CN105675152B - He-Ne激光圆偏振激光增益介质色散特性测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于气体激光领域,涉及一种He‑Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特性的测量系统及方法。本发明采用非共面谐振腔He‑Ne环形激光器,通过改变在增益介质上的线圈的电流,实现增益介质的分裂,利用顺、逆时钟的陀螺谐振频率差,即拍频,然后采用压电元件改变谐振腔腔长,实现顺、逆激光振荡频率的改变,该带有频率差的光信号经合光产生动态干涉条纹,并转化成电信号处理后得到以横轴为腔长,纵轴为频率差变化的色散特性曲线,从而实现对增益介质的色散特性的方便测量,对于激光陀螺色散控制及色散相关因素影响的评估具有实用价值。
Description
技术领域
本发明属于气体激光领域,涉及一种He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特性的测量系统及方法。
背景技术
由于激光工作物质在增益曲线中心频率处呈现强烈的色散,即折射率随频率而急剧变化,色散特性通常测量方法是使用一个外部激光调制源,测量光学器件或无源腔的折射率随波长变化快慢的特性,而He-Ne激光器是一个有源腔,且由于He-Ne激光圆偏振激光谐振腔内运行着光波频率约为1015Hz,远超过光电器件电子线路的接收范围,无法直接测量谐振腔内光波频率,因此需要研究一种He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特性的测量系统及方法。
发明内容
本发明目的是:提供一种能够精确实现He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特性测量的系统。
另外,本发明还提供一种He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特性测量方法。
本发明的技术方案是:
一种He-Ne激光圆偏振激光增益介质色散特性测量系统,其包括非共面谐振腔He-Ne环形激光器、偏频磁场线圈、压电元件、集成光电放大器、信号处理线路、可逆计数器,其中,所述偏频磁场线圈由四组线圈构成,环绕非共面谐振腔He-Ne环形激光器边长的增益介质设置,相邻边上的线圈组件缠绕方向相反,偏频磁场线圈的轴线与非共面谐振腔He-Ne环形激光器毛线孔轴线重合;压电元件装配在非共面谐振腔He-Ne环形激光器的稳频反射镜上;集成光电放大器安装在非共面谐振腔He-Ne环形激光器的输出反射镜上;信号处理线路将集成光电放大器输出的信号放大、整形并转换成数字脉冲串,可逆计数器连接在信号处理线路上,对其输出的脉冲串进行可逆计数。
所述的He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特性测量装置,还包括程控电压源、程控电流源、工控机,工控机通过控制内置的PCI总线的标准计数卡实现频率测量,同时工控机通过RS232串口协议控制电压源和电流源,并控制电压源输出最小腔长调整步进电压,再通过压电元件改变环形激光器的腔长,实现环形激光器振荡频率的调整,另外,工控机通过控制电流源给偏频磁场线圈供电,实现磁场的通断和大小控制。
在非共面谐振腔He-Ne环形激光器的输出反射镜位置处安装合光棱镜,合光棱镜将非共面谐振腔He-Ne环形激光器中运行的两相向传播光束在输出反射镜输出后进行合光干涉,产生干涉条纹,再由集成光电放大器检测干涉条纹的移动,以实现顺、逆传播光束的频差测量。
环绕在非共面谐振腔He-Ne环形激光器光路上的偏频磁场线圈在不产生磁场时,非共面谐振腔He-Ne环形激光器中运行的两相向传播光束具有相同的腔频率ν顺=ν逆;若加上磁场,非共面谐振腔He-Ne环形激光器中运行的两相向传播光束的腔频率产生频差;随后通过安装在非共面谐振腔He-Ne环形激光器稳频反射镜的压电元件实现调整环形激光器的激光振荡频率时,通过检测顺、逆传播光的频差代替检测激光振荡频率,用集成光电放大器实现光电信号转换和放大,用信号处理电路将模拟信号转换为数字脉冲,最后通过可逆计数器检测到He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特性。
