正交线偏振激光器原理与应用(Ⅰ)--正交线偏振激光的产生机理和器件研究

激光诞生后,出现了两种正交偏振激光器:Zeeman双频激光和四频环形激光陀螺. 而由两个反射镜构成谐振腔的激光器、即驻波激光器,其内放入双折射元件时的物理效应和应用却成为空白. 综述了过去十几年国内外,特别是研究了正交偏振驻波激光原理和器件方面取得的进展. 首先,导出激光频率分裂的公式,并利用了几乎全部的量子光学现象(各种双折射元件及其物理效应)实现了驻波激光器正交线偏振激光振荡. 这些量子光学现象有:晶体石英双折射效应、方解石双折射效应、应力(光弹)双折射效应、光电双折射效应等. 其次,实验中观察发现了若干激光物理现象,如晶体石英旋光性造成的频率分裂畸变,强模竞争发生时的两频率间隔,频率分裂的越级等. 再次,由于原理的限制,传统的Zeeman双频激光器输出的频差不可能大于3?MHz. 为了解决这一问题,实验室制成了几种原理的正交偏振双频激光器件:可输出40?MHz到几百MHz频差的双折射双频激光器;可输出从1?MHz到几百MHz频差的双折射-Zeeman双频激光器和双双折射双频激光器;输出巨大频差(几个GHz)的LD泵浦YAG双折射双频激光器;纵模间隔约为c/4L(普通激光器为c/2L)的激光器等.     

正交线偏振激光器原理与应用（I）——正交线偏振激光的产生机理和器件研究

激光诞生后，出现了两种正交偏振激光器：Zeeman双频激光和四频环形激光陀螺．而由两个反射镜构成谐振腔的激光器、即驻波激光器，其内放入双折射元件时的物理效应和应用却成为空白．综述了过去十几年国内外，特别是研究了正交偏振驻波激光原理和器件方面取得的进展．首先，导出激光频率分裂的公式，并利用了几乎全部的量子光学现象(各种双折射元件及其物理效应)实现了驻波激光器正交线偏振激光振荡．这些量子光学现象有：晶体石英双折射效应、方解石双折射效应、应力(光弹)双折射效应、光电双折射效应等．其次，实验中观察发现了若干激光物理现象，如晶体石英旋光性造成的频率分裂畸变，强模竞争发生时的两频率问隔，频率分裂的越级等．再次，由于原理的限制，传统的Zeeman双频激光器输出的频差不可能大于3MHz．为了解决这一问题，实验室制成了几种原理的正交偏振双频激光器件：可输出40MHz到几百MHz频差的双折射双频激光器；可输出从1MHz到几百MHz频差的双折射-Zeeman双频激光器和双双折射双频激光器；输出巨大频差(几个GHz)的LD泵浦YAG双折射双频激光器；纵模问隔约为c／4L(普通激光器为c／2L)的激光器等．     

激光器纳米测尺原理

以笔者发现的激光频率分裂、模竞争、腔调谐等双折射双频激光物理效应，研制成激光器纳米测尺。激光器自身就是纳米量级位移传感器，利用腔内双折射元件把一个激光频率分裂成2个频率（⊥光模和∥光模）；当一腔镜沿激光器轴线移动并使这两个频率扫过激光增益区时，强烈和中等程度的竞争交替出现，把出光带宽分成3个等宽区间；合激光纵膜间隔为出光带宽的4/3时，在腔镜移动第一个λ/8波长内强竞争使⊥光模抑制掉∥光模，第二个λ/8波长内中度竞争使⊥光模和∥光模可一起振荡，第三个λ/8波长内强竞争使∥光模抑制掉⊥光模，第四个λ/8波长内⊥光模∥不振荡，激光器无光输出；4种状态重复一次，反射镜移动λ/2，计算出状态数，可知腔镜位移。由4个区域光偏振各不相同来判断腔镜位移方向。腔镜经一个机械测杆和被测物接触，实现被测物位移测量。测量范围已达15mm，分辩率79.08mm，线性度5×10-8，重复性2σ优于0.314μm。该成果是激光技术和精密计量两领域交叉融合取得 的自主原创性、有重要意义的突破性进展。     

LD泵浦超大频差双频Nd:YAG激光器设计

在分析双折射滤光片选频原理的基础上,设计了一种新型双频绿光激光器并验证了其可行性。在LD泵浦Nd:YAG绿光激光器的驻波腔中插入一块偏振分光棱镜(PBS),使其与倍频晶体KTP共同构成双折射滤光器以实现单纵模运转;同时使p分量和s分量的1 064 nm基频光分别在直线腔和直角腔中以单纵模振荡,经KTP倍频后输出两路正交偏振的532 nm绿光,再由另一块PBS合光即可实现双频绿光输出,其频差范围约为0~180 GHz。     

正交线偏振激光器原理与应用(Ⅲ)--精密测量应用原理及技术基础研究

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:①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,②基于频率分裂激光器两偏振光回馈的位移测量原理,③直接利用波片形成频率分裂的波片位相延迟测量原理,④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,⑤压强测量原理,⑥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12mm、分辨率79nm、线性度小于5×10-5. 波片位相延迟测量系统重复性达到0.3′.     

