专利名称：能输出光强稳定的两垂直偏振光的HeNe激光器的制作方法
技术领域：
本发明属于激光器设计领域。
背景技术：
自混合干涉位移测试技术(也称作光回溃测试技术)是利用激光器光强会因其输出光重新返回谐振腔而变化的现象进行测量的一门技术。该种位移测量装置光路系统只有一只激光器和一个外界反射物。激光器输出的光被反射或散射后返回激光谐振腔，与腔内光混合引起激光器的功率变化，外部反射镜每移动半个光波波长的位移激光器功率变化一个条纹，条纹的波动深度与传统双光束干涉系统可比较。激光器功率条纹可直接用于计数而实现位移测量，系统分辨率为半个波长。
自混合干涉系统在测量中利用的是激光器自身光强变化而实现计数，因此自混合干涉系统对激光器的光强的稳定性要求较高，如果激光器因外界温度变化、震动等而引起其自身光强不稳，使得光强漂移较大，那么光强的漂移将会引起误计数，从而影响测量结果的准确度。
自混合干涉系统一般使用单纵模的激光器，例如在HeNe激光器中，要使得激光器为单纵模激光器，一般要设计激光器腔长较短，至少保证激光器出光带宽小于两个纵模间隔。但考虑到激光器较大的光强输出，一般要使得激光器工作在增益曲线上中心频率附近，这样激光器不仅为单模，而且光强较大。
在实际应用中，激光器光强因外界温度变化、震动等而漂移，该光强漂移将会引起误计数。激光器光强的漂移可以通过腔调谐的过程来模拟。首先定义激光器的波动深度为M=Imax-IminImax+Imin----(1)]]>Imax和Imin分别为激光器输出光强的最大值和最小值。对于短腔长的HeNe激光器，其光强调谐曲线如图1所示。激光器在腔调谐的过程中，并不总是为单模状态，激光器在部分增益曲线范围内为双纵模状态，并且相邻两纵模偏振方向互相垂直。图1中空心圆点曲线为平行光光强曲线图，实点曲线为垂直光光强曲线。腔内两垂直偏振光各自光强在腔调谐过程中变化都较大，两光波动深度都约为0.8。在自混合干涉系统中，回溃信号本身最大波动深度为1，对于短腔长HeNe激光器，实际测量中信号波动深度为0.4-0.7之间比较适合实际应用。如果回溃信号波动深度过大，则要求物体表面反射率要高；反之如果波动深度过大小，则信号微弱而不利于信号处理。
自混合干涉位移测试技术一般使用条纹计数法。条纹计数电路中要使用到迟滞比较器以提高电路的抗干扰能力，同时也能消除光强微小变化所引起的误计数。迟滞比较器上下截止电压差的设定既要保证不能超过回溃信号本身的波动范围，如果超过则无法计数。同时迟滞比较器上下截止电压差也不能小于激光器自身光强漂移的范围，否则会引起误计数。如果实际应用中激光器光强漂移过大，超过了迟滞比较器上下截止电压差，将会引起误计数。因此对于普通的短腔长的HeNe激光器，由于其光强因环境的变化而漂移比较大，需要采取恒温或隔振等方式来保证激光器腔长稳定，才能有效的减少误计数。这样做会使得系统复杂笨重，同时成本也会大大增加。
发明内容
本发明目的在于提供一种能输出光强稳定的两垂直偏振光的HeNe激光器，该激光器光强不因温度变化或震动等而明显变化，可以用于自混合干涉系统，有效的减少误计数。
本发明特征在于，它是一支能输出光强稳定的两垂直偏振光的HeNe激光器，它包括激光增益管，内部充有HeNe混合气体；尾光输出镜，对入射激光的反射率为99.8％，固定并且位于激光增益管轴向输出端上；增透窗片，固定并且位于激光增益管轴向另一侧；小频差发生器，它把谐振腔内一个纵模变成两个以小频差垂直偏振的频率，它是一个机械式应力施加装置，沿垂直于激光增益管轴向安装在上述增透窗片上，对该增透窗片施加一个应力；小频差发生器也可以是一个双折射晶体，位于所述增透窗片和主光束输出镜之间主光束输出镜，反射率为98％，位于上述增透窗片另一侧，即靠近待测物体一侧；横向磁场发生器，它向上述激光增益管施加平行或垂直于上述应力方向的横向磁场；以上所述由激光增益管、尾光输出镜、增透窗片、小频差发生器、主光束输出镜以及横向磁场发生器构成的激光器的腔长L满足3c/2Λ＞L＞c/Λ其中c为光速，Λ为激光器出光带宽。
所述的激光器安装且固定在支架上。
