专利名称：双频激光器系统的制作方法
技术领域：
本发明属于激光稳频技术领域中的一种双频激光器系统。
本发明可以用于(1)通讯光纤的研究;(2)卫星传送照片的图象处理;(3)相对相位和位移的精密测量;(4)轻工化工中旋光物质的研究;(5)光学元件和光学膜层性能的测量;(6)精密光学测量;(7)精密机械测量;(8)精密仪器和高级实验室的激光电源;(9)组成双频激光器列阵，产生几百兆赫的双光频频差。
已有技术1)美国专利3，453，557提出了一种双频激光器系统，它是采用功率平衡法稳频技术的激光器系统，它采用液晶光开关元件交替传送上移光频率分量和下移光频率分量的光功率到光电接收元件。
这个系统的不利之处是(1)输出激光光频率是不可调谐的;(2)原始输入是直流的激光功率，对系统的调试不利;(3)稳频工作点是处于激光功率曲线的顶部，属于激光功率变动的平缓地带。激光功率曲线本身不但存在畸变，而且不容易直观显示;(4)需要一个液晶光开关元件，在缺乏液晶开关元件时，则需要采用固态晶体光开关元件来代替，这就需要高压电源。机芯难以做到一体化，结构比较松散。
2)欧洲专利0，196，856提出了一个双波长氦氖激光器系统。采用外腔结构，在激光腔内放置一个甲烷小盒以控制和平衡二个光波长分量。用高电压驱动带压电陶瓷的端面镜，以周期性地调制激光腔的长度。
这个系统的不利之处是(1)外腔结构的稳定性较差;(2)需要高压电源和压电陶瓷元件;(3)甲烷是挥发性液体，不适宜作永久性光学元件。
3)美国专利5，091，912提出了一个双频激光器系统。这个系统采用外腔结构，激光腔内安置有(1)封闭的激射介质;(2)双折射晶体;(3)四分之一波片。总计12个反射面。
这个系统的不利之处是(1)激光腔内的反射而多，因此激光腔内的损耗大而且系统调正困难;(2)外腔结构的稳定性差;(3)为了稳定光频需要使用高压电源去驱动带压电陶瓷的端面镜;(4)为了稳定光频的差频，需要通过步进马达去旋转腔内一块四分之一波片。
4)美国专利5，091，913提出了一个双频激光器系统。这个系统采用了半外腔结构，包含有(1)带压电陶瓷的端面镜;(2)双折射石英平板;(3)封闭的激射介质;(4)外支撑壳架。
这个系统的不利之处是(1)半外腔结构的稳定性差;(2)需要用高电压去驱动压电陶瓷;(2)由氦氖激光器的制造工艺发展历程说明，以石英管子粘贴端面镜构成的气体激光器寿命短，难以满足商业使用对寿命的要求。
本发明的目的是要克服上述已有技术中不足之处，发明一种双频激光器系统，它应具有长期稳定工作的能力，它的制造、调试和维修简明可靠，寿命长，并且输出激光频率可以调谐。
图1是本发明的双频激光器系统的结构示意图;
图2是本发明的双频激光器系统的拍频曲线线型之一;
图3是本发明的双频激光器系统的拍频曲线线型之二;
图4是可调节轴上磁感应强度的永磁体组合体1的结构示意图;
图5是NO.513960氦氖双频激光管的拍频曲线;
图6是NO.831167氦氖双频激光管的拍频曲线;
图7是用于2.5兆赫芝双频激光器系统中的可调节轴上磁感应强度的永磁体组合体1的结构剖视示意图;
图8是用于1兆赫芝双频激光器系统中的可调节轴上磁感应强度的永磁体组合体1的结构剖视示意图;
图9是双频激光器列阵。
本发明双频激光器系统的结构示于图1。双频激光管4置于可调节轴上磁感应强度的永磁体组合体1内的中心轴线上，也就是说双频激光管4的中心轴线与永磁体组合体1的中心轴线相重合。双频激光管4的尾光20经检偏振器21到达光电混频二极管22，由光电混频二极管22送出拍频信号f到达前置放大器19，再进入监频反馈电路18，和来自晶振电路17的基准频率f0进行频率比较并产生反馈信号，反馈信号控制缠绕在双频激光管4上的热丝2和热丝3中的电流，以此调节双频激光管4的激光腔长度，从而使拍频信号频率f稳定在晶振基准频率f0处。双频激光管4有一可旋转一体化双频激光管托架组合体5支撑，并有二个上压环6固定，双频激光管4的头光16通过四分之一波片14输出。
双频激光器系统的输出光束包含二个光频率，它们的频差为1～2.5兆赫芝数量级，它们的拍频曲线有二种基本线型，分别示于图2和图3。本发明的拍频曲线晶振基准斜率稳频是在拍频曲线斜率较大的中段设置一晶振频率基准f0，利用反馈回路18将拍频信号频率f稳定在晶振基准频率f0处，这同时就实现了激光光频率的稳定。晶振基准频率f0即稳频工作点可以沿着拍频曲线移动，可以设在拍频曲线的左半支或者设在右半支，如图2中所示的拍频曲线28上的A、B两点;或者如图3中所示的拍频曲线29上的A、B两点。因而本发明的激光频率可以沿着拍频曲线进行调谐。
