（光学专业论文）磁致旋光塞曼双频激光器的理论及实验研究.pdf

摘要 磁致旋光一塞曼双频激光器的理论及实验研究 摘要 激光外差干涉仪以其测量精度高、抗环境干扰能力强等优点得到了广泛的应用。其 中作为光源的双频激光器在整个干涉系统中起着非常重要的作用。本文提出一种新型中 频差双频激光器磁致旋光塞曼双频激光器。根据塞曼效应，使n e 原子在纵向磁场 的作用下光谱线发生分裂，产生频率不同的两个圆偏振光。将磁光材料放置于磁室内并 同时放入激光谐振腔中。根据法拉第效应，在谐振腔内当光通过磁光材料时，由于磁光 材料相对于左旋和右旋圆偏振光的折射率不同，从而导致谐振腔内左旋和右旋圆偏振光 的谐振腔腔长不同。根据激光谐振腔理论，腔长的微小差异将导致激光输出频率的不同。 这时激光器将输出频差为v 的双频激光。为了提高系统的集成度，本文还讨论了磁性光 子晶体应用于磁致旋光塞曼双频激光器的可行性。论文完成的主要工作如下： ( 1 ) 应用激光谐振腔理论和法拉第效应的宏观理论推导出了输出激光的频差与磁 室内磁场、谐振腔腔长的关系公式。结果显示输出频差与腔长成反比，而与磁室内磁场 成正比。 ( 2 ) 实验研究了激光器塞曼部分的光学输出特性，观察到当纵向磁场大于3 m t 时 输出激光的频率将发生分裂，证实了磁感应强度与频差成正比，与拍频信号峰峰值成 反比。并且发现频差增加的同时，激光纵模个数也在增加。 ( 3 ) 应用磁光调制倍频法测量了t b 2 0 、t b 2 5 玻璃和b g o 晶体在6 3 2 8 n m 波长的 费尔德常数值和磁光优值。结果表明t b 2 0 材料的磁光性能优于b g o 晶体。应用m a g n e t 软件设计并制作出了磁屏蔽室，测得其泄漏磁场小于1 ，基本达到设计要求。 ( 4 ) 应用状态方程分析了一维磁性光子晶体的磁光特性，指出选择适当的结构可 以使得材料的法拉第旋转角大幅度的增加。同时在中心波长处具有很高的透射率，而且 在很大的入射角范围内，其光学性质基本不发生变化。分析了产生这些现象的原因，即 当光波在材料中所形成的驻波波峰正好处于磁光材料区域时，会获得很强的磁光效应。 ( 5 ) 利用频域有限差分方法( f d f d ) 分析了两种二维磁性光子晶体结构( 方形和 圆形空气孔结构) 的模场分布和有效折射率。该种材料的法拉第旋转角较连续分布的磁 光介质有显著增加。但是当光通过这类材料后偏振态发生了变化，随着法拉第旋转角的 增加出射光的椭圆率也在增加。分析了产生这一现象的原因，并通过在材料中心处引入 缺陷解决了偏振态变化这一问题。 关键词：双频激光器，法拉第效应，塞曼效应，磁性光子晶体，频域有限差分 国家自然科学基金委员会中国航空工业第一集团公司航空科技联合基金( 1 0 4 7 7 0 1 6 ) 西北工业大学研究生创业种子基全( z 2 0 0 0 6 5 9 ) 联合资助项目 西北工业大学硕上学位论文 t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n o fd u a l f r e q u e n c yl a s e rb a s e d o nf a r a d a ye f f e c ta n dz e e m a ne f f e c t a b s t r a c t l a s e rb e t e r o d y n ei n t e r f e r o m e t e rh a sa d v a n t a g e so fh i g hm e a s u r i n gp r e c i s i o na n d a n t i - e n v i r o n m e n td i s t u r b a n c ea b i l i t y i th a sb e e nb r o a d l ya p p l i e di nm e c h a n i c a li n d u s t r y t h e d u a l - f r e q u e n c yl a s e ra sal i g h ts o u r c et a k e sak e ye l e m e n ti nt h ei n t e r f e r o m e t e r an e w d u a l f r e q u e n c y l a s e ro f m i d f r e q u e n c yd i f f e r e n c e i e m a g n e t i c r o t a t i o n - z c c m 姐 d u a l f r e q u e n c yl a s e r , h a sb e e np r o p o s e di nt h i sp a p e r t h ep r i n c i p l eo f t h el a s e ri sa sf o l l o w s ： t h es p e c t r u mo fn ea t o mi ss p r i ti nt h el o n g i t u d i n a lm a g n e t i cf i e l d t h el e f t - h a n d