本发明提供了一种能输出光强稳定的两垂直偏振光的HeNe激光器，该激光器光强不因温度或震动等而明显变化，用于自混合干涉系统能有效的减少误计数，见图2。
图1短腔长HeNe激光器内不同偏振光的光强调谐曲线；图2本申请的能输出光强稳定的两垂直偏振光的HeNe激光器示意图及其测试装置；图3本申请的能输出光强稳定的两垂直偏振光的HeNe激光器的实例2；图4本申请激光器内两垂直偏振光的光强调谐曲线图；图5本发明测试曲线图(a)腔调谐过程中本申请激光器在无磁场条件下两垂直偏振光回溃曲线图；(b)腔调谐过程中本申请激光器内两垂直偏振光回溃曲线图。
具体实施例方式
本发明的实验装置如图2所示，1为HeNe激光器的尾光输出镜，其反射率一般为99.8％，2为激光器的增益管，内部充有HeNe的混合气体，3为激光器的增透窗片，4为激光器的主光束输出镜，反射率一般为98％。1，2，3和4共同组成了一只普通HeNe激光器的主体。为了保证激光器能工作在单模状态或工作在双模状态，我们设计激光器腔长为155mm，该腔长满足公式2的限制。为了保证腔内某种偏振光能获得稳定的光强输出，通过机械式应力施加装置5对现有激光器的增透窗片3施加一应力来产生双折射效应。该双折射效应所能使得一个纵模输出两个垂直偏振的频率，这两个频率差为6.7MHz。该机械式应力施加装置为一个镶有一个螺钉的加力环，调节螺钉的松紧可以调节应力的大小。由于模竞争，两频率只能输出一个，故在激光增益管两侧放置横向磁场发生器6，它由两块永久磁铁共同组成。横向磁场发生器产生的横向磁场方向平行或垂直于上述应力的方向，磁场的加入可以大大减小双频激光器中两频率的模竞争以实现小频差的输出。1-6六个部件构成了本申请激光器，该激光器能输出两线性垂直偏振光。
7为外腔反射镜，在实际应用中，该反射镜为待测物体。压电陶瓷8驱动反射镜7沿着光线方向的移动。7和8两个元件组成了自混合干涉系统的外腔，腔长为310mm。7和8两个元件用于对该激光器的回溃特性进行测试。
激光器的尾光经Wollaston棱镜9分为两垂直偏振光，此时得到的两束正交的偏振光分别由探测器10和11探测，所得两光电信号由计算机12进行处理。计算机12通过软件编程的方式实现集信号采集和测量结果显示的功能。元件9-12也是用于对本申请的激光器进行测试的配套系统。整个实验装置可以分为三部分13为本申请的激光器，14为测量部分即自混合干涉系统的外腔，15为信号处理部分。
本发明原理如下。在无光回溃和不加磁场的条件下，本申请所设计的短腔长的HeNe激光器在腔调谐的过程中其光强调谐曲线如图1所示。腔内两垂直偏振光光强都波动较大，两偏振光光强稳定性不好，如用于自混合干涉测量系统容易引起误计数。当对激光器沿着增透窗片应力方向施加一个横向磁场时，激光器增益曲线变为两条，一条为π光增益曲线，一条为σ光增益曲线。两曲线在激光器处于双纵模状态时变化趋势相同。同时磁场的加入也使得激光器中的一个纵模变为两个垂直偏振的频率(π光和σ光)。此时，激光器如工作在双纵模状态，每个模式都包含π光和σ光。相邻两纵模的π光或σ光在腔调谐的过程中此消彼涨，互相补偿，故某种偏振光在激光器工作在双纵模时光强无明显变化。而当激光器工作在单纵模状态时，由于增益曲线中部比较平缓，两种偏振态的光也无明显光强变化。当激光器工作在双纵模时两模中同偏振态的频率的光强总和与激光器工作在单纵模时同偏振方向的频率的光强接近，故在整个腔调谐过程中，激光器光强总体上无明显变化。本申请的激光器所输出的两垂直偏振光光强调谐曲线如图4所示。两光在腔调谐过程中，光强波动深度为0.14，相比于图1中的为0.8的波动深度，本申请激光器光强稳定性要好很多。
图5给出了腔调协过程中本申请的激光器的回溃曲线。在回溃存在的同时缓慢的对激光器进行腔调谐，实验中设置外腔反射镜的驱动信号的周期远小于内腔反射镜驱动信号的周期。实验中对激光器进行腔调谐的目的是主动的使激光器光强漂移，来模拟实际应用中激光器光强因温度变化或振动而引起的漂移。图5(a)为本申请激光器在没有磁场的条件下腔内两垂直偏振光的回溃曲线图。为了更好的观察两偏振光回溃曲线图，图5中平行光回溃曲线向上平移了4500mV，以使得两偏振光回渍曲线图分开便于分析。图5各图中，靠上的曲线为平行光回溃曲线图，中间曲线为为垂直光回溃曲线图而最下面的曲线为外腔反射镜驱动信号。图5(a)中回溃曲线整体上是光强调谐曲线被回溃信号所调制，回溃信号调制幅度与偏振光光强大小成正比。相比于回溃信号幅度，激光器光强漂移过大，无法防止误计数。并且两偏振光都有一段无光的区域，这使得测量无法进行。因此该种类型激光器如用于测量，则要求腔稳定性要很好，而且要锁定腔内模式工作在中心频率附近，以获得幅值较大的回溃信号。这就对测量环境和激光器的制造提出了更高的要求，不仅缩小了应用范围而且也增加了成本。
