專利名稱：可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)腔，以及它的用途。
光學(xué)腔作為一種基礎(chǔ)性光學(xué)器件，在光學(xué)科學(xué)、光學(xué)技術(shù)中有著重要的作用。新型光學(xué)腔的出現(xiàn)，曾對光學(xué)科學(xué)與技術(shù)，乃至整個現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起過極大的推動作用。眾所周知，肖洛和湯斯在他們著名的關(guān)于激光的第一篇論文“遠(yuǎn)紅外和光脈塞”(A.L.Schawlow and C.H.Townes，Infrared and Optical Masers，Phys.Rev.，112，1940(1958))中，正是由于提出了開式光學(xué)諧振腔的構(gòu)思，從而將受激輻射的微波放大-即Maser的工作原理能夠應(yīng)用到光頻區(qū)，使得受激輻射的光波放大成為可能(參見文獻(xiàn)A.亞里夫著，劉頌豪等譯，量子電子學(xué)，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1983年，183頁)，從而導(dǎo)致了激光器的誕生。
現(xiàn)在已有多種類型的光學(xué)腔，分別具有不同的性能和用途(參見文獻(xiàn)楊臣華，梅遂生，林鈞挺主編，激光與紅外技術(shù)手冊，國防工業(yè)出版社，1990年，260頁-273頁)，其中的一種兩鏡式無源光學(xué)共振腔(即腔內(nèi)沒有活性工作介質(zhì)的共振腔)可使由腔外入射的光束在其腔內(nèi)得到儲存并疊加增強(qiáng)(參見文獻(xiàn)A.Ashkin et al，Resonant Optical Second Harmonic Generation and Mixing，IEEE Journal of Quantum Electronics，QE-2，6，109-124(1966))，因而在提高光學(xué)倍頻轉(zhuǎn)換的效率方面已得到極其重要的應(yīng)用(參見文獻(xiàn)R.Paschotta et al，82％ Efficient Continuous-wave frequency doubling of 1.06μm with a monolithicMgOLiNbO3 resonator，Optics Letters，19，17，1325-1327(1994))。由于這種無源光學(xué)共振腔的工作原理和結(jié)構(gòu)是法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具(參見文獻(xiàn)趙凱華 鐘錫華著，光學(xué)(上冊)，北京大學(xué)出版社，1984年，330頁-342頁)的延伸，故它們都是由兩面反射鏡所組成，腔外光束入射后，在腔內(nèi)沿兩個相反的方向相對傳播，從而在腔內(nèi)形成駐波，長期以來，人們雖對其不斷改進(jìn)，例如將兩面平面鏡改成球面鏡或一面平面鏡一面球面鏡等，但沒有脫離兩鏡式駐波共振腔的基本特征。這種光學(xué)腔，由于光束在其內(nèi)沿兩個相反的方向相對傳播而形成駐波，因而對于很多應(yīng)用是極其不利的(參見下述)。若能有一種新型的無源光學(xué)腔，它具有如下特性首先腔外光束可有效入射腔內(nèi)，然后入射光束在腔內(nèi)又只能沿單一方向傳播，即能使入射光束仍以原來的單方向運(yùn)行方式被儲存在腔內(nèi)，并且其強(qiáng)度也可在腔內(nèi)被疊加增強(qiáng)，則此種新型的無源光學(xué)腔將比上述駐波式無源光學(xué)腔在光學(xué)科學(xué)和技術(shù)中得到更為廣泛和重要的應(yīng)用。
本發(fā)明的目的是提供這種新型無源光學(xué)腔，以及它在獲得強(qiáng)光脈沖、提高多種光學(xué)線性或非線性轉(zhuǎn)換(如倍頻、和頻、差頻、高次諧波、參量放大、參量振蕩、四波混頻或連續(xù)波泵浦的激光產(chǎn)生等)的效率、提高高頻光調(diào)制器及光開關(guān)的光能利用率、降低高頻光調(diào)制器及光開關(guān)所需驅(qū)動電壓、驅(qū)動磁場或驅(qū)動光場強(qiáng)度和降低光束振幅或位相的起伏噪聲等方面的用途。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的制作這樣一種光學(xué)腔，它的構(gòu)造特征是用數(shù)面反射鏡(一般是三或四面，面數(shù)可適當(dāng)增加，但不宜太多，否則會增加反射損耗)組成一單向環(huán)型光腔，使光腔等效腔長滿足或近似滿足對于入射光束頻率的共振條件，即腔長的等效光程為或近似為入射光波長的整數(shù)倍，而輸入端口鏡的反射率滿足或近似滿足光腔的損耗匹配條件，即作為輸入端口鏡的反射鏡的反射率依據(jù)或近似依據(jù)光腔的光能損耗率而定。在此(近)共振并匹配條件下，由于多光束干涉的作用，腔外光束可有效入射腔內(nèi)；光束入射腔內(nèi)后，由于腔內(nèi)光路是一單向環(huán)型光路，故其只能沿此環(huán)型光路單方向地反復(fù)循環(huán)運(yùn)行；加上由于外界能量的持續(xù)輸入，腔內(nèi)光束強(qiáng)度便不斷增強(qiáng)，直至外界光能量的輸入速率與光腔自身的能量損耗速率相等時而達(dá)到一平衡穩(wěn)態(tài)最高值。光腔自身的能量損耗雖不可避免，但其速率卻可采取措施使其盡量減小，從而使腔內(nèi)光束強(qiáng)度遠(yuǎn)大于原入射值，于是便構(gòu)成一種能儲存入射光束能量，能使儲存光束單方向反復(fù)循環(huán)運(yùn)行和能疊加從而增強(qiáng)光束強(qiáng)度的新型無源光學(xué)腔。
本發(fā)明所述的組成可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔的反射鏡可以是平面鏡，也可以是球面鏡，或者是它們適當(dāng)?shù)慕M合。要求各反射鏡本身對光束的損耗盡可能小，例如對光束的吸收很小，從而其光強(qiáng)反射率與光強(qiáng)透射率之和能近似為1，對于現(xiàn)代的反射鏡制作技術(shù)這并不難實現(xiàn)。另外，本發(fā)明所述的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔的環(huán)型光路可以是三角形、四邊形、蝶形及多邊形等(詳見下述)。
