雷射頻率分裂技術的發展

2020-12-06 OFweek維科網

    雷射頻率分裂技術廣泛應用於質量、重量、壓力、長度、角度等計量領域。有多種產生雷射頻率分裂的方法，如成都工具研究所雙頻雷射幹涉儀中使用的Zeeman效應，Zygo公司雷射幹涉儀採用的Bragg效應，雷射陀螺（角度幹涉儀）中採用的 Sagnac效應等，這些方法都能導致頻率分裂。在測量儀器中，使用頻率分裂的最大優點在於能使系統工作在交流狀態，具有極大的增益和良好的抗幹擾能力。但上述的頻率分裂方法都存在局限性：Zeeman效應中，由於模牽引的影響頻率差難以提高；Bragg效應中，為保證多光束幹涉，頻率差難以降低，前者影響儀器系統的性能，後者受到電路器件速度的限制。

 

    從1985年開始，中外科學家相繼提出了基於雙折射原理的頻率分裂技術，經過二十年來的不斷研究，已經逐步走向實用化，是量儀設計中的值得關注的一項技術。

 

    雷射器的諧振腔可近似認為是P-b幹涉儀，當頻率滿足駐波條件時獲得幹涉的極大值，即諧振腔的輸出，雙折射原理的頻率分裂技術原理即基於雷射器的駐波條件，雷射器的物理腔長和輸出頻率有恆定關係，一定的物理腔長輸出一定的頻率，如果在雷射器的幾何腔長一定的情況下，利用雙折射原理產生兩個物理腔長，從而輸出兩種頻率的雷射。科學家已經提出了多種在雷射器腔內產生雙折射的方法，如在諧振腔內插入兩個1/4波片，KDP晶體等，由於快軸折射率和慢軸折射率的差別，生產不同的物理腔長，從而導致不同的頻率輸出。

 

    清華大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室對雙折射頻率分裂技術進行了大量的研究，提出一種在腔內安置石英晶體或電光晶體，利用自然雙折射效應、電光雙折射效應或應力雙折射效應實現雷射頻率分裂的方法，可以產生40MHz以上的頻率差的e光和o光。但是由於模式競爭的原因，在頻率差小於40MHz時，系統會產生「頻率閉鎖」，又恢復到單頻輸出狀態，為避免這種「閉鎖」現象，實驗室在雷射器外增加橫向磁場，將放大介質分為兩類，從而避免了e光和o光的模式競爭，使兩個頻率都穩定振蕩，這種方法可以產生從0Hz到幾百MHz的頻率差。

 

    雙折射雷射器的出現，不但為外差式雙頻雷射幹涉儀提供了頻率差可以調節的雷射光源，同時又誘導出許多嶄新的測量方法，如將頻率分裂技術與模競爭效應相結合，能夠把一個縱模間隔的頻寬按照e光和o的振蕩次序分為四個部分，可以證明，當雷射器的諧振腔變化λ/2時，輸出頻率移動一個縱模間隔，依次出現上述的四個振蕩規程。利用這一現象，如果我們把雷射器的諧振腔作為一個長度傳感器，當腔長變化λ/8時即過渡到一個新的振蕩狀態，利用各振蕩狀態的出現次序可以作為通常傳感器的辨向依據，這種長度傳感器是以雷射波長為基準的，可以說是最高精度的長度傳感器。目前這種傳感器的測量範圍已達 25mm；同樣，這一原理與雷射器的光回饋現象結合，可望出現實用型的光回饋幹涉儀。

 

    基於雙折射原理的頻率分裂是一門嶄新的技術，隨著研究的深入，這種物理現象必然會不斷向計量領域滲透，產生新的測量原理和方法，推動計量技術的發展。

 

（編輯：小曾）

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