低，使低功率输入光也可达到高功率输入光的转换效率；与用激光腔内四波混频的方法相比，使用无源环型光学腔的优点是不必将转换介质置于激光器腔内，因而不象这种方法在实际应用中受到严重限制；而对于参量振荡，使用驻波式共振腔是不利的，因所产生的信号波和空闲波会向泵浦波反馈，从而降低参量变换的效率(参见文献S.T.Yang et al，1.9-W CW Ring Cavity KTP SinglyResonant Optical Parametric Oscillator，Optics Letters，19，7，475-477(1994))。
三.在提高高频光调制器及光开关的光能利用率的应用方面，尚未见其它有关技术的报道，属解决该问题的一全新方法。
四.在降低高频光调制器及光开关中电致、磁致或光致偏振面旋转介质的驱动电压、驱动磁场或光场强度的应用方面，与已有技术相比的优点目前，在高频光调制器及光开关中使用的电致偏振面旋转介质-即电光晶体，其使用方式有纵向运用和横向运用两种。对于纵向运用，降低电光晶体所需驱动电压主要是采用多块晶体光学串连、电学并连的方法(参见文献李景镇主编，光学手册，陕西科学技术出版社，1986年，1087页)，例如若将四块晶体串连，则驱动电压降为单块晶体的四分之一，但这样的电压降低幅度在实际使用中仍觉太大(一般仍近千伏)，若进一步增加晶体块数，则装置太复杂，界面反射损耗也会明显增加。与之相比，使用无源环型光学腔后很易将驱动电压降为单块晶体的几十分之一以下，装置制作难度也相对较小(详见后实施例及说明)。对于横向运用，降低电光晶体所需驱动电压主要是采用增加晶体长度、减小晶体宽度的方法(参见文献李景镇主编，光学手册，陕西科学技术出版社，1986年，1080页)，此种方法可使半波电压降至几百甚至几十伏，但因此晶体的宽度大幅度减小，从而导致调制器或光开关的通光孔径减小。与之相比，使用无源环型光学腔不会减小通光孔径(详见后实施例及说明)。
在降低高频光调制器及光开关中磁致或光致偏振面旋转介质的驱动磁场或光场强度的应用方面，尚未见其它有关技术的报道。
五.在降低光束的振幅或位相起伏噪声的应用方面，与已有技术相比的优点目前降低相干光束或近似相干光束的振幅或位相起伏噪声的方法主要是尽量减小产生相干光束的光源本身的不稳定因素，例如采用增强激光器腔长的热稳定性和放电稳定性等来稳定激光器输出光束的振幅或位相稳定性；采用“拉姆凹陷”效应来稳定激光器输出光束的频率，也就是制做输出光束位相稳定的稳频激光器(参见文献W.Demtroder，“Laser Spectroscopy-Basic Concepts and Ins-trumentation，Springer-Verlag，New York，(1981)，274-278)；或利用产生光场“压缩态”的方法来降低相干光束振幅或位相起伏的量子噪声(参见文献D.F.Walls，Nature，306，141，(1983))。这些方法是有效的，但有关装置是复杂的且往往调整精度很高。而使用无源环型光学腔或使用两镜驻波式无源光学共振腔降低光束的振幅或位相起伏噪声则装置简单，另外还可在使用上述方法的同时，进一步再接级使用无源环型光学腔或两镜驻波式无源光学共振腔，从而使光束的振幅或位相起伏噪声进一步减小。
本发明的附面说明

图1是由三面平面反射镜组成的可储存单向运行光束的无源环型光学腔的实施例的结构示意图。
图2是由四面平面反射镜组成的可储存单向运行光束的无源环型光学腔的实施例的结构示意图。
图3是由两面平面反射镜和两面球面反射镜组成的可储存单向运行光束的无源环型光学腔的实施例的结构示意图。
图4是由三面平面反射镜组成的可储存单向运行光束的无源环型光学腔用于获得强光脉冲的实施例的装置结构示意图。