這種可儲存單向運(yùn)行光束并能疊加增強(qiáng)光束強(qiáng)度的無源環(huán)型光學(xué)腔具有如下的重要用途首先，由于腔外入射的光束，通過腔內(nèi)循環(huán)而光強(qiáng)疊加、長度變短，在適當(dāng)?shù)臅r候使其經(jīng)一置于腔內(nèi)的光束行進(jìn)方向切換裝置改向而輸出，則會獲得高強(qiáng)度短脈寬的光脈沖；其次，此種光學(xué)腔可以用來提高在光學(xué)技術(shù)中廣泛使用的多種光學(xué)轉(zhuǎn)換的效率，例如光學(xué)倍頻、和頻、差頻、高次諧波的產(chǎn)生，參量放大、參量振蕩、四波混頻甚至連續(xù)波泵浦的激光產(chǎn)生等，因為對于這些光學(xué)轉(zhuǎn)換，由于它們的轉(zhuǎn)換效率總是小于1，則輸入光或泵浦光中便剩有未得到轉(zhuǎn)換的光能量部分，通過單向環(huán)型光路，可將它們多次地再輸入轉(zhuǎn)換工作介質(zhì)而進(jìn)行再轉(zhuǎn)換，而得到轉(zhuǎn)換的光能量部分可通過一分光器件而改變行進(jìn)方向從而輸出腔外，加上腔內(nèi)光強(qiáng)遠(yuǎn)大于原入射值，這也會進(jìn)一步增強(qiáng)多種非線性轉(zhuǎn)換的效率，從而可提高總的光學(xué)轉(zhuǎn)換效率；另外，在此種光學(xué)腔的腔內(nèi)環(huán)型光路上，放置由電致、磁致或光致偏振面旋轉(zhuǎn)介質(zhì)和偏振分光器件組成的高頻光調(diào)制裝置或光開關(guān)裝置，由于未被調(diào)制裝置或開關(guān)裝置輸出的光束能量可沿腔內(nèi)環(huán)型光路循環(huán)而被儲存，并可再入射這些裝置而被再利用，從而可提高高頻光調(diào)制裝置或光開關(guān)裝置對入射光能的利用率；還有，由于入射光束在腔內(nèi)的循環(huán)疊加，從而使入射這些裝置的工作介質(zhì)的光束強(qiáng)度大幅度提高，這使電致、磁致或光致偏振面旋轉(zhuǎn)介質(zhì)所需的輸出原幅度光強(qiáng)的驅(qū)動電壓、驅(qū)動磁場或驅(qū)動光場強(qiáng)度大幅度降低(詳見后實施例及說明)；最后，由于此種光學(xué)腔只能有效儲存滿足其頻率共振條件的入射光束，若一光束其振幅或位相具有起伏噪聲，按傅立葉頻譜分析的觀點，則該光束可被分解成具有不同頻率成分的頻譜分量(參見文獻(xiàn)J.W.顧德門著，章達(dá)三 董經(jīng)武 顧本源譯，傅立葉光學(xué)導(dǎo)論，科學(xué)出版社，1976年，第二章)，其中只有頻率滿足該光學(xué)腔頻率共振條件的光束才能有效入射其內(nèi)并在其內(nèi)得到儲存，由于隨機(jī)噪聲光束的振幅或位相對于其理想的振幅或位相值的偏離值會是從最大偏離負(fù)值到最大偏離正值之間的所有可能值，由于這些光束在腔內(nèi)的被多次循環(huán)疊加，這些偏離可能值相加的結(jié)果是向偏離零值靠近，因而在腔內(nèi)的光束，由于共振環(huán)型腔的窄帶選通和經(jīng)多次循環(huán)疊加的雙重作用，其振幅或位相的起伏噪聲會被大為降低，利用適當(dāng)?shù)闹糜谇粌?nèi)的裝置使其輸出，則會獲得振幅或位相起伏噪聲降低的光束。
使用上述的兩鏡駐波式無源光學(xué)共振腔，在共振腔的窄帶選通和光束在腔內(nèi)多次循環(huán)疊加的雙重作用下，入射光束的振幅或位相的起伏噪聲也會被降低，利用適當(dāng)?shù)闹糜谇粌?nèi)的裝置使其輸出，則也會獲得振幅或位相起伏噪聲降低的光束，這是由兩面反射鏡構(gòu)成的無源駐波式共振腔的一種新用途。
本發(fā)明所提供的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔在獲得強(qiáng)光脈沖、提高光學(xué)轉(zhuǎn)換的效率、提高高頻光調(diào)制器或光開關(guān)的光能利用率、降低高頻光調(diào)制器或光開關(guān)中工作介質(zhì)所需的驅(qū)動電壓、驅(qū)動磁場或驅(qū)動光場強(qiáng)度和降低光束的振幅或位相起伏噪聲方面的應(yīng)用，以及使用兩鏡駐波式無源光學(xué)共振腔在降低光束的振幅或位相的起伏噪聲方面的應(yīng)用，與已有技術(shù)相比，分別具有如下的優(yōu)點和積極效果
一.在獲得強(qiáng)光脈沖的應(yīng)用方面，與已有技術(shù)相比的優(yōu)點現(xiàn)有技術(shù)中獲得強(qiáng)光脈沖的方法主要是調(diào)Q和鎖模(參見文獻(xiàn)A.亞里夫著，劉頌豪等譯，量子電子學(xué)，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1983年，257頁-291頁)。
與調(diào)Q相比，使用無源環(huán)型光學(xué)腔的主要優(yōu)點是可獲得更短的光脈沖。例如可以用此種光學(xué)腔進(jìn)一步壓縮經(jīng)過調(diào)Q的光脈沖，一般調(diào)Q光脈沖的脈寬是幾十納秒量級(參見文獻(xiàn)楊臣華，梅遂生，林鈞挺主編，激光與紅外技術(shù)手冊，國防工業(yè)出版社，1990年，344頁-345頁)，即該種光脈沖在空氣介質(zhì)中的長度約為數(shù)米量級，將其輸入環(huán)型腔，由于光束在腔內(nèi)的循環(huán)迭加，入射光脈沖將變成與腔等長(一般腔長為幾十厘米)，若隨后快速地讓它輸出腔外，則出射光脈沖長度也就只有幾十厘米，從而脈沖寬度縮短成納秒量級與鎖模相比，使用無源環(huán)型光學(xué)腔的主要優(yōu)點是可獲得更高的單脈沖能量。一般鎖模光脈沖脈寬是皮秒量級，峰值功率是幾百兆瓦(參見文獻(xiàn)楊臣華，梅遂生，林鈞挺主編，激光與紅外技術(shù)手冊，國防工業(yè)出版社，1990年，686頁)，因此，其每脈沖能量為毫焦耳量級。而上述的將調(diào)Q光脈沖壓縮后再輸出而得到的光脈沖，即使腔的多次循環(huán)損耗大到10％，輸出的每脈沖能量也有輸入脈沖能量的90％，即一般也可達(dá)到幾十到幾百毫焦耳(參見文獻(xiàn)楊臣華，梅遂生，林鈞挺主編，激光與紅外技術(shù)手冊，國防工業(yè)出版社，1990年，344頁-345頁)。
二.在提高光學(xué)線性或非線性轉(zhuǎn)換效率的應(yīng)用方面，與已有技術(shù)相比的優(yōu)點對于現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)中廣泛使用的光學(xué)線性或非線性轉(zhuǎn)換，其中絕大多數(shù)的轉(zhuǎn)換效率小于1，即輸入光或泵浦光不能全部轉(zhuǎn)換成所期待性質(zhì)的光波束。有若干種已有方法可以提高上述多種光學(xué)轉(zhuǎn)換中的一種或幾種的轉(zhuǎn)換效率，例如用駐波式共振腔、相位匹配和增大光強(qiáng)的方法提高倍頻效率，用增大光強(qiáng)的方法提高產(chǎn)生高次諧波的效率，用參量振蕩的方法提高參量變換的效率，用激光腔內(nèi)四波混頻的方法提高四波混頻的效率等(參見文獻(xiàn)A.Ashkin et al，Resonant Optical Second Harmonic Generation and Mixing，IEEE Journal of Quantum Electronics，QE-2，6，109-124(1966)和文獻(xiàn)沈元壤著，非線性光學(xué)原理，科學(xué)出版社，1987年，上冊和文獻(xiàn)A.