CN104767112A - 基于双偏振分光镜合光的正交双频激光生成方法与装置 - Google Patents
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Abstract
基于双偏振分光镜合光的正交双频激光生成方法与装置属于激光应用技术领域，本发明采用分光面与水平面分别成45°和90°的两个偏振分光镜进行光束合成，在入射光存在偏振态退化和入射角误差的情形下仍然能够保证合成的双频激光满足外差激光干涉测量需要的线性正交性，从而能够消除由光源偏振非正交性引起的光学非线性测量误差。
Description
技术领域
本发明属于激光应用技术领域，特别涉及一种基于双偏振分光镜合光的正交双频激光生成方法与装置。
背景技术
双频激光光源是外差激光干涉测量系统的核心组成部分，其输出激光包括两个频率不同、偏振方向正交的线偏振光，常见的双频激光光源有横向塞曼激光器、纵向塞曼激光器和双纵模激光器等，其中横向塞曼激光器、纵向塞曼激光器由于物理学原理上的限制，其频差一般小于4MHz，已经无法满足外差激光干涉测量技术向高速测量发展的需要，而双纵模激光器一般频差不小于数百MHz，现有的光电信号处理技术还难以对如此高频的信号进行快速有效处理。引入声光移频技术是当前双频激光光源研究的一个重要方向，其基本思想是将稳频激光器发出的单频线偏振激光分成两部分，分别进行不同数值的移频，并采用光学波片改变其中一束光的偏振方向，使其与另一束光正交，最后采用偏振光学器件将两束光合成为一束同轴的正交双频激光，其优点是可以通过改变声光移频器的工作频率来调整双频激光的频差，其数值从几MHz至几百MHz之间连续可调。该方法的不足之处是一般采用单个偏振分光镜进行光束合成，而合光之前的光束已通过若干光学元件，其偏振态可能出现不同程度的退化，同时由于偏振分光镜的安装调整误差，合成的双频激光会在一定程度上偏离理想的线性正交状态，从而对测量系统引入光学非线性测量误差，其数值在几到几十纳米之间，严重制约系统的测量精度。
发明内容
针对现有方法的不足，本发明提出一种基于双偏振分光镜合光的正交双频激光生成方法，该方法采用分光面与水平面分别成45°和90°的两个偏振分光镜进行光束合成，目的是解决现有的基于声光移频技术的双频激光光源技术中合成光束偏离线性正交状态，进而引入光学非线性测量误差的问题。本发明还提供了一种基于双偏振分光镜合光的正交双频激光生成装置。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于双偏振分光镜合光的正交双频激光生成方法，该方法包括以下步骤：
（1）稳频激光器输出的线偏振激光光束频率记为f 0，偏振方向位于水平方向，该光束由分光镜分离成强度比为1:1、传播方向成90°角的两束激光，分别记为光束X和Y，光束X进入工作频率为f 1的声光移频器进行移频，其输出光束频率为f 0+f 1，偏振方向仍位于水平方向，该光束记为光束P；
（2）光束Y进入工作频率为f 2的声光移频器进行移频，其输出光束频率为f 0+f 2，该光束经过快轴与水平方向成45°的1/2波片后，其偏振方向旋转90°位于竖直方向，该光束记为光束S；
（3）光束S经反射镜反射改变传播方向，使其从偏振分光镜A的一个端面正入射，偏振分光镜A的分光面与水平面成45°角，光束S透过偏振分光镜A后从偏振分光镜B的一个端面正入射，偏振分光镜B的分光面与水平面垂直，光束S被反射，传播方向与原来成90°角；
（4）光束P经反射镜反射改变传播方向，使其从偏振分光镜B的另一个端面入射，该端面与光束S在偏振分光镜B上的入射端面相邻并垂直，光束P透过偏振分光镜B，并与被偏振分光镜B反射的光束S合成一束同轴的正交双频激光，频差为|f 1- f 2|。
