He-Ne激光圆偏振激光增益介质色散特性测量系统及方法

技术领域

本发明属于气体激光领域，涉及一种He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特 性的测量系统及方法。

背景技术

由于激光工作物质在增益曲线中心频率处呈现强烈的色散，即折射率随频率而 急剧变化，色散特性通常测量方法是使用一个外部激光调制源，测量光学器件或无 源腔的折射率随波长变化快慢的特性，而He-Ne激光器是一个有源腔，且由于He-Ne 激光圆偏振激光谐振腔内运行着光波频率约为10¹⁵Hz，远超过光电器件电子线路的 接收范围，无法直接测量谐振腔内光波频率，因此需要研究一种He-Ne激光圆偏振 激光的增益介质色散特性的测量系统及方法。

发明内容

本发明目的是：提供一种能够精确实现He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散 特性测量的系统。

另外，本发明还提供一种He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特性测量方法。

本发明的技术方案是：

一种He-Ne激光圆偏振激光增益介质色散特性测量系统，其包括非共面谐振腔 He-Ne环形激光器、偏频磁场线圈、压电元件、集成光电放大器、信号处理线路、 可逆计数器，其中，所述偏频磁场线圈由四组线圈构成，环绕非共面谐振腔He-Ne 环形激光器边长的增益介质设置，相邻边上的线圈组件缠绕方向相反，偏频磁场线 圈的轴线与非共面谐振腔He-Ne环形激光器毛线孔轴线重合；压电元件装配在非共 面谐振腔He-Ne环形激光器的稳频反射镜上；集成光电放大器安装在非共面谐振腔 He-Ne环形激光器的输出反射镜上；信号处理线路将集成光电放大器输出的信号放 大、整形并转换成数字脉冲串，可逆计数器连接在信号处理线路上，对其输出的脉 冲串进行可逆计数。

所述的He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特性测量装置，还包括程控电压 源、程控电流源、工控机，工控机通过控制内置的PCI总线的标准计数卡实现频率 测量，同时工控机通过RS232串口协议控制电压源和电流源，并控制电压源输出最 小腔长调整步进电压，再通过压电元件改变环形激光器的腔长，实现环形激光器振 荡频率的调整，另外，工控机通过控制电流源给偏频磁场线圈供电，实现磁场的通 断和大小控制。

在非共面谐振腔He-Ne环形激光器的输出反射镜位置处安装合光棱镜，合光棱 镜将非共面谐振腔He-Ne环形激光器中运行的两相向传播光束在输出反射镜输出后 进行合光干涉，产生干涉条纹，再由集成光电放大器检测干涉条纹的移动，以实现 顺、逆传播光束的频差测量。

环绕在非共面谐振腔He-Ne环形激光器光路上的偏频磁场线圈在不产生磁场 时，非共面谐振腔He-Ne环形激光器中运行的两相向传播光束具有相同的腔频率ν_顺＝ν_逆；若加上磁场，非共面谐振腔He-Ne环形激光器中运行的两相向传播光束的腔 频率产生频差；随后通过安装在非共面谐振腔He-Ne环形激光器稳频反射镜的压电 元件实现调整环形激光器的激光振荡频率时，通过检测顺、逆传播光的频差代替检 测激光振荡频率，用集成光电放大器实现光电信号转换和放大，用信号处理电路将 模拟信号转换为数字脉冲，最后通过可逆计数器检测到He-Ne激光圆偏振激光的增 益介质色散特性。

一种He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特性测量方法，He-Ne激光圆偏 振激光器能提供稳定的左、右旋圆偏振光并对正交偏振光产生频率的互易分裂；当 在增益介质上施加纵向磁场时，施加在增益介质上的磁场引起两相向传播光波频率 的非互易分裂，从而增益曲线中心的振荡频率用此时相向传播光波频率差表征，然 后通过测试该频差随腔长的变化，实现对He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特 性的测量。

所述的He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特性测量方法，其具体过程如 下：

步骤1：搭建光路和信号处理线路

在非共面谐振腔He-Ne环形激光器腔体的四个光路上设置四个独立的绕线槽， 在每个绕线槽上绕漆包线，在四个光路上分别同向串联缠绕偏频磁场线圈，该线圈 的轴线与非共面谐振腔He-Ne环形激光器光路轴线重合，且相邻毛细孔上的线圈组 件缠绕方向相反，同时在He-Ne激光圆偏振激光器由对角设置两个稳频反射镜，在 稳频反射镜上安装压电元件，在反射输出镜上设置用于信号输出和处理的合光棱镜、 集成光电放大器、信号处理线路、可逆计数器；

