激光的偏振

激光的偏振

“偏振”是各种激光器的普遍性质，这是由激光形成的原理决定的。激光束是由激光器内发光介质粒子的受激辐射形成的。受激辐射有鲜明的特点：外来光子照射激光上能级粒子时，粒子辐射出一个光子并跃迁到下能级，受激辐射所产生的光子与外来光子具有相同的相位、相同的传播方向和相同的偏振状态。当激光器内受激辐射形成光子流时，一个模式光子流中的全部光子都具有相同的相位、相同的传播方向和相同的偏振状态。这意味着一个激光纵模（频率）一定是偏振的。同时，激光相邻纵模的偏振态或为平行或为垂直。布儒斯特窗或Q调制电光晶体的使用是利用激光偏振的很好例证。

激光器“正交偏振”是指激光器两个相邻的频率具有互相垂直的偏振状态。一对左右旋圆偏振的光也应看做正交偏振光。一般说到“激光两正交偏振频率”时，其频差不是任意的，而是完全由激光腔长决定的。本书研究的则是如何使激光器产生任意频差的两个正交偏振频率，以及这类激光器的结构、特性和应用。第1章简洁而全面地介绍了激光器的一般原理。第2章介绍历史上与正交偏振激光相关的成就，主要是塞曼双频激光器和环形激光器，而环形激光器又包括三镜激光陀螺、环形激光流量计和四频（四镜）环形激光器。这些激光器并不都输出本书所专指的“正交偏振激光”，但它们和本书的“正交偏振激光”有一个共同的物理概念，即“激光频率分裂”现象——由一种物理效应把激光器的一个频率“分裂”成两个。历史上这些激光器使用塞曼效应、旋光效应、磁光法拉第效应、Sagnac效应形成激光频率分裂。

从第3章起到第6章，介绍由双折射效应在驻波激光器（管）中进行激光频率分裂，形成正交偏振振荡和输出。激光频率分裂所使用的双折射效应包括自然双折射效应、应力双折射效应、电光双折射效应等。从1988年在Optics Communications发表第一篇文章开始，至今已发展成一个原理、器件、现象和应用系统完整的学术体系。

塞曼双频激光器的原理是在He Ne激光放电管上加磁场。激光器加纵向磁场（磁场与光束平行），可以得到两正交圆偏振光（一个左旋，一个右旋）。如果加横向磁场（即磁场与光束垂直），则得到两正交线偏振光。值得指出的是：塞曼双频激光器左旋光和右旋光的频差不能大于3MHz，这就限制了它的应用范围。频差不能大于3MHz的原因是：只有当磁场增大时频差才能增加；但磁场大到一定时，左旋光和右旋光的中心频率的间隔太大，以至于两光的增益线完全分离，两中心频率不能同时对一个腔模进行模牵引，也就无法将一个频率“牵引”成两个频率。横向塞曼激光器输出频差比纵向塞曼激光器更小，一般在1MHz 以下。

然而在计量等领域，特别是双频激光干涉仪需要几兆赫兹、几十兆赫兹、甚至上千兆赫兹的频差。激光器的输出频差小限制了双频激光干涉仪的测量速度。由多普勒原理可知，频差Δν=3MHz时，测量速度的极限为900mm/s。因而，双频激光干涉仪的理论测量速度最大只能达到900mm/s。实际上，国内只能达到300mm/s，国外只能达到700mm/s。

为了获得大的频差，研究者和干涉仪、测振仪的制造商常将激光器的出射光分成两束，在其中一束光的光路中加入声光调制器或布拉格元件改变其频率，然后再进行合光，从而产生几十兆赫兹的频差。也有直接使用两个纵模的。还有用两个频率不同的稳频激光器对拍的。这些方案都使系统变得复杂，装调增加了难度，稳定性受到影响。

为了解决这一问题，我们开始研究新的双频激光器，以期突破塞曼双频激光器的3MHz频差的限制。开始时不可能想得到，这竟是一条不归之路。越研究内容越广，越探索学术越深，内容越展越宽，今后还有很多事要做。回头想想倒也明白，毕竟偏振是激光器的共性问题，而过去对它的研究太少了。

开始，在普通的驻波He Ne激光器腔内放入一片石英晶体，因为石英晶体具有双折射效应，寻常光（ordinary light，简称o光）和非寻常光（extraordinary light，简称e光）在腔内有不同的光程，这样就会使一个激光纵模分裂成两个，产生几十、几百甚至上千兆赫兹的频差输出。之后，又对腔内加入KD*P电光晶体造成的频率分裂现象、应力双折射引起的频率分裂现象进行了专门研究，都得到正交偏振激光输出。还将激光频率分裂技术用于Nd:YAG 激光器，获得了几吉赫兹的频差输出。由于使用的石英晶体(包括波片)、KD*P、施加了应力的光学玻璃片等，都是利用了双折射效应。我们称这样的双频激光器为双折射双频激光器。这类激光器的理论基础和原理见第3章，器件结构见第4章。研究的激光器类型包括He Ne激光器（0.6328μm和1.15μm）、LD泵浦的Nd:YAG微片激光器、半导体激光器。

