CN1101610C - 没有频差闭锁的双折射双频激光器及其频差精度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于氦氖激光器领域，包括一个HeNe激光器，在该激光器的谐振腔内的光轴上设置一双折射元件以及在该激光器的放电管外设置一磁力线方向与放电管的轴线垂直的磁场。本发明使双折射双频激光消除频差闭锁现象，双折射双频激光即可以输出40MHz以上的频差，也能输出40MHz以下的频差。即从接近于零赫兹的小频差到几兆赫兹，十几兆赫兹和几十兆、上百兆赫兹的大频差。同时在结构和制作工艺上获得准确的频差输出。

Description

没有频差闭锁的双折射双频激光器及其频差精度控制方法

本发明属于氦氖激光器领域，特别涉及主要用作双频激光干涉仪和激光测振仪的光源设计。

现有的HeNe双频激光器类型主要包括有：塞曼效应双折射双频激光器，晶体石英双折射双频激光器和应力双折射双频激光器。其中，塞曼双频激光器是在氦氖激光器上加外磁场，由塞曼效应和激光器模牵引效应共同的作用，使激光器形成两个频率，由物理原理所决定，两频率之差不大于3MHz。另一类，晶体石英或应力双折射双频激光器是在激光腔内放入的双折射元件造成两个频率。由于有模竞争效应导致的闭锁现象，频差小于40MHz时，一个频率熄灭，因此两个频率不可能小于40MHz。

本发明的目的在于，为克服已有技术的不足之处，通过同时在HeNe激光器外使用横向外磁场和在激光器内放入双折射元件，使双折射双频激光消除频差闭锁现象，双折射双频激光即可以输出40MHz以上的频差，也能输出40MHz以下的频差。即从接近于零赫兹的小频差到几兆赫兹，十几兆赫兹和几十兆、上百兆赫兹的大频差。同时在结构和制作工艺上获得准确的频差输出。

本发明提出一种没有频差闭锁的双折射双频激光器，包括一个HeNe激光器，在该激光器的谐振腔内的光轴上设置一双折射元件，其特征在于，还包括在该激光器的放电管外设置一磁力线方向与放电管的轴线垂直的磁场。

所说的双折射元件可为设置在全/半内腔激光揩振腔内的一片晶体石英片。激光器可是半内腔结构时，所说的双折射元件可为在该激光器的谐振腔内的光轴上设置一玻璃片，在该玻璃片的圆周上套有施力机构，该玻璃片的两个表面均镀有增透膜。

所说的激光器也可是在放电管两端封装有一对平、凹反射镜构成的全内腔结构，所说的双折射元件则可为所说的激光平面反射镜，在该激光平面反射镜的圆周上套有施力机构，该平面反射镜基片的内表面镜高增透介质膜，外表面镀反射介质膜。

在上述的各种结构中，所说的磁场可为在放电管两侧对称放置有一对条形永久磁铁。所说的施力机构可为由两端带有螺钉的两个半圆环片构成。施力环靠其上的螺钉对此平面反射镜基片施加一个力，在基片中形成应力双折射。

在上述的半内腔结构中，还可包括熔石英外壳及结合于外壳左、右两端的端板，所说的放电管置于该外壳之中，所说的凹面反射镜固定在一端板上，所说的平面反射镜通过与之相连的一个压电陶瓷元件固定在另一端板上。

为保证多个双折射双频激光器频差的一致性，本发明提出一种对没有频差闭锁的氦氖双折射双频激光器的频差精度控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)制作一腔长为L₀的半内腔激光放电管，其一端封有凹面反射镜，另一端封有带有施力机构的与放电管轴线垂直的增透玻璃窗片；该施力机构两端由带有螺钉的两个半圆环金属片构成；该半内腔的另一平面反射镜连有一个压电陶瓷元件，该放电管外两侧置放一对条形永久磁铁；

