压电陶瓷调制激光回馈外腔的实验和分析

为了研究微片激光器的光回馈效应的调制方式对激光器光灵敏度的影响,采用不同调制电压、频率驱动压电陶瓷(PZT)来调谐微片激光器外腔的方法,观察光回馈条纹幅值和灵敏度的变化情况,并结合复合腔等效模型进行了数值仿真和分析。结果表明,增大PZT调制频率,使其越靠近激光器的弛豫振荡频率,光放大效果越明显,输出幅值和PZT调制频率具有相同变化趋势;PZT调制频率不变,将140 mA抽运电流调小至出光阈值电流约100 mA,弛豫振荡峰值会逐渐靠近PZT移频调制量,能主动放大回馈光,增益可高达105;光灵敏度与PZT移频量相对弛豫振荡峰值的距离有关,两者越接近,光灵敏度则越强;经PZT调制的激光回馈系统相对声光调制,有降低成本、易于调节的优势。该研究为联动调节抽运电流和PZT调制量获得幅值合适、噪声小的光回馈条纹提供了参考。

自混合干涉效应及其在位移测量应用中的进展

对自混合干涉系统的位移测量研究进展进行了综述.首先对自混合干涉的发展概况进行了介绍,然后着重介绍了基于自混合干涉系统的位移测量系统.文中将基于自混合干涉的位移测量技术分为条纹计数法,模跳测量法,合成波长测量法,拍频测量法,光回馈水平差异测量法,分区细分法.条纹计数法最易于实现,系统最简单,但分辨率低,一般为半个光波长.模跳测量法利用跳模原理进行测量,分为开环和闭环模跳测量法两类,所对应的分辨率分别为40和50 nm.合成波长测量法则利用双激光器同时回馈时两激光器光强条纹相位差异实现位移测量,测量速度和范围相对于传统单激光器相位测量法大大提高.拍频测量法利用光回馈引起激光器频率变化的现象对位移进行测量,系统的分辨率为5nm.光回馈水平差异测量法巧妙运用透镜实现系统不同水平的光回馈, 实现系统的分辨率为20nm.分区细分法则利用双频激光器中两垂直偏振光光强曲线交叉变化的特点,对条纹交叉结果进行分区,能实现分辨率为八分之一光波长.文中同时对各种测量方法的原理进行了介绍,对各自系统的优缺点也进行了评述.

激光回馈纳米级宽度干涉条纹

一般的干涉现象为"反射镜每移动半个波长,出现一个干涉条纹"。介绍了利用激光回馈获得纳米级宽度干涉条纹的方法。系统构成:He-Ne激光器,使用近于全反射的球面介质镜作激光器的回馈镜,且该回馈镜法线和激光束夹分量级的小角度。回馈镜沿激光束位移移动时,激光器的功率发生周期类正旋波动,即产生回馈干涉条纹。回馈镜离激光器越近,条纹越窄,以至于半波长位移中出现40个条纹。对波长为632.8 nm的He-Ne激光器而言,每个条纹宽度为7.91 nm。同时,当回馈镜的运动方向发生变化时,激光的偏振态将在两个正交的方向之间发生跳变。利用此效应,可以实现纳米分辨位移测量和回馈镜运动方向的识别。

正交线偏振激光器原理与应用(Ⅰ)——正交线偏振激光的产生机理和器件研究

激光诞生后,出现了两种正交偏振激光器:Zeeman双频激光和四频环形激光陀螺。而由两个反射镜构成谐振腔的激光器、即驻波激光器,其内放入双折射元件时的物理效应和应用却成为空白。综述了过去十几年国内外,特别是研究了正交偏振驻波激光原理和器件方面取得的进展。首先,导出激光频率分裂的公式,并利用了几乎全部的量子光学现象(各种双折射元件及其物理效应)实现了驻波激光器正交线偏振激光振荡。这些量子光学现象有:晶体石英双折射效应、方解石双折射效应、应力(光弹)双折射效应、光电双折射效应等。其次,实验中观察发现了若干激光物理现象,如晶体石英旋光性造成的频率分裂畸变,强模竞争发生时的两频率间隔,频率分裂的越级等。再次,由于原理的限制,传统的Zeeman双频激光器输出的频差不可能大于3MHz。为了解决这一问题,实验室制成了几种原理的正交偏振双频激光器件:可输出40MHz到几百MHz频差的双折射双频激光器;可输出从1MHz到几百MHz频差的双折射-Zeeman双频激光器和双双折射双频激光器;输出巨大频差(几个GHz)的LD泵浦YAG双折射双频激光器;纵模间隔约为c/4L(普通激光器为c/2L)的激光器等。