亞里夫著，劉頌豪等譯，量子電子學(xué)，上海科學(xué)技術(shù)出版社，1983年，第10、16、17章)。與用駐波式共振腔倍頻的方法相比，使用無源環(huán)型光學(xué)腔的優(yōu)點是不會在倍頻工作介質(zhì)中產(chǎn)生“空間燒孔”效應(yīng)，從而可更有效地利用倍頻工作介質(zhì)；與用相位匹配的方法相比，使用無源環(huán)型光學(xué)腔的優(yōu)點是容易實現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)換，因相位匹配條件在實際中難于理想滿足；與用增大光強(qiáng)的方法相比，使用無源環(huán)型光學(xué)腔的優(yōu)點是對輸入光束功率強(qiáng)度的要求降低，使低功率輸入光也可達(dá)到高功率輸入光的轉(zhuǎn)換效率；與用激光腔內(nèi)四波混頻的方法相比，使用無源環(huán)型光學(xué)腔的優(yōu)點是不必將轉(zhuǎn)換介質(zhì)置于激光器腔內(nèi)，因而不象這種方法在實際應(yīng)用中受到嚴(yán)重限制；而對于參量振蕩，使用駐波式共振腔是不利的，因所產(chǎn)生的信號波和空閑波會向泵浦波反饋，從而降低參量變換的效率(參見文獻(xiàn)S.T.Yang et al，1.9-W CW Ring Cavity KTP SinglyResonant Optical Parametric Oscillator，Optics Letters，19，7，475-477(1994))。
三.在提高高頻光調(diào)制器及光開關(guān)的光能利用率的應(yīng)用方面，尚未見其它有關(guān)技術(shù)的報道，屬解決該問題的一全新方法。
四.在降低高頻光調(diào)制器及光開關(guān)中電致、磁致或光致偏振面旋轉(zhuǎn)介質(zhì)的驅(qū)動電壓、驅(qū)動磁場或光場強(qiáng)度的應(yīng)用方面，與已有技術(shù)相比的優(yōu)點目前，在高頻光調(diào)制器及光開關(guān)中使用的電致偏振面旋轉(zhuǎn)介質(zhì)-即電光晶體，其使用方式有縱向運(yùn)用和橫向運(yùn)用兩種。對于縱向運(yùn)用，降低電光晶體所需驅(qū)動電壓主要是采用多塊晶體光學(xué)串連、電學(xué)并連的方法(參見文獻(xiàn)李景鎮(zhèn)主編，光學(xué)手冊，陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1986年，1087頁)，例如若將四塊晶體串連，則驅(qū)動電壓降為單塊晶體的四分之一，但這樣的電壓降低幅度在實際使用中仍覺太大(一般仍近千伏)，若進(jìn)一步增加晶體塊數(shù)，則裝置太復(fù)雜，界面反射損耗也會明顯增加。與之相比，使用無源環(huán)型光學(xué)腔后很易將驅(qū)動電壓降為單塊晶體的幾十分之一以下，裝置制作難度也相對較小(詳見后實施例及說明)。對于橫向運(yùn)用，降低電光晶體所需驅(qū)動電壓主要是采用增加晶體長度、減小晶體寬度的方法(參見文獻(xiàn)李景鎮(zhèn)主編，光學(xué)手冊，陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1986年，1080頁)，此種方法可使半波電壓降至幾百甚至幾十伏，但因此晶體的寬度大幅度減小，從而導(dǎo)致調(diào)制器或光開關(guān)的通光孔徑減小。與之相比，使用無源環(huán)型光學(xué)腔不會減小通光孔徑(詳見后實施例及說明)。
在降低高頻光調(diào)制器及光開關(guān)中磁致或光致偏振面旋轉(zhuǎn)介質(zhì)的驅(qū)動磁場或光場強(qiáng)度的應(yīng)用方面，尚未見其它有關(guān)技術(shù)的報道。
五.在降低光束的振幅或位相起伏噪聲的應(yīng)用方面，與已有技術(shù)相比的優(yōu)點目前降低相干光束或近似相干光束的振幅或位相起伏噪聲的方法主要是盡量減小產(chǎn)生相干光束的光源本身的不穩(wěn)定因素，例如采用增強(qiáng)激光器腔長的熱穩(wěn)定性和放電穩(wěn)定性等來穩(wěn)定激光器輸出光束的振幅或位相穩(wěn)定性；采用“拉姆凹陷”效應(yīng)來穩(wěn)定激光器輸出光束的頻率，也就是制做輸出光束位相穩(wěn)定的穩(wěn)頻激光器(參見文獻(xiàn)W.Demtroder，“Laser Spectroscopy-Basic Concepts and Ins-trumentation，Springer-Verlag，New York，(1981)，274-278)；或利用產(chǎn)生光場“壓縮態(tài)”的方法來降低相干光束振幅或位相起伏的量子噪聲(參見文獻(xiàn)D.F.Walls，Nature，306，141，(1983))。這些方法是有效的，但有關(guān)裝置是復(fù)雜的且往往調(diào)整精度很高。而使用無源環(huán)型光學(xué)腔或使用兩鏡駐波式無源光學(xué)共振腔降低光束的振幅或位相起伏噪聲則裝置簡單，另外還可在使用上述方法的同時，進(jìn)一步再接級使用無源環(huán)型光學(xué)腔或兩鏡駐波式無源光學(xué)共振腔，從而使光束的振幅或位相起伏噪聲進(jìn)一步減小。
本發(fā)明的附面說明

圖1是由三面平面反射鏡組成的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔的實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是由四面平面反射鏡組成的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔的實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是由兩面平面反射鏡和兩面球面反射鏡組成的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔的實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是由三面平面反射鏡組成的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔用于獲得強(qiáng)光脈沖的實施例的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是由兩面平面反射鏡和兩面球面反射鏡組成的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔用于提高倍頻效率的實施例的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