专利名称：偏振双反射膜双频激光器的制作方法
技术领域：
本发明属于激光技术领域，特别涉及双频激光器的结构设计。
双频激光外差测量具有明显的优点抗干扰能力强，可以进行相位测量和多通道测量。因而干涉仪既可以实现多功能又可以提高分辨率。这是单频干涉仪无法比拟的。外差干涉仪测长功能的测量速度受到一个限制多普勒频移不得高于外差拍频频差，即Δfd＝υ/(λ/2)＜Δν如Δν为1MHz，测长速度υ就只能小于300mm/s，否则干涉仪无法工作。如美国HP5527的频差为2MHz，允许测量的速度上限为0.45m/s，HP5529的频差为3MHz，允许测量的速度上限为0.7m/s。现在机床和测量机的运行速度已经提高到1m/s，这就要求拍频频差高于4.5MHz。
提高外差干涉仪拍频频差的方法有两种一种是用声光调制产生移频，以美国ZYGO公司为代表。这种方法可以很方便地产生20MHz的频差，其缺点是激光器为单频激光器，用等光强法稳频，稳频精度不可能很高；另外，激光器输出的光必须分开，用声光移频后再合为一束光束。这样做使光学系统复杂，成本加大。另一种方法是利用双折射晶体的双折射效应产生双频。有关双折射双频激光器清华大学的张书练做了许多工作，文献也报道很多。但也存在一些应用的问题激光腔内必须有双折射器件，这使激光器结构变复杂，最近的这种激光器的结构是将激光器的高反膜镀在激光反射镜的外面，用加应力的方法产生双折射。采用这种结构，激光器的寿命、应力的稳定等一系列的问题都有待研究。
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，设计出一种偏振双反射膜双频激光器，利用特殊多层反射膜对不同偏振光在垂直入射时反射系数相位跃变不一样，并利用横向Zeeman效应使能级分裂从而减小模式耦合，因而输出两个不同频率的激光。具有结构简单，光束特性好，为TEMOO模，两个不同频率的光为相互垂直的线偏振光，且其频差合适，频率稳定性和频差稳定性都很好等优点。适用于制作高速外差干涉仪。
本发明提出一种偏振双反射膜双频激光器，包括由激光腔体及其两端封接的两个反射镜组成的全内腔He-Ne激光器，设置在激光腔体外侧的横向磁场，其特征在于，所说的反射镜中至少有一个为偏振双反射膜反射镜，所说的磁场方向近似平行于该激光器输出的o方向或e方向。所说的横向磁场的强度为0.01~0.02T。
本发明偏振双反射膜双频激光器原理说明如下
本发明所说的双反射膜是指用特定的工艺制作的多层反射膜，在垂直入射时，它有两个反射系数ro=|ro|e-1φo=ro′e-1φo-----(1)]]>re=|re|e-1φe=re′e-1φe-----(2)]]>其中ro和re是对o光和e光的复反射系数。ro′和re′是反射系数的模，φo和φe是反射时的相位跃变。在偏振双反射膜双频激光器中，ro≈re≈1，主要区别在于φo≠φe。
定义Δφ＝φo-φe，称为双反射膜反射相位跃变相差。
偏振双反射膜双频激光器激光器的输出频率满足条件2Lnνc+φ12π+φ22π=m-----(3)]]>其中L为腔长，n为激活介质折射率，ν为激光的频率，c为真空中光速，φ1和φ2是光在两个腔镜的相位跃变，m是整数。两个相邻的激光纵模的频率间隔Δνc=c2Ln-----(4)]]>如果激光管由一个普通的反射镜(即φo＝φe)，和一个双反射膜反射镜组成，由于反射时相位跃变不同，要满足方程(3)，νo和νe的频率就必须不同。这样就可以用一个普通反射镜和一个双反射膜反射镜构成一个双频激光器，其频差Δν=νo-νe=Δνc2πΔφ-----(5)]]>由于Δνc可以高达1000MHz，所以只要很小的Δφ就可以得到很高的频差。
当频差高于40MHz时，(5)式给出的结果是正确的。但高于40MHz的频差对电子系统提出了更高的要求，一般TTL元件工作频率约为30MHz，而且在可预见的未来机械测量也不需要这样高的频差。
当由(5)式给出的频差低于40MHz时，由于两个频率的光模式耦合，发生锁频，结果很可能只有一个频率的光输出。而且理论频差降低，模式耦合增强，几乎没有可能得到低于20MHz以下的频差。所以当Δφ很小时，这种激光器输出的光和普通内腔激光器输出的光几乎没有区别。
为了使Δφ很小时能输出两个频率的光，必须减小模式耦合。具体做法是加一横向磁场使激活介质的能级分裂。值得注意的是纵向磁场虽然也能使能级分裂，但不能减小模式耦合，所以这种激光器不能用纵向磁场。不仅如此，横向磁场也不是在任意方向都可以的。
偏振双反射膜是借助于膜层上的残余应变形成的。其制作方法为首先在准备镀高反射膜的圆形玻璃片上施加应力，然后镀高反射膜，去除玻璃片应力，从而在反射膜层上形成残余应变。同时，在反射镜封接的过程中由于工艺的原因也会形成新的应变。这种应变对反射膜层的残余应变起到加强或者削弱作用，二者的联合作用结果构成激光反射镜上的反射相位跃变。可采用椭偏仪或半内腔激光器和探测器，频率计进行测量，得到反射相位跃变值。
