CN101615755B - 基于碘稳频参考光的双纵模激光器热稳频方法和装置 - Google Patents

Abstract

基于碘稳频参考光的双纵模激光器热稳频方法和装置属于激光应用技术领域，本发明以相对频率准确度达10^-11的碘稳频激光中心频率作为基准频率，并通过腔长热调节使多台双纵模激光器输出激光的频率与该基准频率保持为一固定差值，可将双纵模激光器的相对频率准确度从10^-7～10^-8提高到10^-9，多台双纵模激光器的频率一致性从10^-7提高到10^-9，解决了普通双纵模稳频激光器相对频率准确度难以突破10^-8、多台稳频双纵模激光器频率一致性差的问题。

Description

基于碘稳频参考光的双纵模激光器热稳频方法和装置

技术领域

本发明属于激光应用技术领域，特别是一种基于碘稳频参考光的双纵模激光器热稳频方法及其装置

背景技术

单色性好是激光的重要特征之一，理论分析表明激光具有非常小的单模线宽极限，但实际应用中由于温度、振动、气流和激光管放电电流等不稳定因素的干扰，自由运转的激光器频率漂移远远大于理论线宽极限，其相对频率准确度仅为10^-5～10^-6。然而，在航空航天装备、微电子制造等领域的超精密测量中对激光光源相对频率准确度的要求高达到10^-7～10^-8，并向10^-9逼近，为了满足这样的精度要求，需要对自由运转的激光器采取稳频控制措施，以提高其相对频率准确度。

根据所采用的腔长调整元件的不同，激光稳频方法主要可分为压电陶瓷稳频法、电热器件稳频法、放电电流稳频法等，其应用的典型系统有碘稳频激光器、双纵模稳频激光器等。

碘稳频激光器按照光频调制的空间位置可分为腔内调制和腔外调制两种。英国国立物理研究所的A.J.Wallard率先研究了腔内调制的碘稳频氦氖激光器(A.J.Wallard.Frequency stabilization of the helium-neon laser by saturatedabsorption in iodine vapour.J Phys.E：Sci.Instrum，1972，(5)：926-930)。该激光器为外腔式结构，其谐振腔内放置有高纯度的碘气体吸收室，并采用压电陶瓷调整谐振腔的长度，将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¹²⁷I₂分子的超精细吸收谱线仅与分子内部结构有关，不受激光器其它参数的影响，该类碘稳频激光器输出光中心频率的相对准确度高达到10^-11～10^-12，且多台同类激光器中心频率一致性可达10^-11。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，该类碘稳频激光器的输出功率只有几十μW，由于使用压电陶瓷调节元件，预热时间长、抗振性能较差。

腔外调制的碘稳频激光器其碘吸收室放置于谐振腔之外，光频调制也在谐振腔外进行，因此输出激光的频率无调制。但是，气体激光器特别是工作波长为633nm的氦氖激光器，其输出光强远无法达到¹²⁷I₂分子饱和吸收所需的激光功率，所以腔外调制方式一般应用于功率较大的固体激光器。此外，腔外调制的碘稳频激光器结构较腔内调制的碘稳频激光器结构更为复杂，由于仍旧采用压电陶瓷调节元件，预热时间长、抗振特性差的缺点依然存在。

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。

双纵模稳频激光器是当前广泛应用于激光干涉测量系统的激光光源之一。Balhorn等提出了通过调整激光管放电电流来控制谐振腔长度的双纵模激光器稳频方法(R.Balhorn，H.Kunzmann，F.Lebowsky.Frequency Stabilization ofInternal-Mirror Helium-Neon Lasers.Applied Optics，1972，11(4)：742～746)。该方法具有热惯性小、调节效率高的优点，但是激光器增益曲线的中心频率容易受到放电电流变化的影响而改变，其相对频率准确度不超过10^-7。

为了提高双纵模激光器的相对频率稳定度，英国Renishaw公司于提出了基于电热丝的热稳频双纵模激光器方法(国际专利WO8801798：Pre-heat ControlSystem for a Laser；国际专利WO8801799：Frequency Stabilized Laser and ControlSystem Therefor)，该方法以双纵模激光器输出的两种正交偏振光的光功率之差作为稳频控制的反馈信号，根据稳频控制算法，改变缠绕在激光管外壁上电热丝的工作电流，调整激光管的温度和腔长，从而稳定激光管输出激光的频率。国内方面，四川大学和哈尔滨工业大学于近年分别提出了基于电磁感应加热的双纵模激光器稳频方法(中国专利CN100367579：双纵模激光器电磁感应加热的稳频装置及其稳频方法)和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)。以上基于电热器件(电热丝、电热薄膜等)或热电制冷器的双纵模稳频激光器，其相对频率准确度达到10^-8，并且具有结构简单、预热时间短、抗振性能好等优点，已经在商品化的激光干涉测量系统中得到了应用。但是，这类双纵模稳频激光器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，对于同批次的多台双纵模稳频激光器，其物理特性参数无法做到高度一致，各激光器增益曲线中心频率存在差异，因此多台激光器的频率一致性较差，一般不高于10^-7。