是由三面平面反射鏡組成的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔用于提高參量振蕩轉(zhuǎn)換效率的實施例的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是由四面平面反射鏡組成的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔用于提高高頻光調(diào)制器或光開關(guān)的光能利用率，或降低高頻電光調(diào)制器或電光開關(guān)中電光晶體的工作電壓的實施例的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8是由三面平面反射鏡組成的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔用于降低光束的振幅或位相起伏噪聲的實施例的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明圖1是由三面平面反射鏡組成的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔的實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1是輸入端口鏡，它與反射鏡2和3組成一個三角環(huán)型光腔。當(dāng)一單色平行光束(圖中4)從腔外以入射角θ(圖中5)入射到反射鏡1時，其透射光振幅為Eit1，其反射光振幅為Eir1，其中Ei、t1、r1分別是入射光振幅、反射鏡1的振幅透射率和振幅反射率。透射光入射腔內(nèi)后，經(jīng)反射鏡2和3的反射，又會從背面以入射角θ’(圖中6)入射到反射鏡1，其透出光振幅為Eit1r2r3t’1exp(iφ)，而其反射光振幅為Eit1r2r3r’1×exp(iφ)，其中r2、r3分別是反射鏡2和3的振幅反射率，而t’1、r’1分別是從背面入射反射鏡1時的振幅透射率和反射率，顯然當(dāng)θ＝θ’時，t’1＝t1，r’1＝-r1，而φ是光束在腔內(nèi)循環(huán)一周后的位相移動。由于腔內(nèi)光束將在腔內(nèi)多次地循環(huán)，腔內(nèi)光束(圖中7)的總合成振幅是Ec＝Eit1+Eit1rcexp(iφ)+Eit1rc2exp(i2φ)]]>+Eit1rc3exp(i3φ)]]>+...+E1t1rcNexp(iNφ)]]>+... (1)式中rc＝r2r3r’1，可以稱其為光腔的單循環(huán)反射率。而透出腔外的光束(圖中8)的總合成振幅是Er=Eir1+Eit1rcr'1-1t'1exp(iφ)]]>+E1t1rc2r'1-1t'1exp(i2φ)]]>+Eit1rc3r'1-1t'1exp(i3φ)]]>+...+Eit1rcNr'1-1t'1exp(iNφ)]]>+... (2)依據(jù)數(shù)學(xué)上無窮級數(shù)的求和公式級數(shù)和＝首項/(1-公比)可以推出腔內(nèi)光束的總合成強(qiáng)度Ic和透出腔外的光束的總合成強(qiáng)度Ir與入射光束Ii的比值分別是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)當(dāng)光腔腔長滿足對于入射光波頻率的共振條件，即腔長的等效光程為入射光波長的整數(shù)倍時，便有φ＝2Kπ(K＝0，±1，±2，±3，...)(5)從而sin2(φ/2)]＝0，公式(3)和(4)變?yōu)镮c/Ii=(t12)/(1-rc)2----(6)]]>Ir/Ii＝[(r’1-r2r3)2]/(1-rc)2(7)顯然，若使輸入端口鏡的反射率滿足特定的損耗匹配條件，即若有r’1＝r2r3(8)時，則透出腔外的光束的合成強(qiáng)度Ir等于零。由于1-r1’2是反射鏡1的透射損耗，而1-(r2r3)2是環(huán)型光腔的其它光能損耗之和，故由(8)式所決定的損耗匹配條件就是要求作為輸入端口鏡的反射鏡1的反射率需依據(jù)光腔的光能損耗率而定。
在上述共振并匹配條件下，由于多光束干涉的作用，腔外光束可全部有效地入射腔內(nèi)，而腔內(nèi)光束只能沿三角環(huán)型光路單方向地反復(fù)循環(huán)運(yùn)行。若入射光束是連續(xù)波，則由于外界能量的持續(xù)輸入，腔內(nèi)光束強(qiáng)度便不斷增強(qiáng)，直至外界光能量的輸入速率與光腔自身的能量損耗速率相等時而達(dá)到一平衡穩(wěn)態(tài)最高值。當(dāng)光腔的各反射鏡本身對光束的損耗很小，則有r12+t12=1----(9)]]>r'12+t'12=1----(10)]]>利用式(9)，(10)和上述關(guān)系式t’1＝t1，r’1＝-r1，再將損耗匹配條件式(8)代入式(6)，可得到腔內(nèi)光束可達(dá)到的最大強(qiáng)度為Icm=Ii[1/(1-r22r32)]----(10)]]>采用在各反射鏡的表面鍍多層增反射膜的方法，各反射鏡的光強(qiáng)反射率對于單色平行光可以達(dá)到99.99％以上(參見文獻(xiàn)P.Bau-meister，Optics&Photonics News，6，6，22-25(1995))，代入
進(jìn)式(11)，我們得到Icm＝500Ii，而代入
進(jìn)式(11)，我們得到Icm＝5000Ii，因此，利用由三面平面反射鏡組成的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔，在共振并匹配條件下，腔內(nèi)光束強(qiáng)度可以增強(qiáng)到原輸入光強(qiáng)值的500或5000倍。分析中忽略了各反射鏡的吸收等所引起的損耗。
圖2是由四面平面反射鏡組成的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔的實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中9是輸入端口鏡，它與反射鏡10、11和12組成一個四邊環(huán)型光腔。一單色平行光束(圖中13)從腔外以入射角θ(圖中14)入射到反射鏡9，其透射光入射腔內(nèi)后，經(jīng)反射鏡10、11和12的反射，再從背面以入射角θ’(圖中15)入射到反射鏡9。采用四面反射鏡的好處是光腔長度的調(diào)整可以不影響腔內(nèi)循環(huán)光束的行進(jìn)方向(例如沿腔內(nèi)光束16的方向平行同步移動反射鏡10和11)，這在實際應(yīng)用中是方便的。
取θ＝θ’，并設(shè)t1、r1是從正面入射反射鏡9的振幅透射率和振幅反射率，而t’1、r’1是從背面入射反射鏡9時的振幅透射率和反射率，顯然同樣有t’1＝t1，r’1＝-r1。