Nd:YAG微片激光力传感器横截面上的频差分布

针对谐振腔内含有圆盘形应力双折射元件的平平腔Nd:YAG微片激光力传感器,依据较成熟的光弹性理论,研究了对径加力情况下整个腔内应力双折射圆盘横截面上各点对应的激光频差分布特性,并给出了相应的激光频差计算公式.激光频差的实验测量结果与数值模拟结果基本一致.本研究为大幅提高其传感灵敏度提供可能,也为计算激光照射位置偏离圆盘圆心(或其他目标)时的传感灵敏度及误差提供依据,为发展基于腔内应力双折射效应及不同激光照射位置的新型小加力、大频差可调谐双频激光器开辟了新途径.     

腔外调谐双频(塞曼)激光器荣获国家发明奖

基础课物理教研组研制成功的“腔外调谐双频(塞曼)激光器”,于1981年7月经国家科委发明评选委员会讨论通过,获得国家发明奖四等奖。 双频激光器是精密量测仪器──双频激光干涉仪的核心部件。它是利用塞曼效应产生频率不同的左、右旋圆偏振光,供双频激光干涉仪作为相干光源使用。与单频激光干涉仪比较,使用双频激光的干涉仪具有多功能、抗干扰、不需予热、电子运算装置简化等优点。双频(塞曼)激光器包括激光器本身、横向铌酸锂电光调制器、双频稳频器及双频激光接收装置四部分。 物理教研组研制成功的腔外调谐(塞曼)激光器在结构上有自己的…     

利用微失调扭转模腔产生双频激光

目的 研究在激光二极管泵浦固体激光器内利用扭转模腔微失调的方法产生单纵模分裂并输出相干双频激光,频差连续可调。方法 采用琼斯矩阵分析光在谐振腔内的本征方程,得到它的本征值和本征向量,从而可表示模在腔内的相位延迟和偏振状态。     

中频差Zeeman双折射双频激光干涉系统的实验研究

Zeeman双折射双频激光器能够输出3~40 MHz频差的双频激光,可用作高测速双频激光干涉仪的光源。针对这种激光器的特点,以频差约7 MHz的Zeeman双折射双频激光器为干涉仪的光源,建立了中频差双频激光干涉仪测量系统。经过与商用HP5528A双频激光干涉仪的比对测量实验得出,中频差双频激光干涉仪实验测量系统测量线性度小于0.002%,测量的标准不确定度小于0.1μm,证明了中频差双频激光干涉系统的可行性和针对这种光源采用的设计方案的正确性。     

LD泵浦单频固体激光器的结构设计

在分析双折射滤光片选频原理的基础上,采用半波片和偏振分光棱镜(PBS)共同构成的双折射过滤光片以实现激光器单纵模运转。通过结构的设计,使激光器达到小型化,集成化。并且可以通过自聚焦透镜、激光晶体和输出镜位置的调节,实现泵浦光与振荡激光的最佳模式匹配,保证最低阈值泵浦功率、最高输出功率和斜效率。     

DBR光纤激光器压力传感系统的研制

研制了一种基于正交偏振形式的双频分布式布拉格反射(Distributed Bragg Reflection,DBR)光纤激光器光纤压力传感器系统。当外部压力作用在光纤激光器谐振腔上时,光纤晶体双折射的变化会引起正交偏振方向上的激光频率发生变化,从而导致输出拍频频率改变。利用快速光电二极管将双频激光输出的拍频信号转换成射频电信号,通过一个射频混频电路将该信号与频率合成器产生的本地振荡信号混频并低通滤波放大整形,变为400 M以下的调频信号,再利用ECL定时计数电路系统记录拍频信息并通过USB接口送入计算机。实验表明,在0~1.5 N范围内线性拟合度高达99.97%,压力灵敏度为400 MHz·N-1。     

DBR光纤激光器压力传感系统的研制

研制了一种基于正交偏振形式的双频分布式布拉格反射(Distributed Bragg Reflection, DBR)光纤激光器光纤压力传感器系统。当外部压力作用在光纤激光器谐振腔上时,光纤晶体双折射的变化会引起正交偏振方向上的激光频率发生变化,从而导致输出拍频频率改变。利用快速光电二极管将双频激光输出的拍频信号转换成射频电信号,通过一个射频混频电路将该信号与频率合成器产生的本地振荡信号混频并低通滤波放大整形,变为400 M以下的调频信号,再利用ECL定时计数电路系统记录拍频信息并通过USB接口送入计算机。实验表明,在0～1.5 N范围内线性拟合度高达99.97 %,压力灵敏度为400 MHz·N^-1。     

