[发明专利]一种单频窄线宽中波红外原子气室激光器及激光干涉仪

说明书

本发明公开了一种单频窄线宽中波红外原子气室激光器及激光干涉仪。本发明的干涉仪包括3.49微米窄线宽单频激光器、隔离器、45°反射镜、光束整形模块、λ/2半波片、PBS、λ/4波片1、标准透镜、被测镜、λ/4波片2、λ/4波片3、参考镜、成像镜组和偏振相机，3.49微米窄线宽单频激光器包括：泵浦源、第一谐振腔镜、铯原子蒸汽室、第二谐振腔镜和滤光片。本发明窄线宽单频激光器利用铯原子的5²D_5/2态与6²P_3/2态之间3.49微米波长的跃迁谱线，通过设计合理的谐振腔腔镜反射率，可获得稳定性好的、线宽在KHz量级的单频激光，其可靠度高，在中红外大口径光学元件检测的干涉仪中具有重要的应用价值。

技术领域

本发明属于激光技术、激光干涉测量领域，具体涉及一种基于3.49微米单频窄线宽中波红外激光器及激光干涉仪。

背景技术

中红外波段是很多大量气体分子的特征吸收谱线，且属于分子的最强基本共振转线谱，如大气污染物CH₄、SO₂、NO₂，因此利用中红外波段的大气光谱检测技术如差分吸收激光雷达在大气污染成分监测中有着极其重要的作用。在这类系统会应用到大口径长焦距的望远镜作为光学信号接收元件，因此其加工质量影响着系统检测性能。激光干涉测量技术作为一种非接触式测量技术，具有速度快、高精度等优点，可以对光学元件加工进行在线检测，极大地提高了光学制造厂家的加工效率和成功率。

传统激光面型测量的干涉仪多采用可见光或近红外，如氦氖633nm激光、半导体633nm单频激光、全固态532nm单频激光、全固态1064nm单频激光、光纤1550nm单频激光等，但上述激光干涉仪无法应用在中红外波段光学元件的检测。由于中红外波段激光有着广泛和特殊的应用背景，近年来，有很多3-5微米波段的激光器出现，但是单频窄线宽的3-5微米激光器却很少见。比如，目前比较成熟的中红外波段半导体分布反馈式带间级联激光器(QCL-DFB)，虽然线宽可达MHz量级，但激光器频率稳定性很差，且对温度和电流波动非常敏感，如果应用在干涉仪中，将限制干涉仪的使用环境。并且频率稳定性差，会增加测量误差，降低测量精度。因此，亟需一种线宽窄、频率稳定的中波红外段激光光源应用在干涉仪中。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于3.49微米单频窄线宽中波红外原子气室激光器及干涉仪装置，利用铯原子的5²D_5/2态与6²P_3/2态之间3.49微米波长的跃迁谱线，其增益带宽很窄(MHz量级)，同时，通过设计谐振腔腔镜反射率，可以控制腔模线宽远大于增益线宽，使激光工作在坏腔区域，理论上可以获得线宽在Hz量级的单频激光，其技术方案简单易行，满足所述干涉仪对光源线宽的要求，可填补中波红外干涉仪的空白。

本发明将3.49微米单频窄线宽激光器应用到泰曼格林型干涉仪中，用于中波红外光学元件的质量检测，为该波段光学元件加工提供一种面型检测方法。该方法采用四步偏振移相干涉的方法，具有较强的抗环境干扰能力，能够在干涉腔长较强的情况下，实现高精度测量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种3.49微米单频窄线宽激光器，包括泵浦源、第一谐振腔镜、铯原子蒸汽室、第二谐振腔镜；由泵浦源发出455.5nm激光，经过镀有455nm增透膜的第一谐振腔镜入射到高密度铯原子蒸汽室内，将铯原子里6²S_1/2基态电子抽运到7²P_3/2态，电子经过自发辐射，掉落到5²D_5/2态。在5²D_5/2态与6²P_3/2态之间建立布居数反转，由于第一谐振腔镜和第二谐振腔镜对3.49微米激光有反馈作用，产生受激辐射放大，当增益大于损耗时，输出3.49微米单频窄线宽激光。