双频激光技术研究新进展及发展趋势

双频激光器在干涉测量和光学传感等技术领域扮演极其重要的角色。综述了近年来双频激光技术研究的新进展(包括双折射双频He Ne激光器、双折射双频Nd:YAG激光器和双纵模半导体激光器),简要介绍了各种双频激光器的工作原理,分析了这些双频激光器在频差大小、频差稳定性和频差调谐特性等方面的优缺点,指出了今后双频激光技术研究的发展趋势。     

HeNe双频激光器频差的激光内雕赋值法

在精密测量领域,HeNe激光器是制造激光干涉仪的首选.但能够产生中频差4—40 MHz的双折射-塞曼双频HeNe激光器的频差是随机的,小到几百kHz,大到十几MHz.为了让频差能够满足制作双频激光干涉仪的要求,曾出现过弹性加力法、钻孔应力调节法等调整和频差赋值的方法.但这些方法在实际应用中都不是很理想.采用激光内雕法赋值频差,通过在激光器的平面输出镜内部雕刻出不同图案,使平面镜内部产生满足要求的相位延迟,达到为频差赋值的目的.激光内雕法有很多优点:不损害激光器,美观;功率损失小,出光强度可接近原始光强度;可反复赋值,频差在0—60 MHz范围内可调整;频差的稳定性好,采用稳频措施后频差的波动范围小于每小时10 kHz.     

基于飞秒光频梳的双频He-Ne激光器频率测量

利用光纤飞秒光频梳和外腔可调谐半导体激光器, 建立了一套双频He-Ne激光器频率测量系统. 选用铷钟作为系统的频率基准, 通过将外腔半导体激光锁定至光频梳使得其频率溯源至铷钟, 再利用外腔可调谐半导体激光与双频He-Ne激光器输出的正交偏振激光拍频, 同时测量两路正交偏振激光频率. 将可调谐半导体激光器锁定至光频梳第1894449个梳齿, 其绝对频率为473612190000.0±2.7 kHz, 相对不确定度为5.7×10^-12. 对商品双频He-Ne激光器进行频率测量实验, 双频He-Ne激光器水平方向偏振激光频率均值为473612229934 kHz, 竖直方向偏振激光频率均值为473612232111 kHz, 平均时间为1024 s的相对Allan标准差为5.2×10^-11, 频差均值为2.177 MHz, 标准偏差为2 kHz.     

基于正交偏振双纵模的氦氖激光器纳米测尺系统

提出一种基于正交偏振双纵模的氦氖激光器纳米测尺系统,将双折射元件插入He-Ne激光器谐振腔内产生频率分裂效应,使激光器变成了频差可调的双频激光器。运用频率分裂、模竞争、双纵模功率调谐等激光物理效应和设定浮动阈值,研制了新型的激光器纳米测尺。以激光波长为尺子,具有可溯源性,在没有任何电细分的条件下达到了纳米量级的分辨率,与激光干涉仪的比对实验表明,该系统的分辨率为79 nm,量程为15 mm,线性度为5.4×10-5,标准差为380 nm。     

双频氦氖激光回馈位移测量系统的实验与应用研究

研究了一种全新的纳米尺度位移测量系统。将双折射元件插入He-Ne激光器谐振腔内产生频率分裂效应，使原本单模谐振的激光器输出变成了频差可调的2个正交偏振频率（o光和e光），而形成双频激光器。在激光谐振腔外放置沿激光轴线位移的反射表面，将输出的激光束反射回腔内，以便对激光的光强进行调制，可实现高分辨率非接触式可判向位移测量。提出了一种细分方法，该方法突破了传统干涉系统的衍射极限（1/2波长）。对于633nm波长He-Ne激光，本系统的理想分辨率为1/8波长（约为79nm）。     

激光器内腔频差对双折射外腔激光回馈系统输出影响的理论及实验研究

玻璃材料的内应力关系及所在系统的稳定性、安全性和可靠性,是精密加工领域的重要问题.基于双折射外腔激光回馈效应的应力测量技术以其先进新颖的测量原理受到普遍关注.传统理论普遍认为双折射回馈系统中激光器的输出相位仅由外腔相位延迟决定,而将测量误差归因于外腔镜的非线性运动.本文结合正交偏振激光原理和三镜腔等效模型,测量了激光器的内腔双折射引起的频差大小,进行了频率调谐回馈实验,并根据结论计算了内腔频差对外腔相位延迟测量结果的影响,发现激光器的输出相位由外腔相位延迟、内腔频差、外腔长度共同决定.本文总结了内腔和外腔各向异性共同作用下激光器正交偏振态的相位特性,补充了激光回馈的物理内容,对于应力-双折射、位移、距离等重要参量的精确测量,都具有重要指导意义.     

