谐振腔应力对全反射棱镜式激光陀螺输出光强分布特性影响

谐振式微型光学陀螺锁频精度分析鲍慧强;毛慧;马慧莲;金仲和【期刊名称】《浙江大学学报（工学版）》【年(卷),期】2010(044)001【摘要】在谐振式微型光学陀螺(R-MOG)系统中,为了减小由于光学器件受温度、应力等外界环境因素影响产生的各种噪声,提高环路锁频精度,在反馈回路中引入PI 控制器取代一阶惯性反馈环节,建立反馈控制模型,对比分析PI控制器和一阶惯性反馈环节2种反馈方式对锁频精度的影响.利用PI控制器设置的反馈回路能够消除环路的阶跃响应稳态误差,从而降低温度等外界因素引起的环形腔互易性噪声的影响,提高环路锁频精度.进一步优化PI控制器参数,将优化设计的PI控制器应用于R-MOG系统,得到锁定环路阈值精度为30 Hz,对应环长为7.9 cm的微型环形腔可检测转动角速度为0.15°/s,并在该芯片构成的系统上观察到20°/s的陀螺响应.【总页数】6页(P94-98,135)【作者】鲍慧强;毛慧;马慧莲;金仲和【作者单位】浙江大学,信息与电子工程学系,浙江,杭州,310027;浙江大学,信息与电子工程学系,浙江,杭州,310027;浙江大学,信息与电子工程学系,浙江,杭州,310027;浙江大学,信息与电子工程学系,浙江,杭州,310027【正文语种】中文【中图分类】TN815;TN911.74【相关文献】1.谐振式光学陀螺的快速锁频技术 [J], 任勇峰;于淼;焦新泉;郑永秋2.谐振式光纤陀螺环路锁频技术研究 [J], 杨雪锋;郑阳明;马慧莲;金仲和3.一种应用于谐振式微型光学陀螺的高频锁相放大器的设计 [J], 杨桂东;马慧莲;张旭琳;周柯江;金仲和4.谐振式光波导陀螺激光双重锁频技术 [J], 梁燕华5.谐振式光学陀螺锁频偏差的消除方法研究 [J], 孙颖;张成飞;刘文耀;唐军;刘俊因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

