CN102589856A - 一种双频He-Ne激光器频率测量装置及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双频He-Ne激光器频率测量装置及其测量方法，其包括相连接的稳频激光系统和双频激光频率测量系统；稳频激光系统将可调谐激光器的输出激光频率锁定至光频梳的任意梳齿，使得可调谐激光器的输出激光频率可溯源至铷钟频率基准；双频激光频率测量系统将已锁定的可调谐激光器的输出激光与待测双频He-Ne激光器的输出激光拍频，同时测量两个正交偏振激光频率；本发明可同时测双频He-Ne激光两个正交偏振激光的绝对频率，测量结果可溯源至铷钟频率基准，系统抗干扰能力强适用于工业环境中的双频He-Ne激光器频率测量和标定。

Description

一种双频He-Ne激光器频率测量装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及双频He-Ne激光器技术领域，特别涉及一种双频He-Ne激光器频率测量装置及其测量方法。
背景技术
双频激光干涉仪具有测量精度高、测量速度快和环境适应力强等特点，其在激光精密计量领域有着重要的应用，尤其是在精密位移平台定位等工业生产领域有着不可替代的作用。1970年惠普公司首次推出了基于双频He-Ne激光器的商用双频外差干涉仪用于增量式位移测量，其测量精度可达λ/16，目前市场上已有多个厂家的多种性能双频激光干涉仪产品。双频激光干涉仪的核心元件是双频激光器，其输出激光包括具有一定频率差的两个正交偏振的激光，其波长作为测量的基础尺度。由于双频激光干涉仪的测量结果与双频激光器的波长直接联系，所以双频激光器的绝对频率及其频率稳定度决定了干涉仪的测量精确度。为实现纳米量级的测量精确度，双频激光器输出激光的绝对频率需精确到10MHz，1小时频率相对稳定度需达到1×10-9，在光刻应用等某些高精度微纳加工领域甚至需要更高的相对稳定性。所以，在双频激光器研制过程以及出厂前，其绝对频率及稳定度需要经过严格的测量。
在633nm激光频率波段，127I2吸收稳频He-Ne激光是国际计量委员会推荐的实施米定义的12种稳频激光谱线之一，其频率相对不确定度为2.1×10-11。He-Ne激光频率的测量通常是通过与127I2吸收稳频He-Ne激光拍频获得，但受到拍频带宽限制这种方法测量的频率范围十分有限。此外，127I2吸收稳频He-Ne激光对温度和环境振动等噪声非常敏感，采用127I2吸收稳频He-Ne激光作为标准进行频率测量是对测量环境有着苛刻要求。
光频梳的出现解决了光学频率直接精密测量的问题，使得激光频率测量结果可直接溯源至具有更高精确度的时间频率基准。由于光频梳直接建立了微波频率基准与光波频率的联系，锁定至微波频率基准的光频梳相比现有稳定激光具有更高的频率稳定度，且其光谱范围可覆盖可见至近红外区域，所以光频梳有望成为取代现有稳频激光的下一代光频基准。尽管光频梳在光学频率测量方面具有显著优势，但是由于双频He-Ne激光的正交偏振特性，如果直接利用光频梳对其频率进行测量会极大地增加系统难度。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种双频He-Ne激光器频率测量装置及其测量方法，将光频梳作为微波频率与光波频率的桥梁，双频He-Ne激光器频率测量结果可溯源至微波频率基准，具有计量学意义，且能够同时直接测得双频He-Ne激光器两个正交偏振激光的绝对频率，具有良好的抗干扰性。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种双频He-Ne激光器频率测量装置，包括相互连接的稳频激光系统1和双频激光频率测量系统2；
