环形谐振器 Ring resonators

2022-10-27 13:48:16 浏览:485

定义

光可以在两个不同方向上独立循环的光学谐振器。

光学谐振器可以采用两种不同的拓扑结构:

  • 线性谐振器(驻波谐振器)有两个端镜,具有垂直入射光。然后,循环光将不可避免地具有两个反传播成分。
  • 环形谐振器没有任何端镜;没有一个谐振镜将光反射回自身。

例如,图1显示了一个环形谐振器,其中光通过部分透射镜注入,光通过另一个镜子耦合出来:

图1:环形谐振器,通过部分透射镜和输出耦合器反射镜进行外部光输入。

请注意,入射光导致光仅在一个方向上在谐振器中循环。因此,人们在右上角获得单个输出光束。

如果两个平面镜的传输相同,并且两个曲面镜具有高反射性,则谐振中有阻抗匹配:所有入射功率都在另一侧传输,并且实际上没有反射功率,因为直接反射的分量和谐振器泄漏的光通过相消性干扰相互抵消。

不同形式的环形谐振器

环形谐振器可以通过组合一些激光反射镜形成,如上所示。但是,还有其他可能性:

图2:设置非平面环形振荡器。
  • 人们可以采用完全的内在反思。例如,这是针对非平面环形振荡器完成的(见图2)。参考文献[4]提供了另一个例子,其中使用与棱镜耦合的倏逝波。该机制提供了不同程度的耦合。
  • 可以使用光纤形成光纤环形谐振器。这样,就可以实现往返时间很长的谐振器。光纤耦合器可用于将光耦合到谐振器中或提取光。
  • 球形玻璃片可用作环形谐振器,展现出所谓的耳语画廊模式。使用瞬时波的棱镜可以耦合。
  • 有微环腔,以集成光学元件作为波导结构实现。在这里,可以采用倏逝波耦合,直线波导近距离通过环。

与线性谐振器的区别

在各个方面,环形谐振器的特性与线性谐振器的特性不同:

  • 反射光永远不会直接回到其光源,因为我们在任何镜面上都没有法向入射。这可能是环形谐振器的一个重要优势,例如,环形谐振器用作激光器的模式清洁器,否则激光很可能会受到背反射光的刺激。
  • 当循环光照射到弯曲的(聚焦或散焦)共振镜时,这引入了一些散光,因为我们不可能有正常的入射。(弯曲镜的屈光度在切向和矢状方向之间是不同的。人们经常试图通过使用小的入射角来最小化散光。因此,通常使用蝴蝶结环谐振器几何形状,如图1所示,而不是例如反射镜入射角为45°的矩形几何形状。
  • 在环形谐振器中,光可以独立地在两个不同的方向上循环,除非存在一些耦合,例如通过寄生反射引入。只要保持单向操作,就可以避免环形谐振器中存在反向传播光(靠近谐振镜,其中入射光束和反射光束有一些重叠)。因此,消除了空间孔洞燃烧效应。这与某些激光器有关(见下文)。
  • 环形谐振器只有一个稳定区,例如相对于激光晶体热透镜的屈光度。线性谐振器有两个这样的稳定区。

环形谐振器的应用

共振增强腔

谐振增强腔用于各种应用,在这些应用中,可以利用循环光功率的大幅增加。

一个特别重要的应用是谐振频率加倍。在这里,环形谐振器几何形状(见图3)通常是首选,因为可以避免光向激光源的反向反射,并且很容易在单个镜子(通常是非线性晶体之后的镜子)上耦合出所有频率加倍的光。

图3:谐振倍频器。左下角的镜子应部分透射入射泵浦光,而其他镜子应完全反射泵浦光。右下角的镜子应该完全耦合出倍频光。

环形激光器

例如,图4显示了一个环形激光谐振器,其中包含一个激光晶体和一个法拉第隔离器:

图 4:环形激光谐振器,其中使用光隔离器强制单向操作。

虽然大多数激光器都是用线性谐振器实现的,线性谐振器暂时简化构建,但在某些情况下,环形激光谐振器是首选:

  • 由于避免了空间孔燃烧,因此更容易实现单频操作。
  • 腔内频率加倍仅在一个方向上产生频率加倍的光,这可能是有利的。

光学参数振荡器

同样,环形谐振器也用于光学参数振荡器(OPO)。在这里,人们通常对信号灯或惰轮波使用共振。在某些情况下,人们实现了双重谐振OPO,其中信号和惰轮都是谐振的。

滤波和信号处理

有一些应用是使用环形谐振器作为光学滤波器。例如,在集成光学器件中,人们可能会实现微小的环,这些环耦合到相对两侧的所有直波导。只有当输入到波导的光共振时,它才会耦合到环中并到达另一个波导,而所有光学频率的光由第一个波导传输。例如,这种技术可用于具有波分复用的光纤通信。

频率梳生成

特殊种类的环形谐振器用于产生频率梳[7,8]

参考文献

[1] T. J. Kane and R. L. Byer, “Monolithic, unidirectional single-mode Nd:YAG ring laser”, Opt. Lett. 10 (2), 65 (1985), doi:10.1364/OL.10.000065
[2] W. W. Chow et al., “The ring laser gyro”, Rev. Mod. Phys. 57, 61 (1985), doi:10.1103/RevModPhys.57.61
[3] S. De Silvestri et al., “Rod thermal lensing effects in solid-state laser ring resonators”, Opt. Commun. 65 (5), 373 (1988), doi:10.1016/0030-4018(88)90106-X
[4] K. Fiedler et al., “Highly efficient frequency doubling with a doubly-resonant monolithic total internal reflection ring resonator”, Opt. Lett. 18 (21), 1786 (1993), doi:10.1364/OL.18.001786
[5] L. E. Nelson et al., “Ultrashort-pulse fiber ring lasers”, Appl. Phys. B 65, 277 (1997), doi:10.1007/s003400050273
[6] K. I. Martin et al., “Stable, high-power, single-frequency generation at 532 nm from a diode-bar-pumped Nd:YAG ring laser with an intracavity LBO frequency doubler”, Appl. Opt. 36 (18), 4149 (1997), doi:10.1364/AO.36.004149
[7] I. Demirtzioglou et al., “Frequency comb generation in a silicon ring resonator modulator”, Opt. Express 26 (2), 790 (2018), doi:10.1364/OE.26.000790
[8] M. Zhang, “Broadband electro-optic frequency comb generation in a lithium niobate microring resonator”, Nature 568, 373 (2019), doi:10.1038/s41586-019-1008-7
[9] R. Paschotta, case study on a ring resonator with the RP Resonator software

光学器件

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