一种氦氖双频激光器频差产生和赋值方法

摘要

本发明涉及一种氦氖双频激光器频差产生和赋值方法，包括以下步骤：1）设置包括有双频激光器、激光雕刻机和计算机的测量系统，双频激光器的输出镜为应力双折射镜；2）激光雕刻前，将双频激光器的垂轴方向加磁场，开启双频激光器，测试并标示出双频激光器输出两束偏振光的偏振方向，并确定应力增加时，频差也相应增大的方向；3）调整激光雕刻机与应力双折射镜之间的位置，使激光雕刻机的入射光与应力双折射镜面垂直，并调整激光雕刻机出光点的方向，使其聚焦在应力双折射镜内的厚度中心处；4）将所需雕刻的图案输入到计算机中；5）启动激光雕刻机，控制并调节相关参数，计算机控制激光雕刻机将图案雕刻在应力双折射镜内。本发明可以广泛用于外差式双频激光干涉仪及其它激光技术领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种双频激光器频差产生和赋值方法，特别是关于一种氦氖双频激光 器频差产生和赋值方法。

背景技术

由于氦氖（HeNe）激光器具有良好的频率稳定性，以氦氖双频激光器作为光源的 双频外差干涉仪在距离测量、速度测量、振动测量和形貌测量等领域具有非常广泛的 应用。氦氖双频激光器一般输出两正交线偏振光：O光和E光，两线偏振光的频率之 差为一个纵模间隔（几百～几千MHz），当在垂直于激光器轴线方向加上200高斯左右 的磁场时，由于横向塞曼效应和“模牵引”，每束光会分裂为两束正交线偏振光：П光 的振动方向平行于磁场，σ光的振动方向则垂直于磁场。当在平行于激光器轴线方向 加上磁场时，由于纵向塞曼效应，每束光将分裂为两束正交的圆偏振光：左旋圆偏振 光和右旋圆偏振光。普通的氦氖激光器在横向塞曼效应下输出的两正交线偏振光的频 率之差一般小于1MHz；纵向塞曼效应下输出的两正交圆偏振光的频率之差一般不大于 3MHz。另外，采用晶体双折射元件能够产生40MHz以上的大频差，但原理所限不能产 生40MHz以下的频差，且高频信号在后续的电路处理时也相当复杂。

现有技术中采用应力双折射镜作为氦氖双频激光器的输出镜，相当于在腔内置入 了双折射元件，横向塞曼效应输出的两束线偏振光П光和σ光的频率之差一般在几 MHz～十几MHz不等，但是由于工艺的问题，П光和σ光的频率之差具有任意性，不能 控制；采用应力双折射镜作为输出镜的氦氖双频激光器，由于应力双折射镜本身的应 力大小具有不确定性，可以相应的输出几百KHz～十几MHz大小的频差，但是不能精 确控而在双频外差干涉仪中。光源频差为5～10MHz的应用是最合适、最理想的选择， 因此3～40MHz频差的氦氖双频激光器一度成为双频激光领域的空白。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种根据需求调整输出镜内的应力大小，为 氦氖双频激光器输出的频差在3MHz～40MHz范围内赋值的氦氖双频激光器频差产生和 赋值方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种氦氖双频激光器频差产生和赋 值方法，包括以下步骤：1）设置一包括有氦氖双频激光器、激光雕刻机和计算机的系 统，所述氦氖双频激光器的谐振腔的输出镜为应力双折射镜；2）激光雕刻前，将氦氖 双频激光器的垂轴方向加磁场，测试并标示出氦氖双频激光器输出两束偏振光的偏振 方向，并确定应力增加时，频差也相应增大的方向；3）调整激光雕刻机与应力双折射 镜之间的位置，使激光雕刻机的入射光与应力双折射镜面垂直，并调整激光雕刻机出 光点的方向，使其聚焦在应力双折射镜内的厚度中心处；4）将所需雕刻的图案输入到 计算机中；5）启动所述激光雕刻机，根据所需要获取的氦氖双频激光器频差大小，控 制激光雕刻机的泵浦电流、图案炸点的大小、体积及气化的程度，并调节所雕刻图案 炸点与所述激光雕刻机中心出光点的距离，所述计算机控制激所述光雕刻机将图案雕 刻在所述应力双折射镜内。

所述步骤3）中调整激光雕刻机出光点的方向，使其聚焦在应力双折射镜内的厚 度中心时要避开应力双折射镜的高反射膜层，激光雕刻机出光点距离应力双折射镜的 高反射膜层圆心的距离为2～5mm。

所述步骤4）中图案的形状或者大小根据所需要产生频差大小进行确定。

所述步骤5）中当产生的频差超过预定值或小于预定值时，通过减小激光雕刻机 的泵浦电流、改变雕刻图案距离激光雕刻机中心出光点的距离或调节图案炸点的方法 褪应力或追加应力进行控制，褪应力的方向与追加应力的方向垂直。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用激光雕刻机在氦 氖双频激光器的应力双折射镜内雕刻某些图案，使应力双折射镜内部形成气化炸点， 由于这些气化炸点被固定在应力双折射镜内，从而形成比较稳定的内应力，使氦氖双 频激光器能够输出相对更稳定的频差，且这些残余应力不会随时间逐渐消退，时效性 强。2、本发明可以通过控制激光雕刻机的泵浦电流、图案炸点的大小、体积及气化的 程度，雕刻图案炸点与激光器出光点之间的距离等因素控制应力双折射镜的内应力， 进而调节氦氖双频激光器输出的频差大小，并且可以根据氦氖双频激光器的频差输出 结果通过褪应力与追加应力对频差进行修正调整，可以获得频差在3MHz～40MHz范围 内的氦氖双频激光器，填补了双频激光领域的空白，弥补了双频激光器输出频差不能 修正和控制等缺憾。本发明可以适用于全内腔氦氖激光器，也可适用于半外腔氦氖激 光器，广泛应用在外差式双频激光干涉仪及其它激光技术领域。

