[发明专利]气体激光器和光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种氦-氖气体激光器及其使用的光学系统。

背景技术

一般，气体激光器用于依赖激光特定频率的那些装置，例如，已知波长的光可以用于干涉测量。某一特定频率的激光可以用作测量其它光的频率的基准，例如外差频率测量系统。激光光谱仪也需要一种频率限定很窄的光。特定偏振和频率的激光可以用作偏振测量。

氦-氖(HeNe)激光器很适合用于这些用途，因为它们产生适合的频率，并且容易控制。

专利WO98/05955和美国专利4,844,593均公开了激光干涉仪。这两个文件讨论的主题之一是防止或减少激光器的输出光朝后向激光器的反射(一般称作“光反馈”或“背向反射”)。背向反射量可由所用的光学元件的已知光参数确定。但是，只有小部分背向反射光到达激光腔，即约为背向反射光的1％至5％。

背向反射是上述装置以及所有需要激光特定频率的装置都不希望有的，因为过量的背向反射与激光器相互作用会改变激光的偏振和输出频率。各种氦-氖激光器都有背向反射灵敏度问题。

目前已有不同气体比例混合的氦-氖激光器。美国专利4,475,199描述了一种环形激光器，它是具有Ne²⁰和Ne²²两个同位素混合的氦-氖激光器。这两个同比例的同位素与氦混合。现在本发明人已经认识到，这种混合气用于线性激光器中可以获得较好的偏振稳定度，从而使激光器即使遭受背向反射时激光器谐振腔内的频率稳定度也比较好。因此这种类型的激光器用于上述具有背向反射的装置是比较理想的。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种光学装置，它包括一个频率稳定的线性氦-氖气体激光器，氖包括基本上同比例的Ne²⁰和Ne²²两个同位素，这种装置在使用中有朝向激光器的光反馈，至少激光器的光输出的0.1％返回到激光器。

这种光学装置可以是一个干涉位移测定仪，一个偏振测量仪，光谱分析仪，或外差频率测量仪。

当光学装置是一个干涉位移测定仪时，它可以时一个单光束(如，法布里-珀罗)(Fabry-Perot)，一个平面镜，一个长距离，或一个光导纤维型的。

附图说明

图1是本发明的一个实施例，所示的是一个包括一个光导纤维的平面镜干涉仪。

具体实施方式

图中所示的是一个氦-氖激光器1，用来通过一个光导纤维3向一个干涉测量仪2提供恒定频率相干光。这种类型的干涉仪的工作原理已是众所周知的，但这里仍简要地叙述如下：

分束器5将光导纤维输出光束4一分为二，参考光束6向固定镜7传输并返回光导纤维；测量光束8向活动镜9传输并返回光导纤维。光束6和8合併形成干涉条纹。这些条纹由检波器10检测到并给出被镜9在箭头A方向上移动的距离。

为了确定镜9的位移，所用的光的波长必须是已知的。光的频率越稳定，所测得的位移就越精确。

在这种系统中，因为激光器与一个光导纤维连接，背向反射是个特别难对付的问题。在这种系统中，激光器输出光背向反射到激光器谐振腔的比例大于0.1％。该背向反射光来自纤维入口、纤维的旁侧、纤维出口、纤维芯，以及镜7和9的反射光6和9的一部分。

因此，这种装置需要激光器具有稳定的频率输出，并且得益于气体激光器对于背向反射具有高容限。在这种情况下，激光器的谐振腔充入含80-90％氦和10-20％氖的气体。氖包含两个大体上同比例的同位素Ne²⁰和Ne²²，比率分别在60∶40和40∶60之间。这种混合气体允许激光输出的背向反射光强级超过0.1％，而不会使输出偏振不稳定。由于偏振稳定，也就可以获得稳定的频率。这样背向反射便可能是连续出现或断续出现。当使用合适的频率控制系统时，激光器的频率稳定度可以低于1×10^-7(频率噪声/绝对频率)。

尽管现在有许多种频率控制方法，但是可取的方法是模型控制，因为它可靠且费用低。因此采用了模型比率控制。

发明人通过实验结果认识到，背向反射的不稳定阈(即，激光器变得异乎寻常的不稳定背向反射光强级)，约为上述激光器的激光输出的10％，但是对于普通的“自然”氖激光器，即Ne²⁰与Ne²²同位素之比为9∶1的激光器则仅为1％。