CN101615758B - 基于腔长热调节的双纵模激光器复合稳频方法与装置 - Google Patents

Abstract

基于腔长热调节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；本发明提出了一种锁频/稳频一体化的方法，其双纵模激光器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，并以电热薄膜作为温度控制的执行器；当处于功率平衡型稳频模式时，控制系统以激光器的两个纵模光的功率差作为反馈信号，当处于频锁定型稳频模式时，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；两种稳频模式结合各自对应的反馈信号，根据控制算法来实现激光器的稳频。

Description

基于腔长热调节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，特别是一种基于腔长热调节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，其频率相对准确度仅为10^-5～10^-6。随着社会的不断发展，超精密测量与加工工业对激光器的频率相对准确度提出越来越高的要求。普通商业激光器受稳频方法的限制，频率相对准确度为10^-7～10^-8，能满足超精密工业生产一般要求，但无法应用在对频率相对准确度要求更高的，如航空航天装备、微电子制造等特殊加工场合；基于特殊稳频方法制造出的激光器，频率相对准确度可达到10^-9甚至更高，满足特殊加工场合的频率相对准确度要求，但因为对环境要求苛刻，无法应用于常规的加工和制造业。

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，因此总体上激光频率相对准确度为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，无法满足现代超精密测量和加工的要求。

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，其频率相对准确度达到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，因此不能应用在工业生产的现场测量中。

塞曼型稳频激光器的频率相对准确度达到10^-7～10^-8，具有较好的稳频特性和可靠性，但双频激光的获得需附加磁场，制造工艺复杂，成本较高，频率相对准确度难以达到10^-9，加之其频差小于3MHz，故塞曼型稳频激光器测量精度和测量速度都受到了限制，无法满足特殊场合超精密测量和加工的要求；

双纵模热稳频方法成本低，稳频装置简单，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，其频率相对准确度达到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，激光频率相对准确度难以超过10^-8，同样无法满足特殊场合中超精密测量和加工的要求。

综上所述，碘稳频激光器虽然其中心频率相对稳定度达到或优于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加工的现场测量中；塞曼型稳频激光器和双纵模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，只适合于普通场合的精密测量和加工场合，无法满足航空航天装备、微电子制造等特殊场合的频率准确度要求；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

针对现有激光器应用场合有限的不足，本发明提出了一种基于腔长热调节的双纵模激光器复合稳频方法，其目的是扩展激光器的应用范围，为超精密测量与加工提供一种可以广泛应用到各种场合的新型激光光源。本发明还提供了一种基于腔长热调节的双纵模激光器复合稳频装置

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设定最终预热控制温度T_set；

(2)开启双纵模激光器电源，激光器进入预热过程，缠绕在激光器内部激光管上的电热器件对激光管进行加热，使其温度趋近热控制温度T_set，此时激光管输出激光为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，激光器进入工作模式选择阶段；

(3)若选择功率平衡型稳频模式，测量激光器输出两个纵模光的光功率P₁和P₂，并求出两功率之差ΔP，取ΔP作为闭环反馈信号，结合稳频控制算法，调节电热器件中的电流，通过改变激光管的温度而改变谐振腔长度，进而调节激光纵模频率，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；

(4)当光功率差ΔP＝0时，则电热薄膜中的电流恒定，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；

(5)若选择偏频锁定型稳频模式，取激光管输出光束中的一个纵模光作为调节光束，其频率为v₁，取一个外来稳频光束作为参考光束，其中心频率为v_ro，测量两个光束的频率差值，记为Δv，其中Δv＝|v₁-v_ro|；

(6)将光频率差值Δv与预先设定的偏频参考值Δv_set求差，结合锁频控制算法，调节电热器件中的电流，通过改变激光管的温度而改变谐振腔长度，进而调节激光纵模频率，使双纵模激光器输出激光的频率差Δv趋于Δv_set；

