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李 岩② 张书练 韩艳梅
(清华大学精密仪器与机械学系精密测试技术及仪器国家重点实验室 北京100084)
摘 要 报道了自行研制的3～40MHz 频差的双频激光器。用两种方法成功地得到3～40MHz 的频差：第一种方法是将寻常光(o 光)和非寻常光(e 光)在空间分离，使其各自使用各自行进路径上的放大Ne 原子介质；第二种方法是对双折射双频激光器外加横向磁场，将放大Ne 原子介质分成两类，一类只放大o 光，另一类只放大e 光。 关键词 双频激光器，频差,HeNe 激光器
0 引言
作者对激光频率分裂技术研究[1,2]的最初目的是为了得到大频率差的双频激光器，以提高双频激光干涉仪的测量速度。现有两种HeNe 双频激光器：塞曼双频激光器和双折射双频激光器。众所周知，国内外的双频激光干涉仪都是使用塞曼激光器作为光源[3] 蕲蛇酶注射液
。加横向磁场的HeNe 激光管称为横向塞曼激光器，加纵向磁场的HeNe 激光管称为纵向塞曼激光器。塞曼双频激光器是基于磁场产生Ne 原子光谱线的分裂和模牵引效应而工作的。以纵向塞曼激光器为例，在纵向磁场的作用下，激光介质Ne 原子的光谱线出现分裂，发出左旋光和右旋光。理论和实验均证明，塞曼双频激光器的频差最大约为4MHz ，这就是包括美国惠普公司在内的全世界双频干涉仪生产厂所用的双频激光器。因为这一频差比较小，限制了干涉仪测量速度的提高，如美国惠普公司销往全世界的双频激光干涉仪测量速度仅为700mm /s ，因此，更大频差的双频激光器在计量领域是迫切需求的。
作者自行研制的石英晶体调谐的HeNe 双频激光器先后获得中国和美国专利[4]
。其基本方案是
在激光器腔内设置一具有双折射
效应的石英晶片，并使石英晶片晶轴与激光束成一角度(以得到双频激光输出，通过对θ的调整，来改变频差的大小。这种激光器的不足之处是输出频差的大小对
石英晶体的切割角度、厚度和定位精度特别灵敏，很
难重复制造出频差相同的激光器。为了克服已有技术的不足之处，作者又研制出基于光弹效应的应力
双折射双频激光器[5]。在激光腔内放置消反射的光学元件，如K4玻璃、K9玻璃、熔融石英片等，当
对该光学元件对径加力时，就会产生了应力双折射效应。o 光和e 光通过这样的元件后同样会产生光程差，由应力双折射元件造成的o 光和e 光之间的频差与所加力的大小成正比，因此可通过控制力的大小来控制频差的大小。这种激光器可产生数千MHz 的频差。但因为o 光和e 光是在同一光路上行进，和同一空间内的Ne 原子相互作用产生激光，从而存在强烈的模竞争效应。当两频率之差小于数十MHz 时，一个频率因竞争而熄灭，作者称之为频差闭锁。
uc3907用上述双折射双频激光制成的干涉仪由于频差很大，信号探测处理系统较复杂，造价昂贵，在测量速度要求不是很高的情况下，这样的频差有一定程度的浪费。此前尚没有一种激光器能产生约从3MH z 到40MH z 的频差，而10～20MH z 的频率差是最佳频差。用它可提高双频激光干涉仪的测量速度，且其后序处理电路又远比40MHz 以上频差的系统简单，可在现有双频干涉仪基础上实现。因此输出3～40MHz 频差(作者称为中频差)的双频激光器在计量领域是期盼已久的。
作者认为双折射双频激光不能产生小于40M Hz 的频差是因为o 光和e 光在激光器毛细管内沿同一光路行进，和同一空间内的Ne 原子相互作用，争夺增益。频率差越小，竞争越强。对双折射双频激光o 光和e 光的功率调谐曲线的研究可观
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41—①②男,1963年生，博士，副教授；研究方向：激光技术，精密计量与测试；联系人。 (收稿日期:2000-11-20；修订日期:2001-01-02)
国家自然科学基金(69778010)及北京市自然科学基金(4992006)资助项目。
察到这种模竞争现象[6]。HeNe 激光属于以多普勒展宽为主的综合加宽，双频激光器两频率均在增益线上烧孔，孔的宽度约为350M Hz 。因此，间隔小于700MH z 的两频率的烧孔就会发生重迭。频差越小，重迭越多。一般使用的频差往往小于700M Hz ，两频率的竞争就是不可避免的。当频差小于40MHz 左右时，强烈的模竞争效应使一种光熄灭，双频激光又退回到单频激光。因此，消除闭锁的唯一方法是消除频率之间的模竞争。
煮机坛子有了对闭锁原因的清楚认识，就可到解决问题的思路：设法让双频激光的o 光和e 光分别占据一放大介质的原子，以避免这两个频率对放大介质原子的相互竞争，消除闭锁，即可得到小于40MHz
的两个频率。
按上述思路，作者采取两种方案，都获得了成功。第一种方案是将o 光和e 光在毛细管内空间分离，各走各的路径，各自使用各自行进路径上的放大介质原子。第二种方案是使用外加横向磁场将放大介质原子分成两类：一类只放大o 光，一类只放大e