上述可调节轴上磁感应强度的永磁体组合体1通常情况下是圆筒形的。图4是它的具体结构。它的构成是有圆筒形永磁体31，圆筒形永磁体31的个数通常多于1个，在两个圆筒形永磁体31之间放置阻磁隔环32。阻磁隔环32是由导磁材料或非导磁材料做成，它的作用是增加磁路中的磁阻。在圆筒形永磁体31的外侧壁，对称放置有导磁板条30，它的作用是增加磁路的磁导。这就是本发明所采用的冷磁源并作为唯一的磁源，从而大大改善了双频激光管的热环境。
双频激光管4通常是从长寿命商品化氦氖激光管中挑选出来的，最好是不带任何压电陶瓷元件。
上述的由托架27，四分之一波片架15和卡线盘24组成的可旋转一体化双频激光管托架组合体5，其中的托架27是由绝缘的或不绝缘的材料整体加工而成，例如环氧树脂和铝。托架27内有二根侧弦7，托架27两端有前端筒9和后端筒26，在二根侧弦7的内侧安置双频激光管4，托架27的前端筒9和后端筒26分别安置在与可调节轴上磁感应强度的永磁体组合体1坚固地连接在一起的前套筒8和后套筒25中，因而托架27可以旋转，并可用螺钉10加以固定。可旋转四分之一波片架15安置在托架27的前端筒9外端面上，卡线盘24安置在托架27的后端筒26的外端面上。
所说的四分之一波片架15的构成是有四分之一波片14安装在转筒12之中，并用压环13固定，转筒12安置在底座11之中，可以旋转，并可用螺钉加以固定，底座11再与托架27的前端筒9的外端面连接，四分之一波片架15的中心轴线与托架27的中心轴线重合。这样就可以使四分之一波片14相对于双频激光管4作相对旋转，并亦可与双频激光管4作一整体一起旋转，以找到双圆偏振光转变为双线偏振光的最佳补偿位置和双线偏振光的水平一垂直位置。
所说的安置在托架27后端筒26外端面上的卡线盘24是由绝缘材料加工而成，如有机玻璃等。卡线盘24上有几个导线管23，电引线在导线管23中通过，并可用螺钉将导线固定。在卡线盘24的中心，面向尾光20的方向，置有检偏振器21和光电混频二极管22。
可旋转一体化双频激光管托架组合体5保证了双频激光管4总是处在可调节轴上磁感应强度的永磁体组合体1的中心轴线上，当它旋转时，能顺利实现双线偏振光的水平-垂直的方位调正，使双频激光器系统的制造、安装、调试和维修具有简明性和可靠性。
本发明的优点(1)本发明双频激光器系统的输出激光频率在稳光频状态下可以沿着拍频曲线进行调谐，其调谐的范围就是激光器单纵模的工作频域。因而可以用二台本发明的双频激光器系统构成一个双频激光器列阵，该列阵能够产生并可进行电子调谐的几百兆赫的双光频频差。
(2)本发明双频激光器系统具有长的工作寿命，其不需要维修的起点工作寿命是一万工作小时。这一优点的获得是我们选用了因不带压电陶瓷元件而长寿命的双频激光管并配之以可调节轴上磁感应强度的永磁体组合体的特殊设计。
(3)由于我们采用了可旋转一体化双频激光管托架组合体的设计，并配置相应的调试装置，所以获得了本发明双频激光器系统的制造、安装、调试和维修具有简明性和可靠性。
实施例实施例1双频激光器系统的结构如图1所示。频率为2.5兆赫芝，可调节轴上感应强度的永磁体组合体1为圆筒形。
该永磁体组合体1的结构示于图7。采用了二只圆筒形永磁体31，其尺寸为φ75×φ102×64，所用永磁材料为铝镍钴LNG37。采用了一只阻磁隔环32，尺寸为φ75×φ102×8，所用材料为45号钢。因为所用的不同数量的阻磁隔环32和导磁板条30的组合，所获得的轴上磁感应强度的幅度和曲线形状的变化会有所不同，图7中曲线35、36、37、38和39就是在不同的组合下所获得。在本实施例中，为双频激光器系统能产生频率为2.5兆赫芝所需要的轴上磁感应强度的较平滑的曲线39，使用一个厚8mm的阻磁隔环和12根导磁板条。实现了2.5兆赫芝的双频激光器系统。
实施例2双频激光器系统如图1所示，其频率为1兆赫芝。可调节轴上磁感应强度永磁体组合体1仍然为圆筒形，具体结构如图8所示。
永磁体组合体1采用4只圆筒形永磁体31，其单个尺寸为φ63×φ81×24，所用永磁材料为铝镍钴LNG13。采用三只阻磁隔环32，其尺寸分别为φ63×φ81×5和φ63×φ81×2，所用材料为45号钢。采用了不同数量和尺寸的导磁板条如数量为0、1、2、4、6所获得曲线如图8所示的曲线40、41、42、43、44、45和46，对于本实施例中双频激光器系统要求获得频率为1兆赫芝的轴上磁感应强度的曲线是曲线44最为合适。