所述稳频激光系统1包括依次连接的可调谐激光器101、光隔离器102以及第一光纤准直器103，和所述第一光纤准直器103通过保偏光纤104依次连接的保偏光纤耦合器105、第二光纤准直器106、第一1/2波片107、第一偏振分光立方体108、第一偏振片111以及光栅112，所述第一1/2波片107和第一偏振片111连接在第一偏振分光立方体108的一中轴线上，第二1/2波片110通过保偏光纤104连接在第一偏振分光立方体108的另一中轴线上，光频梳109通过保偏光纤104和第二1/2波片110相连接，平面反射镜113的位置使光栅112反射的光束经过平面反射镜113反射后入射至第一光电探测器114，所述第一光电探测器114依次和放大器115、鉴相器116、控制器117电连接，所述控制器117的输出端和所述可调谐激光器101的电流调制端口电连接，计算机119的信号输入端口分别与可调谐激光器101、波长计120和控制器107的信号输出端口相电连接，铷钟118的输出端分别与所述光频梳109和鉴相器116的输入端相电连接；
所述双频激光频率测量系统2包括和所述稳频激光系统1的保偏光纤耦合器105通过保偏光纤104相连接的第三光纤准直器201，和所述第三光纤准直器201通过保偏光纤104依次连接的第三1/2波片202，第二偏振分光立方体204、第三偏振片207以及第三光电探测器208，所述第三1/2波片202和第三偏振片207连接在第三光电探测器208的一中轴线上，双频He-Ne激光器203和第二偏振片205通过保偏光纤104连接在第三光电探测器208的另一中轴线上，所述第二偏振片205通过保偏光纤104和第二光电探测器206相连接，所述第二光电探测器206和第三光电探测器208的输出端分别和频率计数器209的输入端相电连接。
所述可调谐激光器101输出单一频率、单一线偏振方向激光，通过改变其工作电流或电压可连续调谐其输出激光频率。
所述光频梳109的工作波长覆盖所述可调谐激光器101的所有频率，且其重复频率和偏置频率锁定至微波频率基准信号。
一种双频He-Ne激光器频率测量装置的测量方法为：所述可调谐激光器101出射的激光经所述光隔离器102后由所述第一光纤准直器103进入所述保偏光纤104，经所述保偏光纤耦合器105分成三路激光，第一路进入所述双频激光频率测量系统2，第二路进入所述波长计120，第三路经所述第二光纤准直器106出射为空间激光光束并经所述第一1/2波片107旋转偏振态后由所述第一偏振分光立方体108透射，所述光频梳109输出的光束经所述第二1/2波片110旋转偏振态后由所述第一偏振分光立方体108反射，经透射和反射后的两路激光光束经所述第一偏振片111后入射至所述光栅112，由所述光栅112反射的+1级光束经所述平面反射镜113反射后入射至所述第一光电探测器114并转化为电信号；所述第一光电探测器114输出的电信号经所述放大器115后作为测量信号输入至所述鉴相器116，所述铷钟118的输出信号分别输入至所述光频梳109和所述鉴相器116作为参考信号，所述鉴相器116输出的信号电压与参考信号和测量信号的相位差成线性关系，所述鉴相器116输出的信号输入至所述控制器117经比例-积分控制后输出电压信号输入至所述可调谐激光器101的电流调制端口；所述计算机119的信号输入端口分别与所述可调谐激光器101、所述波长计120和所述控制器107的信号输出端口相连接，稳频激光系统1的所有工作由计算机119中的软件进行操控；
经所述保偏光纤耦合器105分成的第一路激光进入所述双频激光频率测量系统2的第三光纤准直器201，经第三光纤准直器201出射的激光经所述第三1/2波片202偏振态旋转后输入至所述第二偏振分光立方体204，所述双频He-Ne激光器203出射的激光入射至所述第二偏振分光立方体204，经所述偏振分光立方体204分光后的一路光经所述第二偏振片205后入射至所述第二光电探测器206转化为电信号，经所述偏振分光立方体204分光后的另一路光经所述第三偏振片207后入射至所述第三光电探测器208转化为电信号，所述第二光电探测器206和所述第三光电探测器208的输出的电信号分别输入至所述频率计数器209。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1、由于本发明采用光频梳作为微波频率与光波频率的桥梁，双频He-Ne激光器频率测量结果可溯源至微波频率基准，具有计量学意义；
