CN101615757B - 基于热电致冷器的双纵模激光器复合稳频方法与装置 - Google Patents

Abstract

基于热电致冷器的双纵模激光器复合稳频方法与装置属于激光应用技术领域；本发明提出了一种基于热电致冷的双纵模激光器复合稳频方法，其激光器有稳频模式和锁频模式两种工作模式并以热电致冷器作为温度控制的执行器；当处于稳频模式时，控制系统以激光器的两个纵模光的功率差作为反馈信号，当处于锁频模式时，控制系统以激光器输出光束与外部高稳定度参考光束的频差作为反馈信号，然后根据控制算法来实现激光器的稳频；将双纵模激光器的相对频率稳定度从10^-7～10^-8提高到10^-9，增强了环境适应能力，大大扩展了激光器的应用范围。

Description

基于热电致冷器的双纵模激光器复合稳频方法与装置

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复合稳频方法与装置

背景技术

激光的特点之一是单色性好，其自发辐射噪声引起的激光线宽极限很小，但由于各种不稳定因素的影响，自由运转的激光器光频率漂移远远大于线宽极限，其相对频率准确度仅为10^-5～10^-6。随着科学技术的不断发展，超精密测量与加工工业对激光器的频率精度提出越来越高的要求，当前超精密加工一般要求激光的频率相对准确度达到10^-7～10^-8，有的特殊场合，如光刻机和大型天文望远镜加工等，甚至要求激光的频率相对准确度达到10^-9，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。

按照稳频基准频率不同，稳频激光器可分为两大类：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；另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。

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，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，采用压电陶瓷作为腔长调节器件，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、抗振性能较差，对环境要求苛刻，无法应用到普通的超精密测量和加工场合。

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，因此不能应用在超精密测量和加工的现场应用中。

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，激光中心频率相对准确度可达10^-9，但同时也会大幅度降低激光器的输出光功率。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低频调制，调制深度约为10MHz，并且由于使用压电晶体和外腔式结构，预热时间长达2～3小时，造价昂贵，抗振性能较差，因此不能应用在超精密测量和加工的现场应用中。

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。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。但是，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，其相对频率准确度一般为只能达到10^-8，难以达到10^-9，无法满足超精密测量和加工特殊场合的要求。

传统的双纵模稳频激光器和塞曼型稳频激光器采用电热器件调节腔长，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和激光管寿命的降低。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基于热电致冷器的双纵模激光器稳频方法(专利200610010146：基于热电致冷器的双纵模激光器稳频方法与装置)。该方法采用热电致冷器作为执行元件，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，预热目标温度比较低，避免了传统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，提高了光电转换器件及其他器件的性能的稳定性和激光管的寿命。但是该方法只在激光管的一侧进行加热或致冷，使激光管受热不均匀，从而导致激光管谐振腔镜倾斜，影响激光器的稳频效果。

综上所述，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，但由于抗振性能差、价格昂贵、工作环境要求较高等缺点，无法直接应用于超精密测量和加工的现场测量中；兰姆凹陷稳频激光器频率相对准确度可达10^-9，但其抗振性能也较差，因此不能应用在超精密测量和加工的现场应用中。双纵模稳频激光器和塞曼稳频激光器的频率相对准确度可达到10^-7□10^-8，但难以超过10^-8，无法满足超精密加工与测量特殊场合的要求；可见，现有稳频激光器都难以广泛应用到超精密加工与测量的各种工业生产场合中。

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复合稳频方法及装置，其目的为扩展稳频激光器光源的应用范围，为超精密测量与加工提供一种可以广泛应用到超精密加工与测量的各种场合中的新型激光光源。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种基于热电致冷的双纵模激光器复合稳频方法，该方法有功率平衡型稳频模式和偏频锁定型稳频模式两种工作模式，包括以下步骤：

