CN101609958B - 基于热电致冷器的双纵模激光器偏频锁定方法和装置 - Google Patents

Abstract

基于热电致冷器的双纵模激光器偏频锁定方法和装置属于激光应用技术领域，本发明将1台功率平衡式双纵模稳频激光器A输出激光的频率作为基准频率，同时通过热电致冷器控温调节腔长使n≥1台双纵模激光器B₁，B₂，...，B_n输出激光的频率与该基准频率保持为一固定差值，从而使双纵模激光器B₁，B₂，...，B_n输出激光具有统一的频率值，其相对频率稳定度达到10^-8，频率一致性达到10^-8，克服了传统稳频激光器中由于基准频率不一致导致稳频激光器之间的频率一致性仅达到10^-6～10^-7的不足。

Description

基于热电致冷器的双纵模激光器偏频锁定方法和装置

技术领域

本发明属于激光应用技术领域，特别是一种基于热电致冷器的双纵模激光器偏频锁定方法及其装置。

背景技术

近年来，以光刻机和数控机床为代表的超精密测量与加工技术朝着大尺度、高精度、多空间自由度同步测量方向发展，对激光干涉测量系统提出了新的要求，表现在：一方面，加工线宽的减小要求干涉测量系统的测量不确定度从10^-7提高到10^-8，进而要求激光光源的相对频率稳定度要达到10^-8；另一方面，大测量尺度与多空间自由度同步测量导致干涉测量系统的总激光功率消耗急剧增加，远超过单台稳频激光器的输出激光功率，因此需要同时采用多台稳频激光器进行组合测量。然而，不同稳频激光器在相对频率稳定度、激光波长值、波长漂移方向等方面存在差异，这将带来激光干涉测量系统不同空间自由度的测量精度、波长基准和空间坐标不一致的问题，从而影响整个多维激光干涉测量系统的综合测量精度。为了保证激光干涉测量系统的综合测量精度，要求组合使用的多台稳频激光器的频率一致性要达到10^-8，稳频激光器之间的频率一致性已经成为超精密测量与加工技术发展亟需解决的关键问题之一。

按照稳频基准频率不同，稳频激光器可分为两大类：一类以激光增益曲线的中心频率作为稳频控制的参考频率，如兰姆凹陷稳频激光器、双纵模稳频激光器、塞曼稳频激光器；另一类以原子或分子吸收谱线作为稳频控制的参考频率，如碘饱和吸收稳频激光器。

兰姆凹陷稳频激光器以增益曲线的中心频率为参考频率，利用压电陶瓷调节谐振腔的长度和激光振荡频率，当激光器工作频率位于增益曲线的中心频率处时，由于烧孔效应，激光器输出光功率具有极小值。兰姆凹陷稳频激光器的频率稳定性与兰姆凹陷的宽度及其对称性相关，采用较低的工作气压可使凹陷变窄，激光中心频率相对稳定度可达10^-9，但同时也会大幅度降低激光器的输出光功率。由于激光增益曲线的中心频率随工作气体气压和放电条件而改变，且多台稳频激光器在物理参数上无法做到高度一致，故其稳频控制的参考频率存在差异，从而导致多台稳频激光器输出激光的频率一致性较低，只能到达10^-6～10^-7。此外，兰姆凹陷稳频激光器输出激光的光强和频率均带有一定的调制，调制深度约为10MHz。并且兰姆凹陷稳频激光器采用压电晶体和外腔式结构，造价昂贵，抗振性能较差，预热时间长达2～3小时。