2、由于本发明采用频率锁定至光频梳的可调谐激光进行对双频He-Ne激光频率测量，可同时直接测得双频He-Ne激光器两个正交偏振激光的绝对频率；
3、由于本发明采用保偏光纤系统进行激光传输，系统具有良好的抗干扰性，可用于工业环境中的双频He-Ne激光器频率测量。
附图说明
附图是本发明装置的结构示意图。
图中实线为激光光路，虚线为电子线路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明结构原理和工作原理作进一步详细说明。
如附图所示，本发明一种双频He-Ne激光器频率测量装置，包括相互连接的稳频激光系统1和双频激光频率测量系统2；所述稳频激光系统1包括依次连接的可调谐激光器101、光隔离器102以及第一光纤准直器103，和所述第一光纤准直器103通过保偏光纤104依次连接的保偏光纤耦合器105、第二光纤准直器106、第一1/2波片107、第一偏振分光立方体108、第一偏振片111以及光栅112，所述第一1/2波片107和第一偏振片111连接在第一偏振分光立方体108的一中轴线上，第二1/2波片110通过保偏光纤104连接在第一偏振分光立方体108的另一中轴线上，光频梳109通过保偏光纤104和第二1/2波片110相连接，平面反射镜113的位置使光栅112反射的光束经过平面反射镜113反射后入射至第一光电探测器114，所述第一光电探测器114依次和放大器115、鉴相器116、控制器117电连接，所述控制器117的输出端和所述可调谐激光器101的电流调制端口电连接，计算机119的信号输入端口分别与可调谐激光器101、波长计120和控制器107的信号输出端口相电连接，铷钟118的输出端分别与所述光频梳109和鉴相器116的输入端相电连接；该系统用于将可调谐激光器101的输出激光频率锁定至光频梳109的任意梳齿，以实现可调谐激光器101输出激光频率的稳定并溯源至铷钟118频率基准。
所述双频激光频率测量系统2包括和所述稳频激光系统1的保偏光纤耦合器105通过保偏光纤104相连接的第三光纤准直器201，和所述第三光纤准直器201通过保偏光纤104依次连接的第三1/2波片202，第二偏振分光立方体204、第三偏振片207以及第三光电探测器208，所述第三1/2波片202和第三偏振片207连接在第三光电探测器208的一中轴线上，双频He-Ne激光器203和第二偏振片205通过保偏光纤104连接在第三光电探测器208的另一中轴线上，所述第二偏振片205通过保偏光纤104和第二光电探测器206相连接，所述第二光电探测器206和第三光电探测器208的输出端分别和频率计数器209的输入端相电连接。该系统将已锁定的可调谐激光器101的输出激光与待测双频He-Ne激光器203的输出激光拍频，同时测量两个正交偏振激光频率。
用于直接拍频测量双频He-Ne激光两个偏振态激光频率。
优选的，所述可调谐激光器101输出单一频率、单一线偏振方向激光，通过改变其工作电流或电压可连续调谐其输出激光频率。
优选的，所述光频梳109的工作波长覆盖所述可调谐激光器101的所有频率，且其重复频率和偏置频率锁定至微波频率基准信号。
本实施例中，可调谐激光器101为外腔可调谐半导体激光器，其中心波长为632.99nm，频率可调谐范围为100GHz，自由运转激光线宽小于150kHz；光频梳109的输出飞秒激光的中心波长为633nm，光谱宽度为3nm，脉冲重复频率为250MHz，偏置频率为20MHz；铷钟输出信号为10MHz，1秒平均时间内的相对稳定度为2.4×10-12。将可调谐激光器101的输出激光频率锁定至光频梳的某一梳齿后，其绝对频率可表示为
f＝N×fr±fo±fb                 (1)
其中，fo为飞秒激光偏置频率，fr为飞秒激光重复频率，fb为待锁定激光与相邻梳齿拍频频率，N梳齿整数级次。利用波长计120对激光频率进行初测，选择光频梳109的第1 894 449个梳齿锁定可调谐激光器101的输出激光频率，得到锁定后的激光频率均值为473 612 190 000.0kHz，标准偏差为0.7kHz。考虑到第1894 449个梳齿的频率不确定度，ECDL跟踪梳齿的频率不确定度和铷钟的频率引入的B类不确定度，锁定激光绝对频率为473 612 190 000.0±2.7kHz。