光，同样避免了o 光和e 光的模竞争。
1 o 光和e 光在激光毛细管内空间分
离且平行传播消除频差闭锁
在激光谐振腔内放入一方解石片，使形成o 光和e 光并使它们在激光器毛细管内空间分离开。o 光和e 光空间的分离避免了这两种光线的模竞争。激光谐振腔内还引入一片晶体石英或应力双折射元件，旋转晶体石英片或改变加在应力双折射元件上的力可微调o 光和e 光的频率差，使激光器频率差从几MHz 到几十MHz 之间改变。
图1是实现这个原理的HeNe 激光器的结构示意图。1是一个凹面镜,2是一平面镜,1和2构成激光谐振腔。3是HeNe 激光器放电管。8和9是增益管的窗片，它由镀了增透膜的熔石英K9玻璃或K4玻璃制成。4是两表面镀有高增透膜的，其晶轴和激光谐振腔轴线成一定角度的方解石片。5是一片双面镀有
增透膜的晶体石英。 由于方解石片4
光耦电路的晶轴与激光谐振腔轴夹一定
图1 o 光和e 光在激光毛细管内空间分离的HeN e 激光器的结构示意图
角度α，其双折射效应使一个激光频率分裂成o 光
和e 光，且o 光和e 光在激光毛细管内空间分离，见图1中光线6和7。当激光垂直入射到方解石的表面时，由于晶轴和激光腔轴夹一定角,o 光和e 光有一定的空间分离量d 。由于o 光和e 光分别与自己行进路径上的Ne 原子相互作用，它们之间的模竞争效应被大大减弱了。d 越大，模竞争越弱，两频率越容易独立振荡。
本研究表明，当方解石的切割角为45°、厚为2.6mm 时，正入射时d 为0.25mm 。但方解石晶轴和He
Ne 激光器放电管的角度α受到毛细管内径的限制，不能太大(对于180mm 长的激光器，毛细管的内径约为1.0m m )，且振荡激光有一定的光束直径,o 光和e 光空间分离最终受到毛细管壁的限制，而且
越远离毛细管中心，激光增益也越小。
图1中方解石4有很强的双折射效应，除了引入o 光和e 光空间分离外,α的微小改变将引入很大的光程差，即产生一个大的o 光和e 光频率差。为此放入另一片双折射晶体片5。激光腔内的总双折射可以看作是方解石4和晶体石英片5的合成，晶体石英的双折射系数约是方解石的1/10。晶体石英厚2～3mm ，即使其晶轴c2和激光轴夹角β达到几十度，其光程差也不能明显地改变由方解石造成的o 光和e 光空间分离的大小，但这一光程差却可以起到对激光腔内双折射的微调作用，即：将激光频率分裂调到作者所需要的几M Hz 到几十MHz 内的任一值。
图2是利用应力双折射效应调谐频差的原理
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表面清洁度42—
图，凹面镜1和平面镜2构成谐振腔。光学玻璃片和方解石片4双面镀增透膜，放置于激光增益管3的两侧，方解石造成o 光5和e 光6的空间分离。
当旋转螺钉8向玻璃片7加压力时,7内出现应力
双折射，双折射大小由加力大小来调节，即o 光和e 光频率差通过旋转两螺钉8改变到作者所需要的从几MHz 到几十MH z 的大小
。
图2 利用应力双折射效应调谐频差的原理图
2 将激光介质分成o 光增益原子和e
光增益原子消除频差闭锁
在横向磁场的作用下，增益线将分成π和σ增益曲线(其中使用π增益线的光的偏振方向平行于磁场，使用σ增益曲线的光偏振方向垂直于磁)，两曲线中心频率之差约为:
(Δυ)m =
1.8H (MH z )式中,H 是磁场强度。π增益线对应于平行磁场方向的偏振光,σ增益线对应于垂直于磁场方向的偏振光,π和σ增益线仅对与它们偏振方向相同的光有放大作用，即在激光器内行进的光中，偏振方向与磁场方向相同的光，在π增益曲线上烧孔被放大。而垂直于磁场方向振动的光在σ增益曲线上烧孔被放大。但平行于磁场方向振动的光不能被σ增益曲线放大。同样，垂直于磁场方向振动的光不能被π增益曲线放大。
当在应力双折射双频激光器的腔内双折射元件上平行或垂直于磁场方向施加外力时，在激光谐振腔内
形成偏振方向分别平行或垂直于磁场方向的两正交线偏光。这两线偏振光各自地被对应于π和σ增益线的增益原子放大而互不影响。不存在激光模的竞争，两频率不再相互争夺增益原子，也就不存在优胜频率和失败频率，两者都可稳定振荡，即闭锁效应被排除了。激光器可以产生1MH z 至几百MHz 的频率差。
根据以上讨论，在本研究中，两频率的产生及两频率的频差是由在腔内双折射元件所加力给定的。而磁场的作用是消除激光器两频率间隔较小时相互
之间的强模竞争，使两个频率都稳定振荡，激光器成为无频差闭锁的双频激光器，产生出从近于零到几百MHz 的频率差。
在本研究中，磁场的作用与已有的塞曼双频激光器中的磁场的作用不全相同。后者主要是用于形成几百KHz 频差的两正交偏振光，而作者主要是将激光增益原子分裂成两类。在磁场的作用下，一类激活原子发射偏振方向与磁场方向平行的光，另一同等数量的原子发射偏振方向与磁场垂直的光(简称π成分和σ成分)