跨尺度亚纳米分辨的可溯源外差干涉仪

提出了一种能够实现跨尺度测量具有亚纳米分辨力的可溯源外差干涉仪,利用小型化碘稳频532 nm激光器,将激光频率溯源至国际计量委员会推荐的复现米定义谱线之一的R(56)32-O(a10)上;使用双频激光空间分离的设计方法,抑制了双频激光混叠引起的测量位移非线性误差,补偿了光纤与声光调制器引入的相位噪声;通过高精度的相位测量技术,使相位测量分辨率达到了0.017°.干涉仪的不确定度评估结果显示,100 mm的量程内,其不确定度达322 pm,实现了跨尺度亚纳米分辨力可溯源的位移测量.     

几种新型LD泵浦Nd∶YAG双频激光器

介绍了几种LD泵浦Nd∶YAG双频激光器 ,均应用双折射原理实现。一类是利用自然双折射效应 ,在激光谐振腔内加入自然双折射元件 ;另一类则是对YAG晶片加压力 ,使YAG晶片本身成为应力双折射元件。由于双折射效应使激光在谐振腔内产生偏振方向互相垂直的寻常光 (o光 )和非寻常光 (e光 )两种成分。因为o光和e光在双折射元件中有着不同的折射率 ,因此一个激光谐振腔变成了具有两个物理长度的谐振腔 ,从而产生双频激光。改变自然双折射元件或对YAG晶片施加的压力 ,可调谐频差。实验中获得 10 9Hz量级的大频差 ,合成波长可到几十毫米 ,适用于绝对距离干涉测量     

纵模分裂式正交偏振双频He-Ne激光器

在激光器谐振腔中放入单轴石英晶体,由于石英晶体对o光和e光的折射率的不同,所以,在同一谐振腔中o光和e光有不同的光程和谐振频率.将其称之为模式分裂效应.利用这一效应可以制成频率达几十兆赫兹的双频激光器.针对原有理论与实验结果之间的某些差异,建立了一套分析该种类型双频激光器的理论.根据所建立的理论着重分析了谐振腔光轴与晶轴夹角α对激光器频差的影响.并绘出了He-Ne激光管L<150nm和150nm相似文献   

组合式激光干涉仪

LPT激光物理技术公司研制出测量距离及速度的组合式激光干涉仪。由于LOS系统在三轴坐标系中速度为Ims~(-1)时分辨率可达20m,所以,它可用于综合测量。在日常工作中,LOS是一个重要的测量工具,如机械工具的软件校正、微电子学、地震学和许多其它计量中的校准工件。单轴的最大测量距离为30m,三轴同时测量的最大距离为10m。稳频He-Ne激光器的功率为1mW。抽样时间在0.1ms和1000ms之间。该系统易于操作,并能工作在不同的大气环境     

可调波长半导体激光法布里-珀罗干涉仪

为了对激光十涉仪、高精度位移传感器等测量系统进行纳米级精度的非线性误差校准,需进一步提高中国计量科学研究院与清华大学合作研制的差拍F-P 干涉仪的线性度、稳定性及测量范围.在合理分析空气折射率变化及He-Ne激光器纵模调谐范围等因素对测量的影响基础上,设计并制作了密封干涉光路的真宅系统,并用调谐范围较大的半导体激光器作为工作激光器.实验结果表明,系统在大于1/4波长的行程范围内的线性度有明显的提高,最大非线性误差由8.93 nm减小至1.19 nm.     

6328He-Ne激光的真空波长和重复性

一、为什么要测量激光波长 和它的重复性 利用激光的高度相干性而制成的激光干涉仪,目 前在计量和工业生产部门已经成了非常有效的实用工 具,例如在激光比长仪中,1米长度的测量准确度可达 土0.2微米,而几十米长度的测量误差也可达百万分 之一左右.在激光器出现之前,要达到这样的测量准 确度是完全不可能的.这种激光干涉仪通常都要使用 频率稳定的单频He-Ne激光器作为测量的波长标准. 随着激光干涉仪的应用日益普及,生产和使用这种稳 频He—Ne激光器的单位越来越多,为了能正确使用这 种稳频激光器,必须知道其输出激光的准确波长值和 它们的…     

基于双频环形激光器的激光多普勒测振系统研究

为进一步提高激光多普勒测振仪(LDV)的测量分辨率,实现物体表面微小振动的测量,设计了一种以双频环形激光器作为光源的LDV,介绍了该系统的光源及光路结构,推导了测振原理,并通过实验验证了该系统的可行性和准确性。在该系统中,利用四频差动激光陀螺频差稳定和谱线窄的优点,将四频差动激光陀螺改进为双频环形激光器,产生两束具有一定夹角和固定频差的线偏振光,结合光栅技术可实现对物体表面横向微小振动的测量。与其他LDV相比,该系统光路简单且分辨率较高,在实验室环境下振幅分辨率最大噪声不超过0.012μm?Hz1 2。     

