0 引 言
众所周知，在几何量计量领域，量块是长度精密测量的标准器具。长期以来，量块在精密工业生产中被广泛使用。在现代技术条件下，高等级量块的精密校准是通过量块激光干涉仪完成的。其中，小数重合法原理的量块干涉仪是用得较多的一种。目前，在国内这类干涉仪所使用的标准激光光源，有的是频率稳定的633 nm 和543 nm He-Ne 激光两条谱线，有的只有633 nm He-Ne 激光一条谱线。
在这类干涉仪中，无论采用两条谱线还是采用单一谱线光源，其测量范围和预测精度都有一定的局限性。为了使干涉仪的性能得到改善，其标准光源至少应由三条以上的谱线组成，其中频率稳定的612 nmHe-Ne 激光谱线是一种很有实用价值的光源。
频率稳定的612 nm 激光既可作为波长标准光源被用于各种激光干涉仪、激光衍射仪等精密计量仪器，也可作为波长标准用于光谱仪、波长计、单色仪以及相关的精密标准仪器设备的检定和校准工作中。为此，笔者研制了满足上述需求的频率稳定的612 nm He-Ne 激光器系统并对其基本的技术性能和指标进行了考察。
1 激光管的研制
经过多年的技术发展，作为相干光源的频率稳定的633 nm He-Ne 激光器已经得到了广泛的应用。与之相应的频率稳定技术，例如，双纵模功率平衡稳频技术[1-3]、赛曼效应稳频技术[4-5]、兰姆凹陷稳频技术[6]等也日臻完善。这些技术都可以借鉴到笔者的研制工作中。但是采用哪种技术方案实现与633 nm 激光性能相当的612 nm He-Ne 激光系统，面临的首要问题是选择适当结构形式的激光器。事实上，由于612 nmHe-Ne 激光器件的生产厂商和商品化的种类有限，因此不可能从通过购买商品的方式得到所需的激光器。自制激光器是唯一的解决途径。
激光器的研制耗时两年多，根据实验室的工艺技术特点，选择单频外腔式兰姆凹陷激光器作为研制的重点，与此相应，采用一次谐波鉴相技术实现激光频率的稳定。
612 nm 激光辐射是He-Ne 激光器中Ne 原子从3S2 到2P6 能级跃迁的波长。Ne 原子的2P 态有10 个精细结构子能级，其中除了2P9 是禁戒跃迁外，都有一定的跃迁几率。612 nm 激光与633 nm 激光共上能级，其小信号增益系数只有后者的六分之一，除了633 nm 激光外，在此能级上还有其他谱线的竞争。这些因素对形成612 nm 的激光振荡，尤其是单模振荡十分不利。因此，在612 nm 兰姆凹陷He-Ne 激光器的研制过程中，相关技术参数和工艺实验成为主要的研究内容。2006 年，经过努力，首次实现了短腔612 nm He-Ne 激光的单纵模连续振荡。此后，又经过工艺改进和参数优化，最终研制成3 种结构形式的适于稳频用途的单频半外腔和全外腔结构的612 nmHe-Ne 兰姆凹陷激光管，其主要技术参数见表1。
在所研制的半外腔和全外腔结构的激光器中，增益管内充以3He 和20Ne 同位素气体。激光器采用同轴或单毛细管旁轴发射阴极形式。为了得到较好的信号特性，毛细管内壁在制作时经过精磨处理。为了最大限度地减小腔内因布氏窗片吸收而产生的功率损耗，布氏窗片选用JGS1 石英玻璃材料。
2 激光器的组成原理及输出功率线型的实验观测
根据短腔选模原理实现激光器单纵模激光振荡，为了抑制633 nm 激光和其他谱线的竞争，在谐振腔内放置了色散棱镜，色散棱镜与增益管的布氏窗连为一体。这样既可以使棱镜的光学工作面与增益管的布氏窗之间的匹配达到最佳状态，从而使相应的腔内损耗降至最低，又在谐振腔中省去了复杂的棱镜调整机构，消除了由此而引发的不稳定因素。
半外腔结构的612 nm He-Ne 兰姆凹陷激光器的光路布局如图1 所示。M1 和M2 为谐振腔镜，其中前者为全反射镜，后者为输出镜，谐振腔长度约为220 mm，激光功率从M2单端输出，输出功率≥0.2 mW。为了达到激光频率的调谐和控制的目的，M2 通过压电陶瓷PZT 和调节支架固定在激光器的基座上，基座材料为殷钢或石英玻璃。改变M2 的反射角度，可以选择谐振腔内的激光振荡谱线，以获得612 nm 的激光振荡。调谐PZT 的长度即调谐谐振腔的腔长，可以在增益范围内扫描激光频率，以实现兰姆凹陷线型观测和激光频率伺服。激光器的最大单模区扫描范围为680 MHz。由于激光器的输出镜M2 位于棱镜一侧，输出光束与毛细管的轴线之间有一个拐角。反射镜M3 的作用就是在腔外校正此角度，最终使输出激光光束与毛细管保持平行。M2 的曲率半径和反射率的典型值分别为1 000 mm 和99.6%。