为了进一步提高双纵模稳频激光器的相对频率准确度，日本学者FumioMurakami等将碘吸收稳频技术应用到双纵模稳频激光器中，将双纵模稳频激光器相对频率准确度提高到了10^-9(Fumio Murakami，et al.Frequency Stabilizationof 633-nm He-Ne Laser by Using Frequency Modulation Spectroscopy of ¹²⁷I₂Enhanced by an External Optical Cavity.Electronics and Communications in Japan.2000，Part 2，Vol.83，No.3：1-9)。该方法中双纵模稳频激光器为内腔式结构，其外部增加一个辅助光学腔，用于提高激光的外部强度，从而满足¹²⁷I₂分子饱和吸收的激光功率要求。然而，引入辅助光学腔导致整个装置结构复杂化，且辅助光学腔采用了压电陶瓷元件，降低了装置的抗振能力。

综上所述，基于压电陶瓷调节并锁定于¹²⁷I₂超精细吸收谱线上的碘稳频激光器，虽然其中心频率相对准确度达到或优于10^-11，且多台碘稳频激光器中心频率的一致性达到10^-11，但由于抗振性能差、工作环境要求较高等缺点，无法直接应用于工业现场测量中；基于电热器件的双纵模稳频激光器结构简单、环境适应性好，已得到广泛的应用，但其相对频率准确度难以突破10^-8，同时多台双纵模稳频激光器之间的频率一致性仅能达到10^-6～10^-7，在需要采用多台激光器协作进行多维度同步测量的场合，这将带来波长基准、波长漂移和空间坐标不一致的问题，从而影响干涉测量系统的综合测量精度；基于压电陶瓷的偏频锁定氦氖激光器与使用碘吸收稳频技术的双纵模稳频激光器频率相对准确度达到10^-9，但结构复杂、抗振能力差，适用场合受到严格限制。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碘稳频参考光的双纵模激光器热稳频方法，其目的是融合碘稳频激光器和双纵模稳频激光器的优点，为迅速发展的超精密加工与测量技术提供一种更高精度的、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碘稳频参考光的双纵模激光器热稳频装置。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种基于碘稳频参考光的双纵模激光器热稳频方法，该方法包括以下步骤：

(1)开启碘稳频激光器电源，经过预热和稳频过程后，碘稳频激光器工作频率锁定在¹²⁷I₂分子位于633nm波段的超精细吸收谱线上，其输出激光为调频线偏振光，光波中心频率记为v_ro，瞬时频率记为v_r，调制周期记为T_m，此线偏振光由分光器件分离成n路，记为光束X₁，X₂，...，X_n，其中心频率v_ro作为双纵模激光器偏频锁定的频率基准；

(2)开启双纵模激光器L₁，L₂，...，L_n电源，所有双纵模激光器同时进入预热过程，缠绕在各激光器内部激光管上的电热器件对激光管进行加热，使激光管的温度趋于预先设定的温度值并达到热平衡状态，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L₁，L₂，...，L_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L₁，L₂，...，L_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，其中第i路电信号的频率为|v_i-v_r|(i＝1，2，...，n)；

(4)n路电信号经信号调理后，其频率值由频率测量模块测量，取采样时间τ≥200T_m，则测量得到时间τ内电信号频率的平均值，即光束X₁，X₂，...，X_n中心频率v_ro与光束Y₁，Y₂，...，Y_n的光波频率差值，记为Δv₁，Δv₂，...，Δv_n，其中Δv_i＝|v_i-v_ro|(i＝1，2，...，n)；

(5)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，并根据锁频控制算法，调整缠绕在激光管上电热器件的电流值，改变激光管的温度和谐振腔长，进而调整双纵模激光器L₁，L₂，...，L_n输出激光的频率，使Δv₁，Δv₂，...，Δv_n趋于Δv_set；