2)将所说的半内腔激光管调整出激光，然后旋转螺钉，对所说的窗片加力，同时在加力过程中测量激光器输出的频差，使其达到标称值，然后将螺钉锁固定；

3)选定一个其长度比L₀略大的圆柱熔石英外壳及结合于外壳左、右两端的端板，所说的放电管置于该外壳之中，所说的凹面反射镜固定在一端板上，所说的平面反射镜通过与之相连的压电陶瓷元件固定在另一端板上；

4)再测量频差，此频差和标称值相减，求得到与标称值的差值Δ(Δv)，再按 $\mathrm{\Δ}\left(\mathrm{\Δv}\right)=\frac{-\mathrm{\Δv}}{L}\mathrm{\ΔL}$ 计算出达到标称值所要靡掉的外壳长度，再后卸下连有平面反射镜的端盖，磨短该外壳使其符合计算得到的长度，最后再将卸下的端盖封固在外壳上。

下面结合图1，详细介绍本发明的工作原理。

图中，元件11是氦氖激光放电管。元件12和17是一对反射镜，组成激光谐振腔。14、15是一对条形永磁铁，两磁铁中间的磁场方向与放电管11的轴线垂直。13和18是两个氦氖激光放电管窗片，其两表面镀有高增透膜。16是一片两表面镀以增透膜的光学玻璃，其上施加一个力F。在本发明中，两频率的产生及两频率的频差是由所加力F给定的，而磁场的作用是消除激光器两频率间隔较小时相互之间的强模竞争，使两个频率都稳定振荡，激光器成为无频差闭锁的双频激光器。

由于光学玻璃16上加了外力，在16内产生应力双折射，应力双折射的两个应力主轴与磁场平行或垂直。由于应力双折射的存在，几何上唯一的激光谐振腔长变成光程不同的两个谐振腔长。由激光驻波条件，激光器一个纵模将分裂成两个，分裂的大小(即分裂后两频率之差)正比于施加外力的大小。

F从0牛顿起增加，两频率之差也应从0赫兹起逐渐增加。但实际上只可以获得大于40MHz频差，这是由于有激光强模竞争效应，当两频率之差小于40MHz时，两频率之一处于被压抑状态，不能振荡。

在本发明中，磁铁14和15形成的磁场的作用与已有的塞曼双频激光不同，不是用于形成100～200kHz频差的两正交偏振频率，而仅是将激光增益原子分裂成两类。在磁场的作用下，一类激活原子发射偏振方向与磁场方向平行的光，另一同等数量的原子发射偏振方向与磁场垂直的光(简称平行光成分和垂直光成分)。

从激光物理可知，这两种光成份将形成各自的增益曲线(平行光增益曲线和垂直偏振光增益曲线)，两曲线中心频率之差约为

(Δv)_m＝(1.82MHz/G)H式中H是磁场强度，单位为高斯(G)。

并且，这两增益线仅对与它偏振方向相同的光有放大作用。即在激光器内行进的光中，偏振方向与磁场方向相同的光，在平行增益曲线上烧孔被放大。而垂直与磁场振动的光在垂直增益曲线上烧孔被放大。但平行振动的光不能被垂直增益曲线放大。同样，垂直振动的光不能被平行增益曲线放大。

由于在腔内光学玻璃片16上施加了一个外力，从而在激光谐振腔内形成正交线偏光。这两线偏振光各自地被相对应的增益原子放大，而互不影响，不存在激光模的竞争，两频率不再相互争夺增益原子，也就不存在优胜频率和失败频率，两者都可稳定振荡，即闭锁效应被排除了。所以使用图1的结构，激光器可以产生1兆赫，几兆赫兹，十几兆赫兹，几十兆赫兹及至几百兆赫兹的频率差。

从以上说明看，在本发明中，两频率的产生及两频率的频差是由所加力F给定的，而磁场的作用是消除激光器两频率间隔较小时相互之间的强模竞争，使两个频率都稳定振荡，激光器成为无频差闭锁的双频激光器，产生出从近于0赫兹到几百兆赫兹的频率差。