本实施例中，双频He-Ne激光器203为商品双频He-Ne激光器，波长名义值为632.991 37nm，1小时平均时间内的波长稳定度优于±2×10-9。双频He-Ne激光器203与锁定后的可调谐激光器101拍频，测得一路拍频均值为39.934MHz，标准偏差为56kHz，极差为286kHz；另一路拍频均值为42.111MHz，标准偏差为56kHz，极差为289kHz。最终计算得到，双频He-Ne激光器输出的水平方向偏振激光频率的绝对频率均值为473 612 229 934kHz，对应波长均值为632.991 377 866nm，竖直方向偏振激光频率绝对频率均值为473 612 232 111kHz，对应波长均值为632.991 374 957nm。
本发明一种双频He-Ne激光器频率测量装置的测量方法为：所述可调谐激光器101出射的激光经所述光隔离器102后由所述第一光纤准直器103进入所述保偏光纤104，经所述保偏光纤耦合器105分成三路激光，第一路进入所述双频激光频率测量系统2，第二路进入所述波长计120，第三路经所述第二光纤准直器106出射为空间激光光束并经所述第一1/2波片107旋转偏振态后由所述第一偏振分光立方体108透射，所述光频梳109输出的光束经所述第二1/2波片110旋转偏振态后由所述第一偏振分光立方体108反射，经透射和反射后的两路激光光束经所述第一偏振片111后入射至所述光栅112，由所述光栅112反射的+1级光束经所述平面反射镜113反射后入射至所述第一光电探测器114并转化为电信号；所述第一光电探测器114输出的电信号经所述放大器115后作为测量信号输入至所述鉴相器116，所述铷钟118的输出信号分别输入至所述光频梳109和所述鉴相器116作为参考信号，所述鉴相器116输出的信号电压与参考信号和测量信号的相位差成线性关系，所述鉴相器116输出的信号输入至所述控制器117经比例-积分控制后输出电压信号输入至所述可调谐激光器101的电流调制端口；所述计算机119的信号输入端口分别与所述可调谐激光器101、所述波长计120和所述控制器107的信号输出端口相连接，稳频激光系统1的所有工作由计算机119中的软件进行操控；
经所述保偏光纤耦合器105分成的第一路激光进入所述双频激光频率测量系统2的第三光纤准直器201，经第三光纤准直器201出射的激光经所述第三1/2波片202偏振态旋转后输入至所述第二偏振分光立方体204，所述双频He-Ne激光器203出射的激光入射至所述第二偏振分光立方体204，经所述偏振分光立方体204分光后的一路光经所述第二偏振片205后入射至所述第二光电探测器206转化为电信号，经所述偏振分光立方体204分光后的另一路光经所述第三偏振片207后入射至所述第三光电探测器208转化为电信号，所述第二光电探测器206和所述第三光电探测器208的输出的电信号分别输入至所述频率计数器209。

Claims (4)

1.一种双频He-Ne激光器频率测量装置，其特征在于：包括相互连接的稳频激光系统(1)和双频激光频率测量系统(2)；
所述稳频激光系统(1)包括依次连接的可调谐激光器(101)、光隔离器(102)以及第一光纤准直器(103)，和所述第一光纤准直器(103)通过保偏光纤(104)依次连接的保偏光纤耦合器(105)、第二光纤准直器(106)、第一1/2波片(107)、第一偏振分光立方体(108)、第一偏振片(111)以及光栅(112)，所述第一1/2波片(107)和第一偏振片(111)连接在第一偏振分光立方体(108)的一中轴线上，第二1/2波片(110)通过保偏光纤(104)连接在第一偏振分光立方体(108)的另一中轴线上，光频梳(109)通过保偏光纤(104)和第二1/2波片(110)相连接，平面反射镜(113)的位置使光栅(112)反射的光束经过平面反射镜(113)反射后入射至第一光电探测器(114)，所述第一光电探测器(114)依次和放大器(115)、鉴相器(116)、控制器(117)电连接，所述控制器(117)的输出端和所述可调谐激光器(101)的电流调制端口电连接，计算机(119)的信号输入端口分别与可调谐激光器(101)、波长计(120)和控制器(107)的信号输出端口相电连接，铷钟(118)的输出端分别与所述光频梳(109)和鉴相器(116)的输入端相电连接；
所述双频激光频率测量系统2包括和所述稳频激光系统(1)的保偏光纤耦合器(105)通过保偏光纤(104)相连接的第三光纤准直器(201)，和所述第三光纤准直器(201)通过保偏光纤(104)依次连接的第三1/2波片(202)，第二偏振分光立方体(204)、第三偏振片(207)以及第三光电探测器(208)，所述第三1/2波片(202)和第三偏振片(207)连接在第三光电探测器(208)的一中轴线上，双频He-Ne激光器(203)和第二偏振片(205)通过保偏光纤(104)连接在第三光电探测器(208)的另一中轴线上，所述第二偏振片(205)通过保偏光纤(104)和第二光电探测器(206)相连接，所述第二光电探测器(206)和第三光电探测器(208)的输出端分别和频率计数器(209)的输入端相电连接。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述可调谐激光器(101)输出单一频率、单一线偏振方向激光，通过改变其工作电流或电压可连续调谐其输出激光频率。
3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述光频梳(109)的工作波长覆盖所述可调谐激光器(101)的所有频率，且其重复频率和偏置频率锁定至微波频率基准信号。
4.根据权利要求1、2或3所述的测量装置其测量方法为：其特征在于：所述可调谐激光器(101)出射的激光经所述光隔离器(102)后由所述第一光纤准直器(103)进入所述保偏光纤(104)，经所述保偏光纤耦合器(105)分成三路激光，第一路进入所述双频激光频率测量系统(2)，第二路进入所述波长计(120)，第三路经所述第二光纤准直器(106)出射为空间激光光束并经所述第一1/2波片(107)旋转偏振态后由所述第一偏振分光立方体(108)透射，所述光频梳(109)输出的光束经所述第二1/2波片(110)旋转偏振态后由所述第一偏振分光立方体(108)反射，经透射和反射后的两路激光光束经所述第一偏振片(111)后入射至所述光栅(112)，由所述光栅(112)反射的+1级光束经所述平面反射镜(113)反射后入射至所述第一光电探测器(114)并转化为电信号；所述第一光电探测器(114)输出的电信号经所述放大器(115)后作为测量信号输入至所述鉴相器(116)，所述铷钟(118)的输出信号分别输入至所述光频梳(109)和所述鉴相器(116)作为参考信号，所述鉴相器(116)输出的信号电压与参考信号和测量信号的相位差成线性关系，所述鉴相器(116)输出的信号输入至所述控制器(117)经比例-积分控制后输出电压信号输入至所述可调谐激光器(101)的电流调制端口；所述计算机(119)的信号输入端口分别与所述可调谐激光器(101)、所述波长计(120)和所述控制器(107)的信号输出端口相连接，稳频激光系统(1)的所有工作由计算机(119)中的软件进行操控；
经所述保偏光纤耦合器(105)分成的第一路激光进入所述双频激光频率测量系统(2)的第三光纤准直器(201)，经第三光纤准直器(201)出射的激光经所述第三1/2波片(202)偏振态旋转后输入至所述第二偏振分光立方体(204)，所述双频He-Ne激光器(203)出射的激光入射至所述第二偏振分光立方体(204)，经所述偏振分光立方体(204)分光后的一路光经所述第二偏振片(205)后入射至所述第二光电探测器(206)转化为电信号，经所述偏振分光立方体(204)分光后的另一路光经所述第三偏振片(207)后入射至所述第三光电探测器(208)转化为电信号，所述第二光电探测器(206)和所述第三光电探测器(208)的输出的电信号分别输入至所述频率计数器(209)。
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