(6)当Δv₁＝Δv₂＝...＝Δv_n＝Δv_set时，双纵模激光器L₁，L₂，...，L_n锁频控制过程完成，此时所有双纵模激光器输出激光的频率锁定在同一频率值上，即v₁＝v₂＝...＝v_n＝v_ro+Δv_set(或v₁＝v₂＝...＝v_n＝v_ro-Δv_set)；

(7)将预设的偏频参考值调整为Δv′_set，重复步骤(4)、(5)和(6)，双纵模激光器L₁，L₂，...，L_n输出激光的频率锁定在重新设置的频率值v_ro+Δv′_set(或v_ro-Δv′_set)上，频率v_ro+Δv′_set(或v_ro-Δv′_set)与频率v_ro+Δv_set(或v_ro-Δv_set)在激光增益曲线上对应的增益数值不相同，从而双纵模激光器L₁，L₂，...，L_n输出激光的功率值也得到调整。

一种基于碘稳频参考光的双纵模激光器热稳频装置，包括碘稳频激光器电源、碘稳频激光器、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：激光管电源与激光管连接，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、功率放大器、电热器依次连接，电热器粘附或缠绕在激光管外壁上，激光管温度传感器粘附在激光管外壁上，其输出端接微处理器，环境温度传感器放置在空气中，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的探测带宽大于500MHz。

本发明具有以下特点及良好效果：

(1)采用相对频率准确度达10^-11的碘稳频激光中心频率作为双纵模激光器锁频的频率基准，克服了普通功率平衡式双纵模稳频激光器中频率基准易受环境影响而发生漂移的不足，可将双纵模稳频激光器输出激光的相对频率准确度从10^-7～10^-8提高到10^-9，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，并以电热器件作为谐振腔长度调整的执行元件，与基于压电陶瓷的外腔式锁频激光器相比，预热时间从2～3h减少到10～20min，且结构简单、环境适应能力好，可直接应用于工业现场测量，这是区别于现有技术的创新点之二。

(3)本发明对多个双纵模激光器进行并联频率锁定，所有双纵模稳频激光器输出激光具有统一的频率值，克服了普通功率平衡式双纵模稳频激光器中由于频率基准不一致而导致多台稳频激光器频率一致性较差的缺点，可将多台稳频激光器的频率一致性从10^-7提高到10^-9，这是区别于现有技术的创新点之三。

(4)通过改变预设的偏频参考值Δv_set，可以调整本发明中双纵模稳频激光器输出激光的频率值，因此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四。

(5)选择合适的偏频参考值Δv_set值，使本发明中双纵模稳频激光器输出激光的频率位于激光增益曲线中心频率附近时，其输出光功率可达到普通功率平衡式的双纵稳频模激光器1.5倍以上，这是区别于现有技术的创新点之五。

附图说明

图1为本发明装置的原理示意图

图2为本发明装置中双纵模激光器的结构示意图

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为普通功率平衡式双纵模激光器稳频过程的控制系统示意图

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中(a)、(b)分别为普通功率平衡式双纵模稳频激光器、本发明中双纵模激光器工作频率与激光增益系数关系图。

图8中曲线a、b和c分别为碘稳频氦氖激光器、普通功率平衡式双纵模稳频激光器和本发明中双纵模激光器输出激光短期相对频率漂移仿真曲线

图9中曲线a、b和c分别为碘稳频氦氖激光器、普通功率平衡式双纵模激光器和本发明中双纵模激光器输出激光长期相对频率漂移仿真曲线

图中，1碘稳频激光器电源、2碘稳频激光器、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功率放大器、12电热器、13主偏振分光器、14副偏振分光器、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信号放大器、21高速比较器、22频率测量模块、23锁频状态指示灯。

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的描述。

如图1和图2，一种基于碘稳频参考光的双纵模激光器热稳频装置，包括碘稳频激光器电源1、碘稳频激光器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L₁，L₂，...，L_n，其中每一个双纵模激光器L₁，L₂，...，L_n的装配结构是：激光管电源5与激光管9连接，主偏振分光器13放置在激光管9主输出端前，副偏振分光器14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、功率放大器11、电热器12依次连接，电热器12粘附或缠绕在激光管9外壁上，激光管温度传感器8粘附在激光管9外壁上，其输出端接微处理器6，环境温度传感器7放置在空气中，其输出端接微处理器6，锁频状态指示灯23接微处理器6。