在研究中发现，与塞曼双频激光器有频差上限相反，驻波He Ne双折射双频激光器的输出频差有一个下限，其频差不能小于40MHz。这是由于模竞争引起的。频差大约小于40MHz 时，在两个正交偏振模之间存在强烈的模竞争（耦合），从而导致其中一个模式熄灭而得不到频差。

从学术上看，在塞曼双频激光器的3MHz频差上限和双折射双频激光器的40MHz频差下限之间有一个空白，等待去填充。从应用上讲，双折射双频激光器40MHz的频差对一些应用很合适（如激光测振仪），但对另一些应用来说又有点大。因为这使得它的后序处理电路比较复杂。一般认为，频差在4MHz～20MHz之间比较合适。这样的频差既可满足双频激光干涉仪快速测量的要求，又能使后序处理电路简单易行。但无论是塞曼双频激光器还是双折射双频激光器，都不能提供这样的频差。经过多年的困扰，又研究成一种新原理的He

Ne双频激光器——双折射 塞曼双频激光器，输出频差能在1兆赫到几百兆赫之间连续可调，覆盖了4MHz～20MHz范围内的任一频差值。除了我们外，瑞士的S.Pajarola、法国的M.Brunel和M.Vallet等人也对半外腔结构双偏振半导体激光器进行了研究。

新的器件有新的激光物理现象，有与其他激光器不同的输出特性。研究这些现象和输出特性，获得对正交偏振激光器全面而有深度的了解是科学的任务。研究包括：两个正交频率的强模竞争现象、功率调谐现象、频差调谐现象、旋光性影响、光回馈现象、单频振荡正交偏振激光器腔调谐中的偏振跳变和光徊滞（法国Floch的研究）、双折射外腔回馈中的偏振跳变、非准直外腔强回馈激光强度高阶倍频与偏振跳变等。这些现象的发生涉及He Ne激光器、半导体激光器、LD泵浦微片Nd:YAG激光器。第5章将介绍“正交偏振激光”的这些特有的现象。

第6章将介绍应用“正交偏振激光”特有现象进行的10项应用研究。包括：基于正交偏振光竞争的位移测量（又称为激光器纳米测尺）、基于正交偏振光回馈效应的位移测量、波片相位延迟量测量、力和质量测量（德国Holzapfel）、角度测量、重力测量、弱磁场测量等。读者将会在阅读中感受到这些原理的精彩和应用潜力。实际上其中一些已经在应用之中，有一些则是考虑产业化的时候了。本书是按原理→器件→现象→应用的顺序写成的。四块内容中，每块都包含大量的内容。比如现象部分（第4章）就包含如下内容：强模竞争现象，中等模竞争与强模竞争之间的转换（即竞争中两个频率之一从振荡到熄灭或从熄灭到振荡的过程）；确定强模竞争的频差范围为0MHz~40MHz左右；双折射双频激光器腔调谐中出现的四种偏振态组合（o光振荡、e光不振荡，o光、e光同时振荡，o光不振荡、e光振荡，o光、e光都不振荡）；双折射双频激光器频差调谐现象；双折射 塞曼双频激光器的功率调谐、频差调谐特性；正交偏振激光回馈自混合干涉中两个频率的相互抑制，强度的转移；双折射外腔回馈引入的条纹倍频现象；石英晶体旋光性造成的频率分裂畸变等。这样一种写作方法较符合常规思维方式。但它是有缺陷的。很难有机会按照科学对某一器件（如双折射 塞曼双频激光器等）的发明过程展开介绍，使读者对这一发明进程有更具体的了解。在此，将以几个重要的发现、发明过程作为线索作以下说明。

当进行以获得双折射双频激光为目的研究时，通过频率分裂技术，使一支激光器输出了两正交线偏振光。而实验得到的频差对石英晶体调谐角关系曲线的形状出乎预料：它不是一条单调上升的，而是具有一定“周期”特性的曲线。特别是前两个周期，竟然没有达到1个纵模间隔就出现了回缩。按晶体折射率椭球计算，在调谐角90°的范围内，o光和e光的折射率差是单调增加的，即只按石英晶体双折射不能解释这种畸变现象。经过半年的反复实验，证明所得的实验曲线经得住考验之后才送往Optical Communications发表。实验中还发现，激光