(1)测量双纵模激光器所处的环境温度T₀，根据环境温度T₀与热平衡温度T_set关系曲线确定双纵模激光器的热平衡温度T_set；

(2)开启双纵模激光器电源，双纵模激光器进入预热过程，并实时测量双纵模激光器的当前温度T_real，对热电致冷器加反向电流I并根据当前温度T_real和热平衡温度T_set之差不断调整反向电流I值大小，加热双纵模激光器，使其温度趋近热平衡温度T_set，达到热平衡状态；此时双纵模激光器输出激光包括偏振方向相互正交的两个纵模光，两纵模光的频率分别为v₁和v₂；

(3)双纵模激光器在其预热过程结束后进入稳频控制过程，同时选择工作模式，若双纵模激光器的两纵模光都被光电探测器接收，则双纵模激光器选择功率平衡型稳频模式，若双纵模激光器的某一纵模光被高速光电探测器接收，则双纵模激光器选择偏频锁定型稳频模式；

(4)当双纵模激光器处于功率平衡型稳频模式时，双纵模激光器输出光经偏振分光镜后皆被光电探测器接收，测得双纵模激光器偏振方向相互垂直的两个纵模光的光功率P₁和P₂，并求出两功率之差ΔP，根据两功率之差ΔP的正、负对热电致冷器施加正、反向电流，控制其对双纵模激光器制冷、加热，改变双纵模激光器的温度、谐振腔长度和激光纵模频率，使得两纵模激光频率关于增益曲线中心频率对称，光功率差ΔP趋近于零；

(5)光功率差ΔP＝0时，则热电致冷器电流恒定，两纵模光频率稳定的对称分布于增益曲线中心频率两侧，两纵模光频率都得到稳定；

(6)当双纵模激光器处于偏频锁定型稳频模式时，利用偏振分光器件分离出双纵模激光器输出光中某一个纵模光，其频率记为v₁；将该纵模光与外部高稳定度参考光束进行混频并形成拍频光信号，利用高频光电探测器将拍频光信号转换为电信号；该电信号经信号调理后，其频率值由频率测量模块测量，得到双纵模激光器输出光束的光波频率与外部参考光束的频率差值，记为□v，其中Δv＝|v₁-v_r|，v_r为外部参考光束频率；

(7)将测量得到的光频率差值□v与预先设定的偏频参考值Δv_set求差，并根据锁频控制算法，对热电致冷器施加正向或反向电流，控制其对双纵模激光器制冷、加热，改变双纵模激光器的温度、谐振腔长度和激光纵模频率，进而调整双纵模激光器输出激光的频率，使Δv趋于Δv_set；

(8)光频率差Δv＝Δv_set时，则热电致冷器电流恒定，双纵模激光器输出光的频率得到了稳定。

一种基于热电致冷器的双纵模激光器复合稳频装置，其组成包括：双纵模激光器电源、双纵模激光器、温度传感器、主偏振分光器、副偏振分光器、光电探测器、光功率信号调理单元、A/D转化器、微处理器、D/A转换器、功率放大单元；本装置还包括锁频装置、传热装置和热电致冷器驱动器，其中锁频装置的结构是：反射镜放置在主偏振分光器与光纤合束器之间光路之内或光路之外，光纤合束器、检偏器、高速光电探测器、频率信号处理单元与鉴频器依次连接，鉴频器与微处理器连接；传热装置的结构是：从双纵模激光器的激光管开始由里到外依次是导热胶a、铜管导热层、导热胶层b、热电致冷器、导热胶层c、散热器和隔热层，且各有两个热电致冷器与散热器对称放置于双纵模激光器的激光管两侧，热电致冷器驱动器放置在功率放大单元与热电致冷器之间；环境温度传感器和状态指示灯均与微处理器连接且环境温度传感器放置在双纵模激光器外部。

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)本发明中双纵模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的执行元件，与以电热器件作为谐振腔长度调整的执行元件相比，增强了环境适应能力，缩短了预热时间，提高了光电转换器件及其他器件的性能的稳定性和激光管的寿命，这是区别于现有技术的创新点之一。

