中频差Zeeman双折射双频激光干涉系统的实验研究

传统的双频激光干涉仪以Zeeman He-Ne激光器为光源[1-2]。由于原理限制,其频率差一般小于3MHz,这一频差成为提高双频激光干涉仪测量目标的最大速度和降低测振仪造价的瓶颈[3]。根据双频激光干涉仪的工作原理,被测目标最大运动速度引起的激光Doppler频移不能大于双频激光的频差。因此,允许被测目标最大运动速度为

式中:Δf为双频激光的频差,λ为激光波长。用Zeeman激光器为光源的双频激光干涉仪最高测速水平国外不超过700mm/s,国内不超过300mm/s[2]。可见,提高双频激光干涉仪测速的关键在于双频激光光源。国外有使用声光调制器产生20MHz频差的方案,但这极大地增加了仪器的复杂性和制造成本。

作者研制出3～40 MHz频差可控的“中频差”He-Ne激光器[4-5](区别于目前国内外双频激光干涉仪光源的3 MHz以下的“小频差”和双折射双频激光器产生的40MHz到1GHz的“大频差”[6]),称之为Zeeman双折射双频激光器。采用这种新型激光器为光源的双频激光干涉仪与传统双频激光干涉仪相比有其特殊性。例如,二者输出激光的偏振态不同,对后续电路的光电转换与信号处理的速度要求也大大提高。因此简单地替换光源是不行的,必须针对这种新型激光器的要求重新设计光学系统和光电转换与信号处理系统。

本文以自行研制的Zeeman双折射双频激光器为光源建立双频激光干涉测量系统,并与商用双频激光干涉仪进行比对测量实验。

1　原理与实验装置

1.1　Zeeman双折射双频激光器

Zeeman双折射双频激光器是基于频率分裂的原理[3]而工作的,其结构如图1所示。由M1和M2构成激光谐振腔,其中M1腔内侧面镀反射膜, M2腔外侧面镀反射膜、腔内侧面镀增透膜。在玻璃片M2上安装一个精密加力机构,通过沿M2的一个直径的方向施加力F,可引起玻璃片的应力双折射。再加上磁条PMF1和PMF2,形成横向磁场H。

普通的双折射He-Ne双频激光器输出2个偏振方向正交的线偏振光,称它们为o光(寻常光)和e光(非寻常光)。由于o光和e光在腔内几乎是行进在同一条线路上,共用同一条增益线,因此,当o光和e光的频差较小(小于40MHz)时,二者的烧孔重叠从而存在强烈的模式竞争。

在双折射He-Ne双频激光器上加横向磁场,并调整o、e光的偏振方向使二者分别平行或垂直于磁场方向时, o、e光将分别使用π和σ+或σ-增益线,因而二者的模式竞争大大下降,当o、e光的频差小至几MHz时2种光仍能同时振荡,使得激光器输出干涉仪应用所需的双频激光。这种激光器可连续产生1 MHz乃至几百MHz的频率差。利用上述原理研制出Zeeman双折射双频激光器,输出频差在3～40MHz可控。