一种He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特性测量方法,He-Ne激光圆偏振激光器能提供稳定的左、右旋圆偏振光并对正交偏振光产生频率的互易分裂;当在增益介质上施加纵向磁场时,施加在增益介质上的磁场引起两相向传播光波频率的非互易分裂,从而增益曲线中心的振荡频率用此时相向传播光波频率差表征,然后通过测试该频差随腔长的变化,实现对He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特性的测量。
所述的He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特性测量方法,其具体过程如下:
步骤1:搭建光路和信号处理线路
在非共面谐振腔He-Ne环形激光器腔体的四个光路上设置四个独立的绕线槽,在每个绕线槽上绕漆包线,在四个光路上分别同向串联缠绕偏频磁场线圈,该线圈的轴线与非共面谐振腔He-Ne环形激光器光路轴线重合,且相邻毛细孔上的线圈组件缠绕方向相反,同时在He-Ne激光圆偏振激光器由对角设置两个稳频反射镜,在稳频反射镜上安装压电元件,在反射输出镜上设置用于信号输出和处理的合光棱镜、集成光电放大器、信号处理线路、可逆计数器;
步骤2:频率差
在增益介质的环路上施加纵向磁场使得同一模态沿光路顺时针和逆时针的运行的光波产生频率差;
步骤3:腔长调整,得到频率差变化
通过调整电压源的控制精度和压电元件参数及稳频结构对非共面谐振腔He-Ne环形激光器的腔长进行调整,从而改变模式,使得频率差发生变化;
步骤4:确定色散特性
该带有频率差的光信号经合光棱镜将双向运行的光波合光产生动态干涉条纹,然后使用集成光电探测器将光信号转化为正弦电信号,并通过信号处理线路处理后送可逆计数器测量信号频率,得到以横轴为腔长,纵轴为频率差变化的色散特性曲线。
本发明的技术效果是:本发明He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特性的测量通过偏频磁场线圈给增益介质施加磁场,使增益介质产生塞曼频裂,检测顺、逆时针传播的光束的频率差(即偏频量),等距调整谐振腔的腔长,检测偏频量的变化量,可以方便的测得He-Ne激光圆偏振激光器增益介质的色散系数,便于进行激光陀螺色散控制及色散相关因素影响的评估。
附图说明
图1是加入磁场前后He-Ne激光器中Ne发射线的分裂情况;
其中,图1a为不存在磁场的情况;图1b为加入纵向磁场的情况;
ν0为不存在磁场情况下多普勒(Doppler)谱线的中心频率。
图2是相向传播光束塞曼频裂示意图;
其中,ν0为不加磁场的模式频率,ν-和ν+分别为加磁场后相向传播光束的模式频率。图3是测量的He-Ne激光圆偏振激光器色散曲线;
图4是本发明He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特性的测量方法示意图;
其中,1:非共面谐振腔He-Ne环形激光器;2:偏频磁场线圈;3:压电元件;4:合光棱镜;5:集成光电放大器;6:信号处理线路;7:可逆计数器;8:程控电压源;9:程控电流源;10:工控机。
具体实施方式
下面通过具体实施对本发明做进一步的说明:
He-Ne激光圆偏振激光增益介质色散特性测量系统,其包括非共面谐振腔He-Ne环形激光器1、偏频磁场线圈2、压电元件3、集成光电放大器5、信号处理线路6、可逆计数器7,其中,所述偏频磁场线圈2由四组线圈构成,环绕非共面谐振腔He-Ne环形激光器1边长的增益介质设置,相邻边上的线圈组件缠绕方向相反,偏频磁场线圈2的轴线与非共面谐振腔He-Ne环形激光器1毛线孔轴线重合;压电元件3装配在非共面谐振腔He-Ne环形激光器1的稳频反射镜上;集成光电放大器5安装在非共面谐振腔He-Ne环形激光器1的输出反射镜上;信号处理线路6将集成光电放大器5输出的信号放大、整形并转换成数字脉冲串,可逆计数器7连接在信号处理线路6上,对其输出的脉冲串进行可逆计数。
所述的He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特性测量装置,还包括程控电压源8、程控电流源9、工控机10,工控机通过控制内置的PCI总线的标准计数卡实现频率测量,同时工控机通过RS232串口协议控制电压源和电流源,并控制电压源输出最小腔长调整步进电压,再通过压电元件改变环形激光器的腔长,实现环形激光器振荡频率的调整,另外,工控机通过控制电流源给偏频磁场线圈供电,实现磁场的通断和大小控制。
在非共面谐振腔He-Ne环形激光器的输出反射镜位置处安装合光棱镜4,合光棱镜将非共面谐振腔He-Ne环形激光器中运行的两相向传播光束在输出反射镜输出后进行合光干涉,产生干涉条纹,再由集成光电放大器检测干涉条纹的移动,以实现输出信号的频率测量。