激光二极管抽运频差可调谐双频固体激光器的研究

研究了激光二极管抽运的可调频差的双频固体激光器，激光增益介质为2mm厚的1at%掺杂Nd:YAG薄片.对谐振腔产生稳定双频激光的条件作了分析，用琼斯矩阵计算了谐振腔内各处电场矢量的偏振态，证明了双频激光两个电场矢量偏振态之间总是正交的.两个偏振激光频率间隔由改变λ/4波片快轴之间的夹角实现调谐.实验中使用腔内标准具实现单频运转，然后插入双λ/4波片使单纵模激光频率分裂，实现了激光器的双频输出.实验中得到双频激光稳定运转时频差的上限约为1.3GHz；由于强模竞争现象的存在，实验中所观察到的频差下限为50MHz. 100MHz拍频时得到的双频激光输出功率为85mW. 关键词： 激光技术 固体激光器 双频激光     

扭转模结构双腔双频Nd∶YAG激光器

为了产生频差可调谐1 064nm双频激光输出,设计了一种扭转模结构双腔双频Nd∶YAG激光器,其两个驻波谐振腔共用相同的Nd∶YAG增益介质,以扭转模结构消弱增益空间烧孔效应,使Nd∶YAG激光器的两个驻波腔均以单纵模振荡,从而获得正交线偏振1 064nm双频激光输出.理论分析了扭转模结构激光单纵模选择原理和双频激光同时振荡原理,实验研究了双频激光振荡特性和频差调谐特性.研究结果表明:双频Nd∶YAG激光器的两个谐振腔能够同时以线偏振单纵模稳定振荡输出,其频差大小可随激光腔长的改变而调谐,频差调谐范围可达1个纵模间隔,实验观察到的频差调谐范围为0.3GHz~3GHz.     

基于差频技术产生4μm波长光波混频系统的特性分析

介绍了一种基于差频技术产生4μm中红外激光输出的技术方案。将Nd：YAG激光器产生的1．06μm和1．44μm的激光直接注入LiNbO3晶体中进行差频，从而得到4μm的激光输出。导出了处理三波耦合的耦合波方程，并作了计算分析。结果表明，该方案在4．04μm波长处的激光输出可达40-50mJ。     

塞曼激光外差干涉仪的非线性分析及校正

He-Ne激光器施加纵向磁场或横向磁场构成的纵向塞曼激光器和横向塞曼激光器,是激光外差干涉仪最常用的光源。外差干涉仪原理表明,干涉仪所测位移和仪器测得的光电信号的相位变化,是线性关系。而实际上由于光源和光学系统难于达到理想状态,使二者之间产生了周期性非线性,导致纳米、亚纳米测量难以实现。本文分析了引起非线性的原因及其特性,提出了校正和减小非线性的方法,并证实了其有效性。     

Zeeman双频激光器频率分裂与纵模间隔变动一致性分析

激光谐振腔内相位各向异性会引起频率分裂,两分裂模的频差大小由表现出的相位延迟所决定.对于腔内相位延迟较小的He-Ne激光器,两分裂模很接近,处于烧孔重叠区,存在模式竞争而不能同时振荡,形成隐频率分裂.同时,使得激光器两正交偏振方向上的相邻级纵模产生固定的变动量,其大小等于隐频率分裂量的2倍.如果沿激光偏振方向施加横向磁场,Ne原子谱线发生横向Zeeman分裂,增益原子分成两群,分别为平行于磁场和垂直于磁场方向偏振的光提供增益,大大减弱模竞争,使得激光器的两分裂模可同时振荡并测得频差.在谐振腔内放入倾斜的石英晶体片或半波片,由两种方法分别测量频率分裂量并进行比较.实验表明两种方法测量的结果均与理论计算相符,平均相对偏差不超过1%.据此可以准确得到Zeeman双频激光器的频差大小,并为半波片测量提供了新方法.     

高功率全光纤光载微波信号功率放大器

为获得可应用于光载微波雷达系统的高功率双频激光源,用1 064nm窄线宽Nd∶YAG单块非平面环形腔激光器作为单频种子源,其输出分为两路,一路直接耦合入光纤,另一路经声光移频,与未移频的光束合束后获得中心频差为150 MHz、功率为20mW的双频激光.利用以半导体激光泵浦和掺Yb3+石英光纤为增益介质的3级主振荡功率放大系统对双频固体激光器输出的双频激光进行放大,获得50.3W的双频放大输出,光束质量因子为1.30,第三级主放大斜效率为74%.双频成分的幅度比、频差在放大过程中得到保持,拍频调制深度及信噪比等特性也未有恶化.双频光纤功率放大器在频差稳定和高功率输出等方面均有良好的表现.     

相位激光测距与外差干涉相结合的绝对距离测量研究

 为了克服一般绝对距离测量方法量程和精度不能同时满足的问题,提出一种相位激光测距与外差干涉相结合的绝对距离测量方案。该方案使用相位激光测距技术进行粗测,双纵模He-Ne激光器外差干涉测长技术进行精测,保证两者结合的单值性。建立测量系统,对方案的可行性进行了实验验证,并对影响系统稳定性的因素进行了分析。与双频激光干涉仪的比对结果表明：测量标准差优于1mm,可以满足一些大尺寸的测量精度要求。