不创新我何用，不应用我何为–你所没有见过的激光精密测量仪器

本书系统介绍了张书练团队35年来的研究和应用成果。

 

本书介绍的仪器有：双折射双频激光器,以双折射双频激光器为核心的激光干涉仪，激光器纳米测尺，激光频率分裂光学相位延迟测量仪（已成为国家标准），激光回馈光学相位延迟/内应力在线测量仪，激光回馈纳米条纹干涉仪，微片激光(Nd:YAG和Nd:YVO4)共路(和准共路)移频回馈干涉仪，激光回馈远程振动和声音测量仪,激光回馈材料热膨胀系数测量仪，激光回馈干涉2D(面内面外)位移测量仪，微片固体激光万分尺，Nd:YAG双频激光干涉仪，微片固体激光回馈共焦测量技术，微片固体激光回馈表面测量技术等。仪器虽多，但同出一原，仪仪相扣，自成体系。

张书练，清华大学教授，博士生导师。曾任清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室主任，光电工程研究所长。SPIE，OSA，COS会员，中国计量测试学会理事、几何量专业委员会副主任，中国宇航学会光电技术专业委员会委员，中国光电专委会副主任，

第1章气体、微片双折射双频激光器

1.1塞曼双频激光器的瓶颈

1.2激光器产生两正交频率的原理

1.3用腔内晶体石英产生激光频率分裂

1.4双折射腔镜双频激光器

1.4.1由腔内应力双折射产生激光频率分裂: 平行偏振光和
垂直偏振光

1.4.21.15μm波长HeNe激光器的频率分裂

1.4.3应力双折射腔镜双频激光器

1.5双折射塞曼双频激光器原理

1.6微孔腔镜双折射塞曼双频激光器

1.6.1打孔双频激光器的结构

1.6.2孔的参数调节对频率差的影响

1.7微片固体激光器双频激光器的一般描述

1.8微片固体激光器，单偏振和正交偏振输出

1.8.1微片固体激光器

1.8.2单偏振和正交偏振输出

1.8.3微片Nd∶YAG激光器的正交线偏振

1.8.4一片两光输出的微片激光器

1.8.5微片激光器阵列

1.9微片固体激光器的弛豫振荡

1.9.1引言

1.9.2与激光器弛豫振荡频率大小相关的因素

1.10巨大频率差双折射Nd∶YAG激光器

1.11本章结语

第2章双折射双频激光器物理特性

2.1双折射双频激光器在研究激光效应中的优势

2.2双折射双频激光器功率调谐、模竞争和频率差调谐现象

2.2.1双折射双频激光器的模竞争和功率调谐特性

2.2.2双折射双频激光器频率差调谐现象

2.3双折射塞曼双频激光器的光强和频率差调谐特性

2.3.1实验装置

2.3.2调谐曲线的获得、光强和频率差调谐曲线的基本形状

2.3.3磁场强度对双折射塞曼双频激光器功率调谐曲线的影响

2.3.4频率差大小对平行光、垂直光光强调谐特性的影响

2.3.5磁场方向与力的方向夹角对两偏振正交频率功率和频率
差的影响

2.3.6其他实验结果

2.4晶体石英旋光性对频率分裂激光器偏振特性的实验和分析

2.4.1晶体石英旋光性的实验测量

2.4.2腔内晶体石英片旋转引起的激光输出光束偏振面旋转
的实验装置

2.4.3腔内石英片旋转引起的激光输出光束偏振面旋转现象

2.4.4用自治理论分析腔内晶体石英片旋光性对激光束偏振
的影响

2.4.5用自治理论分析腔内晶体石英片旋光性对激光频率差
的影响

2.5双折射双频激光器光回馈系统概述

2.5.1正交偏振激光器回馈中的学术地位

2.5.2正交偏振激光回馈实验系统描述

2.6激光器的中等强度回馈

2.6.1正交偏振激光器，正交频率的初始光强差不同的回馈现象

2.6.2正交偏振激光器，小频率差的中度回馈现象

2.6.3三模激光器回馈： 两模的强度主导地位随机转移

2.6.4激光双重回馈导致光强条纹倍频

2.6.5激光中度回馈理论分析

2.7双频激光器弱回馈

2.7.1单纵模激光器双折射外腔回馈

2.7.2内、外腔都置双折射元件的激光器回馈

2.7.3激光器外腔双折射与回馈条纹相位差的关系

2.7.4置有偏振片的外腔的回馈

2.7.5偏振片在外腔、激光器腔内双折射改变时的回馈条纹

2.8双折射外腔激光器回馈偏振跳变

2.9单频、双频激光器多重高阶回馈和纳米宽干涉条纹的生成

2.9.1单频激光器多重和高阶回馈

2.9.2双折射双频激光器的高阶回馈

2.10双折射外腔微片固体激光器回馈

2.11本章结语

第3章HeNe双折射双频激光器精密测量仪器

3.1双折射塞曼双频激光干涉仪

3.1.1引言

3.1.2双折射塞曼双频激光干涉仪结构

3.1.3双折射塞曼双频激光器频率差稳定性测试

3.1.4双折射塞曼双频激光干涉仪的非线性误差测试

3.1.5双折射塞曼双频激光干涉仪达到的指标

3.1.6本节结语

3.2激光频率分裂光学波片相位延迟测量仪与国家标准

3.2.1引言

3.2.2激光频率分裂波片相位延迟测量基本原理

3.2.3仪器整体结构

3.2.4关键技术和误差消除

3.2.5激光频率分裂波片测量仪系统性能

3.3激光回馈双折射/内应力测量仪器

3.3.1引言

3.3.2基于激光回馈的双折射测量原理

3.3.3关键技术

3.3.4仪器性能指标

3.3.5仪器的应用

3.3.6本节结语

3.4激光器纳米测尺(正交偏振激光模竞争位移传感激光器)

