CN106524898A - 双频激光器输出频差的稳频装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双频激光器输出频差的稳频装置，包括：磁场施加模块，用于产生与双频激光器输出的双频激光垂直的磁场；稳频模块，包括压电陶瓷设置于双频激光器的输出腔镜上；偏振片，设置于所述双频激光器输出的双频激光的光路上形成双频拍频光；光电探测器，用于接收双频拍频光，并将光信号转化为电信号；信号处理模块，用于采集光电探测器并转换为频差信号；压电陶瓷驱动模块，用于控制压电陶瓷的位移来调制施加在输出腔镜上的应力大小；数据处理模块，用于根据信号处理模块获得的电信号，调整施加在输出腔镜上的应力大小。本发明还提供一种稳频方法。本发明提供的双频激光器输出频差的稳频装置及方法能够精确控制双频激光器输出频差。

Description

双频激光器输出频差的稳频装置及方法

技术领域

本发明涉及一种双频激光器输出频差的稳频装置，尤其涉及一种同时稳定与调制双频激光器输出频差的装置及方法。

背景技术

双频激光器作为双频激光干涉仪的核心模块，其频差大小是决定双频激光干涉仪的测量速度的重要因素。双频激光器的频率稳定度曾是考核双频激光器工作性能的唯一指标，但随着多种测量需求的产生，双频激光器的频差稳定性指标也引起了广泛的重视。特别是对于波长合成测量以及高速震动测量领域，双频激光器的频差稳定性直接决定了测量的精度。所以对于双频激光器输出频差的稳定性必须进行精确的控制。对于双频激光干涉仪，对输出频差大小的调制直接提高其测量速度和仪器性能。

目前，控制双频激光器的稳定输出频差方法主要是对双频激光器进行稳频，如等光强法等，通过控制双频激光器频率的稳定来实现频差的稳定。

然而，传统的稳频方法结构比较复杂，需要将激光器与温控部件均匀连接在一起，并且需要复杂的电路配合程序进行激光器的精确温度控制来实现频率的稳定。

发明内容

综上所述，确有必要提供一种能够精确控制与调制双频激光器输出频差的装置及方法。

一种双频激光器输出频差的稳频装置，其中，所述双频激光器输出频差的稳频装置包括：

磁场施加模块，用于产生与双频激光器输出的双频激光垂直的磁场，所述双频激光器设置于所述磁场中；

稳频模块，包括压电陶瓷，所述压电陶瓷设置于双频激光器的输出腔镜上，用于调整双频激光器输出的双频激光的频差值；

偏振片，设置于所述双频激光器输出的双频激光的光路上形成双频拍频光；

光电探测器，设置于偏振片出射的双频拍频光的光路上，用于接收双频拍频光，并将光信号转化为电信号；

信号处理模块，与光电探测器电连接以采集光电探测器的电信号，将电信号转换为频差信号；

压电陶瓷驱动模块，与压电陶瓷电连接，用于控制压电陶瓷的位移量以调制施加在输出腔镜上的应力大小；

数据处理模块，与所述信号处理模块及压电陶瓷驱动模块电连接，用于根据信号处理模块获得的频差信号，通过压电陶瓷驱动模块驱动压电陶瓷，以调整施加在输出腔镜上的应力大小。

在其中一个实施例中，所述双频激光器输出的两束双频激光的双频分量偏振态方向相互垂直，且其中一个分量的偏振方向与输出腔镜的主应力方向相同，另一个分量的偏振方向与主应力方向垂直。

