He-Ne激光圓偏振激光增益介質(zhì)色散特性測(cè)量系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于氣體激光領(lǐng)域，涉及一種He-Ne激光圓偏振激光的增益介質(zhì)色散特性 的測(cè)量系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于激光工作物質(zhì)在增益曲線中心頻率處呈現(xiàn)強(qiáng)烈的色散，即折射率隨頻率而急 劇變化，色散特性通常測(cè)量方法是使用一個(gè)外部激光調(diào)制源，測(cè)量光學(xué)器件或無源腔的折 射率隨波長變化快慢的特性，而He-Ne激光器是一個(gè)有源腔，且由于He-Ne激光圓偏振激光 諧振腔內(nèi)運(yùn)行著光波頻率約為l〇 15Hz，遠(yuǎn)超過光電器件電子線路的接收范圍，無法直接測(cè)量 諧振腔內(nèi)光波頻率，因此需要研究一種He-Ne激光圓偏振激光的增益介質(zhì)色散特性的測(cè)量 系統(tǒng)及方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明目的是：提供一種能夠精確實(shí)現(xiàn)He-Ne激光圓偏振激光的增益介質(zhì)色散特 性測(cè)量的系統(tǒng)。
[0004] 另外，本發(fā)明還提供一種He-Ne激光圓偏振激光的增益介質(zhì)色散特性測(cè)量方法。 [0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0006] -種He-Ne激光圓偏振激光增益介質(zhì)色散特性測(cè)量系統(tǒng)，其包括非共面諧振腔 He-Ne環(huán)形激光器、偏頻磁場(chǎng)線圈、壓電元件、集成光電放大器、信號(hào)處理線路、可逆計(jì)數(shù) 器，其中，所述偏頻磁場(chǎng)線圈由四組線圈構(gòu)成，環(huán)繞非共面諧振腔He-Ne環(huán)形激光器邊長的 增益介質(zhì)設(shè)置，相鄰邊上的線圈組件纏繞方向相反，偏頻磁場(chǎng)線圈的軸線與非共面諧振腔 He-Ne環(huán)形激光器毛線孔軸線重合；壓電元件裝配在非共面諧振腔He-Ne環(huán)形激光器的穩(wěn) 頻反射鏡上；集成光電放大器安裝在非共面諧振腔He-Ne環(huán)形激光器的輸出反射鏡上；信 號(hào)處理線路將集成光電放大器輸出的信號(hào)放大、整形并轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖串，可逆計(jì)數(shù)器連 接在信號(hào)處理線路上，對(duì)其輸出的脈沖串進(jìn)行可逆計(jì)數(shù)。
[0007] 所述的He-Ne激光圓偏振激光的增益介質(zhì)色散特性測(cè)量裝置，還包括程控電壓 源、程控電流源、工控機(jī)，工控機(jī)通過控制內(nèi)置的PCI總線的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)卡實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量，同 時(shí)工控機(jī)通過RS232串口協(xié)議控制電壓源和電流源，并控制電壓源輸出最小腔長調(diào)整步進(jìn) 電壓，再通過壓電元件改變環(huán)形激光器的腔長，實(shí)現(xiàn)環(huán)形激光器振蕩頻率的調(diào)整，另外，工 控機(jī)通過控制電流源給偏頻磁場(chǎng)線圈供電，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的通斷和大小控制。
[0008] 在非共面諧振腔He-Ne環(huán)形激光器的輸出反射鏡位置處安裝合光棱鏡，合光棱鏡 將非共面諧振腔He-Ne環(huán)形激光器中運(yùn)行的兩相向傳播光束在輸出反射鏡輸出后進(jìn)行合 光干涉，產(chǎn)生干涉條紋，再由集成光電放大器檢測(cè)干涉條紋的移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)順、逆?zhèn)鞑ス馐?的頻差測(cè)量。