一种基于双偏振分光镜合光的正交双频激光生成装置，包括稳频激光器、分光镜、声光移频器A和声光移频器B 、二分之一波片、反射镜A和反射镜B，该装置还包括由分光面与水平面分别成45°的偏振分光镜A和分光面与水平面成90°的偏振分光镜B组成的合光机构，本装置的连接关系为：分光镜放置在稳频激光器出光口前，声光移频器A和声光移频器B 分别放置在分光镜的两个分光方向上，二分之一波片放置在声光移频器A后，其快轴与水平方向成45°，反射镜A放置在二分之一波片后，并与声光移频器A出射光束成45°角，反射镜B放置在声光移频器B后，并与声光移频器B出射光束成45°角，偏振分光镜A放置在反射镜A反射光方向上，且分光面与水平面成45°角，偏振分光镜B放置在反射镜B的反射光方向上，且其分光面与水平面垂直，偏振分光镜A的一个端面和偏振分光镜B的一个端面正对并紧贴在一起。
本发明的特点及良好效果表述如下：
本发明采用分光面与水平面分别成45°和90°的两个偏振分光镜进行光束合成，充分利用了偏振分光镜透射光束偏振度优于反射光束且对入射光束角度误差不敏感的特点，先使用一个分光面与水平面成45°的偏振分光镜来获取偏振方向位于竖直方向并具有高偏振度的透射光束，该透射光束由于具有很高的偏振度，当其被分光面与水平面成90°的偏振分光镜反射时，即使入射角度存在一定误差，反射光束同样具有很高的偏振度，而另一束光偏振方向为水平方向的光束透过分光面与水平面成90°的偏振分光镜时，即使入射角存在一定误差或入射光存在一定程度的偏振态退化，根据偏振分光镜的分光特性，其透射光束仍然具有很高的偏振度，该透射光束与反射光束合成为共轴的正交双频激光将具有很高的线性正交特性，从而当该双频激光应用于外差激光干涉测量时可避免引入严重的光学非线性误差。此外，本发明采用分光面与水平面分别成45°和90°的两个偏振分光镜进行光束合成，对合成前的光束的偏振态和入射角度的精度要求相对较低，因此可以在一定程度上降低光束合成的调整难度。
附图说明
图1 为本发明装置的原理框图
图2 为本发明装置的合光机构示意图
图3 偏振分光镜的起偏效应示意图
图4 偏振分光镜中P光与S光反射率随入射角的变化曲线
图5 入射光存在偏振态退化时的本发明装置合光机构的合光示意图
图中，1稳频激光器、2分光镜、3声光移频器A、4声光移频器B、5二分之一波片、6反射镜A、7反射镜B、8偏振分光镜A、9偏振分光镜B。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
如图1和图2所示，一种基于双偏振分光镜合光的正交双频激光生成装置，包括稳频激光器1、分光镜2、声光移频器A3和声光移频器B 4、二分之一波片5、反射镜A6和反射镜B7，该装置还包括由分光面与水平面分别成45°的偏振分光镜A8和分光面与水平面成90°的偏振分光镜B9组成的合光机构，本装置的连接关系为：分光镜2放置在稳频激光器1出光口前，声光移频器A3和声光移频器B 4分别放置在分光镜2的两个分光方向上，二分之一波片5放置在声光移频器A3后，其快轴与水平方向成45°，反射镜A6放置在二分之一波片5后，并与声光移频器A3出射光束成45°角，反射镜B7放置在声光移频器B4后，并与声光移频器B4出射光束成45°角，偏振分光镜A8放置在反射镜A6反射光方向上，且其分光面与水平面成45°角，偏振分光镜B9放置在反射镜B7的反射光方向上，且其分光面与水平面垂直，偏振分光镜A8的一个端面和偏振分光镜B9的一个端面正对并紧贴在一起。
稳频激光器1经过预热稳频过程后输出偏振方向为水平方向的单频线偏振光，频率记为f 0，该偏振光由分光镜2分离成强度比为1:1的两束光，两光束在传播方向成90°角，其中一束光进入声光移频器B4进行移频，声光移频器B4的工作频率为f 1，根据声光相互作用原理，其输出正一级衍射光的频率为f 0+f 1，偏振方向仍为水平方向，记为光束P；另一束光束进入声光移频器A3进行移频，声光移频器A3的工作频率为f 2，根据声光相互作用原理，其输出正一级衍射光的频率为f 0+f 2，该光束通过快轴方向与水平方向成45°角的二分一波片后，偏振方向旋转90°位于竖直方向上，记为光束S。