再設(shè)r2、r3和r4分別是反射鏡10、11和12的振幅反射率，而φ是光束在腔內(nèi)循環(huán)一周后的位相移動，并令光腔的單循環(huán)反射率rc＝r2r3r4r’1。則與推導(dǎo)上述式(3)，(4)相同，可推出腔內(nèi)光束(圖中16)的總合成強(qiáng)度Ic和透出腔外的光束(圖中17)的總合成強(qiáng)度Ir與入射光束I1的比值分別是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)當(dāng)光腔腔長滿足對于光波頻率的共振條件時，有sin2(φ/2)]＝0，上兩式變?yōu)镮c/Ii=(t12)/(1-rc)2----(14)]]>Ir/Ii＝[(r’1-r2r3r4)2]/(1-rc)2(15)決定其輸入端口鏡的反射率的損耗匹配條件是Ir/Ii＝0，即有r’1＝r2r3r4(16)在此共振并匹配條件下，腔內(nèi)光束可達(dá)到的最大強(qiáng)度為Icm=Ii[1/(1-r22r32r42)]----(17)]]>代入
進(jìn)式(17)，我們得到Icm＝334Ii，而代入
進(jìn)式(17)，我們得到Icm＝3334Ii，因此，利用由四面平面反射鏡組成的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔，在共振并匹配條件下，腔內(nèi)光束強(qiáng)度可以增強(qiáng)到原輸入光強(qiáng)值的334或3334倍。分析中也忽略了各反射鏡的吸收等所引起的損耗。
圖3是由兩面平面反射鏡和兩面球面反射鏡組成的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔的實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中18是輸入端口鏡，它與平面反射鏡19，球面反射鏡20和21組成一個蝶形環(huán)型光腔。一單色平行光束(圖中22)從腔外以入射角θ(圖中23)入射到反射鏡18，其透射光入射腔內(nèi)后，經(jīng)平面反射鏡19反射，再經(jīng)球面反射鏡20會聚和球面反射鏡21的反射，再以平行光束形式從背面以入射角θ’(圖中24)入射到反射鏡18。采用兩只球面反射鏡的好處是腔內(nèi)循環(huán)光束可以在腔內(nèi)某處會聚到一個范圍很小的空間區(qū)域，這對于某些應(yīng)用是有利的，例如下述的應(yīng)用于某些非線性光學(xué)轉(zhuǎn)換的實施例。
取θ＝θ’，并設(shè)t1、r1是從正面入射反射鏡18的振幅透射率和振幅反射率，而t’1、r’1是從背面入射反射鏡18時的振幅透射率和反射率，顯然同樣有t’1＝t1，r’1＝-r1。再設(shè)r2、r3和r4分別是反射鏡19、20和21的振幅反射率，而φ是光束在腔內(nèi)循環(huán)一周后的位相移動，并令光腔的單循環(huán)反射率rc＝r2r3r4r’1。則也與上述式(3)，(4)的推導(dǎo)相同，可推出腔內(nèi)光束(圖中25)的總合成強(qiáng)度Ic和透出腔外的光束(圖中26)的總合成強(qiáng)度Ir與入射光束Ii的比值分別是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)當(dāng)光腔腔長滿足對于光波頻率的共振條件sin2(φ/2)]＝0和損耗匹配條件r’1＝r2r3r4時，腔內(nèi)光束可達(dá)到的最大強(qiáng)度為Icm=Ii[1/(1-r22r32r42)]----(20)]]>代入
進(jìn)式(20)，同樣得到Icm＝334Ii，而代入
進(jìn)式(20)，則得到Icm＝3334Ii，因此，利用由兩面平面反射鏡和兩面球面反射鏡組成的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔，在共振并匹配條件下，腔內(nèi)光束強(qiáng)度也可以增強(qiáng)到原輸入光強(qiáng)值的334或3334倍。分析中也忽略了各反射鏡的吸收等所引起的損耗。
圖4是由三面平面反射鏡組成的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔用于獲得強(qiáng)光脈沖的實施例的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖中27是放入腔內(nèi)光路中的一電致光偏振面旋轉(zhuǎn)晶體，圖中28是一格蘭-湯姆遜型偏振分光棱鏡(參見文獻(xiàn)楊臣華，梅遂生，林鈞挺主編，激光與紅外技術(shù)手冊，國防工業(yè)出版社，1990年，209頁-214頁)，它們組成置于腔內(nèi)的光束傳播方向切換裝置。設(shè)有一功率為1萬瓦(例如來自高功率連續(xù)波二氧化碳激光器)的高功率連續(xù)光束(圖中29)入射到輸入端口鏡(圖中30)，并設(shè)該光束是偏振光，其偏振方向垂直于紙面。該光束的透射光分量會入射電光晶體，若此時電關(guān)晶體未加電壓，則光束通過它后偏振面不旋轉(zhuǎn)，出射后作為尋常光進(jìn)入偏振棱鏡并沿直線傳播，再由反射鏡31、32反射而再入射輸入端口鏡。完全仿照上(11)式的推導(dǎo)，可得到此種腔內(nèi)的儲存循環(huán)光束在滿足頻率共振條件和損耗匹配條件時可達(dá)到的最大強(qiáng)度為Icm=Ii[1/(1-t12t22r22r32)]----(21)]]>式中Ii、T1、T2、r2、r3分別是入射光束強(qiáng)度，電光晶體、偏振分光棱鏡的振幅透射率，以及反射鏡31、32的振幅反射率。代入T12=r22=r22=r32=0.9999]]>進(jìn)入式(21)，得到Icm＝2500Ii，由于Ii等于1萬瓦，腔內(nèi)光束可達(dá)到的最大強(qiáng)度為25兆瓦。當(dāng)腔內(nèi)光束達(dá)到最大強(qiáng)度后，若迅速將半波電壓加至電光晶體，則此后通過電光晶體的光束的偏振面會全被旋轉(zhuǎn)90度，然后作成非尋常光進(jìn)入偏振棱鏡，從而在棱鏡內(nèi)的斜界面上發(fā)生全反射而輸出腔外，由于腔內(nèi)光束在一個循環(huán)周期內(nèi)便可全部輸完，則出射光脈沖長度與腔長相等，由于腔長一般為幾十厘米，從而輸出的脈沖寬度為納秒量級。若入射的光束本身就是具有極高功率的調(diào)Q光脈沖，只要其脈沖長度大于腔長，由于其入射腔內(nèi)后的循環(huán)迭加，其脈沖長度也可縮短，輸出的脈沖功率也可增加。