e dc i r c u l a r l y p o l a r i z e d a n d r i g h t - h a n dc i r c u l a r l yp o l a r i z e d a r eb r o u g h tw i t hd i f f e r e n tf r e q u e n c y m a g n e t o - o p t i c a lm a t e r i a li sp l a c e di nt h em a g n e t i s ms c r e e n e dr o o mw h i c hi s i nt h el a s e r r e s o n a n tc a v i t y a c c o r d i n gt ot h ef a r a d a ye f f e c t ，w h e nt h el i g h tw h i c hi si nt h er e s o n a n t c a v i t yp a s s t h e m a g n e t o - o p t i c a lm a t e r i a l , t h e r e f r a c t i o nd i f f e r e n c eb e t w e e nl e f t - h a n d e d c i r c u l a r l yp o l a r i z e dr i g h ta n dr i g h t - h a n d e dc i r c u l a r l yp o l a r i z e dl i g h t l e a d st ot h ed i f f e r e n t l e n g t ho fr e s o n a n tc a v i t y a c c o r d i n gt ot h el a s e rr e s o n a n tc a v i t yt h e o r y , t h ed i f f e r e n tl e n g t ho f r e s o n a n tc a v i t yl e a d st od i f f e r e n tf r e q u e n c y t h e nt h el a s e rw i l lo u t p u tb e a m sw i t h v d i f f e r e n tf r e q u e n c y t h eo p t i c a lp r o p e r t yo fm a g n e t o p h o t o n i cc r y s t a l si ss t u d i e di no r d e rt o e n h a n c et h ei n t e g r a t i o nr a t eo ft h el a s e rs y s t e m t h em a i nc o n t e n t sa r e ( 1 ) a p p l i e dl a s e rr e s o n a n tc a v i t yt h e o r ya n d t h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v et h e o r yo ff a r a d a y e f f e c t , t h er e l a t i o n a lf o r m u l ao ff r e q u e n c yd i f f e f e n c eo ft h el a s e r , m a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e n s i t y a n dl e n g t ho fr e s o n a n tc a v i t yi so b t a i n e d f r o mt h ef o r m u l a , t h er e s u l tt h a tt h ef r e q u e n c y d i f f e r e n c ed i r e c t sw i t ht h ec a v i t yl e n g t ha n di n v e r s ew i t ht h em a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e n s i t yi s a c q u i r e d ( 2 ) o p t i c a lp r o p e r t yo ft h ez a e m a np a r t i si n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y w h e nt h e m a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e n s i t yi sb i g g e rt h a n3 m t , t h ef r e q u e n c yd i f f e r e n c eo ft h el a s