(2)本发明中双纵模激光器有功率平衡型和偏频锁定型两种稳频模式，其相对频率准确度可以达到10^-9，并且结构简单、成本低、抗振性能好，解决了传统稳频激光器频率准确度与抗振性能相矛盾的缺点，本双纵模激光器既能达到很高的频率稳定度又能直接用于工业现场测量，大大扩展了激光器的应用范围，这是区别于现有技术的创新点之二。

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稳频激光器的结构示意图

图3为本发明装置中传热装置的结构示意图

图4为本发明装置中双纵模稳频激光器预热过程的闭环控制系统示意图

图5为本发明装置中双纵模稳频激光器功率平衡型稳频过程的控制系统示意图

图6为本发明装置中双纵模稳频激光器偏频锁定型稳频过程的闭环控制系统示意图

图7为本发明中双纵模稳频激光器频率锁定位置与基准频率的相对位置示意图

图8为环境温度与热平衡温度的关系曲线图

图9为本发明中双纵模稳频激光器功率平衡型和偏频锁定型稳频模式输出激光的频率曲线

图中，1双纵模激光器电源、2双纵模激光器、3副偏振分光器、4主偏振分光器、5反射镜、6a光电探测器a、6b光电探测器b、7光功率信号调理单元、8A/D转化器、9光纤合束器、10检偏器、11高速光电探测器、12频率信号处理单元、13鉴频器、14温度传感器、15微处理器、16环境温度传感器、17状态指示灯、18D/A转换器、19功率放大单元、20热电致冷器驱动器、21热电致冷器、22传热装置、23导热胶层a、24铜管导热层、25导热胶层b、26导热胶层c、27散热器、28隔热层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细的描述。

一种基于热电致冷的双纵模激光器复合稳频方法，该方法有功率平衡型稳频模式和偏频锁定型稳频模式两种工作模式，包括以下步骤：

(1)测量双纵模激光器2所处的环境温度T₀，根据环境温度T₀与热平衡温度T_set关系曲线确定双纵模激光器2的热平衡温度T_set；

(2)开启双纵模激光器电源1，双纵模激光器2进入预热过程，并实时测量双纵模激光器2的当前温度T_real，对热电致冷器21加反向电流I并根据当前温度T_real和热平衡温度T_set之差不断调整反向电流I值大小，加热双纵模激光器2，使其温度趋近热平衡温度T_set，达到热平衡状态；此时双纵模激光器2输出激光包括偏振方向相互正交的两个纵模光，两纵模光的频率分别为v₁和v₂；

(3)双纵模激光器2在其预热过程结束后进入稳频控制过程，同时选择工作模式，若双纵模激光器2的两纵模光都被光电探测器6接收，则双纵模激光器2选择功率平衡型稳频模式，若双纵模激光器2的某一纵模光被高速光电探测器11接收，则双纵模激光器2选择偏频锁定型稳频模式；

(4)当双纵模激光器2处于功率平衡型稳频模式时，双纵模激光器2输出光经主偏振分光器4后皆被光电探测器a6a接收，测得双纵模激光器2偏振方向相互垂直的两个纵模光的光功率P₁和P₂，并求出两功率之差ΔP，根据两功率之差ΔP的正、负对热电致冷器21施加正、反向电流，控制其对双纵模激光器2制冷、加热，改变双纵模激光器2的温度、谐振腔长度和激光纵模频率，使得两纵模激光频率关于增益曲线中心频率对称，光功率差ΔP趋近于零；

(5)光功率差ΔP＝0时，则热电致冷器21电流恒定，两纵模光频率稳定的对称分布于增益曲线中心频率两侧，两纵模光频率都得到稳定；

(6)当双纵模激光器2处于偏频锁定型稳频模式时，利用主偏振分光器4分离出双纵模激光器2输出光中某一个纵模光，其频率记为v₁；将该纵模光与外部高稳定度参考光束进行混频并形成拍频光信号，利用高速光电探测器11将拍频光信号转换为电信号；该电信号经信号调理后，其频率值由频率测量模块测量，得到双纵模激光器2输出光束的光波频率与外部参考光束的频率差值，记为□v，其中Δv＝|v₁-v_r|，v_r为外部参考光束频率；