3.4.1引言

3.4.2把激光器自身变成位移传感器的难点

3.4.3激光器纳米测尺结构和原理

3.4.4激光器纳米测尺位移测量关键技术

3.4.5波长1.15μm HeNe激光器纳米测尺

3.4.6纳米测尺激光器的指标和特点

3.4.7本节结语

3.5双折射外腔激光器回馈位移测量仪

3.5.1引言

3.5.2双折射外腔激光器回馈位移测量仪原理

3.5.3电路系统

3.5.4外腔长度扫描和系统稳定性

3.5.5折叠双折射外腔回馈位移测量仪

3.5.6本节结语

3.6激光回馈纳米条纹干涉仪

3.6.1引言

3.6.2激光回馈纳米条纹干涉仪原理

3.6.3仪器化设计

3.6.4激光回馈纳米条纹干涉仪性能测试及结果

3.6.5测试结果分析

3.6.6本节结语

3.7本章结语

第4章微片固体双折射双频激光器精密测量仪器

4.1第三代光学干涉仪： 共路微片固体激光回馈干涉仪

4.1.1引言

4.1.2微片固体激光器及稳频

4.1.3准共路频率复用激光回馈干涉仪

4.1.4全程准共路微片激光回馈干涉仪

4.1.5几种研究中的激光回馈干涉仪

4.1.6本节结语

4.2以共路微片固体激光回馈干涉仪作平台的四种仪器

4.2.1基于微片固体激光回馈的远程振动测量和声音恢复

4.2.2基于微片固体激光回馈二维位移测量仪

4.2.3基于微片固体激光回馈的材料热膨胀系数测量仪

4.2.4基于微片固体激光回馈的折射率和厚度测量

4.3微片激光双折射外腔回馈位移测量： 微片固体激光回馈测尺

4.3.1引言

4.3.2微片固体激光回馈测尺原理

4.3.3仪器的光学和机械结构

4.3.4仪器达到的指标

4.3.5本节结语

4.4微片Nd∶YAG双频激光干涉仪

4.4.1引言

4.4.2微片Nd∶YAG双频激光干涉仪结构

4.4.3微片Nd∶YAG双频激光干涉仪性能

4.4.4本节结语

4.5微片固体激光回馈共焦测量技术

4.5.1引言

4.5.2原理

4.5.3微片固体激光共焦回馈成像系统层析成像的实验结果

4.5.4本节结语

4.6微片激光回馈表面扫描成像和台阶测量

4.6.1引言

4.6.2硅基微陀螺器件表面刻蚀结构

4.6.3二维光栅台阶测量

4.6.4本节结语

4.7本章结语

参考文献

附录作者团队的出站博士后及毕业博士、硕士学位论文列表

后记

序
本书主要介绍作者团队持续35年研究的激光精密测量仪器，是先后共约100位教师、博士后、博士研究生、硕士研究生共同研究的成果。本书的数据都可以重复，本书的原理均可以仪器化、产业化。已经产业化的几款仪器的快速推广鼓舞着我们奋力向前。
本书介绍的仪器有： 双折射双频激光器,以双折射双频激光器为核心的双频激光干涉仪，激光器纳米测尺，激光频率分裂光学相位延迟测量仪（已成为国家标准），激光回馈光学相位延迟/内应力在线测量仪，激光回馈纳米条纹干涉仪，微片激光(Nd∶YAG和Nd∶YVO4)共路(和准共路)移频回馈干涉仪，激光回馈远程振动和声音测量仪,激光回馈材料热膨胀系数测量仪，激光回馈干涉二维(面内面外)位移测量仪，微片固体激光万分尺，Nd∶YAG双频激光干涉仪，微片固体激光回馈共焦测量技术、微片固体激光回馈表面测量技术等。仪器虽多，但同出一源。双频的、正交偏振的激光器，仪仪相组成网，自成体系。 
探索新原理的仪器,也就没有现成的仪器光源(即激光器)可用,作者团队发明了气体（氦氖）双折射双频激光器、双折射塞曼双频激光器和微片固体（掺钕钇铝石榴石Nd∶YAG）双折射双频激光器和双折射外腔正交偏振激光器（掺钕钒酸钇Nd∶YVO4），作为仪器的光源。并探究了这些激光器的原理、特性和频率稳定技术。双折射双频激光器在光刻机干涉仪中的批量应用使干涉仪的非线性误差呈数量级减小，机器精度数倍提高。其中微片固体激光器在回馈干涉仪中已应用八年。
“你所没有见过的精密测量仪器”就像一个较长的创新清单，包括了从激光器、激光器的性能调控，到形成以激光器为核心的仪器。希望科技工作者一起关心，一起研究和应用，因为它们是中国的创造。