Ξ　收稿日期:2009-07-07作者简介:张琳琳(1985—),女,山东泰安人,硕士研究生,主要从事人眼安全激光器以及人眼安全激光测距机研究.OPO 激光器腔型设计对输出激光发散角的影响Ξ张琳琳,汪岳峰,贾文武,殷志勇(军械工程学院光学与电子工程系,石家庄　050003)摘要:采用氙灯泵浦K D 3P 电光调Q1.06μmNd ∶Y AG 激光器作为抽运源,研究了不同谐振腔型的情况下,K TP 2OPO 激光器的输出光束质量特性.对单谐振光参量振荡器速率方程进行了讨论.实验中平凹腔输出激光发散角均大于20mrad ,平平腔的激光发散角小于等于16mrad ,而凹凸腔的光束质量是三者中最佳的.结果表明,谐振腔腔型设计与光束质量的优劣有很大的关系.非稳腔输出激光发散角小;而稳定腔、介稳腔输出激光的发散角大,光束质量相对较差.同时,提出了改进光束质量的几点建议.关键词:OPO ;谐振腔;速率方程;发散角中图分类号:T N244文献标识码:A 文章编号:1006-0707(2009)10-0052-03 光参量振荡(OPO )与放大(OPA )技术是获取新波长相干光源的重要手段[1-6].随着非线性晶体与激光器技术的飞跃式发展,国内外已经能够获得大能量的参量激光输出.同时,随着应用要求的不断提高和深入,OPO 激光光束质量的重要性也日渐显现出来.在研究初期,人们的重点主要放在K TP OPO 的机理和特点上.为了达到降低阈值的目的,激光器多采用腔长较短的平-平腔或稳定谐振腔,这就使得OPO 振荡光的发散角非常大,光束质量较差,难以满足某些实际应用的需要.针对以上情况,就有必要对稳定腔、平-平腔、凹-凸腔、环形腔等集中谐振腔型的OPO 激光器光束质量进行对比分析,找出较优的腔型设计方案,并对光束质量进行改进.1　理论分析 图1为内腔式单谐振光参量振荡器示意图.图中,TS 为泵浦源激光器的工作物质;N L 为OPO 非线性晶体;M1为泵浦光全反射膜片;M2为对泵浦光高透过率,同时对OPO 信频光全反射的膜片;M3为闲频光高透过膜片,泵浦光和信频光均为部分透过.因此,M1、TS 、M3构成泵浦源激光器,M2、N L 、M3构成OPO.这种OPO 晶体在泵浦激光器谐振腔内部的OPO 形式被称为内腔式OPO (I OPO ).T.Debuisschert 等人[7]在经典和半经典理论的基础上推导了单谐振I OPO 速率方程.为了实现数值解的时间直观性,将Nd :Y AG 泵浦的单谐振I OPO 速率方程表述为:τt =d I td t=N (I t +ΔI t )-I t -FI s I t (1)τsd I sd t=I t (I s +ΔI s )-I s (2)2τnd Nd t=τn W -N -XNI t (3)其中:式(1)为腔内泵浦光强的速率方程;式(2)为OPO 腔内信频光光强的速率方程;式(3)为激光器上能级粒子数的速率方程.下标t 、s 、n 分别代表泵浦光、信频光和激光介质上的能级粒子数;N 为归一化激光上的能级粒子数(刚达到泵浦光振荡阈值时的上能级粒子数为1);τn 为激光介质上能级粒子数寿命;I j (j =t ,s )为归一化的腔内光强(刚达到OPO 阈值时的泵浦光光强为1);ΔI j (j =t ,s )为振荡初始时的腔内噪声光强;W 是归一化泵浦速率,W =W/ρaath(其中W 为在激光工作物质单位体积单位时间内被泵浦到激光上能级的粒子数,ρaath 为阈值时的上能级粒子数密度);τj (j =t ,s )为腔内光子寿命,并且有[8]τt =2n t L t /(c δt ),τs =2n s L s /(c δs )式中:n j (j =t ,s )为腔内平均折射率;L j (j =t ,s )为谐振腔有效长度;δj (j =t ,s )为腔内损耗;c 为真空中光速.