双纵模稳频激光器和塞曼稳频激光器输出激光包含两种不同偏振状态和频率的激光，通常以两种光的光功率差值作为稳频控制的反馈信号，将两种光的频率稳定在关于激光增益曲线中心频率对称的位置上。双纵模稳频激光器和塞曼稳频激光器在结构上可以采用外腔式和内腔式结构。外腔式稳频激光器的腔长调节执行器件为压电陶瓷器件，这种结构的稳频激光器相对频率稳定度达10^-9，但预热时间长，抗振性能差。内腔式稳频激光器的腔长调节执行器件有电热器件和热电致冷器，使用两种执行器件的内腔式稳频激光器相对频率稳定度都能达到10^-8，且预热时间小于20分钟。但是采用电热器件调节腔长进行稳频，预热目标温度一般高出激光管自然预热平衡温度，因此在不同的环境温度下预热时间差异较大，同时较高的预热温度带来了光电转换器件及其他器件的性能参数的漂移，导致了稳频控制电路系统的不稳定，较高的工作温度还降低了激光管工作寿命。

为了解决电热器件调节腔长稳频方法的上述缺点，哈尔滨工业大学提出了一种基于热电致冷器的双纵模激光器稳频方法(中国专利CN100382398：基于热电致冷器的双纵模激光器稳频方法与装置)。该方法对热电致冷器加反向电流对激光管预热至其自然运转热平衡温，再通过控制热电致冷器电流的大小和方向改变激光器谐振腔腔长来控制激光器输出双纵模光功率之差为零，达到稳频的目的。避免了现有稳频装置随着环境温度不同出现的预热时间加长，预热效果不理想，易受外界环境温度、气流速度变化影响的缺点。但在其设计的传热结构中，热电致冷器安装在激光管的同一侧，造成激光管外壁受热或制冷不均匀，存在温度梯度，进而导致激光管的径向畸变，影响输出激光频率的稳定性。此外这类双纵模稳频激光器仍以激光增益曲线的中心频率作为稳频控制的频率参考点，而此中心频率容易受到温度、气压等因素的影响而改变，激光相对频率准确度难以超过10^-8。

此外上述两种结构的双纵模稳频激光器和塞曼稳频激光器，其稳频控制的参考频率与谐振腔长控制执行器无关，实质上都是激光增益曲线的中心频率，由于工作气压、放电电流等参数的差异，多台稳频激光器输出激光频率一致性低的缺点依然存在，一般为10^-6～10^-7。

碘饱和吸收稳频激光器采用外腔式结构，其谐振腔中放置有高纯度的低压碘蒸气吸收室，并利用压电陶瓷调节谐振腔的长度，使激光器的工作频率锁定在¹²⁷I₂分子的超精细吸收谱线上。由于碘吸收室的气压只有1～10Pa，吸收峰的宽度主要取决于吸收物质的自然线宽，其数值仅为几十KHz，远小于兰姆凹陷的宽度，因此碘饱和吸收稳频激光器中心频率的相对频率稳定度可达10^-11～10^-12。另一方面，由于采用了外部参考频率，该频率不受激光器工作物质气压和放电电流等参数的影响，所以对于多台稳频激光器而言，其稳频控制的频率基准是高度一致的，频率一致性可高达10^-11～10^-12。然而，腔内调制的碘稳频激光器输出光为调频激光，其光波频率的调制深度为几MHz，因此总体上激光相对频率准确度为10^-8。此外，碘饱和吸收稳频激光器输出激光功率仅达到几十μW，由于使用压电陶瓷调节元件，工艺结构复杂，价格昂贵，压电材料蠕变大且使用周期短，预热时间长、抗振性能差。

为了克服碘稳频氦氖激光器输出激光频率带有调制、光功率偏小的缺点，美国Lawrence Livemore实验室的R.R.Donaldson等研制了偏频锁定的633nm氦氖激光器(R.R.Donaldson，S.R.Paterson.Design and Construction of a Large，Vertical-axis Diamond Turning Machine.Proc.Of SPIE.1983，(433)：62～67)。该激光器的特点是将一台自由运转的激光器高精度跟踪另一台碘稳频激光器，并偏离碘稳频激光器一固定的频率值，从而既保持了碘稳频激光器中心频率相对准确度高的优点，又可以输出频率无调制的大功率激光，其相对频率准确度达到10^-9，输出功率达到15mW。然而，该类激光器采用外腔式谐振腔结构和压电陶瓷调节元件，除去预热时间长、抗振特性差的不足外，整个激光器装置体积十分庞大。目前，该类激光器仅用于个别专用的大型超精密加工设备中，且需要采取额外的防振措施。