e rw i l l b e c o m es t a b i l i z a t i o na n di ti sd i r e c t l yp r o p o r t i o n a lt ot h em a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e n s i t ya n d i n v e r s e l yp r o p o r t i o n a lt o t h ep e a k - p e a kv a l u eo ft h eb e a tf r e q u e n c y t h en u m b e ro ft h e l o n g i t u d i n a lm o d ei si n c r e a s i n gw i t ht h ee n h a n c e m e n to ft h em a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e n s i t y ( 3 ) t h ev e r d e t c o n s t a n t sa n dm a g n e t o - o p t i c a lf i g u r eo fm e r i to fm a g n e t o - o p t i c a l m a t e r i a l s ( b o o ，t h 2 0g l a s sa n dt b 2 5g l a s s ) a t6 3 2 8 n ma r em e a s u r e db ye m p l o y i n gt h e d o u b l ef r e q u e n c ym e t h o d a n dt h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h em a g n e t o o p t i c a lp r o p e r t yo f t b 2 0i sb e t t e rt h a nb g 0 d e s i g nt h es t r u c t u r eo fm a g n e t i s ms c r e e n e dr o o mb yu s i n gm a g n e t b a s e d0 1 1t h es t r u c t u r e ，t h er o o mi sp r o d u c e d ，a n dt h el e a ko fm a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e n s i t yi s b e l o w1 t h em a g n e t i s ms c r e e n e dr o o mb a s i c a l l yr e a c h e st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ( 4 ) s e v e r a lk i n d so f s t r u c t u r eo f o u e d i m e n s i o n a lm a g n e t o p h o t o n i cc r y s t a l s a t ea n a l y z e d u s i n ge q u a t i o no fs t a t e b yc h o o s i n gp r o p e rs t r u c t u r e ，t h ef a r a d a y r o t a t i o nc a nb ei n c r e a s e d b ys e v e r a lt h o u s a n dt i m e s ，a n dt h et r a n s m i s s i b i l i t yi sa l s oi n c r e a s e di nt h ec e n t e rw a v e l e n l g t h 摘要 i i i m o r e o v e rw h e ni n c i d e n ta n g l ei sn o tt o ob i g t h eo p t i c a lc h a r a c t e ri sb a s i c a l l yn o tc h a n g e n e u n i q u ep r o p e r t i e sa r i s ef r o mt h el o c a l i z a t i o ne f f e c to fl i g h ta sar e s u l to fm u l t i p l ei n t e r f e r e n c e o fl i g h tw i t h i nt h em a g n e t i cm u l t i l a y e r f i n a l l yt h ec o n c l u s i o nt h a tt h eo n e - d i m e n s i o n a l m a g n e t o p h o t