本发明He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特性测量方法,其原理分析如下:
He-Ne激光圆偏振激光器能提供稳定的左、右旋圆偏振光并对正交偏振光产生频率的互易分裂;当在增益介质上施加纵向磁场时,施加在增益介质上的磁场引起两相向传播光波频率的非互易分裂,从而增益曲线中心的振荡频率用此时相向传播光波频率差表征,然后通过测试该频差随腔长的变化,实现对He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特性的测量。
偏频频磁场线圈在非共面He-Ne激光圆偏振激光器的光路上施加纵向磁场时会导致He-Ne激光器中Ne发射线产生分裂如下图1所示,频裂值用(1)表示。
(1)中:电子电荷e=1.6×10-19C,电子质量μ=0.91×10-31kg,光速c=3×1010cm/s,H表示磁场强度(Oe),兰德因子g=1.3。
图1(b)中每条曲线都可能自发或受激发射出一种园偏振光。即沿着磁场强度方向,左边的曲线(低频)发射左旋圆偏振光(LCP),右边的曲线(高频)发射右旋圆偏振光(RCP)。
在He-Ne激光圆偏振激光器充满增益介质的环路上不施加磁场时,不发生频裂,激光器中两相向传播光束具有相同的腔频率νCCW=νCW,通常调节到等于增益曲线中心频率ν0,见图2,当加上磁场后,增益曲线分裂成两条:低频曲线(νD -)和高频曲线(νD +)。因为相向光波沿着磁场H方向具有相反的偏振态(LCP和RCP),因此它们获得各自的增益曲线νD -与νD +。
由于He-Ne激光圆偏振激光器增益介质色散引起模式频率牵引效应,实际产生的模式频率朝增益曲线中心移动,用ν-与ν+标识,并有:
(2)中ν±表示相向传播光波的频率νCCW与νCW的可能取值,依磁场方向而定;νC为初始模式频率,通常νC=ν0,ΔνC和ΔνD分别表示谐振腔与激光发射谱线的带宽,G0与σ表示腔的增益与损耗系数。
相向传播光波的频差(νCW-νCCW)为He-Ne激光圆偏振激光器拍频νΒ,运用(1)与(2)计算其值:
通过等间距调节压电元件的电压改变He-Ne激光圆偏振激光器的腔长,在每个给定的压电电压下测量拍频νΒ,求出相邻压电电压下拍频的差值ΔνΒ,通过测定出该差值随腔长的变化,并做成曲线,该曲线就是He-Ne激光圆偏振激光器的增益介质的色散曲线,一次的测量结果如下图3所示。
所述的He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特性测量方法,其具体过程如下:
步骤1:搭建光路和信号处理线路
在非共面谐振腔He-Ne环形激光器1腔体的四个光路上设置四个独立的绕线槽,在每个绕线槽上绕相同匝数的线圈,相邻线圈的缠绕方向相反,使线圈的轴线和工作介质通道的轴向重合,最后将四组线圈同向串联起来,完成偏频磁场线圈2的装配。
在He-Ne激光圆偏振激光器1对角设置两个稳频反射镜,在稳频反射镜上安装压电元件3,使腔长调整可达到1%调整精度。
在He-Ne激光圆偏振激光器输出反射镜上设置用于信号输出和处理的合光棱镜4、集成光电放大器5、信号处理线路、可逆计数器7;
步骤2:频率差
在增益介质的环路上施加纵向磁场使得同一模态沿光路顺时针和逆时针的运行的光波产生频率差;
步骤3:腔长调整,得到频率差变化
通过调整电压源的控制精度和压电元件参数及稳频结构对非共面谐振腔He-Ne环形激光器的腔长进行调整,从而改变模式,使得频率差发生变化;
步骤4:确定色散特性
该带有频率差的光信号经合光棱镜将双向运行的光波合光产生动态干涉条纹,然后使用集成光电探测器将光信号转化为正弦电信号,并通过信号处理线路处理后送可逆计数器测量信号频率,得到以横轴为腔长,纵轴为频率差变化的色散特性曲线。
通过对He-Ne激光圆偏振激光器进行扫模试验确定激光器调整一个纵模需在压电元件上施加调整电压值为50V,称该电压值为Uλ,在逐步减小1个腔长调整步距电压为0.05V后,测量的频率差不再减小,故本套色散测量系统的色散测量相对精度为0.1%,该精度和632.8nm的氦氖激光器的牵引参量约为10-3吻合,因此本测量系统及方法实现对增益介质的色散特性的方便测量,对于激光陀螺色散控制及色散相关因素影响的评估具有实用价值。
Claims (6)