在兰姆凹陷稳频激光器中，凹陷的深度和宽度同时受到腔内光功率和充气气压的影响。通常，为了得到好的稳频效果，兰姆凹陷的深度应占总输出功率的5%~8%。在设计和制作过程中，充分考虑了这些影响因素，并通过实验检验了其最终的效果。
在兰姆凹陷线型的观测实验中,利用记忆示波器(型号：54621A，出厂编号：my400007451)记录了一台激光器输出激光的功率线型，并通过示波器的自动测量功能对输出激光功率线型的凹陷深度进行了测量，结果如图2 所示。图中，A 为换模点;B 为兰姆凹陷，其功率对应的电压值为Y1=4.806 V。功率曲线表明，两个极大值点近似相等，其平均值所对应的电压值为Y2=5.337 V。兰姆凹陷的相对深度可以用以下公式计算：
由公式(1)可知，相对于最大平均功率，这台激光器的凹陷深度为10%。
通常，将兰姆凹陷深度的一半所对应的宽度定义为兰姆凹陷的宽度。由拍频测量系统得到，功率曲线两个极大值之间的频率差值为470 MHz，依据兰姆凹陷的定义和图2 中横向坐标标度，算得兰姆凹陷的宽度约为230 MHz。
3 稳频原理及实验结果分析
兰姆凹陷稳频激光以激光功率曲线的兰姆凹陷中心所对应的频率ν0 作为控制系统的参考频率。这种稳频方法的一个突出特点是，控制系统必须对输出激光进行频率调制。
设功率曲线为F(ν)、调制频率为ω、调制幅度为K，则激光的输出功率：I=F(ν +Ksinωt) (2)
式中：ν 为激光频率。通常，与兰姆凹陷的宽度相比K 是很小的，经过适当处理得：I(ν )=F(ν)−KF′(ν)sin(ωt) (3)
式中：右边第一项代表激光的功率线型;第二项代表因光频调制产生的附加项。由公式(3)，若对sin(ωt)进行同步相敏检波，就能得到激光功率曲线的一次微分信号。该信号经过适当处理既可以用于判断稳频激光系统的工作状态，也可以用于衡量激光频率偏离兰姆凹陷中心的程度。
612 nm He-Ne 兰姆凹陷稳频激光的频率伺服系统的原理组成与633 nm He-Ne 兰姆凹陷稳频激光相同，在研制过程中注重了小型化和实用性。为了抑制由音频噪声给系统带来的干扰，调制频率从原来的1 kHz 提高到8 kHz。为了避免因相位漂移带来的系统的不稳定，在保持相位长期稳定方面采取了相应的技术措施。
612 nm 标准光源的性能考察实验是以其作为被测对象，将国家长度基准——612 nm 波长基准的频率作为参考标准，通过拍频测量的方法进行的。图3示出被测光源频率锁定后的波长波动情况。图中横坐标代表测量时间，纵坐标代表波长波动的幅度。测量结果表明，在100 min 的实验周期内，被测激光的波长相对波动小于4×10-9(0.1 s 取样)。
为了考察激光系统技术性能的可靠性，从2007年4 月～11 月份的8 个月的时间内，对稳频激光系统的输出激光频率进行了重复性测量实验。共进行了45 次，其激光频率的平均值f=489 880 326 MHz，对应的激光真空波长的平均值λ=611.970 806 nm，标准偏差为0.000 013 nm。图4 展示了这段时间内激光频率的单次测量结果的平均值及其散发和多次测量结果的相对波动的情况。
在8 个月的时间里，还完成了不同采样周期的频率稳定度的测量实验。图5 所示为从0.1～1 000 s 等采样周期内得到的阿仑方差的实验结果，测量实验也做了45 次。测量结果显示，激光频率1 s 取样的阿伦方差为2.0×10-10、10 s 取样的阿伦方差为2.0×10-10。
4 结 论
测量结果表明，在超过半年的实验周期内，激光器的单次测量的最大波长不确定度小于2.5×10-8(0.1 s 取样)，多次测量结果与平均值之间的最大偏差小于1.5×10-8，因此，激光系统真空波长值的总不确定度小于4×10-8。以上实验结果表明，系统的真空波长不确定度和频率稳定度指标达到预期目标，可以满足作为实用化波长标准的技术需求。