圖5是由兩面平面反射鏡和兩面球面反射鏡組成的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔用于提高倍頻效率的實施例的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖中33是放置于腔內(nèi)的倍頻轉(zhuǎn)換工作介質(zhì)，圖中34是放置于腔內(nèi)的分光器件-色散三棱鏡。設(shè)一頻率為ω，振幅為Ei的基波光束(圖中35)從腔外入射到輸入端口鏡(圖中36)，其透射光分量經(jīng)反射鏡37反射，并經(jīng)球面反射鏡38會聚，光束截面減小，功率密度加大，而后入射倍頻介質(zhì)，設(shè)每次基波光束通過此工作介質(zhì)時，其倍頻轉(zhuǎn)換效率(即光強(qiáng)轉(zhuǎn)換效率)為μ2，其振幅透射率為T1。使球面反射鏡39的焦點與球面反射鏡38的焦點重合，則由倍頻介質(zhì)出射的光束在經(jīng)球面反射鏡39的反射后，又變成平行光，通過色散棱鏡后，其中的頻率變成2ω的諧波光束(圖中40)偏折較大輸出腔外，而其中未得到轉(zhuǎn)換的剩下的基波光束偏折較小，從而從背面再入射到輸入端口鏡。仿照上(18)，(19)式的推導(dǎo)，可推出輸出腔外的倍頻諧波光束的總合成強(qiáng)度I2和從反射鏡36透出腔外的光束(圖中41)的總合成強(qiáng)度Ir與入射光束Ii的比值分別是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是色散棱鏡的振幅透射率，rc是光腔的單循環(huán)反射率，rcr2r3T11-μ2r4T2r'1,]]>而其它參數(shù)與(18)，(19)兩式中的定義相同。
當(dāng)光腔腔長滿足對于光波頻率的共振條件sin2(φ/2)]＝0和損耗匹配條件
時，輸出腔外的倍頻光束的最大強(qiáng)度為I2m=Ii(T12T22μ2)/[1-r22r32T12(1-μ2)r42T22]]]>(24)代入
和μ2＝0.01進(jìn)入式(24)，得到I2m＝0.95Ii，因此，利用由兩面平面反射鏡和兩面球面反射鏡組成的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔，在共振并匹配條件下，可以將光學(xué)倍頻的光功率轉(zhuǎn)換效率由0.01提高到0.95，加上腔內(nèi)光強(qiáng)的提高也會改善倍頻工作介質(zhì)的非線性轉(zhuǎn)換效果，從而會進(jìn)一步提高總的倍頻轉(zhuǎn)換效率。
圖6是由三面平面反射鏡組成的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔用于提高參量振蕩轉(zhuǎn)換效率的實施例的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖中反射鏡42、43、44和參量變換工作介質(zhì)45組成一參量振蕩器(參見文獻(xiàn)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))。反射鏡42、43對于泵浦波具有高透過率，對于振蕩器內(nèi)產(chǎn)生的信號波、空閑波具有高反射率，而反射鏡44對于信號波具有高反射率，對于空閑波具有高透射率。設(shè)每次泵浦波光束通過此參量振蕩器時，其參量轉(zhuǎn)換效率(即光強(qiáng)轉(zhuǎn)換效率)為μ2。設(shè)一頻率為ωp，振幅為Ei的泵浦波光束(圖中46)從腔外入射到輸入端口鏡(圖中47)，其透射光分量經(jīng)反射鏡42入射參量振蕩器，產(chǎn)生出的信號波、空閑波經(jīng)反射鏡43反射，其中空閑波從反射鏡44輸出腔外，而信號波經(jīng)反射鏡44反射在參量振蕩器內(nèi)振蕩。由于參量轉(zhuǎn)換效率μ2小于1，每次入射參量振蕩器的泵浦波光束便剩有未得到轉(zhuǎn)換的部分，此分量經(jīng)反射鏡43透出，而后經(jīng)反射鏡48、49的反射，再從背面入射到輸入端口鏡。仿照上(24)式的推導(dǎo)，可推出輸出腔外的空閑波光束(圖中50)的總合成強(qiáng)度Ik在光腔腔長滿足對于光波頻率的共振條件sin2(φ/2)]＝0和損耗匹配條件
時為Ik=Ii(T12T22μ2r52T42)/[1-T12T22(1-μ2)T32r22r32]]]>(25)式中Ii是從腔外入射到輸入端口鏡的泵浦光束強(qiáng)度，T1、T2、T3、分別是反射鏡42、參量變換工作介質(zhì)45、反射鏡43對于泵浦光束的振幅透射率，T4是反射鏡44對于空閑波光束的振幅透射率，r5是反射鏡43對于空閑波光束的振幅反射率，而其它參數(shù)與前述(3)，(4)兩式中的定義相同。
代入
和μ2＝0.01進(jìn)入式(25)，得到Ik＝0.95I1，因此，利用由三面平面反射鏡組成的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔，在共振并匹配條件下，可以將光學(xué)參量振蕩的光功率轉(zhuǎn)換效率由0.01提高到0.95，加上腔內(nèi)光強(qiáng)的提高也會改善參量變換介質(zhì)的非線性轉(zhuǎn)換效果，從而會進(jìn)一步提高總的參量轉(zhuǎn)換效率。
圖7是由四面平面反射鏡組成的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔用于提高高頻光調(diào)制器或光開關(guān)的光能利用率，或降低高頻電光調(diào)制器或電光開關(guān)中電光晶體的工作電壓的實施例的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖中51是放置于腔內(nèi)的電致偏振面旋轉(zhuǎn)介質(zhì)-電光晶體，圖中52是一格蘭-湯姆遜型偏振分光棱鏡。由圖可見，它的裝置結(jié)構(gòu)與由圖4所示的裝置結(jié)構(gòu)相比，除多一面反射鏡外完全相同，因此，如果電關(guān)晶體不加電壓，仿照上(21)式的推導(dǎo)，可得到此種腔內(nèi)的儲存循環(huán)光束在滿足頻率共振條件和損耗匹配條件時可達(dá)到的最大強(qiáng)度為Icm=Ii[1/(1-T12T22r22r32r42)]----(26)]]>式中I1、T1、T2、r2、r3、r4分別是入射光束(圖中53)強(qiáng)度，電光晶體、偏振分光棱鏡的振幅透射率，以及反射鏡54、55、56的振幅反射率。代入
進(jìn)入式(26)，得到Icm＝2000Ii。如果將工作電壓加到電光晶體，則通過電光晶體的光束的偏振面會被旋轉(zhuǎn)，當(dāng)工作電壓介于零到半波電壓之間時，通過電光晶體的光束會被分解成兩部分，其中變成非尋常光的部分進(jìn)入偏振棱鏡后，會在棱鏡內(nèi)的斜界面上發(fā)生全反射而輸出腔外，而尋常光部分進(jìn)入偏振棱鏡后仍直線傳播，從而在腔內(nèi)循環(huán)。設(shè)輸出腔外的光束強(qiáng)度為Io，對于縱向使用的電光晶體，則有如下關(guān)系(參見文獻(xiàn)A.亞里夫著，劉頌豪等譯，量子電子學(xué)，上海科學(xué)技術(shù)出版社，1983年，350頁-351頁)Io＝Ic[sin(πV/2Vπ)]2(27)式中Ic是入射電光晶體的光束強(qiáng)度，Vπ是電光晶體所需的半波電壓，V是加至電光晶體的驅(qū)動電壓。如果我們需要由此環(huán)型腔輸出的光束(圖中57)的峰值強(qiáng)度等于由腔外輸入的光束的峰值強(qiáng)度，則有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。可見，由于環(huán)型腔內(nèi)的光強(qiáng)的增強(qiáng)，裝置中電光晶體所需的輸出原幅度光強(qiáng)的驅(qū)動電壓可減小。當(dāng)驅(qū)動電壓只取零和另一大于零的特定值時，輸出腔外的光束強(qiáng)度也只有零和某一特定值，這時該裝置相當(dāng)于一電光開關(guān)；而當(dāng)驅(qū)動電壓取零到另一大于零的特定值之間的連續(xù)值時，輸出腔外的光束強(qiáng)度也在零到某一特定值之間連續(xù)變化，這時該裝置相當(dāng)于一電光調(diào)制器。于是，使用由四面平面反射鏡組成的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔，可降低電光調(diào)制器或電光開關(guān)中電光晶體的工作電壓。
