CN1703811A - 具有后向散射光相位调制的稳频激光器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光器系统，它包括用于产生沿着光路的激光光束(12)的激光源(10)，稳定激光光束频率(26，28，30)的装置；至少一种使用时产生后向散射光的光学元件(134)；以及用于调制后向散射光相位的相位调制器(120)。光学元件可以是平面反射镜或是光纤。相位调制器可以是由马达(126)随意驱动振动的玻璃块(124)。作为一种选择，相位调制器是由压电元件周期性压紧的玻璃块。

Description

具有后向散射光相位调制的稳频激光器系统

技术领域

本发明涉及一种激光器，更具体地说，本发明涉及一种稳频激光器系统。

背景技术

当与激光器系统一起使用光学元件时，所遇到的问题是后向散射。当使用稳频激光器系统时，尤其如此。通过均衡其两个正交偏振输出模的强度，可以使得这种激光器系统实现稳频。可替代的方法是，采用单模激光器的兰姆凹陷，或者监控双模激光器的两个模之间的拍频。如果这些模不均衡，例如，可以使用加热回路控制激光管的长度以及出射激光光束的频率。

一种获得两个偏振态抽样的方法是，由双折射棱镜将激光光束分为两个分光束，例如，一束分光束为一种偏振态。每束分光束的部分光随后被偏转到光电二极管上，用于光强度比较。一种可替换方法是，使用玻璃平板在各个表面产生反射光束，反射光束通过正交偏振器，从激光器中选出合适的模用于光强测量和比较。用于控制激光源温度的加热回路对由光电二极管测量的激光光束的两个正交偏振的光强比变化进行响应。

任何光学元件，例如，沿着光路放置在比光电二极管更远处的透镜、棱镜或光纤光学耦合器，可以引入会与部分已偏转到光电二极管上的分光束以及激光管内的光进行干涉的背向反射。

每束分光束的干涉程度(magnitude)根据各分光束的后向散射光的大小和方向而改变。这导致光电二极管指示的测量光强不均衡，当加热回路对明显不均衡的两束分光束的光强进行补偿时，这就引起激光器的扰动。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种激光器系统，包括：沿着光路产生激光光束的激光源；稳定此激光光束频率的装置；至少一个使用时产生后向散射光的光学元件；以及用于调制后向散射光相位的相位调制器。

附图说明

现在参考附图举例说明本发明。

图1示出了光纤光学系统的示意图；

图2是本发明实施例的剖视图；

图3是本发明的替换实施例的剖视图；

图4a和4b是本发明又一个实施例的剖视图；

图5示出了激光干涉仪系统的示意图；

图6是本发明又一个实施例的剖视图；以及

图7示出了根据本发明的激光干涉仪的示意图。

具体实施例

图1示出了产生激光光束12的激光源10。激光光束12，由双折射棱镜15将其分为两束正交偏振光束14a和14b。偏振光束14a和14b分别入射到偏转棱镜16a和16b上，它们将偏振光束14a和14b偏转到光纤透镜耦合器18并且耦合进入光纤20，使偏振光束14a和14b传输到各自的光纤20的末端。

通过将入射偏振光束14a和14b的一部分22a和22b分别反射到光电二极管24a和24b上，对激光源10出射的激光光束12进行控制。反射发生在偏转棱镜16a和16b的入射面上。光电二极管24a和24b分别位于各反射光路22a和22b中。由光电二极管24a和24b测得的反射光束22a和22b的光强在电子仪器26中进行比较，如果它们不相等，信号28被发送到为加热线圈32提供功率的加热驱动器30。这改变了激光管的长度，从而也改变了激光光束12的频率34。

从光电二极管24a和24b获得的读数受到杂散光的影响，它们来自光纤光学系统中其它光学元件的后向散射36。这导致加热驱动器30对偏振光束14a和14b并不存在的光强差别进行补偿。因此，激光器可能受到为稳定它而设计的装置的扰动。

图2示出了根据本发明的相位调制器40。相位调制器40是用于调制或改变通过它的光的相位的装置。相位调制器40是一种玻璃块，它在具有如10°到25°之间这样的小角度范围的偏振光路14a和14b内进行振动。此振动引起通过此玻璃块的光的相位发生改变。由于玻璃块的振动，光遇到玻璃块所产生的相位改变是依赖于时间被调制的，即相位改变量依赖于，当光通过玻璃块时，玻璃块在其移动周期中所处的位置。