本发明中基于碘稳频参考光的双纵模激光器热稳频装置，其中的高速光电探测器的探测带宽大于500MHz。

鉴于装置中包括多个双纵模稳频激光器L₁，L₂，...，L_n，且所有双纵模稳频激光器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L₁作过程描述，这些描述文字同样适用于装置中的任一其它双纵模稳频激光器。

开始工作时，开启碘稳频激光器电源1，碘稳频激光器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，表示碘稳频激光器2进入稳定工作状态，此时激光器2输出光为调频激光，其瞬时频率可以表示为

v_r(t)＝v_ro+Δv_mcos(2πf_mt)

式中v_ro、Δv_m、f_m分别为激光中心频率、频率调制幅度、调频信号频率，Δv_m＝3MHz，f_m＝2KHz。碘稳频激光器2输出激光耦合进入光纤分束器4，被分离成n路频率基准光束，记为光束X₁，X₂，...，X_n。

稳频状态指示灯3使能的同时，开启激光管电源5，双纵模稳频激光器L₁进入预热过程。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数模转换为模拟电压，此模拟电压经功率放大器11进行放大，用于控制电热器12的工作电流，对激光管9进行加热。

在激光管9达到热平衡温度T_set后，微处理器6切换双纵模稳频激光器L₁进入频率锁定控制过程。激光管9主、副输出端均输出偏正方向相互正交的两个纵模光，利用偏振分光器13、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L₁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。方波信号的瞬时频率可以表示为

f(t)＝f_c+Δfcos(2πf_mt)

式中f_c＝|v₁-v_ro|/M，Δf＝Δv_m/M，M为分频器分频数。频率测量时，取采样时间τ＝(N+ε)T_m，T_m＝1/f_m，N和ε分别为时间τ包含T_m的整数、小数周期数，则可测量得到时间τ内光束X₁与光束Y₁光频差的平均值

$\mathrm{\Δ}{v}_1=\frac{M}{(N+\mathrm{\ϵ})T_m}{\∫}_0^{(N+\mathrm{\ϵ})T_m}f\left(t\right)\mathrm{dt}$

$=|v_1-v_{\mathrm{ro}}|+\frac{\mathrm{\Δ}{v}_m}{2\mathrm{\π}(N+\mathrm{\ϵ})}\sin \left(2\mathrm{\πf\ϵ}{T}_m\right)$

上式的推导假定了采样时间τ内v₁为常数，这是符合实际情形的，在热平衡或近热平衡状态下，v₁是缓变量，采样时间τ内可近似为常量。上式中第一项可视为频率测量的真实值，其数值为几十到几百MHz，第二项可视为频率测量的误差项，本实例中取N＝200，则误差项的数值不大于Δv_m/[2π(N+ε)]≈2.4KHz。对于实现v₁对v_ro的偏频锁定，并使锁定后v₁的相对准确度达到10^-9，这样的测频精度已超过控制系统所需的精度要求。

频率测量模块22测量得到的频率Δv₁为光束X₁中心频率v_ro与光束Y₁频率v₁之差的绝对值，则光束Y₁的频率值v₁＝v_ro-Δv₁或v₁＝v_ro+Δv₁，即v₁可能位于v_ro的左侧或右侧。为了使双纵模稳频激光器L₁，L₂，...，L_n输出激光具有统一的频率值，需要将所有的双纵模稳频激光器统一锁定到v_ro的同一侧，因此需要判断v₁与v_ro的相对位置。微处理器6控制电热器12对激光管9进行加热，使其温度上升到T_set+ΔT，同时测量此温度下Δv₁的数值。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_ro的左侧；反之，v₁位于v_ro的右侧。本实例中将v₁锁定到v_ro的右侧，若热平衡温度T_set下v₁实际位于v_ro的左侧，则针对激光器L₁，调整其热平衡温度为T′_set，使v₁转移到v_ro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＝120MHz)作为控制系统的参考输入量，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数模转换为模拟电压，此模拟电压经功率放大器11进行放大，用于调节电热器12的工作电流，改变激光管9的温度和腔长，进而调整激光管9输出光的频率，使Δv₁趋于Δv_set，当Δv₁≈Δv_set时，双纵模激光器L₁频率锁定过程完成，使能稳频状态指示灯23，表示双纵模激光器L₁进入稳定工作状态，此时v₁＝v_ro+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L₁输出激光的频率调整为v_ro+Δv′_set。由于频率v_ro+Δv′_set与频率v_ro+Δv_set在激光增益曲线上对应的增益数值不相同，双纵模激光器L₁输出激光的功率也得到调整，因此选择适当的预设偏频参考值Δv_set值，可以实现双纵模激光器L₁输出光功率的最大化，其数值可达普通功率平衡式的双纵模稳频激光器1.5倍以上，结合图7对这一点进行说明。