综上所述，兰姆凹陷稳频激光器的频率稳定度达到10^-9，但抗振性能差、光频有调制，无法应用于工业测量现场，且多台稳频激光器的频率一致性只达到10^-6～10^-7；外腔式双纵模稳频激光器与塞曼稳频激光器的相对频率稳定度可达10^-9，但是预热时间长、抗震性差，无法应用于工业测量现场；内腔式双纵模激光器与塞曼激光器的相对频率稳定度达到10^-8，工作环境适应能力强、但其稳频控制的参考频率实质上是激光增益曲线的中心频率，由于工作气压、放电电流等参数的差异，仍然存在多台稳频激光器频率一致性较低的缺点，不能满足超精密测量与加工技术发展对稳频激光器频率一致性提出的10^-8要求；碘饱和吸收稳频激光器频率稳定性和一致性均优于10^-11，但输出光功率小、工作环境要求高，一般只用于计量检定领域；基于压电陶瓷并以碘饱和吸收稳频激光作为参考的偏频锁定激光器，其频率稳定度和一致性达到10^-9，但结构复杂、抗振能力差，适用场合受到严格限制。由此可见，现有稳频激光器技术将难以满足新一代超精密加工与测量技术发展的要求。

发明内容

针对现有激光器稳频技术的不足，本发明提出了一种基于热电致冷器的双纵模激光器偏频锁定方法，其目的是解决当前多维激光干涉测量系统中由于稳频激光器之间的频率一致性差而导致综合测量精度偏低的问题，并为迅速发展的超精密加工与测量技术提供一种频率一致性好、寿命长并可直接应用于工业现场的新型激光光源。本发明还提供了一种基于热电致冷器的双纵模激光器偏频锁定装置。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种基于热电致冷器的双纵模激光器偏频锁定方法，该方法包括以下步骤：

(1)开启双纵模稳频激光器A电源，经过预热和稳频过程后，激光器A内部激光管输出偏振方向相互正交的两个纵模光，利用偏振分光器取出其中一个纵模光作为激光器A的输出光，该输出光由光纤分束器分离成n≥1路，记为光束X₁，X₂，...，X_n，其光波频率记为v_r，作为双纵模激光器B₁，B₂，...，B_n频偏锁定的参考频率；

(2)同时开启双纵模激光器B₁，B₂，...，B_n电源，测量当前环境温度T₀并以此确定预热目标温度值T_set，且T₀＜T_set由热电致冷器对双纵模激光器B₁，B₂，...，B_n的激光管进行预热，并根据当前温度T_real和预热目标温度T_set之差不断调整热电致冷器反向电流值大小，使激光管的温度逐渐趋于预先设定的温度值T_set，并最终达到热平衡状态，此时各激光管输出激光均包括偏振方向相互正交的两个纵模光，利用偏振分光器件分离出其中一个纵模光作为双纵模激光器B₁，B₂，...，B_n的输出光，记为光束Y₁，Y₂，...，Y_n，相应的光波频率记为v₁，v₂，...，v_n；

(3)双纵模激光器B₁，B₂，...，B_n在其预热过程结束后进入锁频控制过程，将光束X₁，X₂，...，X_n分别与光束Y₁，Y₂，...，Y_n进行光学混频并形成n路拍频光信号，利用高频光电探测器将n路拍频光信号转换为n路电信号，经信号调理后，其频率值由频率测量模块测得，记为Δv₁，Δv₂，...，Δv_n，其中Δv_i＝|v_i-v_r|(i＝1，2，...，n)；

(4)双纵模稳频激光器B₁，B₂，...，B_n在各自光波频率差值Δv₁，Δv₂，...，Δv_n值变化的同一单调区间实现激光频率的锁定，且所有激光器预先设定的偏频参考值Δv_set相同，将测量得到的光波频率差值Δv₁，Δv₂，...，Δv_n作为锁频闭环控制的反馈信号，与预先设定的偏频参考值Δv_set求差，根据光波频率差值Δv₁，Δv₂，...，Δv_n与偏频参考值Δv_set求差所得差值的正、负和大小调整热电致冷器施加电流的正向、反向和大小，从而控制其对激光管致冷和加热，进而改变激光管的温度、谐振腔长度和激光纵模频率，使Δv₁，Δv₂，...，Δv_n趋于Δv_set；