在其中一个实施例中，所述磁场施加模块包括两个磁条间隔且相对设置于双频激光器的两侧，用于形成垂直于双频激光方向的磁场。

在其中一个实施例中，所述压电陶瓷设置于输出腔镜的边缘，且使所述压电陶瓷的位移方向平行于输出腔镜的主应力方向。

在其中一个实施例中，所述压电陶瓷沿平行于输出腔镜的主应力方向对输出腔镜施加压力。

在其中一个实施例中，所述压电陶瓷设置于所述输出腔镜的边缘，用于向所述输出腔镜施加压力以调整双频激光器输出的双频激光的频差值。

在其中一个实施例中，所述稳频模块还包括紧固装置，所述紧固装置设置于所述输出腔镜边缘，用于将所述压电陶瓷卡设在所述输出腔镜上。

一种利用上述任意一项所述的双频激光器输出频差的稳频装置进行稳频的方法，其中，所述方法包括：

向双频激光器施加磁场，且磁场方向与双频激光器主应力方向一致；

调整压电陶瓷的位置，使压电陶瓷的位移方向与双频激光器主应力方向一致；

旋转偏振片的偏振方向，使双频激光的两个分量形成稳定的拍频光，调整偏振片的偏振方向，使拍频光的幅值最大；

利用光电探测器探测拍频光，并将拍频光转换为电信号；

通过信号处理模块，用于采集光电探测器的电信号，将其转换为频差值；

通过数据采集模块采集频差值，与所需的频差值做比较获得差值，根据差值调整压电陶瓷的位移量，使双频激光器输出的双频激光的频差值达到所需的频差值。

在其中一个实施例中，所述数据处理模块的输出值u(t)与双频激光器实际输出的频差与所需的频差值之间的差e(t)的关系为：

其中K_p为比例参数，K_i为积分参数，K_d为微分参数，t为系统时间。

上述实施例提供的双频激光器输出频差的稳频装置及方法，可以稳定双频激光器的输出频差。该装置结构简单，适用范围广，性价比高，具有广阔的应用前景。

另外，将双频激光器的频差为上述稳频装置的直接控制量，能够实现频差的直接控制和调制输出，从而能够满足精确控制的要求

附图说明

图1为实施例所述的双频激光器输出频差的稳频装置；

图2为图1所述的双频激光器输出频差的稳频装置中稳频模块的结构示意图；

图3为双频激光模组输出频差变化和压电陶瓷位移变化量的线性关系曲线；

图4为频差稳定与调制性能曲线的示意图；

图5为本发明提供的对双频激光器输出频差的稳频装置进行稳频的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述，为了方便描述，本发明首先描述所述双频激光器输出频差的稳频装置。

请参阅图1，双频激光器输出频差的稳频装置100用于对双频激光器1输出的双频激光进行稳频，所述双频激光器1包括输出腔镜11，用于连续输出双频激光。所述双频激光器输出频差的稳频装置100包括磁场施加模块2，用于产生与输出激光垂直的磁场，所述双频激光器1设置于所述磁场中；稳频模块3，设置于双频激光器1的输出腔镜11上，用于调整双频激光器1输出的双频激光的频差值；偏振片4，设置于所述双频激光器1输出的双频激光的光路上以形成双频拍频光；光电探测器5，设置于从偏振片4出射的激光光路上，用于接收双频拍频光，并将光信号转化为电信号；信号处理模块6，用于采集光电探测器5的电信号，并将其转换为频差信号；压电陶瓷驱动模块7，与稳频模块3相连，以驱动稳频模块3调制施加在双频激光器1输出腔镜11上的应力大小；数据处理模块8，与所述信号处理模块6及压电陶瓷驱动模块7电连接，以根据信号处理模块6获得的电信号，通过压电陶瓷驱动模块7对稳频模块3进行调制，以实现稳定及调制频差输出。

所述双频激光器1为双频激光器，用于连续输出双频激光形成激光光路，所述两束双频激光的双频分量偏振态方向相互垂直，且其中一个分量的偏振方向与双频激光器1中的主应力方向相同，也即与输出腔镜11的主应力方向相同，另一个分量的偏振方向与主应力方向垂直，其输出频差为需要稳定与调制的变量。本实施例中，所述激光模块1为氦氖双频激光器，且主应力方向为竖直方向。

所述磁场施加模块2可包括磁场强度固定的磁条对，所述磁条对包括两个磁条间隔且相对设置于双频激光器1的两侧，用于形成垂直于双频激光方向的磁场，以产生横向塞曼效应。通过横向塞曼效应和应力双折射效应的共同作用，双频激光器1输出具有两个频率分量的激光。在本实施例中，磁场的方向与双频激光器1的主应力方向平行，均为竖直方向。