(7)将测量得到的光频率差值□v与预先设定的偏频参考值Δv_set求差，并根据锁频控制算法，对热电致冷器21施加正向或反向电流，控制其对双纵模激光器2制冷、加热，改变双纵模激光器2的温度、谐振腔长度和激光纵模频率，进而调整双纵模激光器2输出激光的频率，使Δv趋于Δv_set；

(8)光频率差Δv＝Δv_set时，则热电致冷器21电流恒定，双纵模激光器2输出光的频率得到了稳定。

基于热电致冷器的双纵模激光器复合稳频装置包括：双纵模激光器电源1、双纵模激光器2、温度传感器14、主偏振分光器4、副偏振分光器3、光电探测器6、光功率信号调理单元7、A/D转化器8、微处理器15、D/A转换器18、功率放大单元19；本装置还包括锁频装置、传热装置和热电致冷器驱动器，其中锁频装置的结构是：反射镜5放置在主偏振分光器4与光纤合束器9之间光路之内或光路之外，光纤合束器9、检偏器10、高速光电探测器11、频率信号处理单元12与鉴频器13依次连接，鉴频器13与微处理器15连接；传热装置22的结构是从双纵模激光器2的激光管开始由里到外依次是导热胶a23、铜管导热层24、导热胶层b25、热电致冷器21、导热胶层c26、散热器27和隔热层28，且各有两个热电致冷器21与散热器27对称放置于双纵模激光器2的激光管两侧，热电致冷器驱动器20放置在功率放大单元19与热电致冷器21之间；环境温度传感器16和状态指示灯17均与微处理器15连接且环境温度传感器16放置在双纵模激光器外部。所述的高速光电探测器11探测带宽大于500MHz。

鉴频器13测量得到的频率Δv₁为外部参考激光束中心频率v_ro与双纵模激光器输出光频率v₁之差的绝对值，则双纵模激光器输出光的频率值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输出激光具有固定的频率值，需要将双纵模稳频激光器锁定到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15控制热电致冷器21对激光管2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。

激光器开启后，需要首先确定激光管的热平衡温度T_set，在预热过程中根据当前温度T_real和热平衡温度T_set之差，通过控制算法不断调整反向电流I值大小，加热激光管，使其温度快速稳定趋近热平衡温度T_set，达到热平衡状态；当环境温度T₀不同时，热平衡温度T_set也会发生变化，因此需要根据环境温度与热平衡温度的关系曲线来确定当前环境温度下的热平衡温度T_set。

图9中曲线a和b分别为功率平衡型稳频模式和偏频锁定型稳频模式双纵模稳频激光器输出激光频率曲线，其中以碘稳频激光器作为偏频锁定型稳频模式的外部参考光束，图中v＝4.74×10¹⁴MHz；功率平衡型稳频模式双纵模稳频激光器输出激光的频率存在较大的变化，频率变化值Δv约为5MHz，其相对频率准确度达到10^-8；偏频锁定型稳频模式双纵模稳频激光器输出激光的频率变化较小约为几百KHz，其相对频率准确度为10^-9。

Claims (3)

1.一种基于热电致冷器的双纵模激光器复合稳频方法，其特征是该方法有功率平衡型稳频模式和偏频锁定型稳频模式两种工作模式，该方法的实现包括以下步骤：

(1)测量双纵模激光器所处的环境温度T₀，根据环境温度T₀与热平衡温度T_set关系曲线确定双纵模激光器的热平衡温度T_set；

(2)开启双纵模激光器电源，双纵模激光器进入预热过程，并实时测量双纵模激光器的当前温度T_real，对热电致冷器加反向电流I并根据当前温度T_real和热平衡温度T_set之差不断调整反向电流I值大小，加热双纵模激光器，使其温度趋近热平衡温度T_set，达到热平衡状态；此时双纵模激光器输出激光包括偏振方向相互正交的两个纵模光，两纵模光的频率分别为v₁和v₂；