[0009] 環(huán)繞在非共面諧振腔He-Ne環(huán)形激光器光路上的偏頻磁場(chǎng)線圈在不產(chǎn)生磁場(chǎng)時(shí)， 非共面諧振腔He-Ne環(huán)形激光器中運(yùn)行的兩相向傳播光束具有相同的腔頻率v w= 若加上磁場(chǎng)，非共面諧振腔He-Ne環(huán)形激光器中運(yùn)行的兩相向傳播光束的腔頻率產(chǎn)生頻 差；隨后通過安裝在非共面諧振腔He-Ne環(huán)形激光器穩(wěn)頻反射鏡的壓電元件實(shí)現(xiàn)調(diào)整環(huán)形 激光器的激光振蕩頻率時(shí)，通過檢測(cè)順、逆?zhèn)鞑ス獾念l差代替檢測(cè)激光振蕩頻率，用集成光 電放大器實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換和放大，用信號(hào)處理電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖，最后通 過可逆計(jì)數(shù)器檢測(cè)到He-Ne激光圓偏振激光的增益介質(zhì)色散特性。
[0010] 一種He-Ne激光圓偏振激光的增益介質(zhì)色散特性測(cè)量方法，He-Ne激光圓偏振激 光器能提供穩(wěn)定的左、右旋圓偏振光并對(duì)正交偏振光產(chǎn)生頻率的互易分裂；當(dāng)在增益介質(zhì) 上施加縱向磁場(chǎng)時(shí)，施加在增益介質(zhì)上的磁場(chǎng)引起兩相向傳播光波頻率的非互易分裂，從 而增益曲線中心的振蕩頻率用此時(shí)相向傳播光波頻率差表征，然后通過測(cè)試該頻差隨腔長 的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)He-Ne激光圓偏振激光的增益介質(zhì)色散特性的測(cè)量。
[0011] 所述的He-Ne激光圓偏振激光的增益介質(zhì)色散特性測(cè)量方法，其具體過程如下：
[0012] 步驟1 :搭建光路和信號(hào)處理線路
[0013] 在非共面諧振腔He-Ne環(huán)形激光器腔體的四個(gè)光路上設(shè)置四個(gè)獨(dú)立的繞線槽， 在每個(gè)繞線槽上繞漆包線，在四個(gè)光路上分別同向串聯(lián)纏繞偏頻磁場(chǎng)線圈，該線圈的軸線 與非共面諧振腔He-Ne環(huán)形激光器光路軸線重合，且相鄰毛細(xì)孔上的線圈組件纏繞方向相 反，同時(shí)在He-Ne激光圓偏振激光器由對(duì)角設(shè)置兩個(gè)穩(wěn)頻反射鏡，在穩(wěn)頻反射鏡上安裝壓 電兀件，在反射輸出鏡上設(shè)置用于信號(hào)輸出和處理的合光棱鏡、集成光電放大器、信號(hào)處理 線路、可逆計(jì)數(shù)器；
[0014] 步驟2:頻率差
[0015] 在增益介質(zhì)的環(huán)路上施加縱向磁場(chǎng)使得同一模態(tài)沿光路順時(shí)針和逆時(shí)針的運(yùn)行 的光波產(chǎn)生頻率差；
[0016] 步驟3 :腔長調(diào)整，得到頻率差變化
[0017] 通過調(diào)整電壓源的控制精度和壓電元件參數(shù)及穩(wěn)頻結(jié)構(gòu)對(duì)非共面諧振腔He-Ne 環(huán)形激光器的腔長進(jìn)行調(diào)整，從而改變模式，使得頻率差發(fā)生變化；
[0018] 步驟4 :確定色散特性
[0019] 該帶有頻率差的光信號(hào)經(jīng)合光棱鏡將雙向運(yùn)行的光波合光產(chǎn)生動(dòng)態(tài)干涉條紋，然 后使用集成光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為正弦電信號(hào)，并通過信號(hào)處理線路處理后送可逆計(jì) 數(shù)器測(cè)量信號(hào)頻率，得到以橫軸為腔長，縱軸為頻率差變化的色散特性曲線。
[0020] 本發(fā)明的技術(shù)效果是：本發(fā)明He-Ne激光圓偏振激光的增益介質(zhì)色散特性的測(cè)量 通過偏頻磁場(chǎng)線圈給增益介質(zhì)施加磁場(chǎng)，使增益介質(zhì)產(chǎn)生塞曼頻裂，檢測(cè)順、逆時(shí)針傳播的 光束的頻率差（即偏頻量），等距調(diào)整諧振腔的腔長，檢測(cè)偏頻量的變化量，可以方便的測(cè) 得He-Ne激光圓偏振激光器增益介質(zhì)的色散系數(shù)，便于進(jìn)行激光陀螺色散控制及色散相關(guān) 因素影響的評(píng)估。
【附圖說明】
[0021] 圖1是加入磁場(chǎng)前后He-Ne激光器中Ne發(fā)射線的分裂情況；
[0022] 其中，圖la為不存在磁場(chǎng)的情況；圖lb為加入縱向磁場(chǎng)的情況；
[0023] V。為不存在磁場(chǎng)情況下多普勒（Doppler)譜線的中心頻率。
[0024] 圖2是相向傳播光束塞曼頻裂示意圖；
[0025] 其中，v。為不加磁場(chǎng)的模式頻率，v和v +分別為加磁場(chǎng)后相向傳播光束的模式 頻率。圖3是測(cè)量的He-Ne激光圓偏振激光器色散曲線；
