回馈中的若干激光物理效应

文中将两个激光物理概念"激光回馈效应"和"正交偏振激光"交叉结合,并向"纳米干涉技术"应用渗透产生新的结果."激光回馈效应"(又称激光自混合效应)是激光器的十分重要的物理现象,当激光器输出光束被前进路程上的反射面反射回激光内部时,这一现象总要发生."偏振"也是大多数类型的激光器输出光束的特性.腔内有量子阱、布儒斯特窗、双折射元件等偏振机制或元件时,激光器必是偏振输出.即使无此类元件,大多数类型激光器输出的每一个纵模(频率)也都是线偏振的,且相邻的两个纵模经常是正交偏振的.作者课题组发展了新类型的HeNe和Nd:YAG微片激光器:正交偏振激光器(双折射双频激光器)输出两个模(频率),模间隔可调且偏振态垂直.作者意识到,模(频率)间隔的改变(特别是很小的间隔)导致模竞争强度改变.还认识到,正交偏振特性正好可利用来研究这种改变:可用偏振分光镜将正交偏振激光束中的两正交模分开,以研究每个偏振态各自的特性和它们之间的相互作用.在研究之前,人们对外腔调谐的研究都是用一个反射镜将激光输出的光束的全部纵模(频率)反射回激光器.这就意味着不区分纵模多少及其间隔大小,不区别激光输出的偏振状态,不顾及激光频率之间的竞争.如果说以往是站在激光器外头研究回馈,研究是进入激光器内部研究回馈:由偏振器件将两正交偏振频率分开,研究每个偏振频率的回馈行为,研究它们之间的相互影响.作者课题组取得的主要发现点包括:(1)设计了(单模激光器腔调谐+PBS分开正交偏振两成分)的方法研究激光器模间作用、光强改变及偏振特性.(2)双折射双频激光器、M3弱反射并调谐:o、e光强度曲线均为类正弦;两频频差小于200 MHz时,o、e曲线的位相差随频差变大而减小;两频频差大于200 MHz时,o、e曲线位相差为相对腔长和相对频率分裂量的乘积.(3)双折射双频激光器、M3中等反射率并调谐:o、e光强度总是反向变化;一周期分为缓交换区和快交换区;两个等光强点:缓区的高于快区的.(4)单纵模激光器,M3高反射并欠准直,M3调谐:M3每位移λ/80,光强变化一个周期,即生成了纳米光条纹.(5)单纵模激光器,M3高反射并欠准直,M3调谐:M3每变向一次激光偏振态旋转90°一次.(6)外腔内有λ/4片、M3调谐:光强调制曲线倍频,即外腔长每变化λ/4,光强变化一个周期;曲线类似正弦全波整流;如波片快轴与光偏振方向平行或垂直,相邻周期偏振态正交;如波片快轴与激光器偏振方向夹45°角,偏振态不因M3调谐而变.(7)波片置外腔、M3调谐,强度曲线上一种偏振态占据宽度和一个周期宽度之比等于双折射元件位相延迟.(8)双折射一塞曼双频激光器,M3调谐:单偏振回馈,o、e光强调制曲线都为类正弦,变化趋势相反;双偏振回馈,o、e曲线的相位差因M3运动方向不同分别为π/2或3π/2.(9)Nd:YAG双频激光器、M3调谐,M3反射率越大,光强调制越深;频差是外腔自由光谱区1/2的偶数倍,调制深度最小;奇数倍时,调制深度最大.(10)用"任意位相差波片外腔、M3调谐:强度曲线上一种偏振态占据宽度和一个周期宽度之比等于双折射元件的位相延迟"的原理已制成新的波片测量仪,其具有高精度和可在位测量的特点.     

He-Ne双折射塞曼双频激光器的等光强稳频研究

在精密测量领域,He-Ne 激光器是制造激光干涉仪的首选光源,因波长作为测量的尺子,激光器的频率稳定性至关重要。介绍了双频激光器的稳频技术原理,利用调谐腔中平行光和垂直光的等光强点作为稳频点,以光强平衡为依据设计热伺服控制电路,采用数字和模拟电路共同控制,实现了He-Ne双折射塞曼双频激光器的频率稳定。对大频差(7.95 MHz)的双频激光器进行拍频测试,单次频率稳定度达10-9量级,重复多次多日测量,频率不确定度达1.07410-8(k=2)。同时对频差稳定度进行测试,频差波动范围在8 kHz以内,相对偏差度为0.001,完全达到商用双频干涉仪的标准。     

波长632.8nm的He-Ne激光器在不同频差下的功率调谐曲线

激光纵模分裂技术能使双频激光器的频差从几十兆赫到几百兆赫,我们进行了一系列的实验来研究不同频差下激光器的光输出功率特性,实验结果表明,不论激光器充Ne²⁰还是Ne²²,也不管输出光的频差多大,随着腔长的调谐,o光和e光的功率变化方向是相反的.     