毫微秒脉冲染料激光器的偏振运转特性

本文提出了一种设计偏振运转毫微秒脉冲染料激光器的方法。它不需要在腔内插入任何附加的偏振器(起偏器),而祗要通过正确选择调谐腔的组成元件及腔长或(脉宽)等参数,利用受激染料分子的扩散再定向作用,即可获得线偏振的可调谐激光输出。文中用一偏振比时间函数公式ρ(t)同弱光场分量相对寿命τ_s来描述这种激光器的时间偏振特性,从理论上分析了实现自动全偏振运转的可能性与条件,并对几种典型的脉冲染料激光器进行了各种实验研究。     

腔内石英晶片产生的Nd:YAG激光纵模分裂现象

为了获得１．０６μｍ波长的双频激光,在二极管泵浦Ｎｄ：ＹＡＧ激光器的谐振腔内放置一石英晶片,观察到了纵模分裂现象,分裂量（即频率差）可随晶片的转动而在整个纵模间隔上调谐。当腔内既有选模元件（熔凝石英Ｆ－Ｐ标准具）又有石英晶片时,同样能够产生纵模分裂现象（产生两个频率）,但ｏ模和ｅ模不能同时起振。纵模分裂量的实测值与理论相吻合。     

掺铒光纤激光器中的模式损耗测量与模式竞争

模式竞争效应是实现激光器稳定输出的理论基础。由于各纵模的损耗不同,导致起振阈值不同。在测量掺铒光纤Bragg光栅FP腔激光器振荡模式损耗的基础上,对掺铒光纤Bragg光栅FP腔激光器的模式竞争效应进行理论与实验研究。采用衰荡光谱技术测量掺铒光纤Bragg光栅FP腔激光器振荡模式的损耗,确定各振荡模式的阈值条件,讨论激光器中的模式竞争。研究结果表明各振荡纵模损耗直接影响模式竞争结果。所得结果为单波长、双波长及多波长光纤激光器制作提供理论依据。     

新型可调谐染料激光器

报导一种新型的由声光调Q内腔倍频Nd:YAG激光泵浦的可调谐染料激光器。该激光器采用折迭腔型,双折射滤光片为调谐元件,实心标准具用于腔内压缩线宽,获得重复频率1～25kHz连续可调、最大输出功率W级,最窄线宽0.000 8nm、脉宽120～150ns、波段280～825nm分段可调的染料激光输出。     

种子注入高重复频率Q开关激光器

分析了自发辐射与注入种子信号在激光建立过程中的竞争对种子注入的影响. 利用单块非平面环形腔单频激光器作为种子振荡信号,注入到高重复频率Q开关构成的从动激光器,获得单脉冲能量大于5mJ、脉冲宽度40ns的单纵模振荡脉冲激光输出. 测试了种子激光器在不同频率、功率及在从动激光器不同抽运能量下种子注入现象发生的几率实验. 结果表明,频率匹配和从动激光器的抽运能量是影响种子注入发生几率的重要因素.     

可调谐CO2激光边带相干光源的稳频激光系统的研制

本文介绍用于可调谐 CO_2激光边带相干光源的稳频激光系统。该系统由具有腔内低气压 CO_2气体吸收室的稳频激光器和另一台偏置频率锁定激光器所组成,输出激光频率可锁在9～11μm 波段每条激光支线的中心,并且单支线输出功率大于5W的多于30条;最强线功率达15W;频率稳定度优于1×10~(-9)(10s 取样);复现性优于1×10~(-8):10min 内功率漂移小于1%.     

高功率可调谐超短激光脉冲

用高重复频率的准分子(Xecl)激光器泵浦染料可调谐激光器的腔倒空输出,进行二级超短脉冲放大。染料可调谐激光器是由锁模氩离子激光器泵浦,得到了峰值功率为8.5Mw,脉冲重复频率100Hz,波长从5780(?)到6150(?)可连续调谐,脉宽为微微秒的激光输出。     

频率稳定性达5×10~(-11)的横向塞曼稳频激光器研制成功

加横向磁场的内镜He—Ne激光管输出相互正交的π和δ两种线偏振光。π光和δ光间的拍频f_(πδ)与腔的调谐状况、磁场和腔镜固有双折射等因素有关,稳定拍频即可获得频率稳定的光频。Morris和Umeda等人采用这种方法得到了频率稳定性达3×10~(-10)(0.1—100sec.)的激光。在国内巴恩旭等人给出了频率稳定性达2.5×10~(-9)的激光。