双频激光光源技术研究现状与进展

杜含笑，李华丰

中国航空工业北京长城计量测试技术研究所

1 引言

自1960年人类发明了第一台红宝石激光器以来，激光技术得到了空前发展，其后，随着氦氖(He-Ne)激光器诞生，以其良好时间相干性及空间相干性在激光干涉测量领域中被广泛应用。

激光干涉仪的应用范围广泛，从大规模集成电路制造和自动化机床检测到几何量计量设备系统均有其身影，是精密测量领域中必不可少的测量工具。激光干涉仪按光源成分可以分为单频激光干涉仪和双频激光干涉仪，双频激光干涉仪又称为外差式激光干涉仪，双频激光外差测量在信号处理系统中可放大交流信号，抑制低频噪声，抗干扰能力强，适合应用于实验室和工业现场等。本文详细介绍了应用于双频激光干涉仪中的激光光源技术。

2 双频激光干涉原理

双频激光干涉仪光路见图1，双频激光器输出一束包含两个频率分量的正交偏振光，记为f1、f2。该光束经分光镜取样后，反射光经过检偏器P发生干涉，由光电接收器接收参考信号f1-f2[1]。偏振分光棱镜将频率f2的光分量反射到固定镜，频率为f1的光分量则通过偏振分光棱镜透射进入到测量镜[2]，经测量镜反射后获得多普勒信号f1+Δfd，与经固定镜f2的反射光相遇并重合，通过检偏器发生干涉，在接收器中获得f1+Δfd-f2测量信号。

图1 双频激光干涉仪光路

假设测量棱镜移动速度为V，移动距离为L，则双频激光测量距离公式为

(1)

式中，λ为波长；Δfd为多普勒频移。

测量位移L可以表示为

(2)

式中，N为计数值与Δfd有关。

由上述分析可得，通过激光产生两个频率分量并对其分离是双频激光干涉仪测量的重要过程。

3 双频激光干涉仪激光光源技术

双频激光干涉仪位移测量的关键是测量镜产生多普勒频移，多普勒频移应比光源频差Δf低，即

Δfd<Δf

(3)

由式(1)及式(3)可知

(4)

即当Δf=1MHz时，最大测量速度v应小于300mm/s，否则解调系统会产生混乱，因此，双频激光干涉仪的测量速度受光源频差影响，频差越高，最大测量速度越高。当前加工机床及坐标测量机的运行速度最高可达1m/s[3]，即Δf应大于4.5MHz。提高双频激光光源频差可满足测量速度要求，因此需主要关注双频激光器的光学分离方式、频差大小、安装调整难度和结构成本等特性。

本文将对塞曼双频激光器，双折射双频激光器，偏振双反射膜双频激光器，声光调制双频激光器和双纵模激光器进行简要介绍。

3.1 塞曼分裂双频激光器

1896年，塞曼(P.Zeeman)研究发现，将光源放在足够强的磁场中光谱线被分裂成几条，新谱线数目随电子能级的类型而变化[4]，这种现象称为塞曼效应。基于塞曼效应的塞曼双频激光器已广泛应用于商用激光干涉仪中，技术相对成熟。

在激光管上施加水平磁场(即磁场垂直于激光器的中心线)，称为横向塞曼分裂双频激光器(见图2a)。其光谱线分裂成三条线偏振光，一条在原位置，另外两条分别位于两侧，σ光垂直于磁场方向，π光平行于磁场方向(见图2b)。

图2 横向塞曼分裂双频激光器及光谱线分裂[5]

横向磁场结构易于实现，方便调节。横向塞曼激光器的输出频率较小，一般小于1MHz[6]，不适合高速测量，实际使用较少。

在激光管上施加轴向磁场(即磁场与激光平行)，称为纵向塞曼分裂双频激光器(见图3a)。其光谱线分裂为两条不同频率的圆偏振光，一条左旋偏振光，一条右旋偏振光(见图3b)。

图3 纵向塞曼分裂双频激光器及光谱线分裂[5]

纵向塞曼激光器左右圆偏振光频率差Δv0[2]为

(5)

式中，g为能级朗德因子，对于He-Ne激光器，g≈1.3；μ0为玻尔磁子，μ0=9.27×10-24J/T；H为磁场强度；h为普朗克常数，h=6.626×10-34J·s。

激光谐振腔内受频率模牵引效应影响，左右圆偏振光实际输出频差为[2]

(6)

式中，Δvc为无源腔线宽；ΔvD为多普勒线宽，约为1500MHz；I为腔内光强；Is为中心频率处的饱和光强。

由式(5)可知，Δv0随着磁场强度H增大而增大，但当Δv0=ΔvD(约1500MHz)时，两圆偏振光的增益曲线将分离，无法同时满足激发条件输出双频激光。将Δv0=1500MHz代入式(6)中，得到Δv≈3MHz，纵向塞曼分裂双频激光器一般只能达到3MHz左右。