o n i cc r y s t a l sc a na p p l yi nt h em a g n e t i cr o t a t i o n - z e e m a nd u a l f r e q u e n c yl a s e ri s o b t a i n e d ( 5 ) t h em o d ef i e l da n de f f e c t i v ei n d e xo ft w os t r u c t u r e s ( s q u a r ea i rc o r ea n dc i r c u l a ra i r c o r e ) o ft w o - d i m e n s i o n a lm a g n e t o p h o t o n i cc r y s t a l si sa n a l y z e du s i n gf i n i t e d i f f e r e n c e f r e q u e n c y d o m a i n ( v o f d ) m e t h o di nt h i sp a p e r 1 1 i ef a r a d a yr o t a t i o no ft h e s et w os t r u c t u r e s i se n h a n c e dc o m p a r e dw i t ht h a to ft h ec o n t i n u o u sm a g n e t o - o p t i c a lm a t e r i a l s t h ep o l a r i z a t i o n s t a t eo fo p t i c a lw a v e si sc h a n g e da f t e rp a s s i n gt h es t r u c t u r e w i t l lt h ei n c r e a s i n go ff a r a d a y r o t a t i o n , t h ee l l i p t i d t yo fo u t g o i n go p t i c a lw a v e si se n h a n c e d f i n a l l y , w ea n a l y z et h er e a s o n o ft h ep h e n o m e n aa n ds o l v et h ep r o b l e mb yi n t r o d u c i n gd e f e c ti nt h es t r u c t u r e k e y w o r d s ：d u a l f r e q u e n c yl a s e r , f a r a d a ye f f e c t , z e e m a ne f f e c t , m a g n e t o p h o t o n i cc r y s t a l s ( m p c s ) ，f i n i t e - d i f f e r e n c ef r e q u e n c y - d o m a i n ( r o f o ) 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留井向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北：【业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：腿避 2 0 们年；月2 9 日 指导教师签名：，姜兰塑 。一7 年；月熠日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郊重声明：所呈交的学位论文，足本 人在导师的指导f 进行研究t 作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的山容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：塑造 2 9 0 _ 年；月2 9 h 西北工业大学硕上学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 自从1 9 6 1 年贝尔电话实验室的贾范等研制成功第一台连续工作的h e n e 激光器以 来，由于其具有优良的单色性、高的光束质量以及高稳定性等优点而成为许多实验室及 工程测量设备的光源。目前以h e - n e 激光器为光源的激光干涉仪以其特有的大测量范 围、高分辨率和高测量精度等优点，在超精密加工、光刻机以及三坐标测量机的标定等 领域中有着广泛的应用，已成为精密机械工业不可缺少的测量仪器。在单频激光干涉仪 的基础上发展起来的双频激光干涉仪是一种外差干涉仪，其最显著的特点是利用载波技 术将被测物理量信息转换成调频或调幅信号，克服了普通单频干涉仪测量信号直流漂移 的问题，具有信号噪声小、抗环境干扰、允许光源多通道复用等诸多优点，广泛应用于精 密机床、大规模集成电路加工设备等的在线在位测量、误差修正和控制等领域。