本发明同横向Zeeman激光器的区别虽然从结构外表看，本发明同横向Zeeman激光器几乎完全一样，但它们属于两种不同原理的激光器，其区别如下(1)工作原理和频差大小不同。Zeeman激光器的频差由横向磁场引起的能级分裂和模牵引效应决定，通常频差难于高于1MHz。偏振双反射膜双频激光器的频差主要由式(5)决定。即主要由双反射膜反射时o光和e光相位跃变差决定。能级分裂的作用主要是减小模式耦合。模牵引效应对频差的贡献很小。因而这种激光器的输出光频差理论上可以高达几百MHz，我们实验得到了5~6MHz的频差(我们只对小Δφ感兴趣)，而且，将磁场强度减小到原来的一半，频差改变非常少。
(2)结构关系有特定要求。横向Zeeman激光器的磁场方向只要求垂直于放电管即可，激光管可以在磁场中旋转到任意位置。偏振双反射膜双频激光器的激光管和磁场方向有一特定的关系由于反射系数ro和re不一样，这相当于定义了一个xy方向，横向磁场同时定义了一个方向，这两个方向在理论上应重合或相差90°，180°，270°。这就是说激光器的放置和磁场有一配合关系。
当Δφ小时，若配合关系很好，即使Δφ很小也可以出双频，若配合关系不好(如xy方向与磁场方向夹角为45°)，Δφ小时不出双频。但这一配合关系要求并不十分严格，允差在十几度的范围内。由于这一关系的存在，光的偏振性更接近理想情况。
当Δφ大时，由于模牵引效应小，不加磁场也可以出现高频差，激光管和磁场不存在上述关系。
本发明同双折射双频激光器有明显区别本发明的偏振双反射膜双频激光器在两反射镜之间没有晶体或其他效应引起的晶体，双折射双频激光器在两反射镜之间有一晶体或其他效应产生的晶体。
本发明的特点(1)本发明提供了一种新型的He-Ne激光器—偏振双反射膜双频激光器。其拍频频差高于Zeeman激光器，输出模式为TEMOO模。两个频率的光是线偏振的，且互相垂直，此激光器适用于制作高速干涉仪。
(2)偏振双反射膜双频激光器由至少一片偏振双反射膜反射镜组成内腔式激光器。
(3)偏振双反射膜反射镜是指在垂直入射时，多层反射膜有两个不一样的复反射系数，它同入射光的偏振方向有关。尤其指反射光的相位跃变不一致，其相位跃变差用Δφ表示。
(4)本发明提供一种当Δφ小时，减小模式耦合，解决锁频问题，使激光器仍能输出两个频率光的方法加横向磁场。并指出横向磁场和激光管相对位置有特定关系，给出了调整方法。
图1为本发明的偏振双反射膜双频激光器实施例结构原理图本发明的一种偏振双反射膜双频激光器实施例结构如图1所示，其中，(1)反射镜M1和M2至少有一个为偏振双反射膜反射镜(2)由M1和M2构成内腔He-Ne激光器1(3)加横向磁场2，磁场强度约为0.01~0.02T(4)旋转激光器，使其决定的o方向或e方向与磁场方向近似平行。采用的参数为激光管腔长L＝150mm，双反射膜相位跃变Δφ＝0.675°，磁场强度约为0.01~0.02T时，频差Δν约5M，真空中光速c＝299792458m/s，用频率锁定方法使频差保持在5.375±1KHz，实测稳频精度优于10-9。
权利要求
1.一种偏振双反射膜双频激光器，包括由激光腔体及其两端封接的两个反射镜组成的全内腔He-Ne激光器，设置在激光腔体外侧的横向磁场，其特征在于，所说的反射镜中至少有一个为偏振双反射膜反射镜，所说的磁场方向近似平行于该激光器输出的o方向或e方向。
2.如权利要求1所述的偏振双反射膜双频激光器，其特征在于，所说的横向磁场的强度为0.01~0.02T。
3.一种制作偏振双反射膜的方法，其特征在于包括以下步骤首先在准备镀高反射膜的圆形玻璃片上施加应力，然后镀高反射膜，去除玻璃片应力，从而在反射膜层上形成残余应变同时，在反射镜封接的过程中形成新的应变，二者的联合作用结果构成激光反射镜上的反射相位跃变，采用椭偏仪或半内腔激光器和探测器，频率计进行测量，得到反射相位跃变值。
全文摘要
本发明属于激光技术领域,包括由激光腔体及其两端封接的两个反射镜组成的全内腔He－Ne激光器和设置在激光腔体外侧的横向磁场,所说的反射镜中至少有一个为偏振双反射膜反射镜,所说的磁场方向近似平行于该激光器输出的o方向或e方向。本发明结构简单,光束特性好,为TEMOO模,两个不同频率的光为相互垂直的线偏振光,且其频差合适,频率稳定性和频差稳定性都很好等优点,适用于制作高速外差干涉仪。
文档编号H01S3/08GK1254212SQ99123748
公开日2000年5月24日 申请日期1999年11月19日 优先权日1999年11月19日
发明者殷纯永, 郭继华, 毛文炜, 高赛 申请人:清华大学