附图说明：

图1为本发明使用光弹效应元件和横向磁场的结构示意图。

图2是本发明使用晶体石英做双折射元件和横向磁场的结构示意图。

图3是本发明直接将光弹效应元件做激光器反射镜的结构示意图。

图4是图1、图3和图5中的施力机构示意图。

图5是本发明半内腔式结构示意图。

本发明设计出四种实施例方案，如图1-5所示，结合各图详细说明如下：

图1为本发明使用光弹效应元件和横向磁场的实施例结构示意图。其具体结构如前所述，在此不再重复。

图2是本发明使用晶体石英做双折射元件和横向磁场的实施例结构示意图。图2与图1的差别仅是由晶体石英片19取代了施加了外力的光学玻璃片16。晶体石英片有天然双折射效应。由于激光器内有了晶体石英片19，与图1中光学玻璃片16的作用相同，几何上唯一的激光谐振腔变成了一个具有两个物理光程长度的谐振腔，从而激光器一个频率变成两个。在晶体石英片光轴和它的面法线平行切割时两个频率的差随转角θ增加而从小到大改变。

图3是本发明直接将光弹效应元件做激光器反射镜的实施例结构示意图。该实施例是一种全内腔结构。元件20是玻璃HeNe激光放电管，其中充以氦和氖的混合气体。21、22是一对激光反射镜。反射镜21的右表面是一个凹球面，镀反射膜。反射镜22左表面镀增透膜，右表面镀有部分输出的反射膜。因此，反射镜22的右表面和反射镜21右表面组成激光谐振腔。由于反射镜22的左表面镀有增透膜，它的光学玻璃基片是谐振腔内部的一部分。一个施力机构加在反射镜22上。14、15是一对条形永久磁铁，它们的N极和S极相对。箭头示出了磁场的方向，磁场与激光器轴线垂直。

图4示出了图1中的元件16的具体结构，图3中的元件22及图5中的元件33上的施力机构结构，它是由两端带有螺钉231、232的两个半圆环片241、242构成，当拧紧螺钉231和232时，加在反射镜22上的力就增加。激光器输出频差也相应增加，放松螺钉231时力就减小，激光器输出频差相应减小。当频差选定后，可用胶将螺钉固定。

图5是本发明的一种半内腔结构实施例，它可更精确地控制激光器输出频差。由于图1、图3中施加外力的精度受到限制，图2中角度θ的调谐精度也受到限制，从而影响频率差大小的精确控制。在双折射双频激光器生产时，难以保证每一支的频率差都相同(如误差在0.2MHz内)，本实施例包括一腔长为L₀的半内腔激光放电管20，其一端封一凹面反射镜21，另一端封有带有施力机构的与放电管轴线垂直的增透玻璃窗片33，该施力机构如图4所示，另一平面反射镜31连有一个压电陶瓷元件32，该放电管外两侧置放一对条形永久磁铁14、15。本实施例中采用以下步骤实现频率率差一致性控制：首先将半内腔激光器(例如腔长L₀约为180mm)调整出激光，然后旋转螺钉231、232对增透玻璃窗片33加力。同时，在加力过程中测量激光器输出的频差，使其达到标称值，如10MHz。然后将螺钉231、232锁定(或用胶固定)。固定过程中频差会偏离标称值约10MHz。其次，选定一个其长度比L₀略大(如1 83mm)的圆柱熔石英外壳30及结合于外壳左、右两端的端板34、35，放电管20置于该外壳之中，凹面反射镜21固定在一端板34上，平面反射镜31通过与之相连的压电陶瓷元件32固定在另一端板35上，压电陶瓷元件32用以和外电路相接，稳定激光频率。调整出激光后再测量频差。由于此时外壳30长于L₀，激光输出的频差将小于10MHz，如频率差为9.1MHz。再后卸下端盖35(反射镜31一并被卸下)，研磨外壳30的端面使其长度变短，直至输出频率接近10MHz，磨短的量可求知如下。当激光器谐振腔长改变ΔL时，双频激光器的频差的改变Δ(Δv)，它可表示为 $\mathrm{\Δ}\left(\mathrm{\Δv}\right)=\frac{-\mathrm{\Δv}}{L}\mathrm{\ΔL}$