(7)当Δv＝Δv_set时，则电热薄膜中电流恒定，双纵模激光器输出光的频率得到了稳定。

一种基于腔长热调节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、第一光电探测器、第二光电探测器、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、光纤合束器、检偏器、频率信号处理单元、鉴频器、电热薄膜；本装置还包括反射镜、高速光电探测器；反射镜放置在主偏振分光器与光纤合束器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，电热薄膜粘附或缠绕在双纵模激光器的激光管外壁上，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；状态指示灯与微处理器连接。

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一。

(2)本发明中双纵模激光器有稳频模式和偏频锁定模式两种工作模式，当工作在稳频模式时，其频率相对准确度达到10^-8，可应用到超精密加工和测量的一般场合；当工作在偏频锁定模式时，可以使双纵模激光器与外部参考光的频率准确度保持一致，克服了易受环境影响而发生漂移的不足，若采用频率相对准确度高的激光器输出激光的中心频率作为双纵模激光器锁频的频率基准，可将双纵模稳频激光器输出激光的频率相对准确度提高到10^-9，满足超精密测量和加工的特殊场合的要求；该激光器结构简单、抗振性能好、改善了现有激光器适用范围有限的缺点，使应用范围扩大，从而降低了成本，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为本发明装置结构示意图

图3为本发明装置预热过程的闭环控制系统示意图

图4为本发明装置功率平衡式稳频过程的控制系统示意图

图5为本发明装置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7为不同环境下恒值预热激光管温升曲线示意图

图8为功率差稳频模式和偏频锁定模式双纵模稳频激光器输出激光长期相对频率漂移仿真曲线示意图

图中，1双纵模激光器电源、2双纵模激光器、3a主偏振分光器、3b副偏振分光器、4反射镜、5a第一光电探测器、5b第二光电探测器、6光功率信号调理单元、7A/D转化器、8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鉴频器、13温度传感器、14微处理器、15环境温度传感器、16状态指示灯、17 D/A转换器、18功率放大单元、19电热薄膜。

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。

本发明基于腔长热调节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13、主偏振分光器3a、副偏振分光器3b、第一光电探测器5a、第二光电探测器5b、光功率信号调理单元6、A/D转化器7、微处理器14、D/A转换器17、功率放大单元18、光纤合束器8、检偏器9、频率信号处理单元11、鉴频器12、电热薄膜19；本装置还包括反射镜4、高速光电探测器10；反射镜4放置在主偏振分光器3a与光纤合束器8光路之内或光路之外，光纤合束器8、检偏器9、高速光电探测器10、频率信号处理单元1 1与鉴频器12依次连接，鉴频器12与微处理器14连接，电热薄膜19粘附或缠绕在双纵模激光器2的激光管外壁上，温度传感器13粘附在激光管外壁上，其输出端接微处理器14，环境温度传感器15放置在空气中，其输出端接微处理器14；状态指示灯16与微处理器14连接。

本发明的装置中使用的高速光电探测器10探测带宽大于500MHz。

在双纵模激光器2内部激光管达到热平衡温度T_set后，微处理器14切换双纵模稳频激光器进入稳频控制过程，同时根据工作需要选择工作模式，双纵模稳频激光器有稳频模式和偏频锁定模式两种工作模式；

当选择稳频模式时，反射镜4使激光器输出光束分别进入第一光电探测器5a和第二光电探测器5b，同时双纵模稳频激光器进入功率平衡式稳频过程，图4为本发明装置中双纵模稳频激光器功率平衡式稳频过程的控制系统示意图，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，利用主偏振分光器3a分离两个纵模光，并利用第一光电探测器5a和第二光电探测器5b将两个纵模光转换为两路电信号，经光功率信号调理单元6处理后，送入A/D转换器7转换为数字信号，微处理器14计算二者的差值，并根据稳频控制算法，输出数字控制信号，由D/A转换器17数模转换为模拟信号，此模拟信号经功率放大器18进行放大，用于控制电热薄膜19的工作电流，对双纵模激光器2内部激光管进行加热，控制谐振腔长度，最终实现双纵模激光器2的稳频。

