非平面环形振荡器中频移激光反馈干涉技术突破及其亚皮米级振动检测应用

本研究针对传统激光反馈干涉(LFI)需依赖声光调制器(AOM)导致系统复杂的问题，首次在非平面环形振荡器(NPRO)中实现无AOM的频移LFI。通过弱磁场条件下打破NPRO的光反馈抗性，建立双向激光干涉模型，实现亚皮米级振动检测(频率范围kHz至数百kHz)，为工业、航天等领域提供高精度、小型化测量方案。

　　

在精密测量领域，激光反馈干涉(Laser Feedback Interferometry, LFI)因其结构简单、灵敏度高被广泛应用于位移、速度等物理量检测。然而传统LFI系统依赖声光调制器(Acousto-Optic Modulator, AOM)产生频移信号，导致设备复杂且成本高昂。更棘手的是，大多数激光谐振腔（如法布里-珀罗腔或普通环形腔）因往返频率简并特性，必须借助外部器件实现kHz-MHz量级的频移。这一技术瓶颈长期制约着LFI在微型化、高稳定性场景的应用。

针对这一挑战，中山大学的研究团队另辟蹊径，将目光投向具有非互易特性的非平面环形振荡器(Non-Planar Ring Oscillator, NPRO)。这种激光器在磁场作用下可产生顺时针(CW)与逆时针(CCW)模式的频率分裂，理论上能天然形成干涉信号。但此前NPRO始终被认为具有极强的光反馈抗性，相关现象从未被报道。该团队通过精确调控磁场强度，首次在NPRO中突破光反馈抑制阈值，观察到稳定的双向激光干涉现象，相关成果发表在《Optics》上。

研究采用三项关键技术：1) 弱磁场调控NPRO损耗差（低至0.0001%），打破光反馈抗性；2) 基于双频速率方程与Lang-Kobayashi方程建立理论模型；3) 搭建以Nd:YAG晶体为增益介质的NPRO实验系统，通过808 nm激光泵浦实现双向激光输出。

机制与原理
研究发现，当磁场强度降至临界值时，NPRO中CW/CCW模式的损耗差显著减小，使反馈光能耦合激发反向模式。这种双向激光的拍频信号（数百kHz）直接形成干涉基准，其频率由磁场强度决定。理论模型证明，双向模式的调制项具有一致性，验证了NPRO-LFI的可行性。

实验与结果
实验采用3 mm×8 mm×12 mm的Nd:YAG NPRO晶体，在30°入射角与90°离面角构型下，测得振动检测灵敏度达亚皮米级（<1 pm）。系统可检测kHz至数百kHz的微振动，振幅范围覆盖数十皮米至数纳米，且无需AOM等外部频移装置。

结论与意义
该研究首次实现NPRO中的频移LFI，其创新性体现在：1) 利用NPRO固有频率分裂特性替代AOM；2) 通过弱磁场调控解决光反馈抗性难题；3) 理论模型为后续研究提供范式。NPRO激光器的小型化、长寿命、超低噪声等特性，使该技术在工业检测、航天器微振动监测等领域具有重要应用前景。研究不仅填补了NPRO-LFI的技术空白，更开辟了新型微型干涉仪的发展路径。