所述稳频模块3包括压电陶瓷32，设置于所述双频激光器1的输出腔镜11上，用于调制频差输出。具体的，所述压电陶瓷32设置于所述输出腔镜11的边缘。所述压电陶瓷32用于沿垂直于输出的双频激光的方向移动，以对输出腔镜11施加压力，所述压电陶瓷32的位移方向即为向输出腔镜11施加压力的方向。进一步，所述压电陶瓷32的位移方向与双频激光器1的主应力方向平行，即压电陶瓷32的位移方向沿着输出腔镜11的主应力方向，为竖直方向。所述压电陶瓷32用于沿平行于输出腔镜11的主应力方向对所述输出腔镜11施加压力。在本实施例中，压电陶瓷的位移伸长量为2μm。

另外，请一并参阅图2，所述稳频模块3还可包括紧固装置，所述紧固装置设置于输出腔镜上，用于对压电陶瓷32进行固定。具体的，所述紧固装置可包括紧固螺钉31，所述紧固螺钉31用于将压电陶瓷32卡设在所述输出腔镜11上，以使压电陶瓷32对输出腔镜11施加压力。进一步，所述稳频模块3还包括连接紧固螺钉31及压电陶瓷32的紧固框33。本实施例中，所述紧固螺钉31与压电陶瓷32相对设置于所述输出腔镜11边缘，并且通过紧固框33将压电陶瓷32固定在输出腔镜11上。可以理解，所述紧固螺钉31与压电陶瓷32相对设置仅为具体的实施例，还可以根据实际需要进行选择，只要将压电陶瓷32固定在输出腔镜11边缘即可。

所述偏振片4，设置于所述双频激光器1输出的双频激光的光路上。具体的，所述偏振片4设置于从输出腔镜11输出的双频激光的光路上。所述偏振片4具有预定的偏振方向，通过旋转特定的角度，形成输出双频分量的拍频光。在本实施例中，偏振片消光比为500:1。

所述光电探测器5，设置于偏振片4后，用于接收双频拍频光，并将光信号转化为电信号。在本实施例中，光电探测器为响应频率为10MHz的PIN光电探测器。

所述信号处理模块6，用于采集光电探测器的电信号，将其转换为频差信号。在本实施例中，信号处理模块为频率计，频率采集分辨率为1Hz。

所述压电陶瓷驱动模块7，与稳频模块3中的压电陶瓷32相连，用于控制压电陶瓷32的伸缩量来调制施加在双频激光器1输出腔镜11上的应力大小。压电陶瓷驱动模块7将信号处理模块6输出的信号进行放大，施加在压电陶瓷32上。压电陶瓷32的伸长量与压电陶瓷驱动模块7施加的放大后的信号成正比。在本实施例中，驱动模块的放大倍数为100倍。

所述数据处理模块8，与所述信号处理模块6和所述压电陶瓷驱动模块7相连，用于根据信号处理模块6获得的频差信号，控制压电陶瓷驱动模块7以调整施加在双频激光器1输出腔镜11上的应力大小。具体的，所述数据处理模块8可通过比例微分积分程序控制压电陶瓷驱动模块7，调整施加在输出腔镜11的应力的大小，以实现频差大小的调整。

请一并参阅图3及图4，具体的，所述数据处理模块8包括系统控制模块和数据采集模块(图中未示)，该数据采集模块从所述信号处理模块6中采集测量双频激光的频差大小，作为比例积分微分控制程序的输入量，与设定的需求的频差值相比较，获得差值。数据处理模块8根据该差值获得所需调整的压电陶瓷32的应力大小及对应的位移量，该系统控制模块根据所述差值输出调制信号至所述压电陶瓷驱动模块7，调整压电陶瓷32的位移，以调整施加在输出腔镜11的应力大小，以使输出的双频激光的频差达到所需的频差值。由此可见，所述稳频模块3可根据光电探测器5探测的双频拍频光的频差值与实际设定所需的频差值之间的差值，实时的进行调整，使双频激光器1输出的双频激光的频差值稳定的所需的频差值。在本实例中，比例积分微分控制程序基于LabVIEW程序平台运行。