当选择锁频模式时，光束转向器使激光器输出光束最终进入高速光电探测器10，同时双纵模稳频激光器进入频率锁定过程，图5为本发明装置中双纵模稳频激光器频率锁定过程的闭环控制系统示意图，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，利用主偏振分光器3a分离出其中一个纵模光作为双纵模激光器2的输出光，经反射镜4后，该输出光进入光纤合束器8并通过检偏器9与外部高频率准确度的参考激光束进行混频形成拍频信号，利用高速光电探测器10将拍频光信号转换为电信号，经频率信号处理单元11调理后，由鉴频器12得到频率值，微处理器14将该电信号频率值与设定频率值进行比较，并根据稳频控制算法输出数字控制信号，由D/A转换器17数模转换为模拟信号，此模拟信号经功率放大器18进行放大，用于控制电热薄膜19的工作电流，对双纵模器2内部激光管进行加热，控制谐振腔长度，最终实现双纵模激光器2的稳频。

鉴频器12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14控制电热薄膜19对双纵模激光器2内部激光管进行加热，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。

图7中五条曲线分别为不同环境温度下，预热激光管温升曲线，全部曲线呈先上升后趋于稳定趋势，稳定温度即为根据激光器所处的环境温度设置的预热控制温度，本装置要求预热控制温度高于所对应环境温度。

图8中曲线a和b分别为功率差稳频模式和偏频锁定模式双纵模稳频激光器输出激光长期相对频率漂移仿真曲线，其中以碘稳频激光器作为偏频锁定模式的外部参考光束；功率差稳频模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；偏频锁定模式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)

1.一种基于腔长热调节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设定最终预热控制温度T_set；

(2)开启双纵模激光器电源，激光器进入预热过程，缠绕在激光器内部激光管上的电热器件对激光管进行加热，使其温度趋近热控制温度T_set，此时激光管输出激光为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，激光器进入工作模式选择阶段；

(3)若选择功率平衡型稳频模式，测量激光器输出两个纵模光的光功率P₁和P₂，并求出两功率之差ΔP，取ΔP作为闭环反馈信号，结合稳频控制算法，调节电热器件中的电流，通过改变激光管的温度而改变谐振腔长度，进而调节激光纵模频率，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；

(4)当光功率差ΔP＝0时，则电热薄膜中的电流恒定，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；

(5)若选择偏频锁定型稳频模式，取激光管输出光束中的一个纵模光作为调节光束，其频率为v₁，取一个外来稳频光束作为参考光束，其中心频率为v_ro，测量两个光束的频率差值，记为Δv，其中Δv＝|v₁-v_ro|；

(6)将光频率差值Δv与预先设定的偏频参考值Δv_set求差，结合锁频控制算法，调节电热器件中的电流，通过改变激光管的温度而改变谐振腔长度，进而调节激光纵模频率，使双纵模激光器输出激光的频率差Δv趋于Δv_set；

(7)当Δv＝Δv_set时，则电热薄膜中电流恒定，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腔长热调节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(13)、主偏振分光器(3a)、副偏振分光器(3b)、第一光电探测器(5a)、第二光电探测器(5b)、光功率信号调理单元(6)、A/D转化器(7)、微处理器(14)、D/A转换器(17)、功率放大单元(18)、光纤合束器(8)、检偏器(9)、频率信号处理单元(11)、鉴频器(12)、电热薄膜(19)，其特征是：本装置还包括反射镜(4)、高速光电探测器(10)；反射镜(4)放置在主偏振分光器(3a)与光纤合束器(8)光路之内或光路之外，光纤合束器(8)、检偏器(9)、高速光电探测器(10)、频率信号处理单元(11)与鉴频器(12)依次连接，鉴频器(12)与微处理器(14)连接，电热薄膜(19)粘附或缠绕在双纵模激光器(2)的激光管外壁上，温度传感器(13)粘附在激光管外壁上，其输出端接微处理器(14)，环境温度传感器(15)放置在空气中，其输出端接微处理器(14)；状态指示灯(16)与微处理器(14)连接。

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复合稳频装置，其特征是：高速光电探测器(10)探测带宽大于500MHz。 

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