[科普中國]-環(huán)行激光器

原理

環(huán)形激光器是激光在技術(shù)上應(yīng)用的一個(gè)例子，它是利用傳播方向相反的兩束相干光來測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)的一種裝置，是在1963年發(fā)展起來的，它和薩尼亞克(Sagnac)實(shí)驗(yàn)相類似。

在環(huán)形激光器的工作中，采用了光學(xué)外差方法。激光器的兩束輸出光束被一起反射到一個(gè)光電接收器中。光電接收器輸出的是一個(gè)拍頻信號(hào)，其頻率等于頻差。同樣，拍頻的頻率也正比于轉(zhuǎn)動(dòng)的角頻率。

在環(huán)形激光器中，通常使用最簡(jiǎn)單的三角形諧振腔，在它的三個(gè)角上放置兩個(gè)反射鏡和一個(gè)半透鏡，后者用于引出環(huán)路中的部分能量，以便測(cè)知其振蕩的頻率。除此之外，在實(shí)際的諧振腔中，由于反射和其它原因會(huì)發(fā)生能量損失。因此，為了保持振蕩，在實(shí)際的諧振腔中應(yīng)該填充活性介質(zhì)，它能把電能轉(zhuǎn)換為電磁振蕩，并保證射線是高純度的單色光和具有相干性。氣體激光器能完全滿足這些要求。1

穩(wěn)定工作條件環(huán)形激光器是由三面或三面以上的反射鏡構(gòu)成的環(huán)形行波諧振腔和置于腔內(nèi)的激光增益介質(zhì)組成的一種激光器。反射鏡的幾何位置保證行波模在環(huán)形腔內(nèi)能自洽運(yùn)行，其反射率提供行波振蕩所需的正反饋。激光增益介質(zhì)提供受激躍遷以維持腔內(nèi)的行波振蕩光場(chǎng)。

因?yàn)榧す馔勇莸募す庠鲆娼橘|(zhì)的小信號(hào)增益系數(shù)相當(dāng)小，而且有效增益長度較短，因此只有用穩(wěn)定諧振腔型(簡(jiǎn)稱穩(wěn)定腔)方能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。激光陀螺標(biāo)度因數(shù)的穩(wěn)定需采用主動(dòng)穩(wěn)頻方法穩(wěn)定諧振腔光程長。為此，通常也必須采用穩(wěn)定腔。所謂穩(wěn)定腔系指能確保一個(gè)以上模式的光線在該腔內(nèi)經(jīng)過無數(shù)次周而復(fù)始的運(yùn)行后也不偏離腔體軸線而橫向逸出的光學(xué)諧振腔。

與求普通兩鏡直腔(即常說的琺-珀型諧振腔)的穩(wěn)定條件類似，環(huán)形諧振腔的穩(wěn)定條件可以應(yīng)用諧振腔理論中環(huán)形腔內(nèi)旁軸光線運(yùn)行一周的環(huán)繞矩陣(相當(dāng)于兩鏡腔的往返矩陣)求得。具體推導(dǎo)分析方法可參閱這方面的專著，這里僅給出幾種常用環(huán)形諧振腔的穩(wěn)定工作條件。2

應(yīng)用環(huán)形激光器可以用于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量，這是因?yàn)樾胁ㄔ谛D(zhuǎn)坐標(biāo)系中通過環(huán)路的時(shí)間和在相對(duì)于慣性空間恒定的坐標(biāo)系中通過相同路程所用的時(shí)間不同。只有在相對(duì)論基礎(chǔ)上才能對(duì)此現(xiàn)象作出嚴(yán)格的數(shù)學(xué)描述。但是，可以由經(jīng)典理論概念得到滿意的一次近似結(jié)果。1

組成環(huán)形激光器包括激光陀螺、環(huán)形激光流量計(jì)和四頻環(huán)形激光器。激光陀螺和環(huán)形激光流量計(jì)為雙頻環(huán)形激光，主要是利用在環(huán)路中順時(shí)針和逆時(shí)針行進(jìn)的光的光程不同得到激光頻率分裂；而四頻環(huán)形激光器則主要由旋光性和磁光效應(yīng)造成激光頻率分裂，且其輸出是左旋圓偏振光和右旋圓偏振光，屬于正交偏振光。由于四頻環(huán)形激光出現(xiàn)之前先有了雙頻環(huán)形激光，前者是在后者的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，且二者都基于激光頻率分裂效應(yīng)。3

雙頻環(huán)形激光雙頻環(huán)形激光的一項(xiàng)應(yīng)用是作為陀螺使用，即激光陀螺。它已廣泛用于飛機(jī)、艦艇和導(dǎo)彈的導(dǎo)航及姿態(tài)控制中。其主要構(gòu)成有一個(gè)由三面反射鏡組成的一個(gè)光的旋轉(zhuǎn)振蕩環(huán)路，光在其中可以順時(shí)針，也可以逆時(shí)針行進(jìn)
并形成振蕩。

四頻環(huán)形激光在發(fā)展雙頻環(huán)形激光的過程中，一種正交圓偏振激光——四頻環(huán)形激光也獲得了發(fā)展，其目的是克服三鏡雙頻環(huán)形激光的“閉鎖”效應(yīng)：環(huán)形腔轉(zhuǎn)動(dòng)速度小于一定值時(shí)，激光器沒有頻差輸出。從結(jié)構(gòu)上來說，四頻環(huán)形激光比兩頻環(huán)形激光要復(fù)雜得多。雙頻環(huán)形激光只用三個(gè)反射鏡組成一個(gè)閉合環(huán)路，除了He Ne放電管外，環(huán)形腔內(nèi)不必置入任何光學(xué)元件；而四頻環(huán)形激光則必須由四個(gè)反射鏡組成一個(gè)閉合矩形或“8”字形環(huán)路，且除了He Ne放電管外，還必須放入兩個(gè)光學(xué)元件，一個(gè)是偏振面旋轉(zhuǎn)器(polarization rotators，義稱旋光器)，還有一個(gè)是基于磁光效應(yīng)的法拉第室(Faraday cells)。四頻環(huán)形激光用四鏡或偶數(shù)面反射鏡組成環(huán)路，而且四頻都是圓偏振光。如果使用i鏡環(huán)形腔，就不能看到四個(gè)頻率一起工作。3