图5(b)为本申请激光器在腔调谐过程中腔内两垂直偏振光的回溃特性曲线图。回溃曲线整体上仍是光强调谐曲线被回溃信号所调制，但相比于回溃信号幅度，激光器光强漂移幅度明显小于回溃信号波动幅度，并且回溃信号在腔调谐过程中波动幅值不像图5(a)中那样在不同增益曲线位置明显变化。因此我们可以很容易的设置条纹计数电路中的迟滞比较器上下截止电压差大于激光器光强漂移最大值而小于回溃信号波动幅度，这样就可以有效避免误计数。同时在腔调谐的过程中，本申请激光器的某偏振光没有熄灭的状态，不会出现测量因激光器无输出光而无法进行的状态。
本发明的实例2的结构示意图如图3所示。元件1-4以及元件6与图2中的元件1-4以及元件6相同。与实例1不同的是实例1中的小频差发生器使用的是应力施加装置5，而实例2中的小频差发生器使用的是双折射晶体16。
本发明所设计的能输出光强稳定的两垂直偏振光的HeNe激光器，腔长设计满足激光器在腔调协的过程中始终保持激光器单纵模或双纵模输出。利用频率分裂技术使得激光谐振腔内一个纵模分裂为小频差的两个垂直偏振的频率，激光器工作在双纵模时，两纵模中的相同偏振态频率光强此消彼涨并互相补偿，使得两相同偏振态频率光强总和稳定并与激光器单纵模时光强接近。故本申请激光器在腔调谐过程中光强波动不大，具有较好的光强稳定性，对外界干扰不敏感。本发明所设计的能输出光强稳定的两垂直偏振光的HeNe激光器，具有光强不因温度或震动等而明显变化的特点，适合用于自混合干涉系统，能有效的减少误计数。
权利要求
1.能输出光强稳定的两垂直偏振光的HeNe激光器，其特征在于，它包括激光增益管，内部充有HeNe混合气体；尾光输出镜，对入射激光的反射率为99.8％，固定并且位于激光增益管轴向输出端上；增透窗片，固定并且位于激光增益管轴向另一侧；小频差发生器，它把谐振腔内一个纵模变成两个以小频差垂直偏振的频率，它是一个机械式应力施加装置，沿垂直于激光增益管轴向安装在上述增透窗片上，对该增透窗片施加一个应力；主光束输出镜，反射率为98％，位于上述增透窗片另一侧，即靠近待测物体一侧；横向磁场发生器，它向上述激光增益管施加平行或垂直于上述应力方向的横向磁场；以上所述由激光增益管、尾光输出镜、增透窗片、小频差发生器、主光束输出镜以及横向磁场发生器构成的激光器的腔长L满足3c/2Λ＞L＞c/Λ其中c为光速，Λ为激光器出光带宽。
2.根据权利要求1所述的能输出光强稳定的两垂直偏振光的HeNe激光器，其特征在于所述的小频差发生器是一个双折射晶体，且位于所述增透窗片和主光束输出镜之间。
3.根据权利要求1或2所述的能输出光强稳定的两垂直偏振光的HeNe激光器，其特征在于所述激光器安装且固定在支架上。
全文摘要
能输出光强稳定的两垂直偏振光的HeNe激光器属于激光器技术领域，其特征在于，它含有两侧分别装有高反射率的尾光输出镜和增透窗片的激光增益管，位于增透窗片一侧的主光束输出镜，横向磁场发生器以及小频差发生器。小频差发生器可以是位于增透窗片和主光束输出镜之间的一个双折射晶体，或是一个对增透窗片施加垂直于激光增益管轴向方向的机械应力。激光器固定在支架上，激光器腔长设计满足在腔调协的过程中始终保持激光器单纵模或双纵模输出的要求；小频差发生器使激光器谐振腔内一个纵模分裂为小频差的两垂直偏振的频率。它具有光强波动小、稳定性好、抗干扰能力强的优点。
文档编号H01S3/223GK1671011SQ20051001138
公开日2005年9月21日 申请日期2005年3月4日 优先权日2005年3月4日
发明者刘刚, 张书练, 朱钧, 李岩 申请人:清华大学