由式(2)，只要把外壳30的长度磨掉18mm，变成(165±1)mm，则激光频差就达到(10±0.05)MHz。

Claims (8)

1.一种没有频差闭锁的双折射双频激光器，包括一个HeNe激光器，在该激光器的谐振腔内的光轴上设置一双折射元件，其特征在于，还包括在该激光器的放电管外设置一磁力线方向与放电管的轴线垂直的磁场。

2.如权利要求1所述的没有频差闭锁的氦氖双折射双频激光器，其特征在于，所说的双折射元件为设置在全/半内腔激光揩振腔内的一片晶体石英片。

3.如权利要求1所述的没有频差闭锁的氦氖双折射双频激光器，其特征在于，所说的激光器是半内腔结构，所说的双折射元件为在该激光器的谐振腔内的光轴上设置一玻璃片，在该玻璃片的圆周上套有施力机构，该玻璃片的两个表面均镀有增透膜。

4.如权利要求1所述的没有频差闭锁的氦氖双折射双频激光器，其特征在于，所说的激光器是在放电管两端封装有一对由平面、凹面反射镜构成的全内腔结构，所说的双折射元件为所说的激光平面反射镜，在该平面反射镜的圆周上套有施力机构，该平面反射镜基片的内表面镜高增透介质膜，外表面镀反射介质膜。

5.如权利要求1、2、3或4所述的没有频差闭锁的氦氖双折射双频激光器，其特征在于，所说的磁场为在放电管两侧对称放置有一对条形永久磁铁。

6.如权利要求1、2、3或4所述的没有频差闭锁的氦氖双折射双频激光器，其特征在于，所说的施力机构是由两端带有螺钉的两个半圆环片构成，力环靠其上的螺钉对此平面反射镜基片施加一个力，在基片中形成应力双折射。

7.如权利要求4所述的没有频差闭锁的氦氖双折射双频激光器，其特征在于，还包括熔石英外壳及结合于外壳左、右两端的端板，所说的放电管置于该外壳之中，所说的凹面反射镜固定在一端板上，所说的平面反射镜通过与之相连的一个压电陶瓷元件固定在另一端板上。

8.一种对没有频差闭锁的氦氖双折射双频激光器的频差精度控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)制作一腔长为L₀的半内腔激光放电管，其一端封一凹面反射镜，另一端封有带有施力机构的与放电管轴线垂直的增透玻璃窗片，该施力机构由两端带有螺钉的两个半圆环金属片构成，该半内腔的另一平面反射镜连有一个压电陶瓷元件，该放电管外两侧置放一对条形永久磁铁；

2)将所说的半内腔激光管调整出激光，然后旋转螺钉，对所说的窗片加力，同时在加力过程中测量激光器输出的频差，使其达到标称值，然后将螺钉锁固定；

3)选定一个其长度比L₀略大的圆柱熔石英外壳及结合于外壳左、右两端的端板，所说的放电管置于该外壳之中，所说的凹面反射镜固定在一端板上，所说的平面反射镜通过与之相连的压电陶瓷元件固定在另一端板上；

4)再测量频差，此频差和标称值相减，求得到与标称值的差值Δ(Δv)，再按 $\mathrm{\Δ}\left(\mathrm{\Δv}\right)=\frac{-\mathrm{\Δv}}{L}\mathrm{\ΔL}$ 计算出达到标称值所要磨掉的外壳长度，再后卸下连有平面反射镜的端盖，磨短该外壳使其符合计算得到的长度，最后再将卸下的端盖封固在外壳上。

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