本书顺序介绍了激光器（第1章）和激光器物理特性（第2章）。基于对激光器及其特性的全面精准了解，提出了第3、4章众多仪器的原理和技术。的确是： “展开来一片物理，深入下去一串应用”。激光器谐振腔里加元件变成精密测量仪器。提出原理，研究装置，做成仪器，接下去向产业推进。这一研究的进程也就构成了本书的框架。
学术界的风向是常变的。我们开始搞这一研究时，国内还处于不讲论文、不了解科学引文索引(SCI)的年代，之后SCI在中国确立了神坛地位，引用系数成为评判标准； 项目级别、专利数量甚至产值成为评选发明奖的没有明文规定的标准； “热门”一词大量出现在博士论文的摘要里，作为水平的自我证明。我们团队很少受这些影响，坚持把一个方向做“透”，做“熟”，做到“用”。
1984年4月4日，作者在《新清华》（教师版）上发表短文“要重视和鼓励开创性的科研工作”； 1996年，又在《光电子?瘙簚激光》上发表了“从激光的发明史看基础研究的特点”。这不仅是呼吁，更是自我激励。几十年来，坚守情怀，做实创造，不让成果变为“云烟”。坚信自己，做好自己，至于其他，如是否热门，是否“吸睛”，则很少考虑。种自己的葫芦，做自己的瓢。不创新我何用，不应用我何为！
近几年，我们把实验装置仪器化，把中国首创的技术和仪器推向应用。之前，我也希望有企业能推动仪器化、产业化，我们只做基础研究。德国Blankenhorn和福建福晶科技有限公司也都主动投入人力、财力，而且做出了仪器，国内外企业都有较深的介入，投入了力量。但让“没有见过”的仪器进入市场的路还很长。于是我们自己动手，边做基础研究，边推进实用化。这或许是推进难度大、批量小的高精度仪器的较好办法。
研究过程中，作者团队发表文章400余篇（英文约200篇），包括Optics & Photonics News的长篇报道，圣彼得堡测量技术的国际学术会议（ISMTI2009）的大会报告。申请国家专利近百项，获国家发明二等奖2项。很巧，2004年出版中文专著一本，2013年出版英文专著一本，如今再出版这一本，时隔都是七八年，都是在同一个方向上，七八年上一个台阶。
本书的参考文献在各节的末尾，是从作者的论著中选出的，文献［1］［5］是学术专著，文献［6］［317］是期刊和会议论文，文献［318］［387］是专利，基本是按照发表年份顺序排列的，记录了作者团队从1984年到现在的研究历程。
附录是从团队出站的博士后、博士和硕士研究生的学位论文（82篇）的题目和提交时间，有需要者可到图书馆查阅，已经全部开放。
此生有幸，从跨入清华之门至今，一直在进行激光和光学的学习、教学和研究。激光和光学真是奇妙之极，就那些元件，它们的不同参数、不同组合，甚至元件的不同间隔，形成了一个宏大的、影响人类的大科技领域。但愿我们的研究结果成为这一领域的“一砖半瓦”。
衷心感谢国家自然科学基金委员会、科学技术部、教育部、北京市自然科学基金委员会、中德科学中心、清华大学、曹光彪基金。几十年来，他们给予作者团队持续的支持。衷心感谢科学技术部设立的国家仪器专项，使我们有机会把基金类成果仪器化。
衷心感谢团队的教师、工程师、访问学者、博士后、博士和硕士研究生，以及本科生，他们阶梯性的积累构成本书的系统成果，作者给他们提供的仅是方向和或错或对的建议，以及鼓励创新的环境。而他们取得的数据成为作者思考的基础，取舍的航标。 
感谢部分节(段)的初稿整理者，他们是： 吴云（2.7节），杨元、王琦（3.1节），刘维新（3.2节、3.4节），宋建军、刘维新（3.3节），吴云（3.5节），曾召利（3.6节），张
绍晖（4.1节），郭波（4.2.1节），谈宜东、朱开毅（4.2.2节），郑发松（4.2.3节），汪晨旭（4.3节），陈浩（4.4节）。马响、孟庆阳、王琦、陆龙启参与部分节段的校对。

感谢您读此书，感谢您宣传中国人的原理，感谢您宣传中国人自己的仪器。

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