请一并参阅图5，本发明进一步提供双频激光器输出频差的稳频装置100进行稳频的方法，具体包括以下步骤：

步骤S11，启动所述双频激光器1连续输出激光，模式为双频，出射光的双频分量偏振态方向相互垂直，且其中一个分量偏振方向与双频激光器1主应力方向一致；

步骤S12，在双频激光器1输出的激光的光路上施加磁场，且磁场方向与双频激光器1中输出腔镜11的主应力方向一致；

步骤S13，调整压电陶瓷32的位移方向，使压电陶瓷32的位移方向与双频激光器1的输出腔镜11的主应力方向平行；

步骤S14，旋转偏振片4的偏振方向，使双频激光的两个分量形成稳定的拍频光，调整偏振片4的偏振方向，使拍频光的幅值最大；

步骤S15，使用PIN光电探测器5探测拍频的频差信号，由光电探测器5将光信号转换为电信号；

步骤S16，利用信号处理模块6采集电信号并转换为频差值；

步骤S17，数据处理模块8获取信号处理模块6的频差值，与所需的频差值做比较获得差值，并控制压电陶瓷32的位移量，对双频激光器1的输出频差的稳定与调制。

在所述步骤S11中，所述的双频激光器1，其输出腔镜11中含有内部的应力，由于应力产生的双折射效应，此时位于双折射两个方向的激光分量在输出腔镜11上的光程具有由双折射调制的光程差，该双频激光器1的输出频率分裂为两个频率分量，即具有输出双频激光的能力。

进一步，所述双频激光器1的的主应力方向可通过以下方式获得：加入偏振方向已知的偏振片4与光电探测器5，通过旋转偏振片，在不同旋转角度下采集光强的变化，确定双频激光器1的主应力方向。

根据弹性光学，所述激光模块的激光输出位置(位于输出腔镜11的中点位置)双频分量的光程差为：

其中，δ为双频分量的光程差，λ为激光的出射波长，D为输出腔镜11的直径，f₀为输出腔镜11光学材料(玻璃)的条纹值，其定义为当激光通过一英寸厚度的该材料时，能使激光产生的两个双频分量之间光程差相差一个激光波长的、施加在垂直激光传播方向上的材料的应力大小；F为施加在输出腔镜11的应力的大小，包括由于材料加工过程中内部的应力以及外部施加的力。该应力方向始终与激光传播方向垂直。

由于应力双折射效应，在输出腔镜11中双频分量存在光程差，其输出频差的大小为：

其中，ν为激光模块的出光频率，L为双频激光器的腔长，从公式知，当激光模块的参数固定时，双频激光器的频差大小Δν与施加在输出腔镜11上的应力F成线性关系。

在步骤S12中，可通过在双频激光器1的两侧加入磁条对的方式施加磁场，且磁场方向与双频激光器1主应力方向一致。

可以理解，所述磁场的施加方式不限，还可以采取其他形式形成所述磁场。

在步骤S13中，进一步，还可包括旋转双频激光器1及磁场的步骤，使双频激光器1的主应力方向垂直于竖直方向的步骤，从而能够方便调节紧固螺钉31和加力的压电陶瓷32。

在步骤S17中，数据处理模块8通过读取信号处理模块6的频差数据，作为比例积分微分控制程序的被控制量，通过程序计算，得到相应的调制信号，通过相连的压电陶瓷驱动模块7控制压电陶瓷32的位移量，从而实现双频激光器1的输出频差的稳定与调制。

具体的，数据处理模块8的数据采集模块读取信号处理模块6的频差数据，作为比例积分微分控制程序的被控制量，比例积分微分控制的表达式为：

其中u(t)为比例微分积分程序计算的相应调制信号，为数据处理模块8的输出值，并通过相连的压电陶瓷驱动模块7控制压电陶瓷32的伸缩量，K_p为比例参数，K_i为积分参数，K_d为微分参数，t为系统时间，e(t)为控制参量(即双频激光器实际输出的频差)与设定的频差值之间的差。比例积分微分控制程序的参数K_p、K_i、K_d，可以由图3(a)及图3(b)中的双频激光器输出频差变化和压电陶瓷位移变化量的线性关系曲线得到。

本发明施例提供的双频激光器输出频差的稳频装置和方法，可以同时稳定和调制双频激光器的输出频差。另外，通过数据处理模块中的比例积分微分控制程序，可以精确的控制双频激光器输出频差的大小。同时，通过压电陶瓷的加力装置，可以在一定范围内调制双频激光器的频差大小。本发明的双频激光器输出频差的稳频装置和方法装置结构简单，适用范围广，性价比高；另，可以在一定范围内增加双频激光器输出的频差大小，可以显著提高双频激光干涉仪的测量速度。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种双频激光器输出频差的稳频装置，其特征在于，所述双频激光器输出频差的稳频装置包括：

磁场施加模块，用于产生与双频激光器输出的双频激光垂直的磁场，所述双频激光器设置于所述磁场中；

稳频模块，包括压电陶瓷，所述压电陶瓷设置于双频激光器的输出腔镜上，用于调整双频激光器输出的双频激光的频差值；

偏振片，设置于所述双频激光器输出的双频激光的光路上形成双频拍频光；

光电探测器，设置于偏振片出射的双频拍频光的光路上，用于接收双频拍频光，并将光信号转化为电信号；

信号处理模块，与光电探测器电连接以采集光电探测器的电信号，将电信号转换为频差信号；

压电陶瓷驱动模块，与压电陶瓷电连接，用于控制压电陶瓷的位移量以调制施加在输出腔镜上的应力大小；

数据处理模块，与所述信号处理模块及压电陶瓷驱动模块电连接，用于根据信号处理模块获得的频差信号，通过压电陶瓷驱动模块驱动压电陶瓷，以调整施加在输出腔镜上的应力大小。

2.根据权利要求1所述的双频激光器输出频差的稳频装置，其特征在于，所述双频激光器输出的两束双频激光的双频分量偏振态方向相互垂直，且其中一个分量的偏振方向与输出腔镜的主应力方向相同，另一个分量的偏振方向与主应力方向垂直。

3.根据权利要求1所述的双频激光器输出频差的稳频装置，其特征在于，所述磁场施加模块包括两个磁条间隔且相对设置于双频激光器的两侧，用于形成垂直于双频激光方向的磁场。

4.根据权利要求1所述的双频激光器输出频差的稳频装置，其特征在于，所述压电陶瓷设置于输出腔镜的边缘，且使所述压电陶瓷的位移方向平行于输出腔镜的主应力方向。

5.根据权利要求4所述的双频激光器输出频差的稳频装置，其特征在于，所述压电陶瓷沿平行于输出腔镜的主应力方向对输出腔镜施加压力。

6.根据权利要求1所述的双频激光器输出频差的稳频装置，其特征在于，所述压电陶瓷设置于所述输出腔镜的边缘，用于向所述输出腔镜施加压力以调整双频激光器输出的双频激光的频差值。

7.根据权利要求1所述的双频激光器输出频差的稳频装置，其特征在于，所述稳频模块还包括紧固装置，所述紧固装置设置于所述输出腔镜边缘，用于将所述压电陶瓷卡设在所述输出腔镜上。

8.一种利用权利要求1-7中任意一项所述的双频激光器输出频差的稳频装置进行稳频的方法，其特征在于，所述方法包括：

向双频激光器施加磁场，且磁场方向与双频激光器主应力方向一致；

调整压电陶瓷的位置，使压电陶瓷的位移方向与双频激光器主应力方向一致；

旋转偏振片的偏振方向，使双频激光的两个分量形成稳定的拍频光，调整偏振片的偏振方向，使拍频光的幅值最大；

利用光电探测器探测拍频光，并将拍频光转换为电信号；

通过信号处理模块，用于采集光电探测器的电信号，将其转换为频差值；

通过数据采集模块采集频差值，与所需的频差值做比较获得差值，根据差值调整压电陶瓷的位移量，使双频激光器输出的双频激光的频差值达到所需的频差值。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述数据处理模块的输出值u(t)与双频激光器实际输出的频差与所需的频差值之间的差e(t)的关系为：

$u\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+K_i{\∫}_o^{t}e\left(t\right)dt+K_d\frac{de\left(t\right)}{dt};$

其中K_p为比例参数，K_i为积分参数，K_d为微分参数，t为系统时间。