(3)双纵模激光器在其预热过程结束后进入稳频控制过程，同时选择工作模式，若双纵模激光器的两纵模光都被光电探测器接收，则双纵模激光器选择功率平衡型稳频模式，若双纵模激光器的某一纵模光被高速光电探测器接收，则双纵模激光器选择偏频锁定型稳频模式；

(4)当双纵模激光器处于功率平衡型稳频模式时，双纵模激光器输出光经偏振分光镜后皆被光电探测器接收，测得双纵模激光器偏振方向相互垂直的两个纵模光的光功率P₁和P₂，并求出两功率之差ΔP，根据两功率之差ΔP的正、负对热电致冷器施加正、反向电流，控制其对双纵模激光器制冷、加热，改变双纵模激光器的温度、谐振腔长度和激光纵模频率，使得两纵模激光频率关于增益曲线中心频率对称，光功率差ΔP趋近于零；

(5)光功率差ΔP＝0时，则热电致冷器电流恒定，两纵模光频率稳定的对称分布于增益曲线中心频率两侧，两纵模光频率都得到稳定；

(6)当双纵模激光器处于偏频锁定型稳频模式时，利用偏振分光器件分离出双纵模激光器输出光中某一个纵模光，其频率记为v₁；将该纵模光与外部高稳定度参考光束进行混频并形成拍频光信号，利用高频光电探测器将拍频光信号转 换为电信号；该电信号经信号调理后，其频率值由频率测量模块测量，得到双纵模激光器输出光束的光波频率与外部参考光束的频率差值，记为 

v，其中Δv＝|v₁-v_r|，v_r为外部参考光束频率；

(7)将测量得到的光频率差值 v与预先设定的偏频参考值Δv_set求差，并根据锁频控制算法，对热电致冷器施加正向或反向电流，控制其对双纵模激光器制冷、加热，改变双纵模激光器的温度、谐振腔长度和激光纵模频率，进而调整双纵模激光器输出激光的频率，使Δv趋于Δv_set；

(8)光频率差Δv＝Δv_set时，则热电致冷器电流恒定，双纵模激光器输出光的频率得到了稳定。

2.一种根据权利要求1所述方法工作的基于热电致冷器的双纵模激光器复合稳频装置，其组成包括：双纵模激光器电源(1)、双纵模激光器(2)、温度传感器(14)、主偏振分光器(4)、副偏振分光器(3)、第一光电探测器(6a)、第二光电探测器(6b)、光功率信号调理单元(7)、A/D转化器(8)、微处理器(15)、D/A转换器(18)、功率放大单元(19)，其特征是：本装置还包括锁频装置、传热装置(22)和热电致冷器驱动器(20)，其中锁频装置的结构是：反射镜(5)放置在主偏振分光器(4)与光纤合束器(9)之间光路之内或光路之外，光纤合束器(9)、检偏器(10)、高速光电探测器(11)、频率信号处理单元(12)与鉴频器(13)依次连接，鉴频器(13)与微处理器(15)连接；传热装置(22)的结构是：从双纵模激光器(2)的激光管开始由里到外依次是导热胶a(23)、铜管导热层(24)、导热胶层b(25)、热电致冷器(21)、导热胶层c(26)、散热器(27)和隔热层(28)，且各有两个热电致冷器(21)与散热器(27)对称放置于双纵模激光器(2)的激光管两侧，热电致冷器驱动器(20)放置在功率放大单元(19)与热电致冷器(21)之间；环境温度传感器(16)和状态指示灯(17)均与微处理器(15)连接且环境温度传感器(16)放置在双纵模激光器外部。

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复合稳频装置，其特征是：高速光电探测器(11)探测带宽大于500MHz。 

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