图5是由两面平面反射镜和两面球面反射镜组成的可储存单向运行光束的无源环型光学腔用于提高倍频效率的实施例的装置结构示意图。
图6是由三面平面反射镜组成的可储存单向运行光束的无源环型光学腔用于提高参量振荡转换效率的实施例的装置结构示意图。
图7是由四面平面反射镜组成的可储存单向运行光束的无源环型光学腔用于提高高频光调制器或光开关的光能利用率，或降低高频电光调制器或电光开关中电光晶体的工作电压的实施例的装置结构示意图。
图8是由三面平面反射镜组成的可储存单向运行光束的无源环型光学腔用于降低光束的振幅或位相起伏噪声的实施例的装置结构示意图。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细说明图1是由三面平面反射镜组成的可储存单向运行光束的无源环型光学腔的实施例的结构示意图。图中1是输入端口镜，它与反射镜2和3组成一个三角环型光腔。当一单色平行光束(图中4)从腔外以入射角θ(图中5)入射到反射镜1时，其透射光振幅为Eit1，其反射光振幅为Eir1，其中Ei、t1、r1分别是入射光振幅、反射镜1的振幅透射率和振幅反射率。透射光入射腔内后，经反射镜2和3的反射，又会从背面以入射角θ’(图中6)入射到反射镜1，其透出光振幅为Eit1r2r3t’1exp(iφ)，而其反射光振幅为Eit1r2r3r’1×exp(iφ)，其中r2、r3分别是反射镜2和3的振幅反射率，而t’1、r’1分别是从背面入射反射镜1时的振幅透射率和反射率，显然当θ＝θ’时，t’1＝t1，r’1＝-r1，而φ是光束在腔内循环一周后的位相移动。由于腔内光束将在腔内多次地循环，腔内光束(图中7)的总合成振幅是Ec＝Eit1+Eit1rcexp(iφ)+Eit1rc2exp(i2φ)]]>+Eit1rc3exp(i3φ)]]>+...+E1t1rcNexp(iNφ)]]>+... (1)式中rc＝r2r3r’1，可以称其为光腔的单循环反射率。而透出腔外的光束(图中8)的总合成振幅是Er=Eir1+Eit1rcr'1-1t'1exp(iφ)]]>+E1t1rc2r'1-1t'1exp(i2φ)]]>+Eit1rc3r'1-1t'1exp(i3φ)]]>+...+Eit1rcNr'1-1t'1exp(iNφ)]]>+... (2)依据数学上无穷级数的求和公式级数和＝首项/(1-公比)可以推出腔内光束的总合成强度Ic和透出腔外的光束的总合成强度Ir与入射光束Ii的比值分别是Ic/Ii=(EcEc*)/(EiEi*)]]>=(t12)/[(1-rc)2+4rcsin2(φ/2)]]]>(3)Ir/Ii=(ErEr*)/(EiEi*)]]>＝[(r’1-r2r3)2+4rcsin2(φ/2)]/[(1-rc)2+4rcsin2(φ/2)](4)当光腔腔长满足对于入射光波频率的共振条件，即腔长的等效光程为入射光波长的整数倍时，便有φ＝2Kπ(K＝0，±1，±2，±3，...)(5)从而sin2(φ/2)]＝0，公式(3)和(4)变为Ic/Ii=(t12)/(1-rc)2----(6)]]>Ir/Ii＝[(r’1-r2r3)2]/(1-rc)2(7)显然，若使输入端口镜的反射率满足特定的损耗匹配条件，即若有r’1＝r2r3(8)时，则透出腔外的光束的合成强度Ir等于零。由于1-r1’2是反射镜1的透射损耗，而1-(r2r3)2是环型光腔的其它光能损耗之和，故由(8)式所决定的损耗匹配条件就是要求作为输入端口镜的反射镜1的反射率需依据光腔的光能损耗率而定。
