正交线偏振激光器原理与应用

换句话说，如果在驻波激光器中插入双折射元件， 则输出的双偏振光的频差满足：
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式最直观的印象是：它有潜在的应用价值 ; 对 对 （!）
!$ 于 ,A.A 激光器的 " ; *&%#( 2 波长， ! # $ ; +$ C !" ,6，设 # F " ; !( 2，则!% # F & $ !* C !"!( ,6 G 2; 似可
%""&’"(’%) 收稿，%""&’")’%% 收修改稿 （批准号：技 #(!"&，*#)+#"!#，()%+(%&+，*)%#*""!，*)++#"!"，()++("##，("!%+("!，*"!+#"!"） 、北京市自然科学基金 " 国家自然科学基金 （批准号：$)%%"")，$))%""*， ,"!"!!"%("!!! ） 、国 家 教 育 部 重 点 研 究 项 目 （ 批 准 号： -.’)" ） 和清华大学基础研究基金 （ 批 准 号： 资助项目 /0%""!""+） 1’2345：675’894: 2345 ; <74=>?@3; A8@ ; B=
破性进展 ! 作者实验室利用激光器的若干物理现象 和概念，包括：频率分裂、腔的调谐、出光带宽的 设定、模 的 间 隔 设 定、特 别 是 正 交 偏 振 模 的 竞 争 等，取得了成功 ! !"! 双偏振光竞争位移传感器激光器结构和原理 双偏 振 光 竞 争 位 移 传 感 激 光 器 的 结 构 见 图
图!பைடு நூலகம்
双偏振光竞争位移传感激光器结构
（’）在单纵模 "#$# 激光器内加入双折射元件 ［6］ （晶体石英片或应力双折射元件 ） ，使激光频率分 裂，单频激光变成双频激光，激光器输出平行偏振
图#
激光出光带宽被分成 $ 部分
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第 !" 卷
第"期
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图!
纵模间隔和出光带宽 图" 腔调谐过程中 " 个偏振状态周期性出现
!：出光带宽 ! "#$# % &## ! ’ % (
地 （ 依次通过以频率 "# ! " 和" #" ， ! " F " 和" #" F " $ $ $ ） " " 为中心的激光增益曲线 G $ " !" ， # " 是由"" 分裂而 " 成一对 $ 还有其他纵模分裂成的其他频率对等 $ 当 然，氖原子中心频率 "# 应视为“静止不动” ，成为 判断频率对通过"# 的次数的基础 $ 每一对走过一个纵模间隔，出现图 ’ 中从 H 到 I 的一个周期，可顺序看到：/" 被照亮、 /J 暗， ! /" 、/J 同 时 被 照 亮， ! /" 暗、 /J 被 照 亮， ! /" 、 /J 都不被照亮 2 上述 ’ 种偏振态的变化反复出现 2 图 J 所示的一个周期变成图 ’ 的周期性连续出现的 每出现一个以偏振状态不同为特征的区 状态 2（K） 域，意味着激光器的反射镜移动了一个 # L & 2 每出 现一个周期，意味着激光器的反射镜移动了 # L J 2 由 （"） 式，令 = " ! !，有 = % !# & J 2 此式说明，频率 移过图 ’ 中从 H 到 I 的一个纵模间隔时，激光腔镜 走过半个波长 2 而频率走过 ’ 个不同偏振特性的区 域之一时，腔镜移动 # L & 2 因此，当我们通过光电 探测器 /" 、/J ，信号处理电路 3" 、 3J 和 3 得出两 正交频率移过的区域个数 ’ F M ’ M 时， N" ， OA 以 及被测物体的位移可由下式得到 " ( ) （’* + ’+） #$ & （(）
正交偏振 位移测量 激光回馈 波片测量 角度测量 振动测量
过去，人们对激光的应用基本上是利用激光的 外特性，即激光器输出光束高亮度 （大功率） 、高相 干性，高定向性 ; 这样的应用仅把激光器看成是一 个光源，应用中并不引起激光器内部光束性质的改 ［!］ 变 ; 环形 （行波） 激光是一个特例 ，但驻波 （激光 管，微片等） 激光的内腔特性应用是空白 ; 作者实验 室对正交偏振两频激光现象的应用研究则不同，是 直接利用驻波激光器内部的物理特性 ; 在精密测量 中被测量对象引起激光器内部光束性质改变，如频 率 （纵模） 个数的改变、两频率之差的改变、光的偏 振特性的改变、模的竞争强度的改变 ; 由激光原理可知 ; 驻波激光器的腔长改变量和 频率变化的关系如下式： 8 !! "! ， 8# # （!）
第 !" 卷 一支激光器“自差动”的原理 !