面向21世纪的双频激光及相关测量科学技术

测 2 1世纪初几种重要激光计量仪器的发展水平 :双频激光可输出近零赫兹到百吉赫兹的频差 ,频差的稳定性将达到 1 0 - 7,从而使相对测量干涉仪的测量速度获得提高 ;高精度、长距离的绝对测量得以实现 ;双频激光的发展使建立新的可溯源到光波长的波片测量基准成为可能 ;产生一种可直接传感位移的激光器 ,可在很大程度上取代电感测微仪 ;产生一种测角仪 ,可在几十度范围内达到 0 .0 1′分辨率 ;产生一种惯性振动测量仪器 ,分辨率达到纳米。

正交线偏振激光器原理与应用(Ⅲ)——精密测量应用原理及技术基础研究

综述了利用正交线偏振激光器内特性进行精密测量的研究成果,包括:①纳米激光器测尺(基于频率分裂的激光器两偏振光竞争位移传感激光器)测量原理,②基于频率分裂激光器两偏振光回馈的位移测量原理,③直接利用波片形成频率分裂的波片位相延迟测量原理,④基于频率分裂对腔内双折射强弱敏感性的位移测量原理,角度测量原理,振动测量原理,⑤压强测量原理,⑥磁场测量原理等,所涉及现象包括:激光纵模问隔内新频率的产生,两频率之差的改变、光束的偏振特性的改变,模的竞争强度的改变等.这些新应用的原理、结构简单,可溯源到光的波长。如,激光器自身就是传感器的纳米激光器测尺已在应用中,测量范围12 mm、分辨率79 nm、线性度小于5×10^(-5),波片位相延迟测量系统重复性达到0.3′。

正交线偏振激光器及其在精密测量中的新应用

介绍了正交线偏振激光器及其在精密测量中的新应用,包括:1)正交偏振双频激光器,2)纳米激光测尺(基于频率分裂的激光器两偏振光竞争位移传感器)测量原理,3)直接利用波片形成频率分裂的波片位相延迟测量原理,4)激光回馈波片位相延迟测量原理。这些新应用的原理,结构简单,可溯源到光波长。如,纳米激光测尺已在应用中,测量范围12mm,分辨力79nm,线性度小于5×10-5,基于频率分裂的波片位相延迟测量系统重复性达到0.3′,而激光回馈波片位相延迟测量系统具有在线检测的优点。

用激光频差调谐曲线进行纳米位移测量的初步研究

提出了一种新的纳米测量的原理，用激光频率分裂技术获得两个间隔数十兆兆赫兹的频率，激光两反射镜之一移动时频差将因反常色散而改变，此改变量与反射镜位移大小相对应，初步的实验证明了此原理的可行性，达到１ｎｍ的分辨率和１３０ｎｍ的范围。

风起于青萍之末 浪成于微澜之间——漫谈30年科研:激光谐振仪器体系的建立

科学方法研究是比获得成果更基础的工作,此文是一篇总结作者30多年科学研究路径和概括研究成果相兼的论文。作者从几个基本的激光物理问题出发,通过改变激光器谐振腔的结构,在腔内/外增加元器件,逐步发现了两镜激光器、三镜激光器腔调谐中的诸多物理规律,并据此研制成多种激光精密测量仪器。概括了整个研究过程中作者科学研究的基本理念,简述了作者研究激光中发现的物理现象,总结了建立的激光谐振仪器的科学体系。

用于测量液面高度的光纤光栅传感器(英文)

提出并实验了一种精密的用光纤光栅作为敏感元件测量液面高度的方法 ,讨论了传感系统设计的关键问题。该传感器可用于中等深度的液面高度的精密测量 ,其灵敏度可达0 .15mm/pm。

激光器纳米测尺原理

以笔者发现的激光频率分裂、模竞争、腔调谐等双折射双频激光物理效应 ,研制成激光器纳米测尺。激光器自身就是纳米量级位移传感器 ,利用腔内双折射元件把一个激光频率分裂成 2个频率 (⊥光模和∥光模 ) ;当一腔镜沿激光器轴线移动并使这两个频率扫过激光增益区时 ,强烈和中等程度的竞争交替出现 ,把出光带宽分成 3个等宽区间 ;使激光纵膜间隔为出光带宽的 4 /3时 ,在腔镜移动第一个λ/8波长内强竞争使⊥光模抑制掉∥光模 ,第二个λ/8波长内中度竞争使⊥光模和∥光模可一起振荡 ,第三个λ/8波长内强竞争使∥光模抑制掉⊥光模 ,第四个λ/8波长内⊥光模∥光模均不振荡 ,激光器无光输出 ;4种状态重复一次 ,反射镜移动λ/2 ,计算出状态数 ,可知腔镜位移。由 4个区域光偏振各不相同来判断腔镜位移方向。腔镜经一个机械测杆和被测物接触 ,实现被测物位移测量。测量范围已达 15mm ,分辨率 79 0 8nm ,线性度 5× 10 -6,重复性 2σ优于0 314 μm。该成果是激光技术和精密计量两领域交叉融合取得的自主原创性、有重要意义的突破性进展。

