[发明专利]一种可调谐的中频差氦－氖双频激光器

说明书

本发明属于气体激光器领域。特别涉及氦-氖双频激光器的结构设计。

现在有两种He-Ne双频激光器：塞曼双频激光器和双折射双频激光器。塞曼双频激光器的工作原理是基于磁场产生Ne原子光谱线分裂及模牵引效应而形成的。理论和实验均证明，塞曼双频激光器的频差最大不超过4兆赫兹，这就是包括美国HP公司在内的全世界双频激光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，因此更大频差的双频激光器就成为迫切要求。之后出现了双折射双频激光器，这种激光器可产生从几十兆到数千兆赫兹的频差。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十兆赫兹时，一个频率因竞争而熄灭。如果说产生1.5兆赫兹到4兆赫兹频差的塞曼双频激光器叫低频差双频激光器，而产生40兆赫兹以上频差的激光器为高频差氦-氖双频激光器的话，则4兆赫兹到40兆赫兹可属于中频差氦-氖双频激光器。至今，没有一种激光器能产生从4兆赫兹到40兆赫兹左右的频差，而10～20兆赫兹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40兆赫兹以上频差的系统简单。

本发明的目的在于为克服已有技术的不足之外，设计出一种He-Ne双频激光器：其频差可从4兆赫兹到几十兆赫兹选定。如有必要可以提高至几百兆赫兹，而且具有结构简单、容易实现、成本低，其干涉仪测量速度高，应用范围广的特点。

一种可调谐的中频氦-氖双频激光器，包括由一凹面反射镜，一平面镜，He-Ne放电管构成的气体激光器谐振腔，其特征在于所说的谐振腔内设置一方解石片，该方解石片晶轴与所说谐振腔轴成α角，且另设置一双折射效应小的晶体石英片。所说的谐振腔可为外腔式结构，所说的方解石片与另一双折射效应小的元件分别设置于腔内，位于该放电管两端，所说的另一双折射效应小的元件为晶体石英片，该元件连接一可调节其晶轴与所说谐振腔轴的夹角的调节元件，使晶体石英片旋转0°-10°，以改变o/e光频率差。

所说的谐振腔为半外腔式结构，所说的方解石片设置于所说的凹面反射镜和与其相邻的放电管窗片之间，所说的平面反射镜内表面镀增透膜，外表面镀有部分输出的反射膜，该反射镜片连接有一个可对其施加压力的调节元件，此反射镜片既是一个应力双折射元件又是一个反射镜。所说的谐振腔为全内腔式结构，所说的方解石片设置于所说的凹面反射镜一端的放电管颈内，所说的平面反射镜内表面镀增透膜，外表面镀有部分输出的反射膜，该反射镜玻璃片连接有一个可对其施加压力的调节元件，此玻璃片既是一个应力双折射元件又是一个反射镜。

上述各方案中的方解石片与谐振腔夹角α可为45°±2°。所述的半内腔和外腔双频激光器所采用的调节元件可为套于所说的平面反射镜上带有调节螺钉的加力框架。

本发明的工作原理，结合图1说明如下：1是一个凹面反射镜，2是一平面镜，1和2构成激光谐振腔。3是He-Ne激光放电管。增益管的窗片是8和9。8和9由镀了增透膜的熔融石英、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片。

由于方解石片4的晶轴和激光谐振腔轴夹一定角度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e光在激光毛细管内空间分离，见光线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e光有一定的空间分离量d。由于o光e光分别和自己行进路径上的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。

研究表明，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1.0mm)，且振荡激光有一定的光束直径，o光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。

由于方解石片4有很强的双折射效应，除了引入o光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e光频率差。为此放入另一片双折射晶体：晶体石英片5。激光腔内的总双折射可以看作是4和5的合成，晶体石英片的双折射系数约是方解石的1/10。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我们所需要的几兆赫兹到几十兆赫兹内的任一值。