在上述共振并匹配条件下，由于多光束干涉的作用，腔外光束可全部有效地入射腔内，而腔内光束只能沿三角环型光路单方向地反复循环运行。若入射光束是连续波，则由于外界能量的持续输入，腔内光束强度便不断增强，直至外界光能量的输入速率与光腔自身的能量损耗速率相等时而达到一平衡稳态最高值。当光腔的各反射镜本身对光束的损耗很小，则有r12+t12=1----(9)]]>r'12+t'12=1----(10)]]>利用式(9)，(10)和上述关系式t’1＝t1，r’1＝-r1，再将损耗匹配条件式(8)代入式(6)，可得到腔内光束可达到的最大强度为Icm=Ii[1/(1-r22r32)]----(10)]]>采用在各反射镜的表面镀多层增反射膜的方法，各反射镜的光强反射率对于单色平行光可以达到99.99％以上(参见文献P.Bau-meister，Optics&Photonics News，6，6，22-25(1995))，代入
进式(11)，我们得到Icm＝500Ii，而代入
进式(11)，我们得到Icm＝5000Ii，因此，利用由三面平面反射镜组成的可储存单向运行光束的无源环型光学腔，在共振并匹配条件下，腔内光束强度可以增强到原输入光强值的500或5000倍。分析中忽略了各反射镜的吸收等所引起的损耗。
图2是由四面平面反射镜组成的可储存单向运行光束的无源环型光学腔的实施例的结构示意图。图中9是输入端口镜，它与反射镜10、11和12组成一个四边环型光腔。一单色平行光束(图中13)从腔外以入射角θ(图中14)入射到反射镜9，其透射光入射腔内后，经反射镜10、11和12的反射，再从背面以入射角θ’(图中15)入射到反射镜9。采用四面反射镜的好处是光腔长度的调整可以不影响腔内循环光束的行进方向(例如沿腔内光束16的方向平行同步移动反射镜10和11)，这在实际应用中是方便的。
取θ＝θ’，并设t1、r1是从正面入射反射镜9的振幅透射率和振幅反射率，而t’1、r’1是从背面入射反射镜9时的振幅透射率和反射率，显然同样有t’1＝t1，r’1＝-r1。
再设r2、r3和r4分别是反射镜10、11和12的振幅反射率，而φ是光束在腔内循环一周后的位相移动，并令光腔的单循环反射率rc＝r2r3r4r’1。则与推导上述式(3)，(4)相同，可推出腔内光束(图中16)的总合成强度Ic和透出腔外的光束(图中17)的总合成强度Ir与入射光束I1的比值分别是Ic/Ii=(t12)/[(1-rc)2+4rcsin2(φ/2)]]]>(12)Ir/Ii＝[(r’1-r2r3r4)2+4rcsin2(φ/2)]/[(1-rc)2+4rcsin2(φ/2)](13)当光腔腔长满足对于光波频率的共振条件时，有sin2(φ/2)]＝0，上两式变为Ic/Ii=(t12)/(1-rc)2----(14)]]>Ir/Ii＝[(r’1-r2r3r4)2]/(1-rc)2(15)决定其输入端口镜的反射率的损耗匹配条件是Ir/Ii＝0，即有r’1＝r2r3r4(16)在此共振并匹配条件下，腔内光束可达到的最大强度为Icm=Ii[1/(1-r22r32r42)]----(17)]]>代入
进式(17)，我们得到Icm＝334Ii，而代入
进式(17)，我们得到Icm＝3334Ii，因此，利用由四面平面反射镜组成的可储存单向运行光束的无源环型光学腔，在共振并匹配条件下，腔内光束强度可以增强到原输入光强值的334或3334倍。分析中也忽略了各反射镜的吸收等所引起的损耗。
图3是由两面平面反射镜和两面球面反射镜组成的可储存单向运行光束的无源环型光学腔的实施例的结构示意图。图中18是输入端口镜，它与平面反射镜19，球面反射镜20和21组成一个蝶形环型光腔。一单色平行光束(图中22)从腔外以入射角θ(图中23)入射到反射镜18，其透射光入射腔内后，经平面反射镜19反射，再经球面反射镜20会聚和球面反射镜21的反射，再以平行光束形式从背面以入射角θ’(图中24)入射到反射镜18。采用两只球面反射镜的好处是腔内循环光束可以在腔内某处会聚到一个范围很小的空间区域，这对于某些应用是有利的，例如下述的应用于某些非线性光学转换的实施例。