实施例3双频激光器系统的结构如图1所示，频率为2.5兆赫芝，双频激光管4为No.513960的氦氖激光管，它的拍频曲线33和工作点A示于图5。采用了图7上所示的磁感应强度曲线39。选用了156.8nm的四分之一波片14。该系统达到了如下指标(1)光频稳定度5×10-9/24小时。
(2)双圆偏振光转变成双线偏振光的隔离度1/60。
(3)拍频频率漂移1KHZ/24小时。
(4)激光功率稳定度千分之一。
与已有技术1(1)光频稳定度±2×10-9/1小时。
(2)双圆偏振光转变双线偏振光的隔离度1/38。
(3)拍频频率漂移8.7KHZ/5小时20分。
对于上述几项的比较说明本发明的双频激光器系统频率稳定度高、寿命长、调试简单。
实施例4双频激光器系统的结构仍然如图1所示，输出频率为1兆赫芝，双频激光管4的编号为No.831167的氦氖双频激光管，它的拍频曲线34示于图6，其工作点为A点，该实施例中采用了如图8所示的磁感应强度曲线44，获得结果频率稳定，工作寿命满足商业要求。
实施例5采用二台本发明的双频激光器系统如图1所示的结构，可以组成双频激光器列阵。如图9所示，一台双频激光器系统47输出光频率为v1，经部分反射板48反射到部分反射板49上，再进入拍频，鉴频与反馈电路51中;另一台双频激光器系统52输出光频率为v2，经部分反射板49也进入拍频、鉴频与反馈电路51中，v1和v2进行拍频，同时与来自基准频率发生器50的基准频率f00相比较并产生反馈信号。该列阵能够产生并可进行电子调谐获得几百兆赫芝的双光频频差。
权利要求
1.一种双频激光器系统，含有双频激光管(4)，其特征在于双频激光管(4)置于可调节轴上磁感应强度的永磁体组合体(1)内，并双频激光管(4)的中心轴线与永磁体组合体(1)的中心轴线相重合，双频激光管(4)的尾光(20)经检偏振器(21)到达光电混频二极管(22)，送出拍频信号f到达前置放大器(19)，再进入监频反馈电路(18)，与来自晶振电路(17)的基准频率f0进行频率比较并产生反馈信号，反馈信号控制缠绕在双频激光管(4)上的热丝(2)和热丝(3)中的电流，双频激光管(4)有可旋转一体化双频激光管托架组合体(5)支撑，并有二个上压环(6)固定，双频激光管(4)的头光(16)通过四分之一波片(14)输出。
2.根据权利要求1所述的一种双频激光器系统，其特征在于可调节轴上磁感应强度的永磁体组合体(1)有多于1个的圆筒形永磁体(31)，与永磁体(31)连成一体的有前套筒(8)和后套筒(25)，在永磁体(31)的中间有阻磁隔环(32)，在永磁体(31)的外侧壁，对称置有导磁板条(30)。
3.根据权利要求1所述的一种双频激光器系统，其特征在于可旋转一体化双频激光管托架组合体(5)有托架(27)，托架(27)内有二根侧弦(7)、托架(27)两端有前端筒(9)和后端筒(26)，在二根侧弦(7)的内侧置放双频激光管(4)，托架(27)的前端筒(9)外端面置有可旋转的四分之一波片架(15)，托架(27)的后端筒(26)外端面置有卡线盘(24)，托架(27)的前端筒(9)和后端筒(26)分别置于可调节轴上磁感应强度的永磁体组合体(1)的前套筒(8)和后套筒(25)中，因而托架(27)可以旋转，亦可用螺钉(10)固定。
4.根据权利要求1或3所述的一种双频激光器系统，其特征在于四分之一波片架(15)有四分之一波片(14)装在四分之一波片架(15)的转筒(12)中，并有压环(13)固定，转筒(12)置于底座(11)之中，底座(11)再与托架(27)的前端筒(9)连接，四分之一波片架(15)的中心轴线与托架(27)的中心轴线重合，四分之一波片(14)对于双频激光管(4)可作相对旋转，或者与双频激光管(4)一起作整体旋转。
5.根据权利要求1或3所述的一种双频激光器系统，其特征在于卡线盘(24)上有几个导线管(23)，电导线在导线管中通过，并可固定，卡线盘(24)的中心，而向尾光(20)的方向置有检偏振器(21)和光电混频二极管(22)。
全文摘要
本发明是一种双频激光器系统，主要由双频激光管、可调节轴上磁感应强度的永磁体组合体、检偏振器、光电混频二极管、前置放大器、监频反馈电路、晶振电路、可旋转一体化双频激光管托架组合体以及四分之一波片架所构成，具有激光频率可以沿着拍频曲线进行调谐，工作寿命长、制造、安装、调试和维修有简明性和可靠性的优点。
文档编号H01S3/10GK1089763SQ9311255
公开日1994年7月20日 申请日期1993年9月14日 优先权日1993年9月14日
发明者施志果, 王润文 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所