CN103904541B

CN103904541B - 塞曼双频激光器

Info

Publication number: CN103904541B
Application number: CN201210586863.2A
Authority: CN
Inventors: 吴萍; 张志平
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2032-12-28
Also published as: CN103904541A

Abstract

本发明公开了一种塞曼双频激光器，包括激光管、分光棱镜、探测器、比较器以及控制器，其中，所述探测器包括第一探测器和第二探测器，所述第一探测器和第二探测器的两端分别与所述分光棱镜和比较器的一端相连，所述比较器的另一端与所述控制器相连，所述塞曼双激光器还包括加热丝以及磁环组，所述加热丝紧密缠绕于所述激光管管壁上并与所述控制器相连，所述磁环组包括围设在所述激光管上的第一磁环和第二磁环，所述第一磁环和第二磁环的磁能积不同，所述第二磁环对称均匀分布在所述第一磁环的两端。本发明的塞曼双频激光器能够在保持激光管性能不变的情况下，大幅提高双频激光器的频差指标。

Description

塞曼双频激光器

技术领域

本发明涉及激光领域，特别涉及一种塞曼双频激光器。

背景技术

双频激光干涉测量系统具有高分辨率、高速度、低噪声的特点，因而被广泛应用于高精密测量领域。双频激光干涉测量系统由双频激光器、双频激光干涉仪和数据处理单元组成，其原理是应用两种不同频率的光束对目标进行位移测量，即：双频激光器向目标发出具有一定频差的正交偏振激光束，双频激光干涉仪将目标的位移信息转化成光的干涉信号，干涉信号经数据处理单元处理后得到目标的位移信息。由双频激光干涉测量原理可知，目标的运动速度有一个上限值，当目标的运动速度大于这一上限值之后，双频激光干涉仪无法获得目标的正确位移信息。而该速度上限值与双频激光器的频差成正比，双频激光器的频差越大，相应双频激光干涉测量系统的速度上限越高。

赛曼双频激光器是利用赛曼效应实现双频激光输出的激光器，其原理是将磁场作用于激光管上，通过光谱在磁场中的分裂得到双频激光束。磁场作用于激光管上的方式通常有两种：横向磁场方式和纵向磁场方式，横向磁场方式的磁场方向垂直于激光的光轴方向，采用横向磁场方式的双频激光束的频差较低，一般为几十KHz到几百KHz，难以提高上述双频激光干涉测量系统的速度上限。纵向磁场方式的磁场方向平行于激光的光轴方向，其频差较高，一般为2MHz左右，具体如图1a所示，纵向磁场由单一材料的简单磁环100提供；请再参照图1b，根据磁特性仿真软件对所述磁环100进行仿真模拟，所述磁环100中心线上的磁感应强度呈现中间高两边低的趋势，由于磁环100内的磁感应强度的分布不均匀，由磁场的塞曼效应获得的双频激光束频率分裂程度小，磁性能未经优化设计，所产生的双频激光束频差较小。

因此，如何提供一种频差较大的塞曼双频激光器是本领域技术人员亟待解决的一个技术问题。

发明内容

本发明提供一种塞曼双频激光器，以克服现有技术中双频激光器频差较低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种塞曼双频激光器，包括激光管、分光棱镜、探测器、加热丝、磁环组、比较器以及控制器，其中，所述探测器包括第一探测器和第二探测器，所述第一探测器和第二探测器的两端分别与所述分光棱镜和比较器的一端相连，所述比较器的另一端与所述控制器相连，所述加热丝紧密缠绕于所述激光管管壁上并与所述控制器相连，所述磁环组包括围设在所述激光管上的第一磁环和第二磁环，所述第一磁环和第二磁环的磁能积不同，所述第二磁环对称均匀分布在所述第一磁环的两端。

作为优选，所述塞曼双频激光器还包括隔震橡胶，所述隔震橡胶灌注于所述加热丝与所述磁环组之间。

作为优选，所述激光管为单纵模的氦氖激光管。

作为优选，所述磁环组外圈还设有一屏蔽层。

作为优选，所述磁环组为铝镍钴永磁材料。

作为优选，所述第一磁环由AlNiCo5永磁制成。

作为优选，所述第二磁环由AlNiCo9永磁制成。

作为优选，所述磁环组的内径为22~40mm，外径为45~60mm，长度为160~180mm。

作为优选，所述第一磁环与第二磁环的长度比值为5：1~6：1。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明的磁环组包括第一磁环和第二磁环，所述第一磁环和第二磁环的磁能积不同，第二磁环对称均匀分布在所述第一磁环的两端，即，磁环组提供纵向磁场能够均匀完全地覆盖激光管的谐振腔区域，大大提高由塞曼效应产生的光场频率分裂程度，从而提高双频激光器的频差性能。因此，本发明所述的塞曼双频激光器装置，能够在保持所用激光管性能不变的情况下，大幅提高双频激光器的频差指标。此外，所述磁环组还具有机械强度高的特点，既能够提供均匀的磁场分布，又具有保温效果，使磁环组内部激光管工作时的环境温度稳定性更好。