取θ＝θ’，并设t1、r1是从正面入射反射镜18的振幅透射率和振幅反射率，而t’1、r’1是从背面入射反射镜18时的振幅透射率和反射率，显然同样有t’1＝t1，r’1＝-r1。再设r2、r3和r4分别是反射镜19、20和21的振幅反射率，而φ是光束在腔内循环一周后的位相移动，并令光腔的单循环反射率rc＝r2r3r4r’1。则也与上述式(3)，(4)的推导相同，可推出腔内光束(图中25)的总合成强度Ic和透出腔外的光束(图中26)的总合成强度Ir与入射光束Ii的比值分别是Ic/Ii=(t12)/[(1-rc)2+4rcsin2(φ/2)]]]>(18)Ir/Ii＝[(r’1-r2r3r4)2+4rcsin2(φ/2)]/[(1-rc)2+4rcsin2(φ/2)](19)当光腔腔长满足对于光波频率的共振条件sin2(φ/2)]＝0和损耗匹配条件r’1＝r2r3r4时，腔内光束可达到的最大强度为Icm=Ii[1/(1-r22r32r42)]----(20)]]>代入
进式(20)，同样得到Icm＝334Ii，而代入
进式(20)，则得到Icm＝3334Ii，因此，利用由两面平面反射镜和两面球面反射镜组成的可储存单向运行光束的无源环型光学腔，在共振并匹配条件下，腔内光束强度也可以增强到原输入光强值的334或3334倍。分析中也忽略了各反射镜的吸收等所引起的损耗。
图4是由三面平面反射镜组成的可储存单向运行光束的无源环型光学腔用于获得强光脉冲的实施例的装置结构示意图。图中27是放入腔内光路中的一电致光偏振面旋转晶体，图中28是一格兰-汤姆逊型偏振分光棱镜(参见文献杨臣华，梅遂生，林钧挺主编，激光与红外技术手册，国防工业出版社，1990年，209页-214页)，它们组成置于腔内的光束传播方向切换装置。设有一功率为1万瓦(例如来自高功率连续波二氧化碳激光器)的高功率连续光束(图中29)入射到输入端口镜(图中30)，并设该光束是偏振光，其偏振方向垂直于纸面。该光束的透射光分量会入射电光晶体，若此时电关晶体未加电压，则光束通过它后偏振面不旋转，出射后作为寻常光进入偏振棱镜并沿直线传播，再由反射镜31、32反射而再入射输入端口镜。完全仿照上(11)式的推导，可得到此种腔内的储存循环光束在满足频率共振条件和损耗匹配条件时可达到的最大强度为Icm=Ii[1/(1-t12t22r22r32)]----(21)]]>式中Ii、T1、T2、r2、r3分别是入射光束强度，电光晶体、偏振分光棱镜的振幅透射率，以及反射镜31、32的振幅反射率。代入T12=r22=r22=r32=0.9999]]>进入式(21)，得到Icm＝2500Ii，由于Ii等于1万瓦，腔内光束可达到的最大强度为25兆瓦。当腔内光束达到最大强度后，若迅速将半波电压加至电光晶体，则此后通过电光晶体的光束的偏振面会全被旋转90度，然后作成非寻常光进入偏振棱镜，从而在棱镜内的斜界面上发生全反射而输出腔外，由于腔内光束在一个循环周期内便可全部输完，则出射光脉冲长度与腔长相等，由于腔长一般为几十厘米，从而输出的脉冲宽度为纳秒量级。若入射的光束本身就是具有极高功率的调Q光脉冲，只要其脉冲长度大于腔长，由于其入射腔内后的循环迭加，其脉冲长度也可缩短，输出的脉冲功率也可增加。