光束S经反射镜A6反射后正入射偏振分光镜A8，由于光束S的偏振方向为竖直方向，且偏振分光镜A8的分光面与水平面成45°角，光束S透过偏振分光镜A8，由于偏振分光镜A8和偏振分光镜B9的一个端面正对紧贴放置，则光束S正入射偏振分光镜B9，由于光束S的偏振方向为竖直方向，且偏振分光镜B9的分光面与水平面垂直，光束S被偏振分光镜B9反射。光束P经反射镜B7反射后，从偏振分光镜B9的一个端面正入射，该端面与光束S在偏振分光镜B9上的入射端面相邻且垂直，由于光束P的偏振方向位于水平方向，且偏振分光镜B9的分光面与水平面垂直，则光束P透过偏振分光镜B9，调整反射镜7的位置可使光束P与光束S同轴同方向，进而光束P与光束S合成为一束正交双频激光，频差为|f 1- f 2|。
本发明提出的基于双偏振分光镜合光的正交双频激光生成方法可以保证合成的双频激光满足外差激光干涉测量要求的线性正交性，分析如下：
偏振分光镜制作过程是将一块立方棱镜沿着对角面切开，并在两个切面上交替镀上高折射率和低折射率的膜层，并选择适当的膜层折射率，使得光线在相邻膜层界面上的入射角等于布儒斯特角，通常设计为45°，当光束从偏振分光分光镜的端面正入射时，其在分光膜层上的入射角满足布儒斯特角。如图3所示，根据菲涅尔反射和折射定律，当光束以布儒斯特角通过膜层界面时，在每个膜层界面上光束中的S光一部分被反射，一部分透射，P光完全透射，则光束每透过一个膜层界面，透射光中S光的比例就减小一次，相应地P光的比例就增加一次，即透射光被逐步提纯。偏振分光镜通常采用λ/4膜系制作，其膜层结构可以表示为G(HL)nGH，其中G代表玻璃，H和L分别代表高折射率膜层（如ZnS）和低折射率的膜层（如冰晶石），镀膜层数为2n+1。利用等效导纳法可以求得膜系对P光和S光的反射率为（注：P光和S光都为线偏振光，P光的偏振方向在入射面内，S光偏振方向垂直于入射面）：
（1）
其中n G、n H和n L分别是入射光在玻璃、高折射率膜层和低折射率膜层中的绝对折射率，其中θ G、θ H和θ L分别是入射光在玻璃、高折射率膜层和低折射率膜层中的入射角。根据光学折射定律，上述参数满足以下数学关系：
（2）
利用公式（1）和（2）可以求出不同光束入射角θ G下偏振分光镜中S光和P光的反射率。一般偏振分光镜的膜层数目为10~30层之间，图4给出了n = 7时（镀膜层数为2×7+1=15），不同入射角情形下 S光和P光的反射率曲线（激光波长取632.8nm），从图中可以看出当入射角从40°到50°之间时，S光全部被反射，反射率R S≈100%，偏振分光镜透射光束中不包含S光分量，透射光束为纯净的P光。当入射角偏离布儒斯特角（45°）时，P光的反射率迅速上升，当= 43°、44°、45°、46°和47°时，P光的反射率为R P = 0.1070、0.0301、0.0000105、0.04821和0.1936，此时若入射光中包含P光分量，则一部分的P光被反射，使得偏振分光镜反射光束同时包含了S分量和P分量，一般为部分偏振光。
根据公式（1）、（2）和图4可将偏振分光镜的分光特性总结如下：
1、当入射光线满足布儒斯特条件时（θ G=45°），偏振分光镜的反射光束和透射光束都具有很高的消光比，可近似为完全线偏振光，并且反射光束和透射光束偏振态相互正交；
2、当入射光线入射角在一定程度上偏离布儒斯特角时（40°<θ G<50°），偏振分光镜反射光束主要为S光，同时包含一部分P光，反射光束为部分偏振光，偏振分光镜透射光束线只包含P光，其偏振方向为水平方向，反射光束与透射光束偏振态不满足正交性；
3、当入射光线仅包含S光时，即使入射角在一定程度上偏离布儒斯特角（40°<θ G <50°），偏振分光镜反射光束只包含S光，并且反射率为100%。