附图说明

图1a为现有磁环的结构示意图；

图1b为现有技术中磁环的磁特性仿真图；

图2为本发明一具体实施方式中塞曼双频激光器的结构示意图；

图3为本发明一具体实施方式中塞曼双频频激光器的局部结构示意图；

图4为本发明一具体实施方式中磁环组的结构示意图；

图5为本发明一具体实施方式中磁环组的磁特性仿真图。

图1a~1b中：100-磁环。

图2~5中：1-塞曼双频激光器、11-激光管、12-磁环组、12a-第一磁环、12b-第二磁环、13-加热丝、14-隔震橡胶、15-屏蔽层、2-分光棱镜、3-探测器、31-第一探测器、32-第二探测器、4-比较器、5-控制器。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参照图2、图4，并结合图5，本发明提供一种塞曼双频激光器1，包括激光管11、分光棱镜2、探测器3、比较器4以及控制器5。其中，所述探测器3包括第一探测器31和第二探测器32，所述第一探测器31和第二探测器32的两端分别与所述分光棱镜2和比较器4的一端相连，所述比较器4的另一端与所述控制器5相连。所述塞曼双频激光器1还包括加热丝13以及磁环组12，所述加热丝13紧密缠绕于所述激光管11管壁上并与所述控制器5相连，用于控制激光管11管壁的温度；所述磁环组12包括围设在所述激光管11上的第一磁环12a和第二磁环12b，所述第一磁环12a和第二磁环12b的磁能积不同，所述第二磁环12b对称均匀分布在所述第一磁环12a的两端。具体地，如图5所示，根据磁特性仿真软件对所述磁环组12进行仿真模拟可知，由第一磁环12a和第二磁环12b两种磁性材料配合而成的磁环组12在激光管11的中心线上的磁感应强度在一定区域内呈现均匀分布，可产生的频差为3.6MHz的双频激光束。因此，本发明的磁环组12能够提供更均匀的磁场分布。即，纵向磁场能够均匀完全地覆盖激光管11的谐振腔区域，大大提高由塞曼效应产生的光场频率分裂程度，从而提高双频激光器的频差性能。因此，本发明所述的塞曼双频激光器1，能够在保持所用激光管11性能不变的情况下，大幅提高双频激光器的频差指标。

请参照图3，并参考图2和图4，作为优选，所述塞曼双频激光器1还包括隔震橡胶14，所述隔震橡胶14灌注于所述加热丝13与所述磁环组12之间，既可以减小磁环组12振动对激光管11的影响，又能够起到保温的作用。

请参照图3，并参考图2和图4，作为优选，所述激光管11为单纵模的氦氖激光管。较佳的，所述激光管11为内腔结构，腔长约为150mm。

请参照图3，并参考图2和图4，作为优选，所述磁环组12外圈还设有一屏蔽层15，以减小磁环组12对外围电子器件的影响。

请参照图2~4，所述磁环组12为铝镍钴永磁材料。较佳的，所述第一磁环12a由AlNiCo5永磁制成，所述第二磁环12b由AlNiCo9永磁制成。铝镍钴材料具有高磁能积和矫顽力、居里温度高、温度系数小的特点，适合长期稳定的工作在温度较高的环境下。塞曼双频激光器1在正常工作时激光管11的发热量较大，激光管11腔体中的温度较高，选用铝镍钴永磁材料，可以保证磁环在高温下长期工作时磁特性稳定，从而保证磁场作用于激光管11时，由塞曼效应产生的双频激光束频差的稳定性。