纵向塞曼双频激光器输出频差较大，结构简单，但需要在激光管上施加轴向磁场，磁场结构不易实施，需要考虑磁场的安装方式及均匀度等问题。典型产品有惠普公司的5517系列，利用纵向塞曼分裂效应，最大频差为4MHz，频率稳定度2×10-8/24h，最大测量速度为1m/s[7]；ZYGO公司的7705系列双频激光器，最大频差3.65MHz，频率稳定度2×10-8/24h，最大测量速度0.5m/s[8]。

国内很多科研单位也对纵向塞曼双频激光器做过研究，例如成都工具研究所研制的塞曼双频激光器最大频差为1.2MHz，频率精度0.03×10-6，最大测量速度为0.3m/s[9]；哈工大研制的UOI500系列双频激光器，最大频差为1.2MHz，频率稳定度1.3×10-9/24h，最大测量速度0.3m/s[9]。

3.2 偏振双反射膜双频激光器

殷纯永等[3]发明了偏振双反射膜双频激光器(见图4)，其基本原理是不同偏振光垂直入射到特制反射膜并产生不同相位变化，利用横向塞曼效应减小模式耦合输出双频激光。

图4 偏振双反射膜双频激光器结构[3]

此发明中的偏振双反射膜是利用特殊工艺制作的多层反射膜，制作原理是在反射膜层上产生残余应变。当不同偏振光垂直入射时，有两个反射系数，分别为

(7)

re=|re|e-tφe=re′e-tφe

(8)

双反射膜反射相位跃变相差定义为Δφ=φo-φe，偏振双反射膜双频激光器的输出频率表示为

(9)

式中，L为腔长；n为激活介质折射率；v为激光频率；c为真空中光速；φ1和φ2为光在两个腔镜的相位跃变；m为整数。

两个相邻的激光纵模的频率间隔为

(10)

由于反射时相位变化不同，即vc和ve的频率不同，为满足式(9)频差大小，可表示为

(11)

由上式可得，偏振双反射膜双频激光器频差值受Δφ影响，Δvc最高可达1000MHz，因此Δφ的微小变化可得到大频差。这种双频激光器结构简单，不需要额外晶体，不损害激光器，输出频差高，磁场强度改变，频差改变小，适合用于高速干涉仪。普瑞科创公司成功将段纯永教授的成果产品化，研制的偏振双反射膜双频激光器频差最高可达6MHz，频率稳定度6.6×10-10/1000s[9]。

3.3 双折射双频激光器

双折射双频激光器利用双折射晶体对不同偏振态的光有不同折射率的特点，将双折射晶体插入到激光谐振腔内，使激光器中两偏振光分别有不同谐振腔长，形成双频激光[10]。

(1)石英双折射双频激光器

典型双折射双频激光器基本结构如图5所示。其基本原理为，将石英晶体放置在激光腔中，转动石英晶体的晶轴，改变与激光束之间夹角，得到双频激光。调节晶轴与激光束夹角α可以改变频差值，角度越大，频差越大。

图5 双折射双频激光器基本结构[11]

石英晶体调谐He-Ne双频激光器结构简单，频差大，输出范围达40MHz～1GHz，但是对石英晶体精度有很高要求，难以实现同一频差双频激光器的统一性。

(2)应力双折射双频激光器

李岩等[12]针对双折射双频激光器做了很多研究，并提出多种实现方法，如通过旋转石英晶体和对反射镜施加应力等。应力双折射激光器结构如图6所示，可通过施加不同的力F调整频率差的大小。

图6 应力双折射双频激光器结构[12]

对激光腔内的光学元件施加压力时，会产生应力双折射效应，o光和e光光程差值为

(12)

式中，δ为光程差值；D为所用元件的直径；f0为光学材料的条纹值；F为压力值；λ为激光波长。

因此，o光和e光之间的频差大小可表示为

(13)

式中，L为激光器的腔长；f为激光增益介质的中心频率。

由此(13)可看出，通过改变控制力F大小可以改变频差，相比石英晶体，双频激光器更易精准控制频差和提高双频激光器的统一性。

(3)双折射-塞曼双频激光器

双折射He-Ne激光器的输出频差不小于40MHz[13]，由于与偏振方向垂直的线偏振光在同一光路，当o光和e光频差较小时，强烈的模竞争导致其中一种频率的光竞争失败，无法实现双频输出。为此，张书练[14]发明了双折射-塞曼双频激光器(见图7)，在激光器施加横向磁场，利用横向塞曼效应削弱模竞争，实现0～40MHz频差输出，填补3～40MHz频差输出空白。

2001年，张书练等[14]发明的塞曼-双折射双频激光器采用二维加力装置(见图8)，保证施力结构的稳定性[15]。2008年，张书练等[16]发明基于打孔应力调节的双折射双频激光器，如图9所示，此发明在增透-反射镜的外表面打孔，根据孔的位置以及打孔作用力大小等，调整激光器输出频率，输出激光器0～40MHz的频差。该发明摆脱外部加力机构，使内应力不受外界干扰，调节更加方便。