(5)当Δv₁＝Δv₂＝...＝Δv_n＝Δv_set时，双纵模激光器B₁，B₂，...，B_n锁频控制过程完成，其由偏振分光器件分离出单纵模激光Y₁，Y₂，...，Y_n的频率锁定在同一频率值上，即v₁＝v₂＝...＝v_n＝v_r+Δv_set(或v₁＝v₂＝...＝v_n＝v_r-Δv_set)；

(6)将预设的偏频参考值调整为Δv′_set，重复步骤(4)、(5)，双纵模激光器B₁，B₂，...，B_n输出激光Y₁，Y₂，...，Y_n的频率锁定在重新设置的频率值v_r+Δv′_set(或v_r-Δv′_set)上，从而其输出激光的频率值得到调整。

一种基于热电致冷器的双纵模激光器偏频锁定装置，包括双纵模稳频激光电源、双纵模稳频激光器、稳频状态指示灯、光纤分束器，装置中还包括n≥1个结构相同、呈并联关系的双纵模激光器，其中每一个双纵模激光器的装配结构是：双纵模激光器电源与激光管连接，主偏振分光器放置在激光管主输出端前，副偏振分光器放置在激光管副输出端与光纤合束器的一个输入端之间，光纤合束器的另一个输入端与光纤分束器的输出端之一连接，检偏器放置在光纤合束器的输出端与高速光电探测器之间，高速光电探测器、高速分频器、前置放大器、后置放大器、高速比较器、频率测量模块、微处理器、D/A转换器、热电致冷器驱动器、热电致冷器、传热结构依次连接，其中传热结构由从激光管开始由里到外依次装配的内部导热胶层、铜管导热层、中间导热胶层、热电致冷器、外部导热胶层、散热器、隔热层组成，且热电致冷器与散热器各有两个，对称于激光管两侧放置，热电致冷器的电流控制端通过热电致冷器驱动器、D/A转换器与微处理器相连，激光管温度传感器处在内部导热胶层中，其输出端接微处理器，环境温度传感器放置在双纵模激光器外部，其输出端接微处理器，锁频状态指示灯接微处理器。

所述的高速光电探测器探测带宽大于500MHz。

本发明具有以下特点及良好效果：

(1)本发明采用激光偏频锁定技术对多个双纵模激光器进行并联频率锁定，所有偏频锁定的双纵模稳频激光器输出激光具有统一的频率值，其相对频率稳定度达到10^-8，频率一致性达到10^-8，克服了传统稳频激光器中由于频率基准不一致导致稳频激光器之间的频率一致性仅能达到10^-6～10^-7的不足，这是区别于现有技术的创新点之一。

(2)本发明中双纵模稳频激光器采用内腔式结构，并以热电致冷器作为谐振腔长度调整执行元件，同时采用热电致冷器对称传热结构设计，消除了激光管受热不均匀导致的激光管径向畸变对输出频率稳定性的影响；与外腔式稳频激光器相比预热时间短，抗震动能力强，能够直接用于工业现场；与电热器件作为内腔式谐振腔长度调整的执行元件相比，降低了激光管稳频工作时的温度，增强了环境适应能力，缩短了预热时间，减小了光电转换器件及其他器件性能参数的温漂对稳频效果的影响，提高了激光管的寿命，这是区别于现有技术的创新点之二。

(3)通过改变预设的偏频参考值Δv_set，可以调整本发明中偏频锁定的双纵模稳频激光器输出激光的频率值，因而可以较为方便地产生波长可连续调谐的激光，这是区别于现有技术的创新点之三。