图5是由两面平面反射镜和两面球面反射镜组成的可储存单向运行光束的无源环型光学腔用于提高倍频效率的实施例的装置结构示意图。图中33是放置于腔内的倍频转换工作介质，图中34是放置于腔内的分光器件-色散三棱镜。设一频率为ω，振幅为Ei的基波光束(图中35)从腔外入射到输入端口镜(图中36)，其透射光分量经反射镜37反射，并经球面反射镜38会聚，光束截面减小，功率密度加大，而后入射倍频介质，设每次基波光束通过此工作介质时，其倍频转换效率(即光强转换效率)为μ2，其振幅透射率为T1。使球面反射镜39的焦点与球面反射镜38的焦点重合，则由倍频介质出射的光束在经球面反射镜39的反射后，又变成平行光，通过色散棱镜后，其中的频率变成2ω的谐波光束(图中40)偏折较大输出腔外，而其中未得到转换的剩下的基波光束偏折较小，从而从背面再入射到输入端口镜。仿照上(18)，(19)式的推导，可推出输出腔外的倍频谐波光束的总合成强度I2和从反射镜36透出腔外的光束(图中41)的总合成强度Ir与入射光束Ii的比值分别是I2/Ii=(t12T12T22μ2)/[(1-rc)2+4rcsin2(φ/2)]]]>(22)Ir/Ii=[(r'1-r2r3T11-μ2r4T2)2]]>+4rcsin2(φ/2)]/[(1-rc)2+4rcsin2(φ/2)](23)式中T2是色散棱镜的振幅透射率，rc是光腔的单循环反射率，rcr2r3T11-μ2r4T2r'1,]]>而其它参数与(18)，(19)两式中的定义相同。
当光腔腔长满足对于光波频率的共振条件sin2(φ/2)]＝0和损耗匹配条件
时，输出腔外的倍频光束的最大强度为I2m=Ii(T12T22μ2)/[1-r22r32T12(1-μ2)r42T22]]]>(24)代入
和μ2＝0.01进入式(24)，得到I2m＝0.95Ii，因此，利用由两面平面反射镜和两面球面反射镜组成的可储存单向运行光束的无源环型光学腔，在共振并匹配条件下，可以将光学倍频的光功率转换效率由0.01提高到0.95，加上腔内光强的提高也会改善倍频工作介质的非线性转换效果，从而会进一步提高总的倍频转换效率。
图6是由三面平面反射镜组成的可储存单向运行光束的无源环型光学腔用于提高参量振荡转换效率的实施例的装置结构示意图。图中反射镜42、43、44和参量变换工作介质45组成一参量振荡器(参见文献S.T.Yang et al，1.9-W CW Ring Cavity KTP Sing-ly Resonant Optical Parametric Oscillator，Optics Letters，19，7，475-477(1994))。反射镜42、43对于泵浦波具有高透过率，对于振荡器内产生的信号波、空闲波具有高反射率，而反射镜44对于信号波具有高反射率，对于空闲波具有高透射率。设每次泵浦波光束通过此参量振荡器时，其参量转换效率(即光强转换效率)为μ2。设一频率为ωp，振幅为Ei的泵浦波光束(图中46)从腔外入射到输入端口镜(图中47)，其透射光分量经反射镜42入射参量振荡器，产生出的信号波、空闲波经反射镜43反射，其中空闲波从反射镜44输出腔外，而信号波经反射镜44反射在参量振荡器内振荡。由于参量转换效率μ2小于1，每次入射参量振荡器的泵浦波光束便剩有未得到转换的部分，此分量经反射镜43透出，而后经反射镜48、49的反射，再从背面入射到输入端口镜。仿照上(24)式的推导，可推出输出腔外的空闲波光束(图中50)的总合成强度Ik在光腔腔长满足对于光波频率的共振条件sin2(φ/2)]＝0和损耗匹配条件
时为Ik=Ii(T12T22μ2r52T42)/[1-T12T22(1-μ2)T32r22r32]]]>(25)式中Ii是从腔外入射到输入端口镜的泵浦光束强度，T1、T2、T3、分别是反射镜42、参量变换工作介质45、反射镜43对于泵浦光束的振幅透射率，T4是反射镜44对于空闲波光束的振幅透射率，r5是反射镜43对于空闲波光束的振幅反射率，而其它参数与前述(3)，(4)两式中的定义相同。
代入