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光 （ ! 光） 和垂直偏振光 （ " 光） ! 图 ’ 中，施加了外 力的增益管上增透窗片 . 为应力双折射元件 ! 两偏 振光的偏振方向分别与加力的方向平行和垂直 ! 平 行偏振光和垂直偏振光的频率差由加力大小决定 ! 激光增益管内充 "# 和 $# 之比以及总气压与普通 （%7 $#） （%% $#）9 ’ 8 ’ ! （ %） "#$# 激光器相同，但 " 8"
对于 # 2 K(J& ! ?， P*Q* 激 光 波 长， " L & 波 长 为 $R +?2（$）最后，位移方向的判断可由电路按 ’ 个 区域光偏振的不同性质实现 2 比如，反射镜刚开始 移动时，两偏振频率正处在 " 光区 （图 ’ 的 3/ 区间 内） 2 如反射镜 N" 向着窗片 ) 移动，两偏振光频率 向右便进入无光区 （两探测器都不被照亮） ，如 N" 离开 窗 片 ) 而 去，两 偏 振 光 频 率 向 左 移 便 进 入
［’7 ) ’%］ 由于激光模竞争效应 ，如果 ! 光比 " 光先进
（激光器测 ! 双偏振光竞争位移测量激光器 尺） 原理及技术基础
长度、位移是最基本的物理量之一 ! 有多种位 移测量方法：干涉法，电感法，电容法，光纤法， 光栅法，电涡流法等 ! 各种方法都有其优缺点，都 在应用之中，且发挥着各自的作用 ! 激光器测尺 （双 偏振光竞争位移测量激光系统） 是将一支 "#$# 激光 器直接演变成了一个位移传感器 ! 它不需要任何外 部的干涉或反射系统，不需要光纤等元件 ! 称其为 激光器测尺的原因是因为它是以激光腔内的驻波作 为尺子的“刻度单位”进行测量的 ! 国外科学家曾做过将激光器直接演变成位移传
（两探测器都被照亮） 2 电路很容 #光、"光共存区 易判出两者之间的差别，给出计数为 ’ F 还是 ’ M 2 #$% 逆向镜的使用：提高稳定性和增加量程 双偏振光竞争位移测量原理中系统的导轨在位 移中会引起 N" 的摆动，它将严重影响激光功率稳 定性 2 为解决此问题，作者实验室采用一个“猫眼” （3.0’ 做为激光反射镜"）2 猫眼即是由一个凹面 4 *6*） 镜和一个凸透镜构成的一个“反射镜” 2 无论射入它 的光是什么方向，都能平行地反射回去 2 因此当移 动中作为反射镜的“猫眼”的光轴偏离激光器轴线 时，腔 内 激 光 束 仍 然 按 原 方 向 返 回，激 光 器 不 失 谐 2 这样大大提高了双偏振光竞争位移测量系统的 量程 2 # $ ! 双偏振竞争位移传感 &’(’ 激光器系统达到的 指标和特点 " 激光干涉仪利用干涉现象，以波长作为位移 测量的基准单位 2 而本文作者实验室研制成的激光 器测尺不使用干涉现象，但却成功地利用了以“激 光腔镜移动半波长、激光频率移动一个纵模间隔” 为其工作原理 2 因此，激光器测尺有自我标定功能 2 # 有较高的分辨率和精度 2 测量分辨率为八分之一 波长 2 对于 K(( +? 波长 P*Q* 激光，是# 2 #$R! ?，标 准差可以在波长量级 2 $ 线性度好 2 已达到的线性 度为 S T "# M S 2 因为“激光腔镜移动半波长频率移动 一个纵模间隔”的规律在任何测量范围内都成立， 它本没有原理上的非线性 2 % 激光器测尺自身就是 位移传感器，结构简单，造价低 2 & 不经 H L / 转换 就是数字输出，易于和被测物体的加工控制机构结 合2
［%， &］ 感器的尝试 ，但因原理上的缺陷，没有获得突