附图说明

图1为本发明装置的原理示意图

图2(a)为本发明装置中双纵模激光器的结构示意图

图2(b)为图2(a)中A-A剖视图，即传热结构示意图

图3为本发明装置中双纵模激光器预热过程的闭环控制系统示意图

图4为本发明装置中双纵模激光器预热平衡温度与环境温度关系曲线图

图5为本发明装置中双纵模激光器频率锁定过程的闭环控制系统示意图

图6为本发明中双纵模激光器频率锁定位置与基准频率的相对位置示意图

图7为本发明中热电致冷器电流方向与热交换方向的相互关系示意图

图8为本发明实施例在不同初始环境下的预热温度曲线图

图9为本发明普通功率平衡式双纵模稳频激光器输出激光频率漂移图

图10为本发明中双纵模激光器输出激光频率漂移图

图中，1稳频激光器激光电源、2双纵模稳频激光器、B₁，B₂，...，B_n双纵模激光器、3稳频状态指示灯、4光纤分束器、5激光管电源、6微处理器、7环境温度传感器、8激光管温度传感器、9激光管、10D/A转换器、11热电致冷器驱动器、12热电致冷器、13副偏振分光器、14主偏振分光器、15光纤合束器、16检偏器、17高速光电探测器、18高速分频器、19前置放大器、20后置放大器、21高速比较器、22频率测量模块、23锁频状态指示灯、24内部导热胶层、25铜管导热层、26中间导热胶层、27外部导热胶层、28散热器、29隔热层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施实例进行详细描述。

本发明中基于热电致冷器的双纵模激光器偏频锁定装置包括稳频激光器电源1、双纵模稳频激光器2、稳频状态指示灯3和光纤分束器4，装置中还包括n≥1个结构相同、呈并联关系的双纵模激光器B₁，B₂，...，B_n，其中每一个双纵模激光器B₁，B₂，...，B_n的装配结构是：双纵模激光器电源5与激光管9连接，主偏振分光器14放置在激光管9主输出端前，副偏振分光器13放置在激光管9副输出端与光纤合束器15的一个输入端之间，光纤合束器15的另一个输入端与光纤分束器4的输出端之一连接，检偏器16放置在光纤合束器15的输出端与高速光电探测器17之间，高速光电探测器17、高速分频器18、前置放大器19、后置放大器20、高速比较器21、频率测量模块22、微处理器6、D/A转换器10、热电致冷器驱动器11、热电致冷器12、传热结构依次连接，其中传热结构由从激光管9开始由里到外依次装配的内部导热胶层24、铜管导热层25、中间导热胶层26、热电致冷器12、外部导热胶层27、散热器28、隔热层29组成，且热电致冷器12与散热器28各有两个，对称于激光管9两侧放置，热电致冷器12的电流控制端通过热电致冷器驱动器11、D/A转换器10与微处理器6相连，激光管温度传感器8处在内部导热胶层24中，其输出端接微处理器6，环境温度传感器7放置在双纵模激光器B₁，B₂，...，B_n外部，其输出端接微处理器6，锁频状态指示灯23接微处理器6。

所述的高速光电探测器17的探测带宽大于500MHz。

鉴于装置中包括多个偏频锁定的双纵模稳频激光器B₁，B₂，...，B_n，且激光器B₁，B₂，...，B_n的预热和频率锁定的控制过程完全一致，以下仅对双纵模稳频激光器B₁作过程描述，这些描述文字同样适用于装置中的任一其它偏频锁定的双纵模稳频激光器。

开始工作时，开启双纵模稳频激光器电源1，双纵模稳频激光器2进入预热和稳频过程，当上述过程完成时，使能稳频状态指示灯3，表示双纵模稳频激光器2已进入稳频状态，其输出激光经耦合进入光纤分束器4，被分离成n路基准频率光束，记为光束X₁，X₂，...，X_n，频率记为v_r。