【1 吲 1 2 双频激光干涉仪的工作原理与发展状况 双频激光干涉仪为典型的迈克尔逊干涉仪结构，其工作原理如图1 1 1 所示，激光 图1 1 1 基于迈克尔逊干涉仪的双频激光干涉仪光路 器输出不同频率的左旋和右旋圆偏振光，经1 4 波片后变成两相互正交的线偏振光，经 扩束器扩束准直后，被分束镜分成两部分，一小部分形成新的同向线偏振光并产生拍频 作为参考信号输送给计算机；另一部分被偏振分柬棱镜分光，分别到达参考棱镜和 测量棱镜。若测量棱镜以速度v 运动，由于多普勒效应，从测量镜返回的光束的频率将 发生变化，并产生频移a v - 2 v i 。该光速返回后与参考棱镜反射回的光束会合后也形成 拍频a v o + a v ，经放大后送入计算机。经过计算机处理后，根据两拍之差即可得出频移a v ， 2 第一章绪论 以此可得出时间t 内动镜移动的距离。 双频激光干涉仪中，双频起了调频的作用，被测信号只是叠加在这一调频载波上， 这一载波与被测信号一起被光电接收器接收并转换成电信号。当被测镜静止不动时，干 涉仪仍保留有a v 0 的交流信号。动镜的运动只是使这个信号的频率增加或减少，因而前 置放大器可采用交流放大器，避免了直流漂移问题。具有信号噪声小、抗环境干扰、允 许光源多通道复用等诸多优点。1 9 。廿】 世界上各发达国家对双频激光干涉仪的发展都给予足够的重视。目前有三种典型的 双频激光干涉仪：美国h e w l c tp a c k a r d 公司生产的h p 系列双频激光干涉仪，美 z y g o 公 司研制的用于d s w 光刻机x y 工作台直线及角位移测量的双频激光干涉测量系统，以及 英国r e m s h a w 公司的激光校准系统。我国于7 0 年代开始双频激光测量系统，1 9 7 5 年由中 国计量科学研究院与西安理工大学研制出了我国第一台国产双频激光干涉仪样机。到目 前为止，哈尔滨工业大学、清华大学、华中科技大学等也相继开展了对激光干涉仪及相 关技术的研究，成都工具研究所已可批量生产出带有测量空气参数装置并进行误差补偿 的双频激光干涉移。f 1 4 ，1 5 j 双频激光干涉仪中双频激光的产生起着十分关键的作用，因此对双频激光器的研究 是有重要的意义。 1 3 双频激光器的研究状况 目前的双频激光器主要为塞曼双频激光器，其输出频差为几百k i - i z 到3 m i - i z 之间， 随着机械工业的发展，高测速过程中这一频差大小已远远不能满足需求。因此对大频差 输出激光器的研制成了急需解决的问题。为了获得大于3 m h z 的频差，人们利用声光调 制法获得大频差。将激光器输出光束分成两束，其中一束被声光调制器移频，然后和另 外一束取拍，获得4 0 m h z 或8 0 m i - i z 的频差i 幡1 s l 。p o l y t e k 和z y g o 等公司已经推出了商 品化的产品。e x e lp r e c i s i o n 公司则利用了更复杂的方法，用两台同频率的激光器和光取 拍得到8 m h z 的频差。这两种方法均比塞曼激光器复杂得多，也昂贵得多。【1 1 】 为了达到大频差输出的需求，研究人员提出了三类双频激光器：双频h e n e 激光器、 双频n d ：y a g 激光器、双频半导体激光器。 1 3 1 双频h e n e 激光器 ( 1 ) 应力双折射可调谐双频h e n e 激光器 由应力双折射效应产生激光频率分裂的现象最早由w h o l z a p f c l 发现1 2 2 ；3 1 。在单频激 光谐振腔内放置应力双折射元件( 如玻璃片等) ，对其施加横向作用力( 即作用力方向 垂直于激光束方向) ，从而产生应力双折射效应，原来的单频激光便分裂为偏振方向正 交的线偏振光，从而获得双频激光输出。频差的大小与光弹元件上的外力成正比。所以， 通过改变外力的大小，可以实现频差的调谐，调谐范围从几- i 。m h z 到几百m h z 。1 2 4 1 西北工业大学硕士学位论文3 应力双折射双频激光器的显著特点是频差可连续调谐，但对外部加载装置的设计合 理性及其结构稳定性有较高的要求。在许多实验中，采用螺纹调谐加载应力，但该方法 存在激光增益管颈部被折断的潜在危险，且不能精细调谐频差，更不能对频差大小进行 闭环控制。还有采用压电陶瓷加载应力的方法，但其作用力比较小，限制了频差调谐范 围。【硼 ( 2 ) 无频差闭锁双折射双频h e - n e 激光器 在单纵模输出的h e n e 激光谐振腔内，插入一块具有双折射效应的光学元件( 如石 英晶体、方解石等等) ，使得腔内的激光分裂成具有不同光学谐振腔长的o 光和e 光，这 两束正交线偏振的双频激光振荡输出【矧。这种腔内双折射效应双频h e n e 激光器的频差 大于4 0 m h z ，与塞曼效应双频h e n c 激光器的之间存在一个3 4 0 m h z 的频差“闭锁区”， 但3 4 0 m h z 却是较为理想的频差段，具有最佳性能价格比，是双频h e - n e 激光器的研究 重点。由于腔内存在着强烈的模式竞争效应，所以无法获得频差小于4 0 m i i z 的双频h e n e 激光。