同时,若脉冲倍频Nd :Y AG 激光能量为E p ,则有N 0(λ)=E p E pth =2σe (λ)η0ηl l th γp V [δt +T (λ)]・E p(4)式中:N 0为波长的函数;σe (λ)为λ波长处的受激辐射截面;η0为晶体对泵浦光的吸收效率;ηl 为激光亚稳能级到激光第30卷　第10期四川兵工学报2009年10月上能级非辐射跃迁的量子效率;l 为工作物质长度;γp 为泵浦光源;V 为工作物质体积;T (λ)为波长λ处的透过率.在不同的谐振腔条件和初始条件下,对式(1)～(4)进行求解,可得到泵浦光和OPO 信频光的参数和相互关系,同时还可得到初值和谐振腔条件对输出激光光束质量的影响.图1　内腔式单谐振光参量振荡器2　实验研究 实验采用的输入电源电压为480V ,频率为1H z ,测出静态输出能量为195m J ,动态输出能量为172m J ,动静比约为88%,发散角为6～7mrad.本次实验采用套孔法测量发散角(透过小孔的能量应达到透过前的86%左右[8]),同时,针对腔外OPO 的几种不同腔型,进行了输出光束质量的对比分析.2.1　平-平腔平行平面谐振腔输出的不是平行平面波,由于其在边缘附近有较大的固定衍射损耗,因此在边缘附近存在一定的相位延迟(约30°),从而使波前略显弯曲.虽然平行平面腔较好地利用了激光工作物质的体积,但是由于平-平腔的对准容限严格,因此其对很小的不对准也非常灵敏[8].如图2所示,实验中采用氙灯泵浦、K D 3P 电光调Q 的1.06μm Nd ∶Y AG 激光器.激光晶体为Φ6.35mm ×95mmB59C 型Nd :Y AG 晶体;前镜M1为平镜,且对1.06μm 激光的透过率为80%;M2为λ/4波片;后镜M3为对1.06μm 激光高反的平镜;非线性K TP 晶体尺寸为7.5mm ×7.5mm ×30mm ,其S ide I 镀1.57μm 高反、1.06μm 高透膜,S ide II 镀1.57μm 部分透过、1.06μm 高反膜,这样就形成了腔外平-平腔OPO 激光器.图2　平-平腔腔外OPO 激光器实验 实验中,泵浦能量为170m J ,当能量计距OPO 出口为27cm 时,输出能量为33.8m J ,运用400mm 透镜(如图3),则理论上透过小孔的能量应为29.1m J 以上.当在透镜后面放置一直径为8mm 的小孔进行测量时,透过小孔的能量为27.6m J ,发散角大于20mrad.图3　输出激光能量测量2.2　平-凹腔保持平-平腔腔外OPO 激光器实验中其他条件不变,把谐振腔的后镜M3由平镜换为对1.06μm 激光高反、曲率为3m 的凹面镜,尺寸为Φ20mm ×5mm ,这样就形成了平-凹腔型腔外OPO 激光器实验装置.对于平-凹谐振腔有:ω21=ω20=λπL (R 2-L )1/2(1)ω22=λπR 2(L R 2-L)1/2(2)其中:ω0为束腰半径,ω1、ω2分别为两反射镜上的光束半径;L 为两反射镜的间距;R 2为凹面镜的曲率.在这种腔中,束腰出现在平面镜上.由于平面镜约位于球面镜的曲率中心,且球面镜产生的模直径相对较大,因此所得到的ω1的衍射损耗较小.在所有谐振结构中,接近半共心谐振腔的对准稳定性最好[8].同样,能量计距OPO 出口为27cm 时,输出能量为34m J.实际测量中,运用400mm 透镜,并在透镜后放置直径为6mm 的小孔进行测量时,透过小孔的能量为13.3m J ,因此发散角约为16mrad.2.3　凹-凸腔由一凸镜和一凹镜构成的光学谐振腔,为固体激光器输出TE M 00模提供了很大的帮助.采用这种谐振腔,可使g 2/g 1>1,从而增大ω1值.与其他类型的谐振腔相比,这种谐振腔的特点是效率高、对扰动的灵敏度低,并且结构紧凑.凹-凸腔型腔外OPO 激光器实验装置如图4所示.图中,M1为凹面镜,其曲率半径为2m ;M2为高斯镜,其2a =6,2b =0;M3为凹凸镜,其曲率半径为±474mm ,且凸面为AR @1064,凹面为HT @1064nm 、HR @1570nm ;M4为凹凸镜,其曲率半径为±413mm ,且凸面为HR @1064nm 、T =35%@1570nm ,凹面为AR @1570nm ;M5为平镜,对1.57μm 激光的透过率为92%;K TP 晶体尺寸为7mm ×7mm ×20mm.35张琳琳,等:OPO 激光器腔型设计对输出激光发散角的影响图4　凹凸腔腔外OPO 激光器实验 实验中,注入电压为560V ,测量出静态输出能量为200m J ,动态输出能量为175m J.