和μ2＝0.01进入式(25)，得到Ik＝0.95I1，因此，利用由三面平面反射镜组成的可储存单向运行光束的无源环型光学腔，在共振并匹配条件下，可以将光学参量振荡的光功率转换效率由0.01提高到0.95，加上腔内光强的提高也会改善参量变换介质的非线性转换效果，从而会进一步提高总的参量转换效率。
图7是由四面平面反射镜组成的可储存单向运行光束的无源环型光学腔用于提高高频光调制器或光开关的光能利用率，或降低高频电光调制器或电光开关中电光晶体的工作电压的实施例的装置结构示意图。图中51是放置于腔内的电致偏振面旋转介质-电光晶体，图中52是一格兰-汤姆逊型偏振分光棱镜。由图可见，它的装置结构与由图4所示的装置结构相比，除多一面反射镜外完全相同，因此，如果电关晶体不加电压，仿照上(21)式的推导，可得到此种腔内的储存循环光束在满足频率共振条件和损耗匹配条件时可达到的最大强度为Icm=Ii[1/(1-T12T22r22r32r42)]----(26)]]>式中I1、T1、T2、r2、r3、r4分别是入射光束(图中53)强度，电光晶体、偏振分光棱镜的振幅透射率，以及反射镜54、55、56的振幅反射率。代入
进入式(26)，得到Icm＝2000Ii。如果将工作电压加到电光晶体，则通过电光晶体的光束的偏振面会被旋转，当工作电压介于零到半波电压之间时，通过电光晶体的光束会被分解成两部分，其中变成非寻常光的部分进入偏振棱镜后，会在棱镜内的斜界面上发生全反射而输出腔外，而寻常光部分进入偏振棱镜后仍直线传播，从而在腔内循环。设输出腔外的光束强度为Io，对于纵向使用的电光晶体，则有如下关系(参见文献A.亚里夫著，刘颂豪等译，量子电子学，上海科学技术出版社，1983年，350页-351页)Io＝Ic[sin(πV/2Vπ)]2(27)式中Ic是入射电光晶体的光束强度，Vπ是电光晶体所需的半波电压，V是加至电光晶体的驱动电压。如果我们需要由此环型腔输出的光束(图中57)的峰值强度等于由腔外输入的光束的峰值强度，则有Ii＝Io＝Ic[sin(πV/2Vπ)]2(28)代入Ic＝Icm＝2000Ii，有V＝(2Vπ/π)arcsin[(1/2000)0.5](29)于是得到V＝0.014Vπ。可见，由于环型腔内的光强的增强，装置中电光晶体所需的输出原幅度光强的驱动电压可减小。当驱动电压只取零和另一大于零的特定值时，输出腔外的光束强度也只有零和某一特定值，这时该装置相当于一电光开关；而当驱动电压取零到另一大于零的特定值之间的连续值时，输出腔外的光束强度也在零到某一特定值之间连续变化，这时该装置相当于一电光调制器。于是，使用由四面平面反射镜组成的可储存单向运行光束的无源环型光学腔，可降低电光调制器或电光开关中电光晶体的工作电压。
对于横向使用的电光晶体，也有类似的结论，因证明过程类同，此处不赘述。
图7也是由四面平面反射镜组成的可储存单向运行光束的无源环型光学腔用于提高高频光调制器或光开关的光能利用率的实施例的装置结构示意图。显然，当电光晶体不加电压从而等效于光开关关闭，或装置作为调制器使用时所加电压低于半波电压时，全部的光束能量或部分的光束能量将沿腔内环型光路循环，从而得以暂时储存，并会再次入射电光晶体而被再利用，故使用此环型腔可提高高频光调制器或光开关对入射光能的利用率。其对入射光能利用率的具体提高值依光调制器的调制占空比或光开关的开关占空比而定，调制占空比或开关占空比值R(R＝开关打开时间/开关关闭时间)越小，则提高值越大。
图8是由三面平面反射镜组成的可储存单向运行光束的无源环型光学腔用于降低光束的振幅或位相起伏噪声的实施例的装置结构示意图。从前有关图1及式(11)的说明中，可知当此光腔腔长满足频率的共振条件和输入端口镜的反射率满足损耗匹配条件时，腔内光束可达到的最大强度为Icm=Ii[1/(1-r22r32)]----(30)]]>式中Ii、r2、r3分别是入射光束(图中58)强度、反射镜59、60的振幅反射率。代入
