激光频率分裂技术的发展

激光频率分裂技术广泛应用于质量、重量、压力、长度、角度等计量领域。有多种产生激光频率分裂的方法，如成都工具研究所双频激光干涉仪中使用的Zeeman效应，Zygo公司激光干涉仪采用的Bragg效应，激光陀螺（角度干涉仪）中采用的Sagnac效应等，这些方法都能导致频率分裂。在测量仪器中，使用频率分裂的最大优点在于能使系统工作在交流状态，具有极大的增益和良好的抗干扰能力。但上述的频率分裂方法都存在局限性：Zeeman效应中，由于模牵引的影响频率差难以提高；Bragg效应中，为保证多光束干涉，频率差难以降低，前者影响仪器系统的性能，后者受到电路器件速度的限制。

    从1985年开始，中外科学家相继提出了基于双折射原理的频率分裂技术，经过二十年来的不断研究，已经逐步走向实用化，是量仪设计中的值得关注的一项技术。

    激光器的谐振腔可近似认为是P-b干涉仪，当频率满足驻波条件时获得干涉的极大值，即谐振腔的输出，双折射原理的频率分裂技术原理即基于激光器的驻波条件，激光器的物理腔长和输出频率有恒定关系，一定的物理腔长输出一定的频率，如果在激光器的几何腔长一定的情况下，利用双折射原理产生两个物理腔长，从而输出两种频率的激光。科学家已经提出了多种在激光器腔内产生双折射的方法，如在谐振腔内插入两个1/4波片，KDP晶体等，由于快轴折射率和慢轴折射率的差别，生产不同的物理腔长，从而导致不同的频率输出。

    清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室对双折射频率分裂技术进行了大量的研究，提出一种在腔内安置石英晶体或电光晶体，利用自然双折射效应、电光双折射效应或应力双折射效应实现激光频率分裂的方法，可以产生40MHz以上的频率差的e光和o光。但是由于模式竞争的原因，在频率差小于40MHz时，系统会产生“频率闭锁”，又恢复到单频输出状态，为避免这种“闭锁”现象，实验室在激光器外增加横向磁场，将放大介质分为两类，从而避免了e光和o光的模式竞争，使两个频率都稳定振荡，这种方法可以产生从0Hz到几百MHz的频率差。

    双折射激光器的出现，不但为外差式双频激光干涉仪提供了频率差可以调节的激光光源，同时又诱导出许多崭新的测量方法，如将频率分裂技术与模竞争效应相结合，能够把一个纵模间隔的频宽按照e光和o的振荡次序分为四个部分，可以证明，当激光器的谐振腔变化λ/2时，输出频率移动一个纵模间隔，依次出现上述的四个振荡规程。利用这一现象，如果我们把激光器的谐振腔作为一个长度传感器，当腔长变化λ/8时即过渡到一个新的振荡状态，利用各振荡状态的出现次序可以作为通常传感器的辨向依据，这种长度传感器是以激光波长为基准的，可以说是最高精度的长度传感器。目前这种传感器的测量范围已达25mm；同样，这一原理与激光器的光回馈现象结合，可望出现实用型的光回馈干涉仪。

    基于双折射原理的频率分裂是一门崭新的技术，随着研究的深入，这种物理现象必然会不断向计量领域渗透，产生新的测量原理和方法，推动计量技术的发展。