根据上述偏振分光镜的分光性质可知，如果只使用一个偏振分光镜进行正交偏振光束的合成，如果入射光存在一定程度的偏振态退化，即入射光束不是理想的线偏振光，或者入射光的入射角度存在一定的误差，则合成光束中被偏振分光镜反射的那束光偏振度相对较低（消光比低），而合成光束中透过偏振分光镜的光束具有很高的偏振度，二者在一定程度上偏离理想的线性正交关系。
本发明提出的基于双偏振分光镜合光的正交双频激光生成方法采用的合光机构包括分光面与水平面分别成45°和90°的两个偏振分光镜，假设合成前的两束频率不同的光束的琼斯矢量为E1和E2，理想情况下E1只有y方向的分量，即E1偏振方向位于竖直方向，E2只有x方向的分量，即E2偏振方向为水平方向，在实际情形中E1和E2存在一定的偏振态退化，如图5所示，则E1和E2在x和y方向都有分量，即
（3）
根据偏振分光镜对光束振幅的传递关系可得出射光中两种频率不同的光束的琼斯矢量为：
（4）
根据公式（1）和图4可知，即使光束E 1和E 2的入射角不满足布儒斯特条件，RS≈100%，0<RP<100%，则有：
（5）
由上式可知，合成双频激光两个不同频率光分量中，E 1 ’和E 2 ’都是完全线偏振光，其中E 1 ’偏振方向为竖直方向，而E 2 ’偏振方向为水平方向，E 1 ’和E 2 ’的内积为：
（6）
即E 1 ’和E 2 ’的琼斯矢量满足正交性关系。根据上述分析可知对于本发明提出的基于双偏振分光镜合光的正交双频激光生成方法，即使入射光偏振态存在一定程度的退化，入射角存在一定的误差，仍然能够保证合成的双频激光满足线性正交性关系，且由于对入射角的要求相对不是很高，还降低了双频正交激光合成的调整难度。
Claims (2)
1.一种基于双偏振分光镜合光的正交双频激光生成方法，其特征在于该方法采用分光面与水平面分别成45°和90°的两个偏振分光镜进行光束合成，该方法包括以下步骤：
（1）稳频激光器输出的线偏振激光光束频率记为f 0，偏振方向位于水平方向，该光束由分光镜分离成强度比为1:1、传播方向成90°角的两束激光，分别记为光束X和Y，光束X进入工作频率为f 1的声光移频器进行移频，其输出光束频率为f 0+f 1，偏振方向仍位于水平方向，该光束记为光束P；
（2）光束Y进入工作频率为f 2的声光移频器进行移频，其输出光束频率为f 0+f 2，该光束经过快轴与水平方向成45°的1/2波片后，其偏振方向旋转90°位于竖直方向，该光束记为光束S；
（3）光束S经反射镜反射改变传播方向，使其从偏振分光镜A的一个端面正入射，偏振分光镜A的分光面与水平面成45°角，光束S透过偏振分光镜A后从偏振分光镜B的一个端面正入射，偏振分光镜B的分光面与水平面垂直，光束S被反射，传播方向与原来成90°角；
（4）光束P经反射镜反射改变传播方向，使其从偏振分光镜B的另一个端面入射，该端面与光束S在偏振分光镜B上的入射端面相邻并垂直，光束P透过偏振分光镜B，并与被偏振分光镜B反射的光束S合成一束同轴的正交双频激光，频差为|f 1- f 2|。
2.一种基于双偏振分光镜合光的正交双频激光生成装置，包括稳频激光器1、分光镜2、声光移频器A3和声光移频器B4、二分之一波片5、反射镜A6和反射镜B7，其特征在于该装置还包括由分光面与水平面分别成45°的偏振分光镜A8和分光面与水平面成90°的偏振分光镜B9组成的合光机构，本装置的连接关系为：分光镜2放置在稳频激光器1出光口前，声光移频器A3和声光移频器B 4分别放置在分光镜2的两个分光方向上，二分之一波片5放置在声光移频器A3后，其快轴与水平方向成45°，反射镜A6放置在二分之一波片5后，并与声光移频器A3出射光束成45°角，反射镜B7放置在声光移频器B4后，并与声光移频器B4出射光束成45°角，偏振分光镜A8放置在反射镜A6反射光方向上，且其分光面与水平面成45°角，偏振分光镜B9放置在反射镜B7的反射光方向上，且其分光面与水平面垂直，偏振分光镜A8的一个端面和偏振分光镜B9的一个端面正对并紧贴在一起。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |