CN102545024B - 基于圆偏振光干涉的双纵模偏频锁定方法与装置 - Google Patents
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Abstract
基于圆偏振光干涉的双纵模偏频锁定方法与装置属于激光应用技术领域，本发明分别在待稳频的双纵模激光器与参考激光器输出端加入λ/4波片，利用圆偏振光干涉代替传统的线偏振光干涉来获取待稳频的双纵模激光器与参考激光器输出光的频差；再经过稳频控制系统调节双纵模激光器腔长，使其输出的激光频率与基准光频率保持固定差值，从而实现稳频；该方法采用圆偏振光干涉，干涉均匀衬比度比线偏振光干涉衬比度好，同时，λ/4波片的透光率比偏振片高，能够减少混频前光能的损失，有利于提高光电探测器探测的光信号信噪比，提高稳频的精度。
Description
技术领域
本发明属于激光应用技术领域，主要涉及一种基于圆偏振光干涉的双纵模偏频锁定方法与装置。
背景技术
由于精密加工技术的发展，对测量系统提出了更高的要求，要求测量系统不仅要有很高测量精度，而且要满足测量高速运动机械的要求。
激光干涉技术以其高灵敏度，高精度及非接触等特点在精密和超精密加工、微电子装备、纳米技术等尖端工业装备和国防装备领域占据着越来越重要的应用地位，并得到广泛应用。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。
偏频锁定技术是实现两支以上的激光器输出频率相对稳定的最简单和最经济的方法。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 ofa 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。
双纵模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。将偏频锁定方法应用于双纵模激光器稳频技术中，能够很好地提高双纵模激光器稳频精。哈尔滨工业大学提出了基于碘稳频的参考光的双纵模热电制冷偏频锁定方法(专利200910072523.6：基于碘稳频的参考光的双纵模热电制冷偏频锁定方法和装置)。该发明缩短了预热时间，提高了激光管的寿命，可将激光器的频率一致性从10-8提高到10-9。但是由于该系统使用线偏振光干涉，偏振片透光率会影响光信号信噪比，影响激光器的稳频效果；并且在保偏光纤合束器耦合过程中，需要附加调节装置和设备且调节过程复杂。
综上所述，在传统的双纵模偏频锁定方法中，双纵模激光器输出端利用偏振片与参考激光束进行混频。虽然频率一致性能够提高到10-9，但是，系统受线偏振光的干涉衬比度和偏振片的透光率的限制，光电探测器接收的光混频信号的强度很难提高，导致光拍频信号信噪比的提高较困难，限制了偏频锁定的频率精度的提高，并且保偏光纤耦合过程非常复杂，不利于超精密测量和加工的现场应用。
发明内容
针对上述现有激光器的基于线偏振光干涉进行偏频锁定方法的缺陷，本发明提出了一种基于圆偏振光干涉的双纵模激光器偏频锁定方法与装置，利用圆偏振光干涉的特性，提高干涉衬比度，达到提高稳频装置中光电探测器接收到的拍频光信号信噪比的目的。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于圆偏振光干涉的双纵模偏频锁定方法，该方法步骤如下：
(1)参考激光器输出光的中心频率为vro，并将频率vro作为双纵模激光器偏频锁定的频率基准；
(2)双纵模激光器输出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)参考激光器输出作为频率基准的线偏振光vro，经过λ/4波片后，线偏振光变为圆偏振光；
(4)双纵模激光器输出两个偏振方向相互正交的线偏振光，经过λ/4波片后，转变成两个旋向相反的圆偏振光；
(5)参考激光器和双纵模激光器输出光中旋向相同的两圆偏振光发生干涉，产生拍频光信号，该拍频光信号经处理得到频差Δv，Δv＝|vi-vro|(i＝1或2)，vro为参考光束频率；
(6)将测量得到的光频率差值Δv与预先设定的偏频参考值Δvset比较，所得结果经过稳频控制系统后产生控制信号，调整双纵模激光器输出激光的频率，使Δv趋于Δvset，从而实现双纵模激光器的稳频控制。
一种基于圆偏振光干涉的双纵模偏频锁定装置，该装置包括双纵模激光器、参考激光器、光纤耦合器a、光纤耦合器b、光纤合束器、光电探测器、拍频信号处理模块、频率测量模块、稳频控制系统，其中，双纵模激光器输出端接光纤耦合器a，参考激光器输出端接光纤耦合器b；光纤耦合器a的输出端接光纤合束器的一个输入端，光纤耦合器b的输出端接光纤合束器的另一个输入端；光纤合束器的输出端与光电探测器相连；光电探测器之后依次配置拍频信号处理模块、频率测量模块、稳频控制系统；稳频控制系统的输出与双纵模激光器相接；该装置还包括λ/4波片a和λ/4波片b，其中，λ/4波片a配置在双纵模激光器和光纤耦合器a之间光路上，λ/4波片b配置在参考激光器和光纤耦合器b之间光路上。
所述的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，参考激光器和双纵模激光器的输出光经过λ/4波片后线偏振光变成圆偏振光后，两同旋向的圆偏振光发生干涉；相较于传统的线偏振光干涉，圆偏振光干涉均匀衬比度效果更好，有利于后续拍频信号处理。
(2)用λ/4波片代替了传统的偏振片；相对于偏振片，λ/4波片具有透光率高的特点，所以本发明方法中，光电探测器处的混频光信号强度比使用偏振片时有很大提高，有利于提高光电探测器接收混频光强信号信噪比。