图7中(a)是普通功率平衡式双纵模稳频激光器工作频率与增益系数的关系示意图。稳频后，激光器的两个纵模光频率v_L、v_R关于激光增益曲线中心v_o对称，两纵模的频率间隔可表示为

$\mathrm{\Δ}{v}_q=v_R-v_L=\frac{c}{2\mathrm{\ηl}}$

图7中(b)是本发明中双纵模稳频激光器工作频率与增益系数的关系示意图，以双纵模稳频激光器L₁为例，其输出激光频率的锁定位置为v_ro+Δv_set(由于激光管参数的差异，频率基准v_ro与激光增益曲线中心频率v_o并不重合，v_ro数值可大于或小于v_o，图中是v_ro≤v_o的情形)。若选取偏频参考值Δv_set≈v_o-v_ro，则输出激光的频率值v₁≈v_o，从而获得最大的激光增益数值。

对于非均匀加宽激光器(典型的氦氖激光器谱线加宽类型为多普勒非均匀加宽)，其输出激光功率可表示为

$p\left(v\right)=\left\{\begin{array}{cc}k\{{\left[\frac{g_{m}l}{\mathrm{\δ}}{e}^{-4\ln 2{\left(\frac{v-v_o}{\mathrm{\Δ}{v}_D}\right)}^2}\right]}^2-1\},& (v\≠v_o)\\ \frac{1}{2}k\{{\left(\frac{g_{m}l}{\mathrm{\δ}}\right)}^2-1\},& (v=v_o)\end{array}\right.$

式中g_m为中心频率v_o处的小信号增益系数，l为工作物质长度，δ为激光单程损耗，Δv_D为工作物质的多普勒线宽，k为常系数。上式只适用于单模工作的激光器，对于普通的功率平衡式双纵模稳频激光器，两纵模v_L、v_R关于增益曲线中心频率对称，根据非均匀加宽工作物质的烧孔效应，可知v_L与v_R在增益曲线上产生的烧孔位置重合，它们共用同一种表观中心频率的激活粒子，存在模式竞争，因此纵模v_L或v_R实际能够获得的输出光功率为P_T＝P(v_L)/2＝P(v_R)/2。

以633nm氦氖激光器为例，假定其腔长为15cm，放电管直径为0.5mm，主输出端腔镜透射率为0.02，则典型值g_m＝0.6，l＝0.15(假设工作物质长度与谐振腔长度相等)，δ＝0.01，v_o-v_L＝v_R-v_o≈500MHz，Δv_D＝1600MHz，那么可得

P(v_o)/P_T＝2P(v_o)/P(v_L)≈1.7

因此，当双纵模稳频激光器L₁输出激光频率锁定于v₁≈v_o时，其输出光功率能够达到普通的功率平衡式双纵模稳频激光器1.5倍以上。

图4为普通功率平衡式双纵模稳频激光器稳频过程的控制系统示意图，与图5比较可见，普通稳频控制系统中，由于激光频率无法直接测量，为此采用光功率差等间接量作为反馈控制信号，因此其本质上是一种半闭环控制系统；本方法中，由于采用高精度的碘稳频激光器中心频率进行混频，从而可以高精度的采集双纵模激光器的激光频率值作为控制反馈，因此其本质上是一种全闭环控制系统。基于半闭环和全闭环控制系统在控制性能上有较大差异，结合图8与图9对其稳频控制效果进行说明。

图8中曲线a为碘稳频激光器输出激光短期相对频率漂移仿真曲线，其纵坐标为相对频率漂移，定义为(v_r-v_ro)/v_ro。从曲线a可以看出，碘稳频激光器的输出频率带有约6MHz的调制深度，调制角频率为2KHz，故总体上短期相对频率漂移为10^-8，但其中心频率短期相对频率漂移比此数值要高出3个数量级以上。

图8中曲线b为普通功率平衡式双纵模稳频激光器输出激光频率短期漂移仿真曲线，其纵轴相对漂移定义为(Δv-Δv_ave)/v_ro，其中Δv＝|v-v_ro|，v为普通功率平衡式双纵模稳频激光器输出激光的频率，v_ro为碘稳频激光器输出激光的中心频率，Δv_ave为Δv的算术平均值。从曲线b可以看出，普通功率平衡式双纵模稳频激光器输出激光的短期相对频率漂移为10^-8，短期内其中心频率没有明显的漂移。