[0026] 圖4是本發(fā)明He-Ne激光圓偏振激光的增益介質(zhì)色散特性的測(cè)量方法示意圖；
[0027] 其中，1 :非共面諧振腔He-Ne環(huán)形激光器；2 :偏頻磁場(chǎng)線圈；3 :壓電元件；4 :合光 棱鏡；5 :集成光電放大器；6 :信號(hào)處理線路；7 :可逆計(jì)數(shù)器；8 :程控電壓源；9 :程控電流 源；10 :工控機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面通過具體實(shí)施對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明：
[0029] He-Ne激光圓偏振激光增益介質(zhì)色散特性測(cè)量系統(tǒng)，其包括非共面諧振腔He-Ne 環(huán)形激光器1、偏頻磁場(chǎng)線圈2、壓電元件3、集成光電放大器5、信號(hào)處理線路6、可逆計(jì)數(shù)器 7, 其中，所述偏頻磁場(chǎng)線圈2由四組線圈構(gòu)成，環(huán)繞非共面諧振腔He-Ne環(huán)形激光器1邊長 的增益介質(zhì)設(shè)置，相鄰邊上的線圈組件纏繞方向相反，偏頻磁場(chǎng)線圈2的軸線與非共面諧 振腔He-Ne環(huán)形激光器1毛線孔軸線重合；壓電元件3裝配在非共面諧振腔He-Ne環(huán)形激 光器1的穩(wěn)頻反射鏡上；集成光電放大器5安裝在非共面諧振腔He-Ne環(huán)形激光器1的輸 出反射鏡上；信號(hào)處理線路6將集成光電放大器5輸出的信號(hào)放大、整形并轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖 串，可逆計(jì)數(shù)器7連接在信號(hào)處理線路6上，對(duì)其輸出的脈沖串進(jìn)行可逆計(jì)數(shù)。
[0030] 所述的He-Ne激光圓偏振激光的增益介質(zhì)色散特性測(cè)量裝置，還包括程控電壓源 8、 程控電流源9、工控機(jī)10,工控機(jī)通過控制內(nèi)置的PCI總線的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)卡實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量， 同時(shí)工控機(jī)通過RS232串口協(xié)議控制電壓源和電流源，并控制電壓源輸出最小腔長調(diào)整步 進(jìn)電壓，再通過壓電元件改變環(huán)形激光器的腔長，實(shí)現(xiàn)環(huán)形激光器振蕩頻率的調(diào)整，另外， 工控機(jī)通過控制電流源給偏頻磁場(chǎng)線圈供電，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的通斷和大小控制。
[0031] 在非共面諧振腔He-Ne環(huán)形激光器的輸出反射鏡位置處安裝合光棱鏡4,合光棱 鏡將非共面諧振腔He-Ne環(huán)形激光器中運(yùn)行的兩相向傳播光束在輸出反射鏡輸出后進(jìn)行 合光干涉，產(chǎn)生干涉條紋，再由集成光電放大器檢測(cè)干涉條紋的移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的頻 率測(cè)量。
[0032] 本發(fā)明He-Ne激光圓偏振激光的增益介質(zhì)色散特性測(cè)量方法，其原理分析如下：
[0033] He-Ne激光圓偏振激光器能提供穩(wěn)定的左、右旋圓偏振光并對(duì)正交偏振光產(chǎn)生頻 率的互易分裂；當(dāng)在增益介質(zhì)上施加縱向磁場(chǎng)時(shí)，施加在增益介質(zhì)上的磁場(chǎng)引起兩相向傳 播光波頻率的非互易分裂，從而增益曲線中心的振蕩頻率用此時(shí)相向傳播光波頻率差表 征，然后通過測(cè)試該頻差隨腔長的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)He-Ne激光圓偏振激光的增益介質(zhì)色散特 性的測(cè)量。
[0034] 偏頻頻磁場(chǎng)線圈在非共面He-Ne激光圓偏振激光器的光路上施加縱向磁場(chǎng)時(shí)會(huì) 導(dǎo)致He-i、'齡^必糾處立小八刻如下圖1所示，頻裂值用（1)表示。
[0035] ⑴
[0036] (1)中：電子電荷 e = 1. 6 X 10 19C，電子質(zhì)量 μ =0.91X10 31kg，光速 c = 3父101°〇11/8，