频率分裂与模竞争现象教学实验He-Ne激光器

一、引言激光课程中,激光的频率特性和激光烧孔效应及模竞争这两部分内容都是必需但又较难理解的内容,因而辅助教学的实验就显得尤为重要。通常进行激光频率特性实验的装置是扫描干涉仪。实验方法是让激光束射入扫描干涉仪,在示波屏上观察激光纵模。学生所能做的仅是学习如何使用扫描干涉仪和激光束含有几个纵模的感性认识。学生无法控制这些纵模(频率)以及纵模间隔。实验的质和量相对于纵模(频率)这一概念的重要性来说,显得不够充实。

第三代激光干涉仪——固体微片激光自混合测量技术的突破

微片激光自混合干涉仪原理上与迈克尔逊干涉仪不同。主要差别是:激光自混合干涉仪的光束照射在被测物上并被反射回激光器被激光器内放大介质放大。作者课题组研究的的激光自混合干涉仪的测量速度达到了1 m/s以上,10 m空程的环境误差小到了40 nm。它具有全固态、可测"黑"目标的位移等性能,又达到了传统激光干涉仪的技术指标。如果第一代光学干涉仪是以光谱灯做光源,第二代光学干涉仪是以He Ne气体激光器做光源的话,固体激光自混合干涉仪因其激光"自混合"原理可看成是第三代激光干涉仪。

正交偏振激光科学研究进展与教学

本文介绍正交偏振激光器的研究进展(特别是最新进展)和引入教学的实践。第一部分是与正交偏振激光相关的现有激光课程涉及的基本内容，也是以下各部分的基础。第二部分，您能清楚地了解塞曼激光和四频环形激光器的原理，它们输出正交圆(或线)偏振激光。从第三部分开始，您将得到大量已有教科书和专著中还没有的(或提到但没能展开)

正交线偏振激光器原理与应用(Ⅱ)——物理现象研究

系统介绍了作者实验室发现的正交线偏振激光的物理现象及对若干问题的理论分析。包括:强烈与中度模竞争之间的转换,即竞争中两个频率之一由振荡到熄灭或从熄灭到振荡的过程;强烈模竞争的频差范围的确定(0～40MHz左右);双折射双频激光器腔调谐中出现的4种偏振态组合(o光振荡、e光不振荡,o光、e光同时振荡,o光不振荡、e光振荡,o光、e光都不振荡,循环重复);双折射双频激光器频差调谐现象;双折射Zeeman双频激光器的功率调谐、频差调谐特性;正交线偏振激光回馈自混合干涉中两个频率的相互抑制,强度的转移;双折射外腔回馈引入的条纹倍频现象;石英晶体旋光性造成的激光两端偏振方向的差异及随晶片旋转的改变,频率分裂畸变等。