對于橫向使用的電光晶體，也有類似的結(jié)論，因證明過程類同，此處不贅述。
圖7也是由四面平面反射鏡組成的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔用于提高高頻光調(diào)制器或光開關(guān)的光能利用率的實施例的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。顯然，當(dāng)電光晶體不加電壓從而等效于光開關(guān)關(guān)閉，或裝置作為調(diào)制器使用時所加電壓低于半波電壓時，全部的光束能量或部分的光束能量將沿腔內(nèi)環(huán)型光路循環(huán)，從而得以暫時儲存，并會再次入射電光晶體而被再利用，故使用此環(huán)型腔可提高高頻光調(diào)制器或光開關(guān)對入射光能的利用率。其對入射光能利用率的具體提高值依光調(diào)制器的調(diào)制占空比或光開關(guān)的開關(guān)占空比而定，調(diào)制占空比或開關(guān)占空比值R(R＝開關(guān)打開時間/開關(guān)關(guān)閉時間)越小，則提高值越大。
圖8是由三面平面反射鏡組成的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔用于降低光束的振幅或位相起伏噪聲的實施例的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。從前有關(guān)圖1及式(11)的說明中，可知當(dāng)此光腔腔長滿足頻率的共振條件和輸入端口鏡的反射率滿足損耗匹配條件時，腔內(nèi)光束可達(dá)到的最大強(qiáng)度為Icm=Ii[1/(1-r22r32)]----(30)]]>式中Ii、r2、r3分別是入射光束(圖中58)強(qiáng)度、反射鏡59、60的振幅反射率。代入
和
進(jìn)入式(30)，我們得到Icm＝909Ii。當(dāng)光腔的各反射鏡本身對光束的損耗很小，則有
，式中t2是反射鏡59的振幅透射率。于是由反射鏡59透出的光束(圖中61)強(qiáng)度Io為
設(shè)入射光束是一振幅或位相具有隨機(jī)起伏噪聲的光束，按傅立葉頻譜分析的觀點，則該光束可被分解成具有不同頻率成分的頻譜分量(參見文獻(xiàn)J.W.顧德門著，章達(dá)三 董經(jīng)武 顧本源譯，傅立葉光學(xué)導(dǎo)論，科學(xué)出版社，1976年，第二章)，由于此種光學(xué)腔只能有效儲存滿足其頻率共振條件的入射光束，因此，首先入射光束中的頻率滿足該光學(xué)腔頻率共振條件的頻譜分量才能有效入射該光學(xué)腔并在其內(nèi)得到有效儲存和疊加增強(qiáng)，也就是首先由于該種共振環(huán)型腔的窄帶選通作用使入射光束的頻帶變窄，這相當(dāng)于使入射光束的振幅或位相隨機(jī)起伏噪聲變?。黄浯?，振幅或位相隨機(jī)起伏噪聲被減小的進(jìn)入腔內(nèi)的光束在腔內(nèi)會被多次的循環(huán)疊加，由于這些光束的振幅或位相對于其理想的振幅或位相值的偏離是完全隨機(jī)地，也就是說這些光束的振幅或位相對于其理想的振幅或位相的的偏離值會是從最大偏離負(fù)值到最大偏離正值之間的所有可能值，且所有這些偏離可能值出現(xiàn)的機(jī)會是相等的，于是這些光束在腔內(nèi)的被多次循環(huán)疊加的過程也就是這些偏離可能值相加的過程，顯然這些偏離可能值相加的結(jié)果是向偏離零值靠近，相加的次數(shù)越多，向偏離零值靠近的程度越高，也就是說光學(xué)腔對入射光束的儲存和疊加性能越好，則使入射光束的振幅或位相隨機(jī)起伏噪聲減小的作用越強(qiáng)；同時，由于這些光束在腔內(nèi)的被多次循環(huán)疊加，合成光束的振幅絕對值被大大增強(qiáng)，從而其振幅的隨機(jī)起伏噪聲值與合成振幅的絕對值的比值或位相的隨機(jī)起伏噪聲值與理想位相值的比值會更加減小。因而入射腔內(nèi)的光束，由于共振環(huán)型腔的窄帶選通和經(jīng)多次循環(huán)疊加的雙重作用，其振幅或位相的起伏噪聲比原入射光束要大為降低。從反射鏡59輸出的光束，雖然其強(qiáng)度遠(yuǎn)比腔內(nèi)光束弱，但其振幅或位相的隨機(jī)起伏噪聲值與其振幅的絕對值或理想位相值的比值仍與腔內(nèi)光束相同，從而可獲得振幅或位相起伏噪聲被顯著降低的輸出光束。對于本實施例，由于Io＝0.909Ii，故輸出光束強(qiáng)度幾乎與原輸入值相等，但其振幅或位相起伏噪聲卻被顯著降低。
顯然，使用上述已有技術(shù)中的由兩面反射鏡構(gòu)成的駐波式無源共振腔，在共振腔的窄帶選通和光束在腔內(nèi)多次循環(huán)疊加的雙重作用下，入射光束的振幅或位相的起伏噪聲也會被降低，這是由兩面反射鏡構(gòu)成的駐波式無源共振腔的一種新用途，因證明過程與上類似，此處不贅述。
本發(fā)明所提供的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔的結(jié)構(gòu)可在本發(fā)明的總構(gòu)思前提下，根據(jù)已有公知的技術(shù)加以改變，例如將組成環(huán)型光學(xué)腔的全部或部分反射鏡改為全內(nèi)反式反射鏡，將組成環(huán)型光學(xué)腔的反射鏡的面數(shù)增加到五、六、七面等。
本發(fā)明所提供的三鏡式、四鏡式、平面鏡式、平面球面鏡混合式等可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔，都可被用以獲得強(qiáng)光脈沖、提高光學(xué)線性或非線性轉(zhuǎn)換的效率、提高高頻光調(diào)制器或光開關(guān)的光能利用率、降低高頻光調(diào)制器或光開關(guān)中電、磁或光致偏振面旋轉(zhuǎn)介質(zhì)的驅(qū)動電壓、驅(qū)動磁場或光場強(qiáng)度、減小光束的振幅或位相的起伏噪聲。對于某些應(yīng)用，可以同時使用兩個或兩個以上的上述環(huán)型腔，例如在提高差頻轉(zhuǎn)換或和頻轉(zhuǎn)換的效率的應(yīng)用中。