玻璃块40放置于偏振光束入射到光束偏转棱镜16a和16b以后的光路中。这并不是必要的，玻璃块可以替换地放置在激光源出口处，并位于双折射棱镜15所产生的激光光束偏振之前。

振动的角度范围是玻璃块厚度和所需相位改变量的函数。为了有效地减小影响激光稳定性的后向散射光，应该达到nπ弧度的相位改变(n是整数)。小于π的相位改变也会减小后向散射作用，但达不到所需的效果。优选地将后向散射光的相位变化几倍的π，以致可以忽略由于未准确达到nπ而产生的净余相移。

通过相位调制器40后，光束14a和14b继续沿着其光路行进，直到它们被耦合到光纤中或者以所需方法被控制，诸如由平面镜、透镜或者其它光学元件。

若光束被耦合进入光纤中，它们由透镜聚焦。由于玻璃块移动引起的光束位移的改变，会使耦合效率发生变化。为了确保在整个位移范围内有充分的耦合效率，玻璃块40必须足够薄，以致所产生的最大位移在可接受的耦合效率限度内；但也要足够厚，以产生所需的相移。

图3示出了替换的相位调制器50。在此情况中，相位调制器50是偏置于光路和其转动轴的玻璃块，它在光路中玻璃块所在位置处产生周期变化52。玻璃块采用马达54转动或振动。

图4a和4b示出了本发明的可替换实施例。在这些实例中，不是通过增加系统的转动元件、而是通过移动60和61引入相位差，由分别如图4a和4b所示的光纤20或者光线透镜耦合18。所需移动距离对于波长633nm的光为0.15微米量级，并且如前面指出的，所需移动距离实际上是周期变化的。作为真正地移动光纤20端面的一种替换，通过使用位于靠近光纤端64的压电器件，光纤长度可以按某种周期方式变化。将压电器件连接到交流电压源，压电器件的长度以交流电压的频率周期性地变化。另一实施例利用菲涅耳牵引效应对光进行相位调制。达到此目的的一种方法是，将玻璃块纵向放置在光路中，并且在光路内将其前后移动。

相位调制器会对所有通过它的光进行调制。这意味着后向散射光在包括入射和后向散射的行程中受到两次调制，而其余的激光光束(无后向散射的部分)只受到一次调制。通过仔细选择相位调制器的运动频率以及此调制器引入的最大光程变化，当调制器在激光频率上引入的误差被最小化到系统现有的误差水平以下时，即可忽略系统误差总量中的增量，后向散射光的影响可以被减弱。

若1mm厚的、具有20°运动角度范围的玻璃块40以1KHz频率转动，激光光束的频率会变化0.001ppm的量级，但是真空中典型的系统误差是0.01ppm、空气中是1ppm，所以引入的频率误差可以忽略。

后向散射光与激光光束14a和14b相干涉(如上所述，这不会显著降低系统精度)，而更为重要的是，后向散射光与各光束的参考部分22a和22b干涉。后向散射光的这种相位调制对其相互作用的影响以及对稳频装置(图1，控制加热线圈32的加热驱动装置30)的影响是显著的。加热驱动装置的、也即是加热线圈的热响应时间，比后向散射光的相位变化要慢，因此，其作用效果如同一个低频带通滤波器。后向散射光的相位变化得太快，以致加热驱动装置来不及响应，因此，这种相位变化被加热驱动装置忽略了。如果采用差频稳定装置，或者具有更快响应时间的加热驱动装置，则可以使用分离式低频带通滤波器。这可以放置在光强测量装置和对光强测量中的差值响应的装置之间的回路中，在此情况中对光强测量中的差值响应的装置是加热驱动装置。

图5示出了一种激光干涉仪，它具有能提供双频激光光束71的激光源70。偏振片72阻挡振荡频率模(偏振的)之一沿着激光光路74继续传输。偏振片72与四分之一波片73一起构成了一种光学隔离器，它阻止后向散射光返回激光源以及由此引起的不稳定。偏振的单频激光光束74遇到非偏振平板分束器75，它将偏振激光光束74分束为参考光束76和测量光束77(为了清楚期间，参考光束76示出为点线)。