回馈中的若干激光物理效应

文中将两个激光物理概念"激光回馈效应"和"正交偏振激光"交叉结合,并向"纳米干涉技术"应用渗透产生新的结果。"激光回馈效应"(又称激光自混合效应)是激光器的十分重要的物理现象,当激光器输出光束被前进路程上的反射面反射回激光内部时,这一现象总要发生。"偏振"也是大多数类型的激光器输出光束的特性。腔内有量子阱、布儒斯特窗、双折射元件等偏振机制或元件时,激光器必是偏振输出。即使无此类元件,大多数类型激光器输出的每一个纵模(频率)也都是线偏振的,且相邻的两个纵模经常是正交偏振的。作者课题组发展了新类型的 HeNe 和 Nd:YAG 微片激光器:正交偏振激光器(双折射双频激光器)输出两个模(频率),模间隔可调且偏振态垂直。作者意识到,模(频率)间隔的改变(特别是很小的间隔)导致模竞争强度改变。还认识到,正交偏振特性正好可利用来研究这种改变:可用偏振分光镜将正交偏振激光束中的两正交模分开,以研究每个偏振态各自的特性和它们之间的相互作用。在研究之前,人们对外腔调谐的研究都是用一个反射镜将激光输出的光束的全部纵模(频率)反射回激光器。这就意味着不区分纵模多少及其间隔大小,不区别激光输出的偏振状态,不顾及激光频率之间的竞争。如果说以往是站在激光器外头研究回馈,研究是进入激光器内部研究回馈:由偏振器件将两正交偏振频率分开,研究每个偏振频率的回馈行为,研究它们之间的相互影响。作者课题组取得的主要发现点包括:(1)设计了(单模激光器腔调谐+PBS分开正交偏振两成分)的方法研究激光器模间作用、光强改变及偏振特性。(2)双折射双频激光器、M3弱反射并调谐:o、e 光强度曲线均为类正弦;两频频差小于200 MHz 时,o、e 曲线的位相差随频差变大而减小;两频频差大于200 MHz 时,o、e 曲线位相差为相对腔长和相对频率分裂量的乘积。(3)双折射双频激光器、M3中等反射率并调谐:o、e 光强度总是反向变化;一周期分为缓交换区和快交换区;两个等光强点:缓区的高于快区的。(4)单纵模激光器,M3高反射并欠准直,M3调谐:M3每位移λ/80,光强变化一个周期,即生成了纳米光条纹。(5)单纵模激光器,M3高反射并欠准直,M3调谐:M3每变向一次激光偏振态旋转90°—次。(6)外腔内有λ/4片、M3调谐:光强调制曲线倍频,即外腔长每变化λ/4,光强变化一个周期;曲线类似正弦全波整流;如波片快轴与光偏振方向平行或垂直,相邻周期偏振态正交;如波片快轴与激光器偏振方向夹45°角,偏振态不因 M3调谐而变。(7)波片置外腔、M3调谐,强度曲线上一种偏振态占据宽度和一个周期宽度之比等于双折射元件位相延迟。(8)双折射一塞曼双频激光器,M3调谐:单偏振回馈,o、e 光强调制曲线都为类正弦,变化趋势相反;双偏振回馈,o、e 曲线的相位差因 M3运动方向不同分别为π/2或3π/2。(9)Nd:YAG 双频激光器、M3调谐,M3反射率越大,光强调制越深;频差是外腔自由光谱区1/2的偶数倍,调制深度最小;奇数倍时,调制深度最大。(10)用"任意位相差波片外腔、M3调谐:强度曲线上一种偏振态占据宽度和一个周期宽度之比等于双折射元件的位相延迟"的原理已制成新的波片测量仪,其具有高精度和可在位测量的特点。

激光回馈效应及其传感应用研究的进展

对基于激光回馈效应的传感应用研究进展进行了综述。由于激光回馈引起激光器功率波动一个条纹对应外部反射镜移动半个光波波长,功率波动深度与传统双光束干涉系统相当,基于该现象的激光回馈干涉仪与传统的干涉仪相比具有相同的相位灵敏度。但其结构简单、紧凑、易准直的特点,引起了国内外科研者浓厚的兴趣,开发了很多全新概念、经济实用的精密测量仪器。对激光回馈效应在位移测量、速度测量、振动测量、距离测量、角度测量和形貌测量中的原理进行了介绍,同时对各传感应用系统进行了评述。

双频激光干涉仪技术现状与发展

文章概述了国内外双频激光干涉仪产品的现状,介绍了近年来双频激光干涉仪向高分辨率、高精度、高测速等几个方向的发展趋势。

直升机旋翼挥舞、摆振的激光动态测试系统

提出一种直升机旋翼挥舞、摆振角的动态测试系统。在直升机桨毂安装与旋翼同步旋转的三叉件 ,每个三叉件悬臂上装有光学三角位移传感器和线阵 CCD位移传感器 ,实现了动态测量直升机旋翼桨叶的挥舞和摆振角。为保证系统在恶劣条件下正常工作 ,系统采用了加装干涉滤光片、L D调制技术和自动增益控制电路等一系列技术措施。最后给出了实验结果。由位移 -角度转换和传感器自身的非线性引起的误差用若干静态标定点为节点插值的方法修正。

波段外脉冲激光对锗材料热冲击效应的数值研究

强激光辐照锗材料可造成材料的破坏。对波段外脉冲激光辐照锗材料进行了理论研究,建立了激光辐照锗材料的热力耦合数学物理模型,对热传导方程和应力平衡方程进行有限元数值求解,对不同能量密度下波段外激光辐照锗材料的瞬态温度场和应力场分布进行了数值模拟计算,得到了材料最易损伤的位置和材料的损伤阈值以及锗材料的损伤阈值与激光参数之间的关系。分析结果表明:热应力损伤在锗材料的脉冲强激光损伤中占据主导地位,锗材料出现热应力损伤的激光能量密度小于出现熔融损伤的激光能量密度,应力损伤主要集中在光斑中心区域并体现为压应力损伤。