本發(fā)明所提供的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔，在獲得強(qiáng)光脈沖、提高光學(xué)線性或非線性轉(zhuǎn)換的效率、提高高頻光調(diào)制器或光開關(guān)的光能利用率、降低高頻光調(diào)制器或光開關(guān)中電、磁或光致偏振面旋轉(zhuǎn)介質(zhì)的驅(qū)動電壓、驅(qū)動磁場或光場強(qiáng)度、減小光束的振幅或位相的起伏噪聲等方面的應(yīng)用，以及使用由兩面反射鏡構(gòu)成的駐波式無源共振腔降低光束的振幅或位相的起伏噪聲的應(yīng)用，也可用于紅外或紫外或甚至波長更短的頻率波段。
權(quán)利要求
1.一種儲存單向運(yùn)行光束、疊加光束強(qiáng)度的無源環(huán)型光學(xué)腔，具有數(shù)面反射式腔鏡，其特征在于數(shù)面反射式腔鏡組成一環(huán)型光腔，光腔等效腔長滿足或近似滿足對于入射光束頻率的共振條件，輸入端口腔鏡的反射率滿足或近似滿足光腔的損耗匹配條件。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔被用以提高光學(xué)線性或非線性轉(zhuǎn)換效率的用途，其特征在于利用所述的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔使未得到轉(zhuǎn)換的光束能量沿腔內(nèi)環(huán)型光路循環(huán)，并多次入射轉(zhuǎn)換工作介質(zhì)而被再轉(zhuǎn)換，或也利用腔內(nèi)光強(qiáng)增強(qiáng)使非線性轉(zhuǎn)化效率提高的作用。
3.一種實施根據(jù)權(quán)利要求2所述的用途的裝置，其特征在于在根據(jù)權(quán)利要求1所述的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔的腔內(nèi)環(huán)型光路上，放置光學(xué)線性或非線性轉(zhuǎn)換工作介質(zhì)或和分光輸出器件。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔被用以提高高頻光調(diào)器或光開關(guān)的光能利用率的用途，其特征在于利用所述的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔使未被調(diào)制器或光開關(guān)輸出的光束能量沿腔內(nèi)環(huán)型光路循環(huán)而暫時儲存，并再次入射調(diào)制器或光開關(guān)而被再利用。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔被用以降低高頻光調(diào)制器或光開關(guān)中工作介質(zhì)所需驅(qū)動電壓、或驅(qū)動磁場或驅(qū)動光場強(qiáng)度的用途，其特征在于利用所述的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔使光束在腔內(nèi)循環(huán)疊加，從而使入射這些介質(zhì)的光強(qiáng)大幅度增強(qiáng)，使其所需的輸出原幅度光強(qiáng)的驅(qū)動電壓、或驅(qū)動磁場或驅(qū)動光場強(qiáng)度降低。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔被用以獲得強(qiáng)光脈沖的用途，其特征在于利用所述的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔使腔外入射的光束，通過腔內(nèi)循環(huán)使光強(qiáng)疊加、脈寬變短，而后由一光束行進(jìn)方向切換裝置輸出。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求4、或5、或6所述的用途的裝置，其特征在于在根據(jù)權(quán)利要求1所述的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔的腔內(nèi)環(huán)型光路上，放置電致、或磁致或光致偏振面旋轉(zhuǎn)介質(zhì)和偏振分光器件。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔被用以降低光束振幅或位相的起伏噪聲的用途，其特征在于利用所述的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔的窄帶選通入射及儲存，和隨機(jī)噪聲光束的振幅或位相對于其理想的振幅或位相值的偏離值會在腔內(nèi)的多次循環(huán)疊加的過程中由于相加而減小的雙重作用，使入射光束的振幅或位相的起伏噪聲降低。
9.一種兩鏡駐波式無源光學(xué)共振腔被用以降低光束振幅或位相的起伏噪聲的用途，其特征在于利用所述的兩鏡駐波式無源光學(xué)共振腔的窄帶選通入射及儲存，和隨機(jī)噪聲光束的振幅或位相對于其理想的振幅或位相值的偏離值會在腔內(nèi)的多次循環(huán)疊加的過程中由于相加而減小的雙重作用，使入射光束的振幅或位相的起伏噪聲降低。
10.一種根據(jù)權(quán)利要求8、或9所述的用途的裝置，其特征在于使腔內(nèi)光束從根據(jù)權(quán)利要求1所述的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔的反射式腔鏡部分地透出，或在根據(jù)權(quán)利要求1所述的可儲存單向運(yùn)行光束的無源環(huán)型光學(xué)腔的腔內(nèi)環(huán)型光路上，放置光束輸出器件，或使腔內(nèi)光束從根據(jù)權(quán)利要求9所述的兩鏡駐波式無源光學(xué)共振腔的反射式腔鏡部分地透出。
全文摘要
本發(fā)明提供一種新型的無源環(huán)型光學(xué)腔，其構(gòu)造特征是由數(shù)面反射鏡組成一單向環(huán)型光腔，光腔腔長及腔鏡反射率分別滿足頻率共振和損耗匹配條件。該種光學(xué)腔能儲存單向運(yùn)行光束并累加增強(qiáng)光束強(qiáng)度，能用于產(chǎn)生強(qiáng)光脈沖、提高多種光學(xué)轉(zhuǎn)換(如倍頻、高次諧波、參量變換等)的效率、提高高頻光調(diào)制器及光開關(guān)的光能利用率、降低高頻光調(diào)制器及光開關(guān)的驅(qū)動電、磁、光場強(qiáng)度和降低光束振幅或位相的起伏噪聲等，是一種新型基礎(chǔ)性光學(xué)器件。
文檔編號G02F3/02GK1155094SQ9511748
公開日1997年7月23日 申請日期1995年11月21日 優(yōu)先權(quán)日1995年11月21日
發(fā)明者柳尚青 申請人:柳尚青