。
图3 应力双折射双频激光器上加横向磁场
减小模式竞争的示意图
B ：磁场;F ：外力
图3是全内腔的小频差双折射双频激光器结构示意图。它的结构与一支普通的HeNe 激光器相似，输出镜由K4或K9玻璃材料制成，不同点是此输出镜的内表面镀增透膜，另一面镀反射膜，且镀增透膜的一面面向激光毛细管，通过一个机械装置对这一输出镜加力。由于输出镜基片置于激光腔内，这样在腔内就有了光弹元件，通过改变力的大小就可以获得不同的频差。在这种光弹效应双折射双频激光器上加横向磁场，输出频差可以从1MHz 起至几百MHz 连续变化。
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图4是可同时观察激光输出模式和频差的实验系统图。实验采用了一个全内腔式双频激光器，长170mm ，输出功率约为0.6mW 。腔内应力双折射元件为里侧镀增透膜，外侧镀反射膜的平面输出镜。激光器为硬封接。在激光器上加横向磁场B ,B 的方向和K4片加力F 的方向垂直。通过调节外力F
的大小来调谐输出频差的大小，可观测到频差可从1MH z 连续调谐至约50MHz 。同时为了观察频差变化时对应的模式状态，把输出的激光束用分束镜S 分为两路：一路通过扫描干涉仪D 输入到示波器
O 上；另一路通过检偏镜P 后由光电探测器接收进入频率计C 显示频差
。
图4 可同时观察激光器输出模式和输出频差的实验装置
3 结束语
用两种方案使应力双折射双频激光器消除了频差闭锁，获得从1MHz 到几十MHz 乃至几百MHz
的双频振荡，使双折射双频激光器的输出频差可以从1MHz 到几百MHz 之间变化。这种范围在3～40MHz 消除了频差闭锁的双折射双频激光器可满足计量领域多年期盼的实际需求，将为提高双频激光干涉仪的性能，特别是在提高双频激光干涉仪的
测量速度，起到重大推进作用。
参考文献:
[1]Yang S ,Zhang S .Optics Com munications ,1988,68:55[2]Zhang S ,Wu M ,Jin G .Applied Optics ,1990,29:1265[3]关信安.双频激光干涉仪.北京：中国计量出版社,1987[4]US Patent 5091913
[5]Han Y ,Z hang Y ,Li Y ,et al .Optics and Las ers in Engi -neering ,1999,31:207
[6]李岩，傅杰，韩艳梅.激光与红外,2000,30(1):230
Dual -frequency HeNe Lasers of 3～40MHz Frequency -difference
Li Yan ,Zhang Shulian ,Han Yanmei
(The State Key Labo ratory of Precision Measurement Technology and Instruments ,
Dept .of Precision Instruments ,Tsinghua University ,Beijing 100084)
Abstract
A new HeNe dual -frequency lasers of 3～40MHz frequency -difference ,which has been strongly anticipated for a long time in metrology ,is repo rted .To obtain 3～40MH z frequency -difference ,tw o successful ways are found .Method 1is to separate the ordinary light (o -light )and ex trao rdinary light (e -light )spatially ,and to make them travel along different path and interact with the Ne atoms in their ow n paths .Method 2is to divide Ne atoms into two kinds by applying transverse magnetic field o n birefringent dual -frequency laser ,one kind on -ly interacts w ith o -light and the other only w ith e -light .
空气雾化喷嘴
Key words :Dual -frequency laser ,Frequency -difference ,HeNe laser
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