测量发散角时,电源电压不变,加小孔之前的输出能量为23.3m J ;运用1m 透镜,放置4mm 小孔测量时,透过的能量为20.5m J ,因此发散角小于4mrad.2.4　实验结果分析与比较表1为3种腔型泵浦能量、输出能量与发散角的实验数据与结果.由表1可以看出,当泵浦能量相同时,凹-凸腔的输出能量虽小于平-凹腔和平-平腔,但发散角也远小于后2种,从而从实验上证明了非稳腔的光束质量优于稳定腔与介稳腔.表1　3种谐振腔型的实验数据与结果泵浦能量/m J输出能量/m J发散角/mrad平凹腔17033.8>20平平腔17034≈16凹凸腔17023.3<4 从以上实验结果还可以看出,谐振腔的腔型设计与光束质量有很大关系.平-平腔型与平-凹腔型的OPO 激光器输出激光的发散角较大,难以达到高水平运转;而凹-凸腔型OPO 激光器的激光输出发散角则较小.这是由于前2种为稳定腔与介稳腔(但考虑到Nd :Y AG 晶体的热透镜效应,平-平腔型也可等效为稳定腔),处于光束中心部分的光强最大,且光强沿径向呈高斯函数下降,因此其在轴线附近的抽运光功率密度最大,故转换为OPO 闲频光和信频光的效率也最高.若OPO 光不能有效耦合出谐振腔,闲频光与信频光又会重新复合为抽运光.因此,相对于稳定腔而言,非稳腔有着其特有的高增益、高功率、大模体积、大模间距、好的光束质量、小的发散角等优点.3　结束语 光束质量好的谐振腔,输出激光的振荡光斑较小,故得不到较高的输出功率.因此在实际应用中,要根据用途从激光输出效率与光束质量两方面进行综合考虑.同时,也可以从激光器的其他参数着手,进一步改善光束质量、提高输出效率.比如,可以考虑改进K TP 晶体,从而提高输出能量.实验中,当采用7mm ×7mm ×20mm 的K TP 晶体替换原有晶体进行平-平腔腔内OPO 实验,且在输入电压为370V 时,输出能量可达到30.1m J ,相对于原有晶体,其输出效率有所提高.今后,1.57μm 人眼安全OPO 激光器的研究应从谐振腔型、腔长、非线性晶体等方面入手,进一步提高输出能量和重复频率,使其具有更广泛的应用前景.参考文献:[1]　许祖彦.光参量激光[J ].中国激光,1994,21(5):320-333.[2]　Marshall L R ,K az A.Eye 2safe output from noncriticallyphase 2matched parametric oscillators[J ].J.Opt.S oc.Am.B ,1993,10(9):1730-1736.[3]　Lee I ,Villavicencio V I.High average power per formance ofan eyesafe K TP OPO based system [J ].Proc.SPIE ,1993(1864):158-162.[4]　Velsko S P ,Webb M S.High average power parametric fre 2quency conversion —new concepts and new pum p s ources [J ].Proc.SPIE ,1994,(2145):309-314.[5]　姚宝全,王月珠,王骐,等.高效率非临界相位匹配K TP 光学参量振荡器[J ].中国激光,1999,26(11):969-972.[6]　刘彦巍,巩马理,翟刚,等.非共线泵浦K TP 光参量振荡器[J ].光学学报,1994,18(3):1-5.[7]　沈柯.激光原理教程[M].北京:北京工业学院出版社,1986.[8]　W 克希耐尔.固体激光工程[M].北京:科学出版社,2002.45四川兵工学报。

谐振腔参数对激光输出的影响吴荣琴，杨文琴，苏宝玺【摘要】[摘要]光学谐振腔作为激光器的重要组成部分，为激光振荡提供正反馈。

谐振腔的参数直接影响激光的输出特性，如输出功率、频率特性、光强分布(模式)以及光束发散角等。

本文通过实验分别对不同激光器的谐振腔参数进行改变，利用实验数据和结果进行分析，得出激光器最佳输出的谐振条件。

【期刊名称】长春师范大学学报【年(卷),期】2016(035)004【总页数】4【关键词】[关键词]谐振腔参数；激光；最佳输出本文分别改变LD泵浦固体激光器和He-Ne激光器的谐振腔参数，包括输出镜透过率、谐振腔长度、泵浦功率。

1 LD泵浦固体激光器谐振腔变化对输出影响的讨论采用实验装置如图1所示，泵浦源为半导体激光器，最大输出约为1.7W，工作物质采用Nd∶YAG晶体，输出波长为808nm的光，与Nd∶YAG的吸收峰相吻合。

泵浦光经耦合系统注入Nd∶YAG晶体，与输出镜构成谐振腔，当腔内的增益大于损耗时便输出1064nm激光。

实验步骤：根据实验装置图1设置输出镜与晶体之间的距离。

缓慢调节LD电流至1.0A，微调输出镜倾斜和俯仰使系统出光，然后微调激光晶体、耦合系统，使激光输出到最大值。

实验内容：将LD电流由小调大，从1.0A开始，每隔0.1A测量一组固体激光器系统的泵浦功率和输出功率；分别采用透过率为T1=3%和T2=8%的输出镜测试实验数据。

得出泵浦功率与输出功率的测量数据如表2所示，其关系曲线如图2所示。

由实验结果可以看出：第一，当泵浦功率大于阈值时，激光腔内便建立起振荡。

激光的输出功率随着泵浦功率的增大呈近似线性增大。

从理论上来看，输出功率不会一直增大，激光器输出功率的进一步增大有可能出现增益饱和现象，使输出曲线弯曲，限制激光器输出功率的进一步提高。

第二，T1的输出功率明显比T2大，即透过率较小的输出镜有利于提高激光的输出功率。

从理论上看，激光输出功率会随输出镜透射率的降低而增加，但是当透过率达到最大值时激光的输出反而会下降。

谐振式光子带隙光纤陀螺谐振腔方案设计冯丽爽;焦洪臣;姜辉;傅长松【摘要】为提高陀螺系统的精度,设计并实现了基于光子带隙光纤的谐振式光学陀螺方案.对用于该陀螺的核心器件谐振腔进行了研究,仿真比较了反射式和透射式两种谐振腔的清晰度和信噪比,发现反射式的清晰度高、输出信号强度大,由此确定谐振腔采用反射式结构方案.以谐振腔极限灵敏度为优化参考值,根据谐振腔频率响应特性和陀螺数据输出特性,仿真优化了谐振腔腔长、耦合器分光比等结构参数.在极限灵敏度极值对应的最佳分光比为约0.5时,谐振腔长取30 m,陀螺极限灵敏度达0.03(°)/h,完成光子带隙光纤谐振腔的理论设计.【期刊名称】《上海航天》【年(卷),期】2016(033)005【总页数】5页(P84-88)【关键词】光纤陀螺;谐振腔;光子带隙光纤;反射式;透射式;熔接损耗;信噪比;极限灵敏度【作者】冯丽爽;焦洪臣;姜辉;傅长松【作者单位】微纳测控与低维物理教育部重点实验室,北京100191;微纳测控与低维物理教育部重点实验室,北京100191;上海惯性工程技术研究中心,上海200233;上海航天控制技术研究所,上海201109;上海惯性工程技术研究中心,上海200233;上海航天控制技术研究所,上海201109【正文语种】中文【中图分类】V241.59惯性导航与制导是精确打击武器和平台实现自主导航、制导的核心，其性能对武器装备的精度、机动性、突防和生存能力等有决定性影响，而陀螺是惯性导航与制导系统的核心仪表，是决定惯性系统性能的最主要因素[1]。

从传统机电式陀螺到激光陀螺再至光纤陀螺，历经数十年发展，光纤陀螺在惯性技术领域的地位已经确立，其全固态结构，使之较以往采用机械转子或气体环形激光器的方案更具优势，可实现高可靠、长寿命、快速起动、大动态范围的应用。

干涉式光纤陀螺已进入实用化阶段，与其相比，实现相同的灵敏度，谐振式光纤陀螺所需的光纤长度可缩短很多，这体现了将来陀螺高精度、小型化的发展趋势，也是新型光纤陀螺研究的热点和重点[2-3]。