1 2 6 , 2 7 1 国内清华大学张书练等利用横向磁场分离增益介质的方法，成功研制出双折射一塞 曼双频激光器，其输出频差可在1 m h z 到几百m h z 之间连续可调。该双频激光器利用塞 曼效应克服了在两个正交偏振模之间存在的强烈的模竞争。由双折射造成的两束偏振光 中的任一束都将只使用一类原子，要么是发射的兀偏振光的激活原子，要么是发射。的偏 振光的激活原予。而横向塞曼效应中的兀光和。光的耦合很小，双折射形成的平行偏振光 和垂直偏振光的竞争也很小，从而两者能同时在激光腔内稳定振荡而不熄灭，得到了4 0 m h z 以下的频差输出【1 0 l 。 ( 3 ) 双纵模双频h e n e 激光器 四川大学激光应用研究所采用普通h e n e 内腔式激光器渊，通过直接控制毛细管的 放电电流来调谐腔长稳频，两纵模频差可达6 0 0 m h z 一1 g h z ( 对应激光管管长为 1 5 0 r a m 2 5 0 r a m ) 。 1 0 2 双频n d ：y a g 激光器 由于n e 的光谱线宽度比较小( 6 3 2 8 n m 光的谱线宽度约为1 5 0 0 m h z ) ，因此基于各 种频率分裂原理的h e n e 双频激光器最大频差不超过1 g h z 2 0 l 。n d ：y a g 激光器的增益带 宽非常大( 一般为1 5 0 g h z 1 8 0g h z ) ，为获得大频差的双频激光提供了可能，近几年来， 国内外研究人员相继提出了多种双频n d ：y a g 激光器研究方案。 ( 1 ) 空问分离型大频差可调谐双频n d ：y a g 激光器 法国r e n n e s 大学f b r e t e n a k e r 等采用两束相距约为l m m 的正交线偏振钛宝石激光纵 向抽运n d ：y a g 晶体，激光晶体两侧各有一只四分之一波片以消除空问烧孔效应，通过 改变两波片快轴( 或慢轴) 之问的央角，并辅以融石英法钿黾一珀罗( f - p ) 标准具调 谐角度，频芹可达2 6 g h z 。但这种双频激光振荡输出，脖内元件较多，结构复杂，频差 4 第一章绪论 调谐过程繁琐，而且采用钛宝石激光器作为泵浦源，大大增加了激光系统的成本，限制 其应用范围【2 9 1 。 ( 2 ) 石英晶体双折射双频n d ：y a g 激光 在激光二极管( l d ) 泵浦n d ：y a g 激光器谐振腔内，插入一只集纵模选择和纵模分 裂于一体的多功能光学元件一一石英晶体双折射f - p 标准具，可获得频差约为2 g h z 的 1 0 6 4 n m 正交线偏振双纵模激光束同时振荡输出。该放案的突出优点是结构简单，频差大。 其缺点是对石英晶体双折射f - p 标准具的设计、加工和调整要求较高，并且频差不能连 续调谐【划。 ( 3 ) 应力双折射双频n d ：y a g 激光器 这种双频激光器是在驻波腔单纵模n d ：y a g 激光腔内造成应力双折射( 在激光晶体 上施加外部作用力) ，使激光纵模产生分裂，获得正交线偏振双频激光输出，频差大小 随外部所加压力的改变而变化。 应力双折射双频n d ：y a g 激光器的优点是频差大，并且可连续调谐。缺点主要表现 在两方面：其一是频差稳定性不够高，这主要受外部加载装置稳定性的限制：其二是不 能获得大功率双频激光输出，因为该方案没有考虑纵模选择问题，故只能在l d 泵浦抽 运功率不很大的情况下，才能保证激光器单纵模运转，进而使之分裂以获得双频激光振 荡输出【3 1 j 。 1 3 3 双频半导体激光器 ( 1 ) 双臂外腔式双频半导体激光器 s p a j a r o l a 等使用脊型波导结构的i n g a a s p i n p 芯片作为激光器。利用偏振分光镜将 t e 模与t m 模分离，并达到各自的光栅( 1 2 0 0 线m m ) 反馈回来，分别形成不同的两个 谐振腔，不同的腔长就会导致不同的谐振频率。该种激光器具有外腔式结构，因此加剧 了整个系统的复杂性和不稳定性【捌。 ( 2 ) 分布反馈( d f b ) 式双纵模双频半导体激光器 2 0 0 0 年，美国u l i o i s t 大学的a h s u 等报道了采用具有啁啾光栅和双调制器的分布反馈 ( d f b ) 式双纵模双频半导体激光器，实现激光器双频运转，获得了频差分别为6 3 g h z 和1 7 5 g h z 的双纵模双频激光。这种双频激光器研究方案的显著特点是可获得几十g h z ， 乃至上百g h z 的超大频差双频激光，而且频差可调谐( 但不能连续调谐) ，通过增大光 栅的啁啾量及改变光栅的耦合系数，还可进一步扩大频差调谐范围。但是，由于空间烧 孔效应增加了模竞争和耦合腔反馈，随着激光器偏置电流的增大，会引起两个纵模输出 功率的波动p 3 州。 1 3 4 双频激光器的发展趋势 双频激光器按频差的大小可分为1 1 0 l 西北工业大学顿上学位论文 ( 1 ) 3 m h z 以下的小频差，主要是塞曼双频激光器； ( 2 ) 3 m h z - 4 0 m h z 的中频差； ( 3 ) 4 0 m h z 一1 g h z 左右的大频差； ( 4 ) 1 g h z 几个g k 的超大频差； 目前双频激光器研究的趋势主要是以下几点 ( 1 ) 在机械加工领域，3 , - - 4 0 m h z 的中频差恰好是一个“经济”好用的频差范围， 可制成高测速双频干涉仪，其电路、软件相对简单，造价低。但是这一频差又比较难获 得，目前报道的仅有清华大学研制成功的双折射塞曼双频激光器。因此有必要继续对 中频差双频激光器进行研究1 1 0 l 。 ( 2 ) 继续探求获得超大频差( 1 g h z 以上) 双频激光的新方法。与c 0 2 激光器、h e , - n e 激光器等气体激光器相比，固体激光器和半导体激光器具有很宽的增益带宽，将成为大 频差和超大频差双频激光器的主要研究对象。 ( 3 ) 努力提高双频激光的频差稳定性。在绝对距离干涉测量中，合成波长被用作 长度基准，要求频差稳定性达1 0 - 5 1 0 r 6 量级。目前，双频激光的频差稳定性在1 0 4 量级 上。因此，提高频差稳定性成为双频激光技术研究的难点。 ( 4 ) 在获得超大频差双频激光输出的同时，也要求频差可调谐，并且要求调谐方 法简单、调谐范围大、调谐准确、调谐灵敏度高，因此，频差调谐技术成为双频激光研 究的一个重要方向l l , 2 0 l 。 1 4 本文主要工作 本文主要研究了一种新型中频差双频激光器结构磁致旋光塞曼双频激光器， 该激光器应用磁致旋光效应和塞曼效应。全文共分为五章。 第一章：简要叙述双频激光器的应用领域及目前双频激光的研究状况和发展趋势。 第二章：简要叙述本文所涉及的激光谐振理论，塞曼效应和磁光效应等，为后面的 工作提供理论支持。 第三章：提出一种新型中频差双频激光器磁致旋光塞曼双频激光器。同时对 其结构和工作原理进行详细的讨论，并进行相关的理论计算和实验研究。在所得到的研 究基础上设计整个激光器系统结构。 第四章：应用状态方程和频域有限差分法( f i ) f d ) 系统分析了新型磁光材料 磁性光子晶体的光学特性，并讨论其在磁致旋光塞曼双频激光器系统中应用的可行性。 第五章：对本文工作进行总结，并对有待于进一步开展的工作提出建议。 6 西北工业大学硕士学位论文 第2 章理论基础 2 1l i e n e 激光器原理 2 1 1h e n e 激光器结构 h e n e 激光器的结构很多，但基本结构都是由h e n e 气体放电管、电极和光学谐振 腔组成。如图2 1 1 所示。m 1 、m 2 是两个反射镜，构成一个光学谐振腔。m l 是曲率半 径为0 5 m 3 0 m 的凹球面反射镜。激光器越长，曲率半径越大。m 2 是平面反射镜。 m - 和m z 中一个为全反射镜，反射率接近1 0 0 ，一个为输出镜，透过率依管长而定， 在0 6 一1 8 之间。 储气区 毛细管 图2 1 1h e - n o 激光器的基本结构 放电管由毛细管和储气室构成。毛细管在增益介质工作区，一般用g g l 7 硬质玻璃 制成，对输出功率和波长稳定性要求高的情况下，则使用热膨胀系数更小的石英玻璃。 其内径一般为3 1 0 m m 。内充h e 气和n e 气，h e 气和n e 气的气压比为7 ：1 ，总气压约 为4 0 0 p a 5 0 0 p a 。壳内毛细管内径为0 8 m m 一1 2 m m 。当打开高压直流电源在激光器正 负电极间加上高压( 3 0 0 0 v 5 0 0 0 v ) 后，毛细管中气体放电，运动电子的撞击使基态 n e 原子受激吸收跃迁到激光上能级，激光上能级的粒子数大于下能级的粒子数，实现 了粒子数布居反转。储气区内存有大量h e 、n e 混合气体，当激光壳外大气进入壳内时， 能起到稀释气体，维持h e 、n e 混合气体的总气压和分气压，从而起到延长激光器寿命 的作用。阴极区内装有冷阴极，一般使用溅射率小和电子发射率高的铝和铝合金。为了 增加电子发射面积和减低阴极溅射，阴极通常制成圆筒状，并有尽可能大的尺寸。阳极 是一个直径为2 m m 的钨杆。整个激光器长度一般为1 5 0 m m l m ，输出功率为0 5 m w 5 0 m w ，功率随长度增加而增加。1 1 ，2 ，1 0 3 5 1 2 1 2h e - n e 激光器激发机理 h e n e 激光器可输小5 4 3 3 r i m 、6 3 2 8 r i m 、1 1 5 0 n m 和3 3 9 0 n m 四个波长的光波。本文所 第2 帚理论基础 7 用到的是波长为6 3 2 8 n m 的光波，因此在这里仅讨论产生该波长光的过程。在热平衡状 态下，h e 原子和n e 原子几乎全部在各自的基态上，而其它能级基本上是空的。当打开 激光管直流高压电源时，激光管放电( 电流一般为几毫安) ，电子从阴极发出并高速向 阳极运动，电子在运动中与基态h e 原子发生频繁非弹性碰撞，电子能量转移给h e 原 子，使原子从基态激发到2 b 。h e 原子的2 t s 是亚稳态，寿命较长，约为1 0 - 4 s ，能积累 大量h e 原子。激发态原子常用h e 。( 2 b ) 表示。h e 原子在2 1 s 能级上不能通过自发辐 射回到基态，但能和基态n e 原子发生非弹性碰撞，把能量转移给n e 原子，使n e 原子 激发到与h e 的2 t s 能级十分相近的如2 能级上。由于h e 的2 b 能级和b k 的孙2 能级的 能量差很小共振转移的几率很大，所以在孙2 能级上可以积累大量的原子。2 p 4 能级不能 向基态跃迁，而是通过自发辐射跃迁到b 2 态。b 2 态原子主要通过与管壁碰撞把能量交 给毛细管管壁而回到基态。这样由于共振转移，孙2 能级上原子的大量积累和轨能级管 壁效应的出空，使得n e 原子的孙2 和2 t 0 4 之间建立起了粒子数布居反转。n e 原子的孙2 向2 1 , 4 跃迁，发出6 3 2 8 n m 的红光。i l 矗l o l 1 7 1 6 1 5 墨， 三 1 3 1 2 1 1 0 图2 1 2h e n e 能级图 两反射镜m 。和m 2 形成的光学谐振腔，使平行于毛细管轴线运动的光子来回通过毛 细管而反复得到放大，光在谐振腔内行返一周所获得的总增益大于所受的总损耗时，激 8 西北工业丈学硕士学位论文 光束就在谐振腔中形成。激光振荡条件 醒f a l ( 2 1 1 ) 式中6 7 为光谱线中心频率对应的增益系数；f 为工作物质长度也即放电管长度；a 为 包括放大器损耗和谐振腔损耗( 横向逃逸损耗、衍射损耗、透射损耗、腔的内损耗) 在内 的平均损耗系数，光的损耗主要由两片反射镜对光的透射以及腔内元件的界面反射和内 部吸收引起；为光腔长度。 在最佳放电电流下，中心频率的单程总增益可由下列经验公式表示 g ：。幽 ( 2 1 2 ) 。d 其中g 0 为光谱线中心频率对应的增益系数；，为工作物质长度也即放电管长度；d 为放电管的毛细管直径。【蚓 2 2 塞曼双频激光器 塞曼双频激光器通常是在6 3 2 8 r i m 波长h e n e 激光器上加磁场而得到的。由于塞曼 效应、模牵引效应和模竞争效应的综合作用，使激光器输出频差小于3 m h z 的正交圆偏 振光或频率几百千赫的线偏振光。【1 0 】 2 2 1 塞曼效应 1 8 9 6 年开始，塞曼( p z e c m a n ) 逐步发现，当光源放在足够强的磁场中时，所发 的光谱线都分裂成几条，条数随能级的类别而不同，而分裂后的谱线成分是线偏振的， 这一现象称为塞曼效应【3 7 l 。 若加磁场于h e n e 激光管上，则管内激光介质中n e 原子的光谱线将发生分裂。考 虑弱磁场的情况( 大约为零点几特斯拉或更小) ，n e 原子的光谱线( 对应光波长为 6 3 2 8 r i m ) 将分裂成如图2 3 ( a ) 所示的d ，矿及石光三条谱线在频率轴上的分布。图 2 3 ( b ) 示出了三种谱线成分的增益曲线。其中，d 表示电矢量在垂直于磁场方向平面 内做左旋圆轨迹振动的光波，为左旋圆偏振光；o + 表示电矢量在垂直于磁场方向的平面 内做右旋圆轨迹振动的光波，为右旋圆偏振光；兀表示电矢量平行磁场方向直线振动的 光波，为线偏振州；口为外加磁场。兀光谱线的中心频率仍为未加磁场时n e 原子光谱线 的中心频率均；而o _ ，o + 光谱线中心频率矿和矿均偏离未加磁场时n e 原子光谱线的 中心频率，且两个偏移量相等，设偏移量为a v , 。实验给出屹( 单位：m h 以) 为 a v z ；1 3 0 t “bb 或 ，；1 7 5 1 0 3 b ( 2 2 1 ) r 式中，助外磁场的磁感应强度，单位为t ；叼为普朗克常量，其值为6 6 2 6 x l o - 3 4 j s ； 肋为波尔磁子，其值为9 2 7 4 x 1 0 - 2 4 a m 2 。 第2 章理论基础 审l 乍f 丑 “功 v o o - v ov pv 0时v o记 (对光填振方向(b)分裂光谱线 图2 2 1 加磁场后n e 原子分裂的光谱线和光偏振方向( 对应6 3 2 8 r i m ) 9 当人眼观察方向与磁场方向平行时，所看到的现象叫纵向塞曼效应；当人眼观察方 向与磁场垂直时，所看到的现象叫横向塞曼效应。图2 2 1 所示是观察结果。图中( a ) ， ( b ) 都假设光的传播方向垂直于纸面向外，人眼迎着光的传播方向。图2 2 2 ( a ) 中， 磁场b 方向垂直于纸面向外，即光波沿平行于磁场的方向传播。此时，只看到左右旋的 圆偏振光仃和o + 光。而由于光为横波，所以没有平行于磁场方向振动的兀光。这就 是纵向塞曼效应。图2 2 2 ( b ) 中，磁场方向平行于纸面，则光波仍然从纸面向外传播， 即垂直于磁场方向传播。此时，看到的d 光和o + 光仅仅是垂直于磁场方向的线偏振光分 量( 在纸面内振动) ，兀光为平行于磁场的线偏振光。l l o l 烈垂直于纸面向外) 烈平行于纸面) o o 旷l l 。+ u 矿v o 矿 ( 酊平行于磁场观察 矿 v o矿 ( b ) 垂直于磁场观察 图2 2 2磁场作用下，n e 原子发出的光中，沿平 行和垂直于磁场方向传播的光的偏振方向 2 2 2 模牵引效应 在激光器内，当实现粒子数布居反转时，谐振腔的纵模共振频率的表达式应包括介 质折射率的作用，写为 y = 鼋瓦c ( 2 2 2 ) 式中，c 为光速，为几何腔长，竹为激活介质的折射率，口为纵模序数。在增益带宽内， 折射率厅不再是常量，而随频率发生变化，这就是反常色散现象。图2 2 3 为激光工作 1 0 西北工业大学硕士学位论文 物质为增益放大介质( 激活腔) 时激光跃迁的 增益曲线和介质的色散曲线，图中雄。为增益线 g ( v ) 中心频率v o w 对应的介