参考光束76在非偏振平板分束器75的第一表面形成反射，由平面反射镜78将其反射回非偏振平板分束器75。一部分参考光束经非偏振平板分束器75传输到空间条纹检测器79，其余的参考光被非偏振平板分束器75反射形成反射光80。此反射光束80实际上就是后向散射光，但由于系统是理想构置的，所以此杂散光不会折回激光源70。

测量光束77是由经过非偏振平板分束器75传输的光形成的。此测量光束77由平面反射镜81反射(作为一种选择，它可以是后向反射器)。当被反射的测量光束再遇到非偏振平板分束器75，被反射的部分偏转到空间条纹检测器79上。其余的光经过非偏振平板分束75传输回激光源70。正是此反射光需要光学隔离器72和73。但是光学隔离器72和73并不理想，它允许此后向散射光部分地通过它回到激光源70。光学隔离器的不理想是由于包括隔离器元件本身缺点的几种原因以及因为非偏振分束器是部分偏振的。为此，提供一种相位调制器。此相位调制器是玻璃块82，它相对激光光束倾斜地放置，并且由马达83转动。当玻璃块82也偏斜于其旋转轴，马达83在光路内如84所示移动玻璃块82，周期地改变了光束的程长，并因此调制了光束的相位。

图6示出了另一种相位调制器。压电元件100被连接到一块附着于支架104的玻璃块102上。压电元件100和支架104具有能够让经过玻璃块102的激光光束通行的共线孔径。压电元件100是电连接于交流电压源106，并且周期性地压紧玻璃块102，调制了通过它的光的相位。

另一种替代的相位调制器是，采用使玻璃折射率产生变化的外加变电压的玻璃块。本技术领域的技术人员应认识到，此处公开的发明内容可以由除了那些特别说明的相位调制器外的其它相位调制形式予以实现，任何能够将周期变化的光路程长附加到光路中的调制器，均适用于此目的。

图7示出了根据本发明的激光干涉仪。来自激光源10的双频激光光束12入射到非偏振平板分束器110上。分光束112a、112b从平板分束器110的各个面反射，并且分别通过偏振片114a、114b。两个偏振片114a、114b各自选择分光束的不同偏振态(并且选择不同的频率)，然后入射到各自的光电二极管24a、24b上。激光器的稳定性由电子仪器26控制，它对从两个光电二极管24a、24b接收到的信号强度进行比较，并且如果它们不相等，就将信号28送到加热驱动器30(对照图1可以更详细地说明这一点)。

通过平板分束器110的激光光束116，将通过阻挡此激光光束的模频率之一的第三偏振片130。此偏振光束118入射到非理想的光学隔离器132上，它包括立方形偏振分束器134和四分之一波片136。偏振分束器132将入射的偏振光束118分束为参考光束和测量光束，继而，当测量光束被平面反射镜138反射后，再将它们复合。复合光束是被探测器140探测的干涉光束。

光被各种诸如平面镜138和非理想的光学隔离器132的光学元件后向散射。此光通常会影响从光电二极管24a、24b获取的读数，导致激光器不稳定，因此配置了相位调制器120防止此问题出现。

相位调制器120包括由马达126控制其转动或者振动的玻璃块124。玻璃块124是以相对于马达126转动轴128的某个角度安装的，使后向散射光中的相移产生周期性变化。

由根据本发明的相位调制器引起的相移本质上是周期性的。

Claims (8)

1.一种激光器系统，包括：

产生沿着光路的激光光束(12，71)的激光源(10，70)

稳定激光光束频率(26，28，30)的装置；

至少一种使用时产生后向散射光的光学元件(20，75)；以及

用于调制后向散射光相位的相位调制器(40，50，60，62，82)。

2.根据权利要求1所述的激光器系统，其中光学元件是平面反射镜。

3.根据权利要求1所述的激光器系统，其中光学元件是光纤(20)。

4.根据任何前面权利要求所述的激光器系统，其中相位调制器是振动的玻璃块(50，82)。

5.根据权利要求4所述的激光器系统，其中玻璃块的振动由马达(54，83)驱动。

6.根据权利要求4或权利要求5所述的激光器系统，其中玻璃块(50，82)不垂直于光路。

7.根据权利要求4至6中任何一条所述的激光器系统，其中玻璃块是以相对于马达的转动轴的某个角度安装的。

8.根据权利要求1所述的激光器系统，其中相位调制器是被压电元件周期性压紧的玻璃块。

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