1.一种He-Ne激光圆偏振激光增益介质色散特性测量系统,其特征在于:包括非共面谐振腔He-Ne环形激光器(1)、偏频磁场线圈(2)、压电元件(3)、集成光电放大器(5)、信号处理线路(6)、可逆计数器(7),其中,所述偏频磁场线圈(2)由四组线圈构成,环绕非共面谐振腔He-Ne环形激光器(1)边长的增益介质设置,相邻边上的线圈组件缠绕方向相反,偏频磁场线圈(2)的轴线与非共面谐振腔He-Ne环形激光器(1)毛线孔轴线重合;压电元件(3)装配在非共面谐振腔He-Ne环形激光器(1)的稳频反射镜上;集成光电放大器(5)安装在非共面谐振腔He-Ne环形激光器(1)的输出反射镜上;信号处理线路(6)将集成光电放大器(5)输出的信号放大、整形并转换成数字脉冲串,可逆计数器(7)连接在信号处理线路(6)上,对其输出的脉冲串进行可逆计数。
2.根据权利要求1所述的He-Ne激光圆偏振激光增益介质色散特性测量系统,其特征在于,还包括程控电压源(8)、程控电流源(9)、工控机(10),工控机(10)通过控制内置的PCI总线的标准计数卡实现频率测量,同时工控机通过RS232串口协议控制电压源(8)和电流源(9),并控制电压源输出最小腔长调整步进电压,再通过压电元件改变环形激光器的腔长,实现环形激光器振荡频率的调整,另外,工控机通过控制电流源给偏频磁场线圈供电,实现磁场的通断和大小控制。
3.根据权利要求2所述的He-Ne激光圆偏振激光增益介质色散特性测量系统,其特征在于,在非共面谐振腔He-Ne环形激光器(1)的输出反射镜位置处安装合光棱镜(4),合光棱镜将非共面谐振腔He-Ne环形激光器中运行的两相向传播光束在输出反射镜输出后进行合光干涉,产生干涉条纹,再由集成光电放大器(5)检测干涉条纹的移动,以实现顺、逆传播光束的频差测量。
4.根据权利要求3所述的He-Ne激光圆偏振激光增益介质色散特性测量系统,其特征在于,环绕在非共面谐振腔He-Ne环形激光器(1)光路上的偏频磁场线圈(2)在不产生磁场时,非共面谐振腔He-Ne环形激光器中运行的两相向传播光束具有相同的腔频率ν顺=ν逆;若加上磁场,非共面谐振腔He-Ne环形激光器中运行的两相向传播光束的腔频率产生频差;随后通过安装在非共面谐振腔He-Ne环形激光器稳频反射镜的压电元件(3)实现调整环形激光器的激光振荡频率时,通过检测顺、逆传播光的频差代替检测激光振荡频率,用集成光电放大器(5)实现光电信号转换和放大,用信号处理线路(6)将模拟信号转换为数字脉冲,最后通过可逆计数器(7)检测到He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特性。
5.一种He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特性测量方法,其特征在于,He-Ne激光圆偏振激光器能提供稳定的左、右旋圆偏振光并对正交偏振光产生频率的互易分裂;当在增益介质上施加纵向磁场时,施加在增益介质上的磁场引起两相向传播光波频率的非互易分裂,从而增益曲线中心的振荡频率用此时相向传播光波频率差表征,然后通过测试该频率差随腔长的变化,实现对He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特性的测量。
6.根据权利要求5所述的He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特性测量方法,其特征在于,具体过程如下:
步骤1:搭建光路和信号处理线路
在非共面谐振腔He-Ne环形激光器腔体的四个光路上设置四个独立的绕线槽,在每个绕线槽上绕漆包线,在四个光路上分别同向串联缠绕偏频磁场线圈,该线圈的轴线与非共面谐振腔He-Ne环形激光器光路轴线重合,且相邻毛细孔上的线圈组件缠绕方向相反,同时在He-Ne激光圆偏振激光器由对角设置两个稳频反射镜,在稳频反射镜上安装压电元件,在反射输出镜上设置用于信号输出和处理的合光棱镜、集成光电放大器(5)、信号处理线路、可逆计数器(7);
步骤2:频率差
在增益介质的环路上施加纵向磁场使得同一模态沿光路顺时针和逆时针的运行的光波产生频率差;
步骤3:腔长调整,得到频率差变化
通过调整电压源的控制精度和压电元件参数及稳频结构对非共面谐振腔He-Ne环形激光器的腔长进行调整,从而改变模式,使得频率差发生变化;
步骤4:确定色散特性
该带有频率差的光信号经合光棱镜将双向运行的光波合光产生动态干涉条纹,然后使用集成光电探测器将光信号转化为正弦电信号,并通过信号处理线路处理后送可逆计数器测量信号频率,得到以横轴为腔长,纵轴为频率差变化的色散特性曲线。
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