基于三反射镜谐振腔激光器的量子干涉仪

图4为三反射镜谐振腔激光器的原理图。反射镜1和3与激活介质2组成的激光器。或是射镜4的位移，或者是反射镜3和4之间介质特性的变化将引起光程长度的变化，从而引起激光强度的调制。

在研究三反射镜谐振腔的基础上^[4-6]得出下列结论^[4]：在该系统中所形成的模式既不是谐振腔Ⅰ的模式，也不是谐振腔Ⅱ的模式，而是三反射镜复合谐振腔Ⅰ—Ⅱ的模式；在谐振腔Ⅰ和Ⅱ耦合较弱的情况下，在很大的精确程度上这些模可看作谐振腔Ⅰ和Ⅱ的偏移模；在一般情况下，谐振腔之间耦合的引入将导致模在频率标度上的偏移，并且谐振腔Ⅰ和Ⅱ的位置越近，则偏移越大。

图4 三反射镜谐振腔激光器的原理图

1，3，4—反射镜 2—激活介质

当耦合参数很小时（Q_c＜＜1），相对于K_n=nπ/L的偏移量ΔK_n很小，并且当L₁=L₂=L时，。当模的频移相对于Q_c=0模的值等于0时，在反射镜4移动的情况下，模将达到在自己谐振腔内强度的最大值。当反射镜4位移时，在三反射镜谐振腔内所有可能出现的模，相对于非激励状态的频率，都改变自己的频率，从而导致在自己谐振腔内模强度的减弱，因此也就减小了模的品质因数。并且这个模的品质因数在另一谐振腔内将增大。

因为仅在谐振腔Ⅰ内存在激活介质，在腔内某一模的品质因数减小可能导致其振荡的终止。同时谐振腔Ⅱ中的模几乎跑到谐振腔Ⅰ内，其品质因数将增大。此后重新振荡的模占据了谐振腔Ⅰ非激励模的位置，这个模的激光强度又重新达到极大值。

由于上述效应，激光强度将周期性地变化，并且当反射镜4移动λ/2时，光强的调制变化一个完整周期（在谐振腔Ⅰ或谐振腔Ⅱ都只存在纵模的情况下）。当谐振腔Ⅰ和Ⅱ存在纵模和横模时，也能观察到类似的激光光强变化的周期性。但是这些谐振腔的不同模的焦散面并不相交（如在对称于反射镜3的镜对称式谐振腔内）。

上述效应是三反射镜激光干涉仪的基础。这种干涉仪用于测量物体的长度和位移、移动速度以及介质的各种物理特性，如折射率和密度等。

在三反射镜干涉仪中光强的调制深度在很大程度上取决于耦合参数Q_c及主动和被动谐振腔长度之比L₁/L₂。当L₁=L₂，反射镜移动时，所有振荡模将同时减弱或增强。假若这时反射镜移动速度很小，而Q_c足够大，并且在谐振腔中模建立的物理过程的惯性可以忽略，则光强的调制深度几乎可达100%。当L₁/L₂＞1时，仅部分模同时增强（或减弱），因此调制深度小于100%。当L₁/L₂＞＞1时，所有的激光模实际上同时偏离非激励状态，并且调制深度又重新接近于100%。

图5所示为测量物体位移的三反射镜谐振腔量子干涉仪原理图^[2]。氦-氖激光器1的谐振腔由两个固定反射镜2和14（透过率分别为0.1%和1%），以及可动反射镜6所组成。可动反射镜6固定在可用千分尺移动的支承上。当可动反射镜6移动时，接收装置（包括光接收器11、放大器10和记录装置9）记录光信号最大值和最小值的个数，最大值与最小值之间的距离相当于半个波长。光学系统4和12用来减小激光的发散角。所述装置还可以用来测量移动速度和谐振腔内被测介质5特性的变化。

图5 测量物体位移的三反射镜谐振腔量子干涉仪原理图

1—氦-氖激光器 2，14—固定反射镜 3，13—滤光片 4，12—光学系统 5—被测介质 6—可动反射镜 7—可动支承 8—激光电源 9—记录装置 10—放大器 11—光接收器(www.xing528.com)

图6 利用偏振面周期性变换来测量物体

位移长度的量子干涉仪原理图 1—激光器 2，9—谐振腔反射镜 3—检偏器 4—光探测器 5—放大器 6—记录装置 7—被测对象（可动反射镜） 8—偏振片

三反射镜谐振腔量子干涉仪的缺点是不能确定到外反射镜的光程变动的方向。假若预先不知道这个方向，就难以判别测量结果，还有由于外压力的波动，谐振腔的失调等所引起的激光功率的不稳定将降低测量精度。为了克服后一缺点，建议采用如下新装置，在这种装置中反射镜的移动将引起激光束偏振面的周期变化。这个装置的原理图如图6所示。在这个装置中利用各向同性的激光器1，平面偏振波之一通过偏振片8落到可动反射镜7，被反射后返回激光器。根据到达可动反射镜7前的光程，它使同样偏振面的光波增强或减弱，具有垂直偏振面的波被偏振片8吸收而不落到可动反射镜7上。由于反射镜的这些移动，落在检偏器3上的激光偏振面将周期性地改变，从而引起落在光探测器4上的光强周期性的变化。假若将偏振片8换成1/4波片，可以提高装置的测量准确度。

用相对于谐振腔的两个反射镜略有失调的球面反射镜代替第三个平面反射镜，则可大大提高三反射镜干涉仪的灵敏度^[14]。在这种情况下，被动谐振腔内产生比基模更高阶的横模，当相应于横模频率的光路改变时，将引起光强更快的变化。

当外反射镜的移动速度v为常数时，激光强度的变化周期可由下式决定^[14]：

t′=λ/（2vs）

式中，s是受激振荡数。

在三反射镜干涉仪中差频原理的实现可以得到比其他干涉仪高得多的灵敏度。在文献[18]中所介绍的干涉仪是利用双频激光器，其主动谐振腔长为80cm，被动谐振腔长为10cm。主动腔长和被动腔长的这个比例保证了它们仅有两个谐振频率相符。在接近主动腔和被动腔的相符谐振频率时，则一个频率振荡，另一频率不振荡。这时被动腔长改变的信号包含在振荡的差频中。当被动腔长改变时，其变化的速度能达到。当利用同步探测器时，测量的灵敏度可达。但是，目前上述三反射镜干涉仪在长度和位移测量中还未得到足够应用，它们还不能与很好设计的激光迈克尔逊干涉仪相媲美，确定被动腔长变化符号上的困难阻碍了它们的广泛应用。

（参考文献略）

叶声华摘译自“Применение лазеров в Машиностроении и приборостроении.—Л.Машиностроение.Ленингр.отд-ние，1978”231～237.