揭秘环形谐振腔 - 北京鼎信优威光子科技有限公司

大多数激光器，至少是普通大众乃至相当有经验的激光爱好者所熟悉的那些，以及基础激光教材中介绍的那些，都采用所谓的 “法布里 - 珀罗（FP）” 谐振腔：一对反射镜，所有的激光作用都在这对反射镜之间发生。常见的气体激光器（氦氖激光器、氩离子激光器等）、二极管激光器以及许多固体激光器都是如此。然而，环形结构的激光并非在反射镜间来回反射，而是沿闭合路径传播，实际上被用于许多商用激光器，尤其是固体激光器。

环形结构

为便于讨论，我们或许最好将谐振腔想象成正多边形的形状，反射镜位于多边形的顶点。不过，“环形” 实际上可以是任何形状，只要光不会在增益介质内回溯路径（从而形成驻波）即可。反射镜的位置也不重要，它们不像 FP 腔那样存在边界条件限制。因此，环形结构可以是平面的或非平面的、任意边数的正多边形或不规则多边形、锯齿形等等。实际上，整个激光器甚至可以是一个闭合的光纤环！光路甚至可以交叉。环形激光谐振腔的尺寸差异很大，小到几毫米边长的微芯片，大到数米边长的大型装置。商用二极管泵浦固体（DPSS）环形激光器的典型尺寸是总往返长度从几厘米到几十厘米不等。

环形结构的工作原理及优势

尽管实际结构细节可能差异很大，往往不标注的话甚至难以辨认光路，但 FP 腔与环形腔最核心的区别在于：前者对应驻波激光器，后者对应行波激光器。在 FP 腔中，光在反射镜间来回反射。要满足谐振条件并产生激光振荡，增益介质内必须形成驻波。这就要求反射镜之间的距离恰好能容纳整数个半波长，由此也决定了模式间隔为 c/2L（c 为光速，L为腔长）。

在环形腔中，驻波形成的等效条件是：谐振腔的总往返距离能容纳整数个半波长。因此，其自由光谱范围（FSR）和纵模间隔是 FP 腔的一半。而且，如果允许构成驻波的两束反向传播光束存在，环形腔的表现会与 FP 腔十分相似，只是模式间隔的决定因素不同（环形腔由总往返距离决定，FP 腔由 2L 决定）。（不过这一特性本身也有优势，比如环形腔有更长的线性距离可容纳腔内光学元件，但这通常是次要考量。）

然而，借助光隔离器（一种类似 “光二极管” 的器件）或腔内偏振法拉第旋转效应，可以抑制环形腔中某一方向的光束。具体来说，法拉第效应可用于实现单向环形腔：谐振腔中某一位置的偏振元件（如布儒斯特片或带布儒斯特切割面的激光晶体）会使光束形成线偏振。该光束会穿过一个半波片，其光轴与光束偏振方向成 β 角，半波片的特性是，会使两个方向传播的光束偏振方向均旋转 2β 角（旋转方向相同）。

光路中还设有一块置于强轴向磁场中的磁光晶体或玻璃棒，利用法拉第效应，它会使两束反向传播的光束偏振方向分别旋转 β' 角，但旋转方向相反。当 β' 等于 β 时，其中一束光束在每次环行时偏振方向保持一致，从而获得最大增益；而反向传播的光束偏振方向会旋转 2β 角，增益大幅降低，最终被有效抑制。

值得一提的是，钇铝石榴石（YAG）既可作为激光晶体，又可作为法拉第旋转器，这能降低结构复杂度和成本。

允许腔内光仅沿单一方向传播，就形成了行波激光器。其谐振条件实际上与驻波激光器相同：光束每次环行后必须保持同相位（若相位不一致，会导致光强减弱甚至无光输出）。但单向环形腔非常有利于单纵模运行，原因很简单：在驻波（FP）激光器中，增益介质仅在驻波波峰区域被充分消耗（粒子数反转被耗尽），这一现象称为 “空间烧孔”。这会导致增益介质中出现未被充分利用的区域，使得其他纵模得以在这些区域（远离波峰处）建立振荡。通常，激光器刚超过阈值时会运行在单纵模状态；但随着激励增强，其他模式的增益会达到振荡阈值，激光器最终会进入多纵模运行状态。

虽然可以通过缩短激光腔长（使其他模式落在激光介质的增益带宽之外）来抑制多纵模，但这可能并非可行方案。将增益介质紧贴其中一块反射镜，也能减少多模运行的倾向（因为相邻模式的相关性更强，空间烧孔效应减弱），但无法完全消除多模。

行波激光器则完全不存在空间烧孔问题，因为光束在腔内循环传播，整个增益介质都能被均匀利用。这使得单纵模运行更加稳定，激光器可以在更高功率下运行，才会出现其他模式。而且由于增益介质被充分利用，激光器的效率也会提高。对于采用倍频（SHG）及其他频率倍增晶体的激光器来说，另一大优势是：由于光束单向传播，所有转换光（如绿光）都能从一个光学元件处提取，无需处理反向传播的光束。

出于这些原因，许多商用固体激光器都采用环形谐振腔结构，那么,为何环形激光器没有得到全面的普及呢？原因之一是与 FP 激光器相比，环形激光器的结构更复杂、成本更高；而且许多应用并不需要单纵模运行。

激光器推荐

瑞典的Cobolt 05系列高功率窄线宽激光器均采用环形谐振腔设计。05系列Cobolt激光器均具有：

📌超窄的线宽(＜500KHz)

📌TEM00模光斑（M2＜1.1）

📌低噪声Noise, 20 Hz - 20 MHz (rms)小于0.1％（@532nm）

📌超高的波长稳定性小于1pm (±2°C and 8hrs)

📌Cobolt激光器采用高温固化技术，使其长期使用性和耐用性大大提升

📌Cooblt支持远程协助功能，激光器可以通过远程维护，省去了返厂的时间和财务成本的支出

如果您对于上述激光器感兴趣，可以联系大侦探咨询！