激光二极管泵浦可调频差双频固体激光器

研究了可调频差范围0～1.5 GHz的LD泵浦可调频差的双频固体激光器.激光增益介质是2 mm厚的1 at%掺杂Nd:YAG波片,利用端面泵浦和F-P标准具的选模得到单频连续输出,在单频的基础上将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腔内的本征值及本征向量,证明了双频激光两个电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波片快轴之间的交角实现调谐.实验中得到80 MHz-1.3 GHz范围可调频差的双频激光输出,最大输出功率85 mW.     

基于偏振混叠的氦氖激光器纳米测尺系统

提出一种基于偏振混叠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,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,使用偏振混叠方法和设定浮动阈值,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20 mm,线性度为5.8×10-5,标准差为520 nm。     

新型大频差可调谐双频激光器

提出了一种新型大频差可调谐及双频激光器。利用LD端面泵浦Nd:YAG微片，将液体压强通过传递膜片加到晶体径向上，由于应力双折射效应，此微片激光器纵模发生分裂产生频差，理论分析和实验表明，此频差与施加的压强成正比关系，通过改变压强即可实现频差调谐。实验中获得了良好的频差与所加压强的线性调谐关系，并得到了约3.4GHz的巨大频差。     

可控频率差的双频激光器的研究

传统的可控频率差的双频激光器是基于双折射效应来实现的,研究了S偏振光和P偏振光在全内反射和减反射薄膜的相位特性,提出基于双全内反射和倾斜减反射膜的相移之间的差别来实现可控双频激光。通过调节入射角的大小或设计不同的薄膜结构来控制双频激光器的频率差。最后在实验中发现,氦氖激光器的硬封接的透射窗存在较大的残余热应力双折射,可产生不可控却稳定的残余热应力双折射,用于制作频率差为中频的双频激光器。     

新型应力双折射双频激光器

本文报导了用频率分型技术实现的全内腔和半内腔应力双折射双频激光器,这两种激光器输出的频差可通过调节加在激光器应力双折射元上的压力调节,调节范围可从几十MHz到几百MHz。激光器经预热后,两种激光器输出频差的相对变化分别为10^-3和10^-5。     

弹性加力中频差He-Ne塞曼-双折射双频激光器及稳频

为了提高激光干涉仪的测量速度,研制了一种新型塞曼一双折射双频激光器(Z-B激光器),该激光器对增益管加横向磁场和对其"透射反射镜"加外力.采用了弹性加力方案,使其频差比刚性加力He-Ne激光器具有更高的赋值精度,达到±0.2 MHz.同时,还报道了对该激光器进行的稳频研究.利用调谐腔中平行光和垂直光的等光强点作稳频点,以光强平衡为依据设计热伺服控制电路,考虑了成本的最小化和系统的集约化,采用纯模拟元件实现了中频差He-Ne Z-B激光器频率的稳定.对频差5.4 MHz的Z-B激光器的稳频结果为:3 h稳频精度优于2.1xlO-8.     

双折射外腔双频激光器光回馈

为了研究双频激光器的光回馈特性,采用双折射外腔光回馈的方法,进行了理论分析和实验验证,取得了双频激光器中条纹倍频现象的数据。结果表明,光回馈系统分辨率提高了1倍,同时利用双频激光器两垂直偏振光间的模竞争,使得倍频条纹的调制幅度明显增大,从而使得光回馈系统的灵敏度大大提高。实验结果与理论分析吻合,这对提高光回馈系统的分辨率是有帮助的。     

光程差倍增的纳米级精度激光干涉仪

介绍了一种新型的纳米级精度位移测量激光干涉仪。提出了耦合差动干涉的新方法。通过对光程差进行倍增 ,提高了干涉仪的分辨率和稳定性。该干涉仪结构简洁紧凑 ,光路布局对称性好 ,不存在死光程 ,容易装调 ,符合阿贝原则和结构变形最小原则 ,在 10 mm (可以扩展至 50 mm )测量范围内 ,获得了λ/16 0 0的分辨率和纳米级的测量精度。     

HeNe激光双折射外腔回馈位移测量仪研究

基于单模激光器的双折射外腔回馈位移测量系统能输出两路回馈条纹信号,且条纹相位差不受回馈外腔长的影响,因此在研制大量程、高分辨位移测量系统方面极具潜力。开展了双折射外腔回馈的相关现象研究,研制了性能优良的位移测量仪器。稳频和回馈外腔扫描技术相结合,进一步提高了系统的频率稳定度（优于10-7）和抗干扰性能力。试验对系统进行了零漂、拍频和比对测试,其量程超过200 mm,分辨率为15.82 nm,线性度优于2.310-7。分析了系统的主要误差来源,估算了总的测量误差为0.21 m。回馈位移测量仪具有结构简单、分辨率高、线性度好以及测量范围大的优点,工业应用前景广阔。     