附图说明

图1是本发明的输出镜为应力双折射镜的氦氖双频激光器的结构示意图；

图2是本发明采用激光雕刻法在输出镜上雕刻图案的示意图；

图3是图2的侧视示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，现有氦氖激光器包括有玻璃外壳1、阴极筒2、毛细管3、全反射镜 4和输出镜5，输出镜5采用应力双折射镜；全反射镜4和应力双折射镜5分别通过可 伐材料连接块6与玻璃外壳1利用低熔点玻璃粉高温封接成一体。当氦氖双频激光器 的垂轴方向加上适当的磁场后，由于横向塞曼效应和“模牵引”，每个激光纵模将分裂 成两束正交线偏振激光输出，两束线偏振光的频差与应力双折射镜上的残余应力相关， 因此通过调整应力双折射镜5的应力，可以调整氦氖双频激光器输出的两束线偏光的 频差至理想值，本发明采用激光雕刻法可以使氦氖双频激光器产生的频差范围为3～ 40MHz，具体过程包括以下步骤：

1、设置一包括有氦氖双频激光器、激光雕刻机和计算机的系统，氦氖双频激光器 的谐振腔的输出镜采用应力双折射镜5。

2、激光雕刻前，将氦氖双频激光器的垂轴方向加适当磁场以消除模竞争，通过实 验测试并标示出氦氖双频激光器所输出两束偏振光的偏振方向，具体过程为：在其中 一个偏振方向上轻微施加外力，通过一示波器上观察频差的变化，以确定应力增加时 频差增大的方向，通常增大应力时频差增加的方向为两偏振光的偏振方向之一，而增 大应力时频差减小的方向恰好为另一偏振光的偏振方向。

3、调整激光雕刻机与氦氖双频激光器的应力双折射镜5之间的位置，使激光雕刻 机的入射光与应力双折射镜面垂直，并调整激光雕刻机出光点的方向，使其聚焦在应 力双折射镜内厚度中心的位置。

4、将所需雕刻的图案输入到计算机中。

5、启动激光雕刻机，根据所需要获取的频差大小，控制激光雕刻机的泵浦电流， 并调节所雕刻图案炸点与激光雕刻机中心出光点的距离，由计算机控制激光雕刻机将 预先制作的图案雕刻在应力双折射镜5内；例如：需要氦氖双频激光器产生2MHz～ 10MHz的频差时，选用激光雕刻机的功率为2W，泵浦电流为3.5A左右，雕刻图案为直 径1mm左右的半球，雕刻图案的分辨率（组成图案的相邻两个点之间的距离）为0.01mm 左右。

如图2、图3所示，上述各实施例中，由于应力双折射镜5的外侧镀设高反射膜 层7，高反射膜层7的直径大小一般小于应力双折射镜5的直径，步骤3中调整激光 雕刻机出光点的方向，要避开应力双折射镜5的高反射膜层7，激光雕刻机出光点距 离高反射膜层7圆心的距离为2～5mm。

上述各实施例中，步骤4中使用激光雕刻机在应力双折射镜5内部雕刻图案或图 形，可以抵消应力双折射镜5的残余应力或产生新的更大的应力，可以通过控制雕刻 图案的炸点与激光雕刻机出光点的距离，图案炸点的大小、体积及气化的程度等相关 参数，能够精确的控制氦氖双频激光器的频率差。当产生的频差超过预定值或小于预 定值时，可以通过减小激光雕刻机的泵浦电流、改变雕刻图案距离激光雕刻机中心出 光点的距离或调节图案炸点的方法褪应力（减小应力）或追加应力（增加应力）来控 制，褪应力的方向与追加应力的方向垂直。

上述各实施例中，雕刻图案是由激光雕刻机在应力双折射镜5内打出图案的点云， 由于点云为高温气化炸点，因此可以改变应力双折射镜5的内应力分布，从而使氦氖 双频激光器输出与内应力相对应的频差，图案的形状或者大小可以根据实际进行选定 和调节，在此不作限定，只要能够满足应力大小调节要求即可。

下面以氦氖双频激光器产生的频差为20MHz为具体实施例进一步说明采用本发明 的方法产生频差的过程，包括以下步骤：

1、激光雕刻前，将氦氖双频激光器的垂轴方向加200高斯左右的磁场，通过实验 确定应力增加时，频差也相应增大的方向。

2、调整激光雕刻机与氦氖双频激光器的应力双折射镜5之间的位置，使激光雕刻 机的入射方向垂直于应力双折射镜面，且中心出光点距离高反射膜层7圆心的距离为 约为5mm（如图2所示，黑点与高反射膜层7圆心的距离为5mm），并使激光雕刻机焦 点处于应力双折射镜内厚度中心处。

3、将直径为1mm，分辨率为0.1mm的半球图案文件输入到计算机中。

4、启动激光雕刻机，将激光雕刻机的泵浦电流调整到3.8A，由计算机控制激光 雕刻机将预半球图案雕刻在应力双折射镜5内，即可得到氦氖双频激光器的输出频差 为所需产生的频差。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中方法的实施步骤等都是可以有所变化的， 凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护 范围之外。