请参照图4，所述第一磁环12a与第二磁环12b的长度比值可为5:1~6:1。合适的长度比值可优化激光管11内磁场的磁性能，最大限度地提高塞曼双频激光器1的频差。同时，为确保磁环组12提供的磁场变化量不大于8%，所述磁环组12的长度也需要根据具体情况作出调整。例如：给外径为20mm，长度为150mm的激光管11提供均匀纵向磁场，所述磁环组12需要在中心线上150mm的长度范围内产生磁感应强度变化量不大于8%的磁场。由理论可知，所述磁环组12内径只需大于激光管11的外径便可符合要求，但由于实际生产中需考虑到磁环组12安装方便的问题，因此，所述磁环组12的内径优选为22mm~40mm，磁环组12的外径优选为45mm~60mm；相应的，磁环组12的长度稍长于激光管11的管长即可，本发明的磁环组12长度优选为160mm~180mm。

请再参照图2~4，下面将详细说明所述塞曼双频激光器1的工作过程。

首先，激光管11在磁场的塞曼效应作用下，发出具有一定频率差的双频激光束，如两个频率分别为f1和f2的光束；

接着，两束光束经分光棱镜2分开后分别由第一探测器31和第二探测器32检测；

接着，第一探测器31和第二探测器32分别将频率为f1和f2的激光束的光信号转化成电流信号P1和P2并送入比较器4进行比较；

接着，比较器4将电流信号的比较结果ΔP=P2-P1送入控制器5；

最后，控制器5判断ΔP的正负，发出相应的指令：当ΔP>0时，控制器5控制加热丝13加热，升高激光管11内谐振腔的温度，增大谐振腔长度，使ΔP趋近于零；当ΔP<0时，加热丝13停止加热，通过空气传导过程降低激光管11谐振腔温度，缩短谐振腔长度，同样使ΔP趋近于零；当光强差ΔP=0时，两束激光频差稳定，双频激光器达到稳频状态。

综上所述，本发明的塞曼双频激光器1，包括激光管11、分光棱镜2、探测器3、比较器4以及控制器5。其中，所述探测器3包括第一探测器31和第二探测器32，所述第一探测器31和第二探测器32的两端分别与所述分光棱镜2和比较器4的一端相连，所述比较器4的另一端与所述控制器5相连，所述塞曼双频激光器1还包括加热丝13以及磁环组12，所述加热丝13紧密缠绕于所述激光管11管壁上并与所述控制器5相连，所述磁环组12包括围设在所述激光管11上的第一磁环12a和第二磁环12b，所述第一磁环12a和第二磁环12b的磁能积不同，所述第二磁环12b对称均匀分布在所述第一磁环12a的两端。本发明的磁环组12能够提供更均匀的磁场分布。即，纵向磁场能够均匀完全地覆盖激光管11的谐振腔区域，大大提高由塞曼效应产生的光场频率分裂程度，从而提高双频激光器的频差性能。因此，本发明所述的塞曼双频激光器1，能够在保持所用单频激光管11性能不变的情况下，大幅提高双频激光器的频差指标。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims

1.一种塞曼双频激光器，其特征在于，包括激光管、分光棱镜、探测器、比较器、控制器、加热丝以及磁环组，其中，所述探测器包括第一探测器和第二探测器，所述第一探测器和第二探测器的两端分别与所述分光棱镜和比较器的一端相连，所述比较器的另一端与所述控制器相连，所述加热丝紧密缠绕于所述激光管管壁上并与所述控制器相连，所述磁环组包括围设在所述激光管上的第一磁环和第二磁环，所述第一磁环和第二磁环的磁能积不同，所述第二磁环对称均匀分布在所述第一磁环的两端，所述第二磁环与所述第一磁环的内径相同。

2.如权利要求1所述的塞曼双频激光器，其特征在于，所述塞曼双频激光器还包括隔震橡胶，所述隔震橡胶灌注于所述加热丝与所述磁环组之间。

3.如权利要求1所述的塞曼双频激光器，其特征在于，所述激光管为单纵模的氦氖激光管。

4.如权利要求1所述的塞曼双频激光器，其特征在于，所述磁环组外圈还设有一屏蔽层。

5.如权利要求1所述的塞曼双频激光器，其特征在于，所述磁环组为铝镍钴永磁材料。

6.如权利要求5所述的塞曼双频激光器，其特征在于，所述第一磁环由AlNiCo₅永磁制成。

7.如权利要求5所述的塞曼双频激光器，其特征在于，所述第二磁环由AlNiCo₉永磁制成。

8.如权利要求1所述的塞曼双频激光器，其特征在于，所述磁环组的内径为22～40mm，外径为45～60mm，长度为160～180mm。

9.如权利要求1所述的塞曼双频激光器，其特征在于，所述第一磁环与第二磁环的长度比值为5:1～6:1。