双折射双频激光器及干涉仪的关键和全链条技术

双频激光干涉仪功能强大，50年来保持良好的发展势头，应用面（特别是在先进制造业）越来越宽广。本文以解决关键技术为线，概述笔者及合作者经40年坚韧研究完成的“可伐-玻璃组装式单频He-Ne激光器→双折射双频激光器→双频激光干涉仪”的全链条技术。技术亮点有：开国内可伐-玻璃组装式He-Ne激光器之先，吹制工艺或成历史；开国内外内雕应力双频激光器之先，解大频差和高功率不可得兼之难，保持1 mW功率运转而频差可以在1～40 MHZ范围选择，还在源头上消除了干涉仪一直存在的测量非线性误差。目前，双折射双频激光器和干涉仪已在北京镭测科技有限公司批量生产。中国计量科学院测试结果表明，此双频激光干涉仪非线性误差小于1 nm，测量70 m长度时误差小于5μm。     

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.     

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     

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.     

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     

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.     

用于光生毫米波的双频激光放大特性

采用激光二极管端面抽运的双纵模Nd∶YVO4微片激光器作为种子光源,双端面抽运的Nd∶YVO4行波放大器作为功率放大器,获得了大频差、高功率双频激光信号输出。分析了放大过程中光谱匹配对双频激光输出特性的影响。结果表明,随种子光入射功率从小到大变化,放大倍率呈起伏减小的趋势;受到放大器增益带宽的限制,放大后双频激光频差小于种子光频差。当种子源和放大器的抽运电流分别为14.5A和40.0A时,最终获得了功率为2.38 W,频差为47.7GHz的双频激光信号输出。     

耦合腔结构可调谐双频固体激光器的研究

研究了一种激光二极管(LD)抽运的频差可调谐双频固体激光器,对耦合腔实现双频的方法进行了分析。实验中使用输入镜与腔内插入标准具形成耦合腔实现单频运转,双λ/4波片使单纵模激光频率分裂,通过改变两个λ/4波片快轴之间的夹角来实现频差调谐。在LD抽运光功率为290mW的条件下,获得了频差在0～1.1GHz范围内可调、功率为34mW的双频激光输出。     

MgO∶PPLN级联倍频实现高转换效率强度调制532nm激光

利用单块非平面环形腔单频激光器和声光移频器,获得了输出功率为10 mW的1064 nm双频激光,拍频调谐范围为125～175 MHz。采用光纤功率放大器可将1064 nm双频激光的功率放大到10 W。为了提高倍频效率,采用两块长度为15 mm的MgO∶PPLN晶体,获得功率为2.26 W的强度调制绿色激光,最高倍频效率为24.5%。当基频光的频差为150 MHz时,得到的绿光拍频分别为150 MHz和300 MHz,2 min拍频稳定性分别是2.7 Hz和5.3 Hz。     

微片Ｎｄ∶ＹＡＧ 双频激光器腔调谐现象研究

 基于微片Ｎｄ∶ＹＡＧ 正交偏振双频激光器,研究了若干重要的双频激光器腔调谐现象, 包括光强调谐、频差调谐、子谐振腔效应及频差闭锁等,给出了实验结果和数据。腔调谐下,正交双频的频差调谐量约为３５０ ｋＨｚ;存在子谐振腔效应时,频差调谐量最大可达到２ ＭＨｚ;未发现明显频差闭锁现象,频差最小值可达到１４ ＭＨｚ。     

Study of Hard-sealed,Tunable,Photoelastic Birefringent Dual-frequency Lasers

ＳｔｕｄｙｏｆＨａｒｄｓｅａｌｅｄ，Ｔｕｎａｂｌｅ，ＰｈｏｔｏｅｌａｓｔｉｃＢｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔＤｕａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙＬａｓｅｒｓＨＡＮＹａｎｍｅｉＺＨＡＮＧＳｈｕｌｉａｎＬＩＹａｎＬＩＫｅｌａｎ（ＴｈｅＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂ．ｆｏｒＰ...     