在稳频状态指示灯3使能的时刻，开启双纵模激光器电源5，双纵模激光器B₁进入预热过程，图3为双纵模激光器环境温度与预热热平衡温度曲线图，不同环境温度下其预热热平衡温度不同，但每个热平衡状态下激光管与外界环境温度的热交换能量相同，而热交换能量与温差有关，即温度与环境温度都有固定的温差。根据预热温度曲线确定预热热平衡温度T_set。图4为双纵模激光器预热过程的闭环控制系统示意图。微处理器6根据环境温度传感器7测量得到的环境温度设定预热的热平衡温度T_set，并将T_set作为预热闭环控制系统的参考输入量，同时以激光管温度传感器8测量得到激光管9的温度T_real作为反馈信号，微处理器6计算二者的差值，并根据MPC控制算法，输出数字控制信号，由D/A转换器10数模转换为模拟信号，此模拟信号经热电致冷器驱动器11进行放大，用于控制热电致冷器12的工作电流，对激光管9进行预热。

在激光管9达到预热的热平衡温度T_set后，微处理器6切换双纵模激光器B₁进入频率锁定控制过程。图5即为本发明装置中双纵模激光器频率锁定过程的闭环控制系统示意图。激光管9主、副输出端均输出偏振方向相互正交的两个纵模光，利用偏振分光器13和14分别分离主、副输出端的两个纵模光，其中副输出端水平偏振的纵模光用于锁频控制，记为光束Y₁，其频率记为v₁，主输出端水平偏振的纵模光作为双纵模稳频激光器B₁的输出光。光束Y₁耦合进入光纤合束器15，与参考光束X₁合为一束，通过检偏器16后参考光束X₁与光束Y₁偏振方向一致，形成拍频光信号，并由高速光电探测器17转换为电压信号，该电压信号依次通过高速分频器18、前置放大器19、后置放大器20、高速比较器21，成为方波信号，送入频率测量模块22进行频率测量，得到光束X₁与光束Y₁的光频差值Δv₁＝|v₁-v_r|。

频率测量模块22测量得到的频率Δv₁为光束X₁中心频率v_r与光束Y₁频率v₁之差的绝对值，则光束Y₁的频率值v₁＝v_r-Δv₁或v₁＝v_r+Δv₁，即v₁可能位于v_r的左侧或右侧，如图6所示。为了使双纵模稳频激光器B₁，B₂，...，B_n输出激光具有统一的频率值，需要将所有偏频锁定的双纵模稳频激光器统一锁定到v_r的同一侧，因此需要判断v₁与v_r的相对位置。由微处理器6控制热电致冷器12对激光管9进行加热，使其温度上升到T_set+ΔT，同时测量在此过程中Δv₁数值的变化。根据v₁与激光管腔长的关系

$v_1=q\frac{c}{2\mathrm{\ηl}}$

式中，c为光速，q为纵模序数，η为谐振腔内的折射率，l为激光管腔长。温度升高时，激光管腔长l增大，v₁减小，若Δv₁增大，则v₁位于v_r的左侧；反之，v₁位于v_r的右侧。本实例中将v₁锁定到v_r的右侧，若热平衡温度T_set下v₁实际位于v_r的左侧，则针对激光器B₁，调整其热平衡温度为T′_set，使v₁转移到v_r的右侧。

将频率测量模块22测量所得的Δv₁值作为频率锁定闭环控制系统的反馈信号，同时将预先设定的偏频参考值Δv_set(本实例取Δv_set＝65MHz)作为控制系统的参考输入量，由微处理器6计算两者的差值，根据两者差值的正负和大小经MPC控制算法处理得到输出的数字控制信号，再经D/A转换器10转换为模拟电压，热电致冷器驱动器11进行功率放大，最终调节热电致冷器12工作电流的方向和大小，使其改变加热或制冷的程度以改变激光管9的温度，进而调整激光管9的激光谐振腔长和输出光的频率，使Δv₁趋于Δv_set。当Δv₁≈Δv_set时，双纵模激光器B₁频率锁定过程完成，使能锁频状态指示灯23，表示双纵模激光器B₁进入稳定工作状态，此时v₁＝v_r+Δv_set。将预设的偏频参考值调整为Δv′_set，重复上述的频率锁定过程，则双纵模激光器B₁输出激光的频率调整为v_r+Δv′_set。

图7说明了实例中热电致冷器12电流方向与热能方向相互关系。实例中热电致冷器12是应用半导体材料显著的帕尔帖效应和其它有关热电效应而设计制造的半导体组件，据有体积小，寿命长，无噪声振动和无任何污染等优点，原理是：当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能发生能量的转移：电流由N型元件流向P型元件，接头吸收热量，成为冷端；电流由P型元件流向N型元件，接头释放热量。成为热端。热能方向由电流的方向决定，吸收热量和放出热量的大小由电流大小决定。

当实例中热电致冷器12的正电极端输入电流时，热能从激光管9输出，依次经内部导热胶层24，铜管导热层25，中间导热胶层26，热电致冷器12，外部导热胶层27，到达散热器28，散热器28有较大面积，因此热量很容易通过空气对流和辐射的形式散到空气中；当实施例中热电致冷器12的负电极端输入电流时，散热器28通过空气对流和辐射的形式从空气中吸收热能，依次经外部导热胶层27，热电致冷器12，中间导热胶层26，铜管导热层25，内部导热胶层24，到达激光管9。

图8给出了本发明装置实例在不同初始环境下的预热温度曲线图，从曲线变化趋势可以得出在不同的初始温度环境下，激光器预热曲线变化趋势基本一致，在15分钟左右温度上升至距目标温度0.1℃之内，且温度变化率很小，基本达到热平衡。说明装置在不同的工业现场，经过时间基本一致的预热，都能获得热平衡，提供较好的稳频条件。

图9是普通功率平衡式双纵模稳频激光器输出激光频率漂移图，图中给出了两台功率平衡式双纵模稳频激光器在15个月的抽样测量中激光频率的变化曲线，两台激光器的频率通过与碘饱和吸收稳频氦氖激光器拍频而获得。从图中可以看出，两台激光器输出激光的频率差值约为210MHz，并且存在长期的、缓慢的漂移，不同激光器频率漂移的变化趋势也不相同，所以对于普通的功率平衡式双纵模稳频激光器，其激光频率一致性一般仅达到10^-6～10^-7。

图10是本发明中偏频锁定的双纵模激光器输出激光频率长期漂移图。本实例中取n＝2，双纵模激光器B₁与B₂的频率通过与碘饱和吸收稳频氦氖激光器拍频而获得，从图中可以看出，在为期15个月的抽样测量时间内，双纵模激光器B₁与B₂输出激光的频率存在长期的、缓慢的漂移，这是因为稳频控制的基准频率存在长期漂移。但是，激光器B₁与激光器B₂采用了相同的稳频控制的基准频率，所以其频率漂移的趋势在总体上是一致的，其频率一致性达到10^-8。

Claims (3)

1.一种基于热电致冷器的双纵模激光器偏频锁定方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)开启双纵模稳频激光器A电源，经过预热和稳频过程后，激光器A内部激光管输出偏振方向相互正交的两个纵模光，利用偏振分光器取出其中一个纵模光作为激光器A的输出光，该输出光由光纤分束器分离成n≥1路，记为光束X₁，X₂，...，X_n，其光波频率记为v_r，作为双纵模激光器B₁，B₂，...，B_n频偏锁定的参考频率；

(2)同时开启双纵模激光器B₁，B₂，...，B_n电源，测量当前环境温度T₀并以此确定预热目标温度值T_set，且T₀＜T_set，由热电致冷器对双纵模激光器B₁，B₂，...，B_n的激光管进行预热，并根据当前温度T_real和预热目标温度T_set之差不断调整热电致冷器反向电流值大小，使激光管的温度逐渐趋于预先设定的温度值T_set，并最终达到热平衡状态，此时各激光管输出激光均包括偏振方向相互正交的两个纵模光，利用偏振分光器件分离出其中一个纵模光作为双纵模激光器B₁，B₂，...，B_n的输出光，记为光束Y₁，Y₂，...，Y_n，相应的光波频率记为v₁，v₂，...，v_n；

(3)双纵模激光器B₁，B₂，...，B_n在其预热过程结束后进入锁频控制过程，将光束X₁，X₂，...，X_n分别与光束Y₁，Y₂，...，Y_n进行光学混频并形成n路拍频光信号，利用高频光电探测器将n路拍频光信号转换为n路电信号，经信号调理后，其频率值由频率测量模块测得，记为Δv₁，Δv₂，...，Δv_n，其中Δv_i＝|v_i-v_r|，i＝1，2，...，n；

(4)双纵模稳频激光器B₁，B₂，...，B_n在各自光波频率差值Δv₁，Δv₂，...，Δv_n值变化的同一单调区间实现激光频率的锁定，且所有激光器预先设定的偏频参考值Δv_set相同，将测量得到的光波频率差值Δv₁，Δv₂，...，Δv_n作为锁频闭环控制的反馈信号，与预先设定的偏频参考值Δv_set求差，根据光波频率差值Δv₁，Δv₂，...，Δv_n与偏频参考值Δv_set求差所得差值的正、负和大小调整热电致冷器施加电流的正向、反向和大小，从而控制其对激光管致冷和加热，进而改变激光管的温度、谐振腔长度和激光纵模频率，使Δv₁，Δv₂，...，Δv_n趋于Δv_set；

(5)当Δv₁＝Δv₂＝...＝Δv_n＝Δv_set时，双纵模激光器B₁，B₂，...，B_n锁频控制过程完成，其由偏振分光器件分离出单纵模激光Y₁，Y₂，...，Y_n的频率锁定在同一频率值上，即v₁＝v₂＝...＝v_n＝v_r+Δv_set或v₁＝v₂＝...＝v_n＝v_r-Δv_set；

(6)将预设的偏频参考值调整为Δv′_set，重复步骤(4)、(5)，双纵模激光器B₁，B₂，...，B_n输出激光Y₁，Y₂，...，Y_n的频率锁定在重新设置的频率值v_r+Δv′_set或v_r-Δv′_set上，从而其输出激光的频率值得到调整。 

2.一种基于热电致冷器的双纵模激光器偏频锁定装置，包括双纵模稳频激光电源(1)、双纵模稳频激光器(2)、稳频状态指示灯(3)、光纤分束器(4)，其特征在于装置中还包括n≥1个结构相同、呈并联关系的双纵模激光器(B₁，B₂，...，B_n)，其中每一个双纵模激光器(B₁，B₂，...，B_n)的装配结构是：双纵模激光器电源(5)与激光管(9)连接，主偏振分光器(14)放置在激光管(9)主输出端前，副偏振分光器(13)放置在激光管(9)副输出端与光纤合束器(15)的一个输入端之间，光纤合束器(15)的另一个输入端与光纤分束器(4)的输出端之一连接，检偏器(16)放置在光纤合束器(15)的输出端与高速光电探测器(17)之间，高速光电探测器(17)、高速分频器(18)、前置放大器(19)、后置放大器(20)、高速比较器(21)、频率测量模块(22)、微处理器(6)、D/A转换器(10)、热电致冷器驱动器(11)、热电致冷器(12)、传热结构依次连接，其中传热结构由从激光管(9)开始由里到外依次装配的内部导热胶层(24)、铜管导热层(25)、中间导热胶层(26)、热电致冷器(12)、外部导热胶层(27)、散热器(28)、隔热层(29)组成，且热电致冷器(12)与散热器(28)各有两个，对称于激光管(9)两侧放置，热电致冷器(12)的电流控制端通过热电致冷器驱动器(11)、D/A转换器(10)与微处理器(6)相连，激光管温度传感器(8)处在内部导热胶层(24)中，其输出端接微处理器(6)，环境温度传感器(7)放置在双纵模激光器(B₁，B₂，...，B_n)外部，其输出端接微处理器(6)，锁频状态指示灯(23)接微处理器(6)。

3.根据权利要求2所述的基于热电致冷器的双纵模激光器偏频锁定装置，其特征在于高速光电探测器(17)探测带宽大于500MHz。 

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