步骤2：频率差

在增益介质的环路上施加纵向磁场使得同一模态沿光路顺时针和逆时针的运行 的光波产生频率差；

步骤3：腔长调整，得到频率差变化

通过调整电压源的控制精度和压电元件参数及稳频结构对非共面谐振腔He-Ne 环形激光器的腔长进行调整，从而改变模式，使得频率差发生变化；

步骤4：确定色散特性

该带有频率差的光信号经合光棱镜将双向运行的光波合光产生动态干涉条纹， 然后使用集成光电探测器将光信号转化为正弦电信号，并通过信号处理线路处理后 送可逆计数器测量信号频率，得到以横轴为腔长，纵轴为频率差变化的色散特性曲 线。

本发明的技术效果是：本发明He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特性的测 量通过偏频磁场线圈给增益介质施加磁场，使增益介质产生塞曼频裂，检测顺、逆 时针传播的光束的频率差(即偏频量)，等距调整谐振腔的腔长，检测偏频量的变化 量，可以方便的测得He-Ne激光圆偏振激光器增益介质的色散系数，便于进行激光 陀螺色散控制及色散相关因素影响的评估。

附图说明

图1是加入磁场前后He-Ne激光器中Ne发射线的分裂情况；

其中，图1a为不存在磁场的情况；图1b为加入纵向磁场的情况；

ν₀为不存在磁场情况下多普勒(Doppler)谱线的中心频率。

图2是相向传播光束塞曼频裂示意图；

其中，ν₀为不加磁场的模式频率，ν^-和ν⁺分别为加磁场后相向传播光束的模式频率。 图3是测量的He-Ne激光圆偏振激光器色散曲线；

图4是本发明He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特性的测量方法示意图；

其中，1：非共面谐振腔He-Ne环形激光器；2：偏频磁场线圈；3：压电元件；4： 合光棱镜；5：集成光电放大器；6：信号处理线路；7：可逆计数器；8：程控电压 源；9：程控电流源；10：工控机。

具体实施方式

下面通过具体实施对本发明做进一步的说明：

He-Ne激光圆偏振激光增益介质色散特性测量系统，其包括非共面谐振腔He-Ne 环形激光器1、偏频磁场线圈2、压电元件3、集成光电放大器5、信号处理线路6、 可逆计数器7，其中，所述偏频磁场线圈2由四组线圈构成，环绕非共面谐振腔He-Ne 环形激光器1边长的增益介质设置，相邻边上的线圈组件缠绕方向相反，偏频磁场 线圈2的轴线与非共面谐振腔He-Ne环形激光器1毛线孔轴线重合；压电元件3装 配在非共面谐振腔He-Ne环形激光器1的稳频反射镜上；集成光电放大器5安装在 非共面谐振腔He-Ne环形激光器1的输出反射镜上；信号处理线路6将集成光电放 大器5输出的信号放大、整形并转换成数字脉冲串，可逆计数器7连接在信号处理 线路6上，对其输出的脉冲串进行可逆计数。

所述的He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特性测量装置，还包括程控电压 源8、程控电流源9、工控机10，工控机通过控制内置的PCI总线的标准计数卡实 现频率测量，同时工控机通过RS232串口协议控制电压源和电流源，并控制电压源 输出最小腔长调整步进电压，再通过压电元件改变环形激光器的腔长，实现环形激 光器振荡频率的调整，另外，工控机通过控制电流源给偏频磁场线圈供电，实现磁 场的通断和大小控制。

在非共面谐振腔He-Ne环形激光器的输出反射镜位置处安装合光棱镜4，合光 棱镜将非共面谐振腔He-Ne环形激光器中运行的两相向传播光束在输出反射镜输出 后进行合光干涉，产生干涉条纹，再由集成光电放大器检测干涉条纹的移动，以实 现输出信号的频率测量。

本发明He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特性测量方法，其原理分析如下：

He-Ne激光圆偏振激光器能提供稳定的左、右旋圆偏振光并对正交偏振光产生频 率的互易分裂；当在增益介质上施加纵向磁场时，施加在增益介质上的磁场引起两 相向传播光波频率的非互易分裂，从而增益曲线中心的振荡频率用此时相向传播光 波频率差表征，然后通过测试该频差随腔长的变化，实现对He-Ne激光圆偏振激光 的增益介质色散特性的测量。

偏频频磁场线圈在非共面He-Ne激光圆偏振激光器的光路上施加纵向磁场时会 导致He-Ne激光器中Ne发射线产生分裂如下图1所示，频裂值用(1)表示。

$(v_D^{+}-v_D^{-})=2{\mathrm{\delta \upsilon }}_D=\frac{2·e·g}{4\pi ·\mu ·c}·H---\left(1\right)$