入出光带宽， ! 光将抑制后进入出光带宽的 " 光， 形成一个远比激光器两偏振光频率之差宽得多的仅 有!光的区域 ! 反之亦然 ! 当 -’ 被导轨推动发生位 移时，图 % 给出观察到的现象 ! ! 激光出光带宽将 被分成 & 部分： ! 光区 （ :1） ， ! 光 ; " 光区 （ 14） ， （ 43） ! " " 光和 ! 光的变化趋势总是相反 "光区 的，即在!光先出现的情况下，一旦 " 光出现， ! 光的功率立即减小，反之，一旦 ! 光出现， " 光的 功率立即减小 ! # ! 光区 （ :1） 和 " 光区 （ 43） 以增 益线中心频率为对称，且两者宽度基本相等 ! 这是 一项重要发现 ! （ &）选择频率分裂大小和适当微调 损耗，可使出光带宽中上述的 & 个区域宽度相等 ! （(）选择较短且合适的激光腔长，当 -’ 由被测物推 动而位移时，我们可以把一个纵模间隔的频宽分成 ( 个相等的区域： ! 光振荡区， ! 光和 " 光共同振 荡区，"光振荡区，无光振荡区域 ! 实验中，使用 的数 据 之 一： 腔 长 ’(7 <<， 激 光 纵 模 间 隔 ’7+7 -"=，出光带宽达到 ,77 -"= ! 这样，出光带宽和纵 模间隔之比为 & 8 ( ! 于是有四分之一的纵模间隔 （%+7 没有激光产生 ! （ >）当激光反射镜连续移动、 -"=） 即有 ? # 时， 按 （’） 式， 激 光 频 率 就 要 改 变、 即 产生一个 （@? 图 & 中的一列激光频率成对 ! 于是， !）
［( ) *］ ，实际上是一支双折射双频激光器的演变而 ’ ［+， ,］ 来 ! -’ ，-% ：一对反射腔镜，.：增透窗片，! ：
沿 . 径向施加的外力， /："#$# 激光增益管， 012： 偏振分光镜， 3’ ， 3% ：光电探测器， 4’ ， 4% ：信号 放大及处 理 电 路， 4：信 号 处 理 及 位 移 显 示 电 路， /5：与反射镜连接在一起的一个导轨，可以和被测 物体接触 ! 当被测物体通过导轨推动 -’ 左右运动 时， 4 显示位移大小 ! 其原理如下：
— — —精密测量应用原理及技术基础研究
张书练 杜文华 李 岩 朱 钧
清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京 !"""#$
摘要
综述了利用正交线偏振激光器内特性进行精密测量的研究成果，包括： ! 纳米激光器测
尺 （基于频率分裂的激光器两偏振光竞争位移传感激光器） 测量原理，" 基于频率分裂激光器两偏 振光回馈的位移测量原理，# 直接利用波片形成频率分裂的波片位相延迟测量原理， $ 基于频率 分裂对腔内双折射强弱敏感性的位移测量原理，角度测量原理，振动测量原理， % 压强测量原 理，& 磁场测量原理等 ; 所涉及现象包括：激光纵模间隔内新频率的产生，两频率之差的改变、 光束的偏振特性的改变，模的竞争强度的改变等 ; 这些新应用的原理、结构简单，可溯源到光的 波长 ; 如，激光器自身就是传感器的纳米激光器测尺已在应用中，测量范围 !% 22、分辨率 +) =2、 线性度小于 ( C !" D ( ; 波片位相延迟测量系统重复性达到 " ; &E ; 关键词
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! 正交线偏振激光器原理与应用 （!）
把这个量看成 （ !） 式中的一个巨大放大系数，起到 对腔长改变 H 8 # H 的放大作用 ; 但要通过仪器测到 8 ! 并不容易 ; 至今，还没有一种探测器，在 8 # 未发生 前或发生以后，能探测 !"!$ ,6 如此之高的光频率， 也就无法获得 8 式中的 ’ !; （%） ! 是激光器同时输出 的两个频率之差，它比! 小若干个数量级，现有的 光电探测器可对其进行测量、转化成易于处理的电 信号 ; 从这个角度说，正交偏振激光应用的原理是