图8中曲线c为本发明中双纵模稳频激光器输出激光频率短期漂移仿真曲线，其纵轴相对频率漂移定义与曲线b相同。从曲线c可以看出，本发明中双纵模稳频激光器输出激光的短期频率相对漂移可达10^-9，短期内其中心频率没有明显的漂移。

图9中曲线a、b和c分别为碘稳频激光器、普通功率平衡式双纵模稳频激光器和本发明中双纵模稳频激光器输出激光长期相对频率漂移仿真曲线，其中碘稳频激光器的长期相对频率漂移与其短期频率漂移曲线类似；普通功率平衡式双纵模稳频激光器输出激光的中心频率存在较大的长期漂移，其长期相对频率漂移达到10^-7；本发明装置中双纵模稳频激光器输出激光的中心频率没有明显的长期漂移，其长期相对频率漂移依然为10^-9。

Claims (3)

1.一种基于碘稳频参考光的双纵模激光器热稳频方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)开启碘稳频激光器电源，经过预热和稳频过程后，碘稳频激光器工作频率锁定在¹²⁷I₂分子位于633nm波段的超精细吸收谱线上，其输出激光为调频线偏振光，光波中心频率记为v_ro，瞬时频率记为v_r，调制周期记为T_m，此线偏振光由分光器件分离成n路，记为光束X₁，X₂，...，X_n，其中心频率v_ro作为双纵模激光器偏频锁定的频率基准；

(2)开启双纵模激光器L₁，L₂，...，L_n电源，所有双纵模激光器同时进入预热过程，缠绕在各激光器内部激光管上的电热器件对激光管进行加热，使激光管的温度趋于预先设定的温度值并达到热平衡状态，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L₁，L₂，...，L_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L₁，L₂，...，L_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，其中第i路电信号的频率为|v_i-v_r|，i＝1，2，...，n；

(4)n路电信号经信号调理后，其频率值由频率测量模块测量，取采样时间τ≥200T_m，则测量得到时间τ内电信号频率的平均值，即光束X₁，X₂，...，X_n中心频率v_ro与光束Y₁，Y₂，...，Y_n的光波频率差值，记为Δv₁，Δv₂，...，Δv_n，其中Δv_i＝|v_i-v_ro|，i＝1，2，...，n；

(5)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，并根据锁频控制算法，调整缠绕在激光管上电热器件的电流值，改变激光管的温度和谐振腔长，进而调整双纵模激光器L₁，L₂，...，L_n输出激光的频率，使Δv₁，Δv₂，...，Δv_n趋于Δv_set；

(6)当Δv₁＝Δv₂＝...＝Δv_n＝Δv_set时，双纵模激光器L₁，L₂，...，L_n锁频控制过程完成，此时所有双纵模激光器输出激光的频率锁定在同一频率值上，即v₁＝v₂＝...＝v_n＝v_ro+Δv_set或v₁＝v₂＝...＝v_n＝v_ro-Δv_set；

(7)将预设的偏频参考值调整为Δv′_set，重复步骤(4)、(5)和(6)，双纵模激光器L₁，L₂，...，L_n输出激光的频率锁定在重新设置的频率值v_ro+Δv′_set或v_ro-Δv′_set上，频率v_ro+Δv′_set与v_ro+Δv_set或频率v_ro-Δv′_set与v_ro-Δv_set在激光增益曲线上对应的增益数值不相同，从而双纵模激光器L₁，L₂，...，L_n输出激光的功率值也得到调整。 

2.一种基于碘稳频参考光的双纵模激光器热稳频装置，包括碘稳频激光器电源(1)、碘稳频激光器(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(L₁，L₂，...，L_n)，其中每一个双纵模激光器(L₁，L₂，...，L_n)的装配结构是：激光管电源(5)与激光管(9)连接，主偏振分光器(13)放置在激光管(9)主输出端前，副偏振分光器(14)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)、功率放大器(11)、电热器(12)依次连接，电热器(12)粘附或缠绕在激光管(9)外壁上，激光管温度传感器(8)粘附在激光管(9)外壁上，其输出端接微处理器(6)，环境温度传感器(7)放置在空气中，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所述的基于碘稳频参考光的双纵模激光器热稳频装置，其特征在于高速光电探测器(17)的探测带宽大于500MHz。 

Images