(3)传统的线偏振光干涉方法中，保偏光纤合束器的耦合过程需要将保偏光纤的快轴方向与线偏振光的偏振方向重合，因此耦合过程中需要较多的辅助设备，且调节过程复杂；本发明中改用圆偏振光进行干涉，只需普通的单模光纤合束器，耦合过程中不需辅助设备，大大简化了调节过程。
附图说明
附图为本发明装置结构示意图
图中，1双纵模激光器、2参考激光器、3λ/4波片a、4λ/4波片b、5光纤耦合器a、6光纤耦合器b、7光纤合束器、8光电探测器、9拍频信号处理模块、10频率测量模块、11稳频控制系统。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实例进行详细的描述。
一种基于圆偏振光干涉的双纵模偏频锁定装置，该装置包括双纵模激光器1、参考激光器2、光纤耦合器a5、光纤耦合器b 6、光纤合束器7、光电探测器8、拍频信号处理模块9、频率测量模块10、稳频控制系统11，其中，双纵模激光器1输出端接光纤耦合器a 5，参考激光器2输出端接光纤耦合器b 6；光纤耦合器a 5的输出端接光纤合束器7的一个输入端，光纤耦合器b 6的输出端接光纤合束器7的另一个输入端；光纤合束器7的输出端与光电探测器8相连；光电探测器8之后依次配置拍频信号处理模块9、频率测量模块10、稳频控制系统11；稳频控制系统11的输出与双纵模激光器1相接；该装置还包括λ/4波片a 3和λ/4波片b 4，其中，λ/4波片a 3配置在双纵模激光器2和光纤耦合器a 5之间光路上，λ/4波片b 4配置在参考激光器2和光纤耦合器b 6之间光路上。
所述的光电探测器探测带宽大于500MHz。
一种基于圆偏振光干涉的双纵模激光器偏频锁定方法，该方法步骤如下：
(1)频率稳定的参考激光器2输出激光为调频线偏振光，光波中心频率为vro，该频率作为双纵模激光器1偏频锁定的频率基准。
(2)双纵模激光器1输出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)在双纵模激光器1输出端加入λ/4波片a 3，在参考激光器2输出端加入λ/4波片b 4。
(4)参考激光器2输出一作为频率基准的线偏振光vro，经过λ/4波片b 4后，线偏振光变为圆偏振光，旋向与线偏振光振动方向有关。
(5)待稳频的双纵模激光器1输出两个偏振方向相互正交的线偏振光，经过λ/4波片a 3后，转变成两个旋向相反的圆偏振光。
(6)经过λ/4波片a 3和λ/4波片b 4后的两光束分别被光纤耦合器a 5和光纤耦合器b 6接收并耦合进光纤合束器7。
(7)光纤合束器7输出光被光电探测器8接收。根据圆偏振光的干涉理论，当传播方向相同时，只有旋向相同的两束圆偏振光可以发生干涉，产生拍频光信号。拍频光信号经过光电探测器8后转变为电信号；该电信号经频率信号处理模块9处理后，其频率值由频率测量模块10测得，从而得到待稳频激光器输出光频率与参考激光器输出光频率的频差，记为Δv，其中Δv＝|vi-vro|(i＝1或2)，vro为参考光束频率；
(8)将测量得到的光频率差值Δv与预先设定的偏频参考值Δvset比较，所得结果经过稳频控制系统11后产生控制信号，调整待稳频激光器输出激光的频率，使Δv趋于Δvset；双纵模激光器1输出光的频率得到了稳定。
Claims (3)
1.一种基于圆偏振光干涉的双纵模偏频锁定方法，其特征在于该方法步骤如下：
(1)参考激光器输出光的中心频率为vro，并将频率vro作为双纵模激光器偏频锁定的频率基准；
(2)双纵模激光器输出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)参考激光器输出作为频率基准的线偏振光vro，经过λ/4波片后，线偏振光变为圆偏振光；
(4)双纵模激光器输出两个偏振方向相互正交的线偏振光，经过λ/4波片后，转变成两个旋向相反的圆偏振光；
(5)参考激光器和双纵模激光器输出光中旋向相同的两圆偏振光发生干涉，产生拍频光信号，该拍频光信号经处理得到频差Δν，Δν＝|νi-νro|, i＝1或2，νro为参考光束频率；
(6)将测量得到的光频率差值Δν与预先设定的偏频参考值Δνset比较，所得结果经过稳频控制系统后产生控制信号，调整双纵模激光器输出激光的频率，使Δν趋于Δνset，从而实现双纵模激光器的稳频控制。
2.一种基于圆偏振光干涉的双纵模偏频锁定装置，该装置包括双纵模激光器(1)、参考激光器(2)、光纤耦合器a(5)、光纤耦合器b(6)、光纤合束器(7)、光电探测器(8)、拍频信号处理模块(9)、频率测量模块(10)、稳频控制系统(11)，其中，双纵模激光器(1)输出端接光纤耦合器a(5)，参考激光器(2)输出端接光纤耦合器b(6)；光纤耦合器a(5)的输出端接光纤合束器(7)的一个输入端，光纤耦合器b(6)的输出端接光纤合束器(7)的另一个输入端；光纤合束器(7)的输出端与光电探测器(8)相连；光电探测器(8)之后依次配置拍频信号处理模块(9)、频率测量模块(10)、稳频控制系统(11)；稳频控制系统 (11)的输出与双纵模激光器(1)相接；其特征是该装置还包括λ/4波片a(3)和λ/4波片b(4)，其中，λ/4波片a(3)配置在双纵模激光器(1)和光纤耦合器a(5)之间光路上，λ/4波片b(4)配置在参考激光器(2)和光纤耦合器b(6)之间光路上。
3.根据权利要求2所述的基于圆偏振光干涉的双纵模偏频锁定装置，其特征为光电探测器(8)探测带宽大于500MHz。
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