图7 塞曼-双折射双频激光器

图8 二维施力装置(以圆形为例)[14]

图9 以两孔为例的增透-反射镜剖面[16]

2013年，朱守深等[17]在施力方式上提出创新，在激光器的平面输出镜内部雕刻不同图案，使平面镜内部产生相位延迟，实现双频激光输出。图10为双折射双频激光器激光内雕法，激光内雕法对激光器没有损害，可以反复赋值，重复修正。

双折射双频激光器易产生40MHz以上大频差，而塞曼-双折射双频激光器填补了中频差3～40MHz的空白，为双频激光干涉仪提供最合适的频差段。激光管上横向磁场强度不影响双折射-塞曼双频激光器产生的频差大小，磁场结构容易实施，但施加应力和挖孔等措施会损害激光器稳定性，因此需进一步研究其寿命等问题。

图10 双折射双频激光器激光内雕法[17]

3.4 声光调制双频激光

外差干涉测量基于声光调制效应产生双频激光，其原理是通过改变声波频率从而改变光的频率，入射光穿过声光介质时，声波变化导致介质折射率改变，从而产生衍射，其一级衍射光频率发生频移，频移量为频差值。

如图11所示，声光调制器与光纤组合构成光纤耦合声光调制结构，频率f0的光通过光纤入射到声学移频器，零阶衍射输出维持原始频率f0原始方向，一阶衍射输出移频后偏转角为-θ，频率变为f0+Δf，将一级衍射光耦合到输出光纤中完成声光调制，得到双频激光[18]。光纤耦合声光调制干涉光路见图12，分离参考光与测量光，避免频率混叠，加强稳定性。

图11 光纤耦合声光调制结构

图12 光纤耦合声光调制干涉光路

为保证激光经多个声波反射后实现多光束相干涉，声光调制需保证

dλ>>Λ2

(14)

式中，d为声光介质厚度；λ为输入激光波长；Λ为声波波长。

因此，基于声光调制原理产生的双频激光频差较高，达几十MHz以上，但光学结构复杂，在工业现场应用较少。

声光调制双频激光的频率调节方便，光路调节难度低，参考光与测量光分离，非线性误差小。由于光学结构比较复杂，目前主要应用于实验室中。ZYGO公司研制产品大多通过声光调制方法产生双频激光，频差大于20MHz，最大测量速度达5m/s[8]。

3.5 双纵模双频激光器

双纵模He-Ne激光器尺寸小，价格便宜，无需额外磁场，可实现无调制输出，应用比较广泛[19]。双纵模双频激光器通过改变谐振腔长，选择两个合适的纵模间距，输出呈正交偏振态的双频激光。激光器输出的纵模间隔可表示为

ΔvL=C/2nL0

(15)

式中，C为光速；n为激光器腔内折射率；L0为激光器腔长。

选择合适的腔长长度，使其输出两个纵模，可获得较高的双频输出。双纵模激光器增益曲线及双纵模分布见图13。

图13 双纵模激光器增益曲线及双纵模分布

双纵模激光器原理简单，成本低，输出频差达600～1000MHz，但是，过高的频差会带来一些问题(如影响测量精度)，在超精密、快速测量领域应用比较少。国内外基于不同原理研制的典型双频激光器对比见表1。

4 典型双频激光器特点对比

本文详细介绍了9种典型双频激光器的特点(见表2)，通过对比可以得到以下结论。

(1)商业用双频激光器以塞曼双频激光器为主，目前通过塞曼效应产生的最大频差为4MHz，最大速度为1m/s。相较其他类型双频激光器，其产生频差较小，测量速度较低，结构简单，24h内频率稳定度高。

(2)基于声光调制的双频激光器产生频差高，测量速度高，由于其光学结构复杂，目前大多应用于实验室内。

(3)塞曼-双折射激光器可实现中频差输出，有很好的应用前景，但需额外定制激光器，目前大规模推广仍有难度。

(4)偏振双反射膜双频激光器目前已有公司投入生产，其最高可产生6MHz频差，长时间的频率稳定度仍需进一步探究。

(5)双纵模双频激光器可产生超大频差，结构简单，成本低，但是过高的频差会为信号处理带来困难。

表1 国内外典型双频激光器对比

表2 典型双频激光器特点对比

5 结语

为了使双频激光更好发展，研究者仍需以降低光学分离难度、结构简单、成本低、适合大规模推广、大频差等方面为目标进行研究。综上所述，预测双频激光器今后发展趋势：

(1)商业激光干涉仪仍以纵向塞曼双频激光器为主，因为其结构稳定，可靠性强，不需额外定制，国内应努力提高纵向塞曼效应最大输出频差，达到国外标准。

(2)实验室中以基于声光调制原理产生双频激光的干涉仪为主，由于其频差调节灵活，参考光与测量光空间分离，避免了频率混叠，使非线性误差低。

(3)塞曼-双折射双频激光器输出频差范围更适用于双频激光干涉仪，今后应努力提高稳定性，实现大规模推广。