Two kinds of novel birefringent dual-frequency lasers

Two kinds of novel dual-frequency He–Ne lasers are presented and described in this paper based on the birefringent laser frequency splitting technology: the full-inner cavity photoelastic dual-frequency laser and the half-inner cavity photoelastic dual-frequency laser. The frequency difference between the two kinds of dual-frequency laser can be adjusted from tens to hundreds of megahertz through adjusting the mechanical pressure exerted on the photoelastic element. The stability of the frequency differences of the two lasers are 10⁻³ and 10⁻⁵, respectively, after the lasers are turned on for a while.     

激光二极管泵浦双频固体激光器

研制了0~1.5GHz频差的LD泵浦双频固体激光器。利用端面泵浦和F-P标准具的选模作用得到单频连续输出,在单频基础上将λ/4波片加入谐振腔中,造成本征光频率分裂,实现频差连续可调的双频激光输出。采用琼斯矩阵分析光在腔内的本征值及本征向量,实现了定量分析模在腔内的相位延迟和偏振状态,定量计算双频频差大小。     

半外腔微片Nd∶YAG正交偏振激光器及其在精密测角中的应用

设计了一种半外腔微片Nd∶YAG正交偏振双频激光器。把2个1/4波片置于激光谐振腔内,一个静止,一个作360°旋转,旋转引起2个1/4波片快轴之间的角度变化被激光器转化成激光2个频率之差的变化,从而输出可调谐的双频激光。采用琼斯矩阵对光在腔内的本征模进行分析,给出了双频频差的理论解释。讨论了一种体积小、分辨率高和可整周测量的新型Nd∶YAG激光测角仪的潜在前景。     

A widely tunable dual-wavelength erbium-doped fiber ring laser operating in single longitudinal mode

A new mechanism to induce polarization hole burning effect in Er-doped fiber ring lasers is presented. By using this effect, incorporating with the counter-propagation of the two light beams, the inhomogeneous in the gain medium broadening was significantly increased, and thus a stable dual-frequency Er-doped fiber ring laser operating in single longitudinal mode and single-frequency was demonstrated. Frequency spacing was tunable from 0.47 GHz to THz.     

用于光生毫米波的双频微片激光器热致频差特性研究

研究了激光二极管端面抽运的双纵模双频微片激光器的热效应对其输出频谱的影响. 通过对端面抽运Nd:YVO₄微片的热传导方程求解得出晶体内部的温度场分布; 并进一步对微片晶体热致折射率变化进行分析, 由此计算出双频微片激光器的热致频谱变化. 实验结果表明: 当抽运功率较小时得到稳定的双纵模双频激光输出; 当抽运功率增大时, 晶体热效应使双频激光频谱双峰之间的频差减小, 各纵模波长频谱宽度加宽, 实验结果与理论分析相符合. 关键词： 光载无线通信 双频微片激光器 热效应 频率差     

Diode-pumped Birefringent Tunable Nd:YAG Laser with Large Frequency Difference

A dual-frequency Nd: YAG laser which can output two frequencies with frequency difference of more than 5 gigaherz is developed. By inserting and moving an intracavity quartz crystal wedge in diode pumped Nd:YAG laser, It can be obtained and tuned frequency difference in a wide frequency range. The stabilization of frequency difference in free state is much better than that of birefringent dual-frequency He-Ne lasers at similar laboratory conditions. With such a large tunable frequency difference i.e. short synthetic wavelength, the laser may be used as the light source of absolute distance interferometers. In our experiment, the methods for tuning frequency difference by rotating and applying a tunable force on the intracavity quartz plate are also studied.     

Diode-pumped Birefringent Tunable Nd: YAG Laser with Large Frequency Difference

A dual-frequency Nd: YAG laser which can output two frequencies with frequency difference of more than 5 gigaherz is developed. By inserting and moving an intracavity quartz crystal wedge in diode pumped Nd:YAG laser, It can be obtained and tuned frequency difference in a wide frequency range. The stabilization of frequency difference in free state is much better than that of birefringent dual-frequency He-Ne lasers at similar laboratory conditions. With such a large tunable frequency difference i.e. short synthetic wavelength, the laser may be used as the light source of absolute distance interferometers. In our experiment, the methods for tuning frequency difference by rotating and applying a tunable force on the intracavity quartz plate are also studied.