(1)中：电子电荷e＝1.6×10^-19C，电子质量μ＝0.91×10^-31kg，光速c＝3×10¹⁰cm/s， H表示磁场强度(Oe)，兰德因子g＝1.3。

图1(b)中每条曲线都可能自发或受激发射出一种园偏振光。即沿着磁场强度 方向，左边的曲线(低频)发射左旋圆偏振光(LCP)，右边的曲线(高频)发射右 旋圆偏振光(RCP)。

在He-Ne激光圆偏振激光器充满增益介质的环路上不施加磁场时，不发生频裂， 激光器中两相向传播光束具有相同的腔频率ν_CCW＝ν_CW，通常调节到等于增益曲线中 心频率ν₀，见图2，当加上磁场后，增益曲线分裂成两条：低频曲线(ν_D^-)和高频 曲线(ν_D⁺)。因为相向光波沿着磁场H方向具有相反的偏振态(LCP和RCP)，因 此它们获得各自的增益曲线ν_D^-与ν_D⁺。

由于He-Ne激光圆偏振激光器增益介质色散引起模式频率牵引效应，实际产生 的模式频率朝增益曲线中心移动，用ν^-与ν⁺标识，并有：

$v^{\pm }=v_C+0.94·\frac{\Delta v_C}{\Delta v_D}·\frac{G_0}{\sigma }·(v_D^{\pm }-v_C)---\left(2\right)$

(2)中ν^±表示相向传播光波的频率ν_CCW与ν_CW的可能取值，依磁场方向而定； ν_C为初始模式频率，通常ν_C＝ν₀，Δν_C和Δν_D分别表示谐振腔与激光发射谱线的带宽， G₀与σ表示腔的增益与损耗系数。

相向传播光波的频差(ν_CW-ν_CCW)为He-Ne激光圆偏振激光器拍频ν_Β，运用(1) 与(2)计算其值：

$v_{\mathrm{CCW}}-v_{\mathrm{CCW}}=v_B=0.94·\frac{\Delta v_C}{\Delta v_D}·\frac{G_0}{\sigma }·(v_D^{+}-v_D^{-})---\left(3\right)$

通过等间距调节压电元件的电压改变He-Ne激光圆偏振激光器的腔长，在每个 给定的压电电压下测量拍频ν_Β，求出相邻压电电压下拍频的差值Δν_Β，通过测定出 该差值随腔长的变化，并做成曲线，该曲线就是He-Ne激光圆偏振激光器的增益介 质的色散曲线，一次的测量结果如下图3所示。

所述的He-Ne激光圆偏振激光的增益介质色散特性测量方法，其具体过程如 下：

步骤1：搭建光路和信号处理线路

在非共面谐振腔He-Ne环形激光器1腔体的四个光路上设置四个独立的绕线槽， 在每个绕线槽上绕相同匝数的线圈，相邻线圈的缠绕方向相反，使线圈的轴线和工 作介质通道的轴向重合，最后将四组线圈同向串联起来，完成偏频磁场线圈2的装 配。

在He-Ne激光圆偏振激光器1对角设置两个稳频反射镜，在稳频反射镜上安装 压电元件3，使腔长调整可达到1％调整精度。

在He-Ne激光圆偏振激光器输出反射镜上设置用于信号输出和处理的合光棱镜 4、集成光电放大器5、信号处理线路、可逆计数器7；

步骤2：频率差

在增益介质的环路上施加纵向磁场使得同一模态沿光路顺时针和逆时针的运行 的光波产生频率差；

步骤3：腔长调整，得到频率差变化

通过调整电压源的控制精度和压电元件参数及稳频结构对非共面谐振腔He-Ne 环形激光器的腔长进行调整，从而改变模式，使得频率差发生变化；

步骤4：确定色散特性

该带有频率差的光信号经合光棱镜将双向运行的光波合光产生动态干涉条纹， 然后使用集成光电探测器将光信号转化为正弦电信号，并通过信号处理线路处理后 送可逆计数器测量信号频率，得到以横轴为腔长，纵轴为频率差变化的色散特性曲 线。

通过对He-Ne激光圆偏振激光器进行扫模试验确定激光器调整一个纵模需在压 电元件上施加调整电压值为50V，称该电压值为U_λ，在逐步减小1个腔长调整步距 电压为0.05V后，测量的频率差不再减小，故本套色散测量系统的色散测量相对精 度为0.1％，该精度和632.8nm的氦氖激光器的牵引参量约为10^-3吻合，因此本测量 系统及方法实现对增益介质的色散特性的方便测量，对于激光陀螺色散控制及色散 相关因素影响的评估具有实用价值。