CN101615756B - 基于腔长热调节的双纵模激光器偏频锁定方法和装置 - Google Patents

Abstract

基于腔长热调节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，同时通过腔长热调节使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，其相对频率稳定度和频率一致性均达到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

基于腔长热调节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，特别是一种基于腔长热调节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微小的音频调制，调制深度约为10MHz，并且由于使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，其相应的腔长调节元件分别为电陶瓷调节和电热器件，前者相对频率稳定度达10^-9，但预热时间长，抗振性能差，后者相对频率稳定度一般为10^-8，但预热时间小于20分钟，且工作环境适应好，目前已经在商品化的激光干涉测量系统中得到了广泛的应用。然而，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，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，碘饱和吸收稳频激光器输出激光功率仅达到几十μW，且输出光为调频激光，调制深度为几MHz。此外，由于使用压电陶瓷调节元件，预热时间长、抗振性能差的缺点依然存在。

针对碘饱和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，国内外一些研究机构提出了偏频锁定的稳频激光器方案，其特点是将一台自由运转的激光器高精度跟踪另一台碘饱和吸收稳频激光器，并偏离碘稳频激光器一固定的频率值，从而既能保持碘稳频激光器中心频率稳定度高的优点，又可以输出频率无调制的大功率激光，此类激光器的相对频率稳定度达到或优于10^-9，输出功率达到mW量级，且由于此采用碘稳频激光中心频率作为稳频控制的外部参考频率，多台稳频激光器的频率一致性达到10^-9以上。然而，此类激光器采用外腔式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；双纵模稳频激光器与塞曼稳频激光器的频率稳定度达到10^-8～10^-9，特别是采用内腔结构的热稳频双纵模激光器与塞曼激光器工作环境适应能力强、可携带性好，已经得到了广泛的实际应用，但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腔长热调节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、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腔长热调节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：

一种基于腔长热调节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偏频锁定的参考频率；

(2)同时开启双纵模激光器B₁，B₂，...，B_n电源，其内部激光管外壁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)将测量得到的频率值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B₁，B₂，...，B_n输出激光的频率，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，其输出激光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。

一种基于腔长热调节的双纵模激光器偏频锁定装置，包括稳频激光器电源、双纵模稳频激光器、稳频状态指示灯和光纤分束器，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。

本发明中基于腔长热调节的双纵模激光器偏频锁定装置，其中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)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)本发明中所有双纵模稳频激光器均采用内腔式结构，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)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(波长)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5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6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7为本发明中双纵模激光器输出激光频率漂移图

图中，A双纵模稳频激光器、B₁，B₂，...，B_n双纵模激光器、1稳频激光器电源、2稳频状态指示灯、3光纤分束器、4激光管电源、5微处理器、6环境温度传感器、7激光管温度传感器、8激光管、9D/A转换器、10功率放大器、11电热器、12主偏振分光器，13副偏振分光器、14光纤合束器、15检偏器、16高速光电探测器、17高速分频器、18前置放大器、19信号放大器、20高速比较器、21频率测量模块，22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描述。

如图1与图2，本发明中基于腔长热调节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A、稳频状态指示灯2和光纤分束器3，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：激光管电源4与激光管8连接，主偏振分光器12放置在激光管8主输出端前，副偏振分光器13放置在激光管8副输出端与光纤合束器14的一个输入端之间，光纤合束器14的另一个输入端与光纤分束器3的输出端之一连接，检偏器15放置在光纤合束器14的输出端与高速光电探测器16之间，高速光电探测器16、高速分频器17、前置放大器18、后置放大器19、高速比较器20、频率测量模块21、微处理器5、D/A转换器9、功率放大器10、电热器11依次连接，电热器11粘附或缠绕在激光管8外壁上，激光管温度传感器7粘附在激光管8外壁上，其输出端接微处理器5，环境温度传感器6放置在空气中，其输出端接微处理器5，锁频状态指示灯22接微处理器5。

本发明中基于腔长热调节的双纵模激光器偏频锁定装置，其中的高速光电探测器16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，开启稳频激光器电源1，双纵模稳频激光器A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2，表示双纵模稳频激光器A稳定工作状态，其输出激光耦合进入光纤分束器3，被分离成n路频率基准光束，记为光束X₁，X₂，...，X_n，频率记为v_r。

稳频状态指示灯2使能的时刻，开启激光管电源4，双纵模稳频激光器B₁进入预热过程。微处理器5根据环境温度传感器6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7测量得到激光管8的温度T_real作为反馈信号，微处理器5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9数模转换为模拟电压，此模拟电压经功率放大器10进行放大，用于控制电热器11的工作电流，对激光管8进行加热。

在激光管8达到热平衡温度T_set后，微处理器5切换双纵模稳频激光器B₁进入频率锁定控制过程。激光管8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12和13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14，与参考光束X₁合为一束，通过检偏器15形成拍频光信号，并由高速光电探测器16转换为电压信号，该电压信号依次通过高速分频器17、前置放大器18、后置放大器19、高速比较器20，成为方波信号，送入频率测量模块21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21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v_r＝v_r+Δv₁，即v₁可能位于v_r的左侧或右侧，如图5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。微处理器5控制电热器11对激光管8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_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L₁，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21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，微处理器5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9数模转换为模拟电压，此模拟电压经功率放大器10进行放大，用于调节电热器11的工作电流，改变激光管8的温度和腔长，进而调整激光管8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22，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6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，激光器1与激光器2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，激光器1与激光器2输出激光的频率差值约为90MHz，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7是本发明中双纵模激光器输出激光频率长期漂移图。图中，激光器1和激光器2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，激光器1与激光器2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L₁与激光器L₂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)

1.一种基于腔长热调节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偏频锁定的参考频率；

(2)同时开启双纵模激光器B₁，B₂，...，B_n电源，其内部激光管外壁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)将测量得到的频率值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B₁，B₂，...，B_n输出激光的频率，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，其输出激光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。

2.一种基于腔长热调节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(A)、稳频状态指示灯(2)和光纤分束器(3)，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：激光管电源(4)与激光管(8)连接，主偏振分光器(12)放置在激光管(8)主输出端前，副偏振分光器(13)放置在激光管(8)副输出端与光纤合束器(14)的一个输入端之间，光纤合束器(14)的另一个输入端与光纤分束器(3)的输 出端之一连接，检偏器(15)放置在光纤合束器(14)的输出端与高速光电探测器(16)之间，高速光电探测器(16)、高速分频器(17)、前置放大器(18)、后置放大器(19)、高速比较器(20)、频率测量模块(21)、微处理器(5)、D/A转换器(9)、功率放大器(10)、电热器(11)依次连接，电热器(11)粘附或缠绕在激光管(8)外壁上，激光管温度传感器(7)粘附在激光管(8)外壁上，其输出端接微处理器(5)，环境温度传感器(6)放置在空气中，其输出端接微处理器(5)，锁频状态指示灯(22)接微处理器(5)。

3.根据权利要求2所述的基于腔长热调节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(16)的探测带宽大于500MHz。 

Images