和
进入式(30)，我们得到Icm＝909Ii。当光腔的各反射镜本身对光束的损耗很小，则有
，式中t2是反射镜59的振幅透射率。于是由反射镜59透出的光束(图中61)强度Io为
设入射光束是一振幅或位相具有随机起伏噪声的光束，按傅立叶频谱分析的观点，则该光束可被分解成具有不同频率成分的频谱分量(参见文献J.W.顾德门著，章达三 董经武 顾本源译，傅立叶光学导论，科学出版社，1976年，第二章)，由于此种光学腔只能有效储存满足其频率共振条件的入射光束，因此，首先入射光束中的频率满足该光学腔频率共振条件的频谱分量才能有效入射该光学腔并在其内得到有效储存和叠加增强，也就是首先由于该种共振环型腔的窄带选通作用使入射光束的频带变窄，这相当于使入射光束的振幅或位相随机起伏噪声变小；其次，振幅或位相随机起伏噪声被减小的进入腔内的光束在腔内会被多次的循环叠加，由于这些光束的振幅或位相对于其理想的振幅或位相值的偏离是完全随机地，也就是说这些光束的振幅或位相对于其理想的振幅或位相的的偏离值会是从最大偏离负值到最大偏离正值之间的所有可能值，且所有这些偏离可能值出现的机会是相等的，于是这些光束在腔内的被多次循环叠加的过程也就是这些偏离可能值相加的过程，显然这些偏离可能值相加的结果是向偏离零值靠近，相加的次数越多，向偏离零值靠近的程度越高，也就是说光学腔对入射光束的储存和叠加性能越好，则使入射光束的振幅或位相随机起伏噪声减小的作用越强；同时，由于这些光束在腔内的被多次循环叠加，合成光束的振幅绝对值被大大增强，从而其振幅的随机起伏噪声值与合成振幅的绝对值的比值或位相的随机起伏噪声值与理想位相值的比值会更加减小。因而入射腔内的光束，由于共振环型腔的窄带选通和经多次循环叠加的双重作用，其振幅或位相的起伏噪声比原入射光束要大为降低。从反射镜59输出的光束，虽然其强度远比腔内光束弱，但其振幅或位相的随机起伏噪声值与其振幅的绝对值或理想位相值的比值仍与腔内光束相同，从而可获得振幅或位相起伏噪声被显著降低的输出光束。对于本实施例，由于Io＝0.909Ii，故输出光束强度几乎与原输入值相等，但其振幅或位相起伏噪声却被显著降低。
显然，使用上述已有技术中的由两面反射镜构成的驻波式无源共振腔，在共振腔的窄带选通和光束在腔内多次循环叠加的双重作用下，入射光束的振幅或位相的起伏噪声也会被降低，这是由两面反射镜构成的驻波式无源共振腔的一种新用途，因证明过程与上类似，此处不赘述。
本发明所提供的可储存单向运行光束的无源环型光学腔的结构可在本发明的总构思前提下，根据已有公知的技术加以改变，例如将组成环型光学腔的全部或部分反射镜改为全内反式反射镜，将组成环型光学腔的反射镜的面数增加到五、六、七面等。
本发明所提供的三镜式、四镜式、平面镜式、平面球面镜混合式等可储存单向运行光束的无源环型光学腔，都可被用以获得强光脉冲、提高光学线性或非线性转换的效率、提高高频光调制器或光开关的光能利用率、降低高频光调制器或光开关中电、磁或光致偏振面旋转介质的驱动电压、驱动磁场或光场强度、减小光束的振幅或位相的起伏噪声。对于某些应用，可以同时使用两个或两个以上的上述环型腔，例如在提高差频转换或和频转换的效率的应用中。
本发明所提供的可储存单向运行光束的无源环型光学腔，在获得强光脉冲、提高光学线性或非线性转换的效率、提高高频光调制器或光开关的光能利用率、降低高频光调制器或光开关中电、磁或光致偏振面旋转介质的驱动电压、驱动磁场或光场强度、减小光束的振幅或位相的起伏噪声等方面的应用，以及使用由两面反射镜构成的驻波式无源共振腔降低光束的振幅或位相的起伏噪声的应用，也可用于红外或紫外或甚至波长更短的频率波段。
权利要求
