将光学波片放入激光谐振腔可使振荡模式发生分裂, 测量分裂模的频率差能准确测得波片的相位延迟。基于这一原理, 设计了光路沿竖直方向的相位延迟测量仪, 可根据频率差不同引起振荡模式的变化采用相应测量方法。对半外腔激光器、光强和频差探测单元、控制程序等部分进行了设计说明。为了实现自动化和高精度测量, 系统选定两正交偏振模的等光强点作为工作点, 并补偿初始相位延迟和波片倾斜误差。测试表明, 仪器能够对任意相位延迟的波片自动判定并测量, 对多级波片多次测量的标准差约0.01°, 总的测量不确定度为0.03°(优于λ/10 000), 且只需要测量激光频率差, 具有可溯源性。

提出一种基于正交偏振双纵模的氦氖激光器纳米测尺系统, 将双折射元件插入He-Ne激光器谐振腔内产生频率分裂效应, 使激光器变成了频差可调的双频激光器。运用频率分裂、模竞争、双纵模功率调谐等激光物理效应和设定浮动阈值, 研制了新型的激光器纳米测尺。以激光波长为尺子, 具有可溯源性, 在没有任何电细分的条件下达到了纳米量级的分辨率, 与激光干涉仪的比对实验表明, 该系统的分辨率为79 nm, 量程为15 mm, 线性度为5.4×10-5, 标准差为380 nm。

为了提高Y 型腔正交偏振氦氖激光器的输出光特性，对激光器的腔体结构、增益区光路以及偏振分光片的加工工艺进行改进，研制出了新型一体化Y 型腔正交偏振氦氖激光器。介绍了该激光器的基本结构和工作原理，实验测试了激光器的输出光模式、输出光功率、频差闭锁特性和频差稳定性。与先前分立式结构的Y 型腔正交偏振激光器相比较，详细分析了改进后的激光器的优势，特别指出了其在频差稳定性方面的提升。实验结果表明，利用一体化Y 型腔结构可以实现激光器的频率分裂；通过调节P 子腔反射镜上压电陶瓷的电压，可以线性调节激光器的输出频差；相比于分立式Y 型腔激光器，一体化Y 型腔正交偏振氦氖激光器的输出光功率提高至647 μW，频差闭锁阈值降低至12 MHz，频差范围提高至12~1038 MHz，频差稳定性提高至1.2×10⁵ Hz。

研制了基于Y型腔结构的正交偏振氦氖激光器，介绍了该激光器的基本结构和基本原理。实验研究了该激光器的输出光模式、输出光功率、输出光频差调谐特性和频差闭锁特性。通过改变共用段反射镜上压电陶瓷的电压，观察了激光器闭锁状态时两偏振光光强随着总腔长调谐变化的规律，并分析了闭锁状态下不同偏振态纵模之间的相互作用机理。与以往产生双频激光的方案进行对比，分析了Y型腔正交偏振氦氖激光器的特点，给出了其在频差稳定性方面的优势和制约因素。实验结果表明，利用Y型腔结构可以实现氦氖激光器的频率分裂，激光器最大输出功率约为235.2 μW；通过调节共用段反射镜上压电陶瓷的电压可以线性调节激光器的输出频差；实验中激光器的频差为22~1 018 MHz，闭锁阈值频差约为22 MHz。

本文讨论了利用激光频率分裂技术测量波片位相延迟的主要误差因素,并对其中激光器初始位相延迟和波片非对正引入的系统误差进行补偿。误差分析表明:系统对于多级波片的测量不确定度约为1.7′,对于零级波片为0.8′。然后针对系统性能进行实验评价,包括:比较波片沿激光轴线对正和倾斜时对测量结果的显著影响,以及测量波片通光面内不同点的位相延迟和波片光轴与其表面的夹角。根据实测结果,系统测量重复性和复现性优于0.02°,不确定度优于2′,即约λ/10⁴。

介绍了正交线偏振激光器及其在精密测量中的新应用，包括：1) 正交偏振双频激光器，2) 纳米激光测尺(基于频率分裂的激光器两偏振光竞争位移传感器)测量原理，3) 直接利用波片形成频率分裂的波片位相延迟测量原理，4) 激光回馈波片位相延迟测量原理。这些新应用的原理，结构简单，可溯源到光波长。如，纳米激光测尺已在应用中，测量范围12 mm，分辨力79 nm，线性度小于5×10^-5, 基于频率分裂的波片位相延迟测量系统重复性达到0.3′，而激光回馈波片位相延迟测量系统具有在线检测的优点。

为了产生多种激光横模,以前的系统相对比较复杂,而且一般只能产生基横模和低阶横模,很难产生高阶横模,同时也很难观察到模竞争中一个频率抑制另一个频率的变化过程。基于猫眼谐振腔激光器和频率分裂技术,提出了一种新型的激光原理综合实验系统。该系统利用猫眼逆向器作为He-Ne激光器的一个腔镜,通过调节猫眼逆向器中两镜片间距可输出包括基横模、低阶横模、高阶横模在内的十余种典型横模,并可完成纵模、偏振、出光带宽等多种激光基本特性的实验。同时在基横模状态下,利用谐振腔内加入的石英晶体片可实现激光频率分裂及其频差调节。在此基础上又可实现完整的模竞争过程的观察。

研究了一种全新的纳米尺度位移测量系统。将双折射元件插入He－Ne激光器谐振腔内产生频率分裂效应，使原本单模谐振的激光器输出变成了频差可调的2个正交偏振频率(o光和e光)，而形成双频激光器。在激光谐振腔外放置沿激光轴线位移的反射表面，将输出的激光束反射回腔内，以便对激光的光强进行调制，可实现高分辨率非接触式可判向位移测量。提出了一种细分方法，该方法突破了传统干涉系统的衍射极限(1／2波长)。对于633 nm波长He－Ne激光，本系统的理想分辨率为1／8波长(约为79 nm)。

提出并实验研究了几种可以提高激光反馈扫描显微镜轴向分辨率的方法,一种方法是对常规激光反馈实验中的探测技术进行了改进,用渥拉斯顿棱镜把垂直偏振光分开探测,轴向分辨率可以提高约2.9倍;另一种方法是用双频激光器中产生的偏振态相互垂直的o光和e光作为反馈光代替了传统的单一光的反馈,轴向分辨率被提高了约2倍;第三种方法是用双频激光器中产生的o光或e光作为反馈光,轴向分辨率可以提高约2.5倍。实验结果表明,利用偏振态相互垂直的光之间的模竞争效应可以有效地提高扫描显微镜的轴向分辨率。