激光强度时空分布测量漫散射取样衰减技术研究

激光强度时空分布的测量对于诊断与评估激光系统的性能具有重要意义,减少激光入射角度影响、对大尺度激光束进行高分辨力、高占空比取样是准确测量激光强度分布的关键,结合漫散射光分布与入射光方向无关的原理,提出了激光强度时空分布测量漫散射取样衰减方法,设计了漫散射取样衰减单元,建立了光强计算模型,推导了光强计算公式并进行了验证,光强衰减倍数实验结果与理论值一致。介绍了漫散射取样衰减装置与光电管阵列或CCD成像系统的组合应用。该方法的优点:空间取样分辨力高,可达2 mm左右;使用角度宽,可达30而不需要响应修正;占空比高,可达40%以上;衰减倍数范围大,可以通过调节衰减结构参数实现任意需要的衰减倍数。漫散射取样衰减为阵列探测器对大尺寸激光束进行取样和衰减提供了一种新方法,提高了激光强度分布测量能力和测量精度。     

He-Ne激光回馈纳米条纹宽度标定方法研究

科技发展需要对各种纳米测量仪器的“纳米”确定性进行检定。介绍了一种基于MSP430F149单片机的Fabry-Parot腔双频高阶弱回馈位移测量系统条纹宽度标定方法,通过计算出测量靶镜运动同一位移时高阶回馈纳米条纹与传统弱回馈半波长条纹的频率之比,精确地标定出激光高阶弱回馈纳米位移测量系统的光学分辨率。测量结果表明系统可溯源的光学分辨率为10.37 nm,加入20倍电细分后系统最终的分辨率为0.53 nm。     

一种小型化纳米级单光栅位移测量系统的研制

随着纳米技术的广泛应用以及人们对纳米位移测量认识的不断深化,光栅位移测量技术正在受到广泛的关注。在研究反射式光栅位移测量原理的基础上,设计并实现了一种小型化纳米级单光栅位移测量系统,对系统总体设计、光路布局以及软件算法进行了阐述,最后,利用电容位移传感器ASP-10-ILA等辅助仪器进行了对比实验。实验结果表明:在两路信号不完全正交的情况下系统也能实现准确测量,且理论上系统的位移测量分辨率达到1 nm;在电容位移传感器的量程范围内进行小位移对比试验,系统测量均值与参考值最大偏差118 nm,且与拟合直线偏差均小于100 nm;当光栅发生10 mm以上的较大位移时,测量结果与均值的偏差均小于5 ppm。     

激光三角法位移测量中光强度的模糊自适应控制

在激光三角法位移测量系统中,激光的强弱、被测表面颜色、粗糙度等对测量精度有着显著的影响。提出了新的光强度模糊自适应控制方法,智能控制激光功率、光积分时间以及CCD 放大增益来调节系统光强度,达到最合适光强度;在被测表面形态变化的情况下能够实现光强度自适应控制,提高位移测量的精度;计算机仿真将不同的系统光强度调节到预设值3200,验证了控制策略的可行性。并经实验表明,通过控制上述三种要素,CCD 接收到的信号强度能够调节到预期范围,而且测量小位移时精度提高了5%。     

He-Ne激光器功率调谐位移传感激光器

阐述了一种新型的HeNe激光位移传感器,具有自校准功能以及没有原理上的误差。利用频率分裂技术,将一个纵模间隔分为4个宽度相等的区间,在这4个区间内激光器具有不同的光功率输出。当一个频率移动过这样的一个区间,相当于激光器的一个腔镜移动了λ/8。可移动的反射镜与被测工件相连。这样,一支HeNe激光器变成了一个不用干涉现象的位移传感器,其测量范围可达10mm,测量精度可达0.079μm,并具有判向的功能。     

光栅干涉位移测量技术发展综述

介绍了经典双光栅测量系统、非对称双级闪耀光栅测量系统、单光栅测量系统、基于2次莫尔条纹的光栅测量系统、同心圆光栅2维位移测量系统、2维光栅位移测量系统的测量原理,阐述了各系统的关键问题及不足之处。同时结合双频激光干涉仪外差干涉思想,在单光栅测量系统的基础上,提出了双波长单光栅式纳米级位移测量方法,并通过分析系统特点指出该方法能实现大量程测量、获得纳米级的精度和分辨力。在对各种测量方法进行综合比较之后,总结了光栅测量的关键问题,并展望了光栅干涉位移测量的未来发展方向。     

固体激光远场瞬时光斑时空分布测量技术

基于漫透射CCD成像法原理,建立了固体激光瞬时光斑时空分布测量系统。开展了该测量方法的可行性验证实验,能够精确地获得激光远场光斑图像,并运用Matlab软件对测量数据进行处理,得到激光远场光斑半径、光束质量、质心位置、光轴抖动、光强分布以及平均功率密度等参数。实验结果表明:利用漫透射CCD成像法测量固体激光远场瞬时光斑时空分布是可行的,测试系统采集频率可达120 Hz。该方法具有高分辨率、高帧频、低成本、使用方便的突出优点,能同时实现激光强度分布和功率的测量,测量功率误差小于2%。