1.一种储存单向运行光束、叠加光束强度的无源环型光学腔，具有数面反射式腔镜，其特征在于数面反射式腔镜组成一环型光腔，光腔等效腔长满足或近似满足对于入射光束频率的共振条件，输入端口腔镜的反射率满足或近似满足光腔的损耗匹配条件。
2.一种根据权利要求1所述的可储存单向运行光束的无源环型光学腔被用以提高光学线性或非线性转换效率的用途，其特征在于利用所述的可储存单向运行光束的无源环型光学腔使未得到转换的光束能量沿腔内环型光路循环，并多次入射转换工作介质而被再转换，或也利用腔内光强增强使非线性转化效率提高的作用。
3.一种实施根据权利要求2所述的用途的装置，其特征在于在根据权利要求1所述的可储存单向运行光束的无源环型光学腔的腔内环型光路上，放置光学线性或非线性转换工作介质或和分光输出器件。
4.一种根据权利要求1所述的可储存单向运行光束的无源环型光学腔被用以提高高频光调器或光开关的光能利用率的用途，其特征在于利用所述的可储存单向运行光束的无源环型光学腔使未被调制器或光开关输出的光束能量沿腔内环型光路循环而暂时储存，并再次入射调制器或光开关而被再利用。
5.一种根据权利要求1所述的可储存单向运行光束的无源环型光学腔被用以降低高频光调制器或光开关中工作介质所需驱动电压、或驱动磁场或驱动光场强度的用途，其特征在于利用所述的可储存单向运行光束的无源环型光学腔使光束在腔内循环叠加，从而使入射这些介质的光强大幅度增强，使其所需的输出原幅度光强的驱动电压、或驱动磁场或驱动光场强度降低。
6.一种根据权利要求1所述的可储存单向运行光束的无源环型光学腔被用以获得强光脉冲的用途，其特征在于利用所述的可储存单向运行光束的无源环型光学腔使腔外入射的光束，通过腔内循环使光强叠加、脉宽变短，而后由一光束行进方向切换装置输出。
7.一种根据权利要求4、或5、或6所述的用途的装置，其特征在于在根据权利要求1所述的可储存单向运行光束的无源环型光学腔的腔内环型光路上，放置电致、或磁致或光致偏振面旋转介质和偏振分光器件。
8.一种根据权利要求1所述的可储存单向运行光束的无源环型光学腔被用以降低光束振幅或位相的起伏噪声的用途，其特征在于利用所述的可储存单向运行光束的无源环型光学腔的窄带选通入射及储存，和随机噪声光束的振幅或位相对于其理想的振幅或位相值的偏离值会在腔内的多次循环叠加的过程中由于相加而减小的双重作用，使入射光束的振幅或位相的起伏噪声降低。
9.一种两镜驻波式无源光学共振腔被用以降低光束振幅或位相的起伏噪声的用途，其特征在于利用所述的两镜驻波式无源光学共振腔的窄带选通入射及储存，和随机噪声光束的振幅或位相对于其理想的振幅或位相值的偏离值会在腔内的多次循环叠加的过程中由于相加而减小的双重作用，使入射光束的振幅或位相的起伏噪声降低。
10.一种根据权利要求8、或9所述的用途的装置，其特征在于使腔内光束从根据权利要求1所述的可储存单向运行光束的无源环型光学腔的反射式腔镜部分地透出，或在根据权利要求1所述的可储存单向运行光束的无源环型光学腔的腔内环型光路上，放置光束输出器件，或使腔内光束从根据权利要求9所述的两镜驻波式无源光学共振腔的反射式腔镜部分地透出。
全文摘要
本发明提供一种新型的无源环型光学腔，其构造特征是由数面反射镜组成一单向环型光腔，光腔腔长及腔镜反射率分别满足频率共振和损耗匹配条件。该种光学腔能储存单向运行光束并累加增强光束强度，能用于产生强光脉冲、提高多种光学转换(如倍频、高次谐波、参量变换等)的效率、提高高频光调制器及光开关的光能利用率、降低高频光调制器及光开关的驱动电、磁、光场强度和降低光束振幅或位相的起伏噪声等，是一种新型基础性光学器件。
文档编号G02F3/02GK1155094SQ9511748
公开日1997年7月23日 申请日期1995年11月21日 优先权日1995年11月21日
发明者柳尚青 申请人:柳尚青