CN109755858A - 激光设备和激光稳定方法 - Google Patents

Abstract

一种激光设备，包括：激发光源；谐振器，接收来自激发光源的激发光并生成激光；吸收单元，激光被发射到该吸收单元；光转换器，将通过吸收单元的激光转换成光输出信号；三阶微分锁定放大器，生成光输出信号的三阶微分信号；以及控制器。当检测到三阶微分信号的预定波形时，该控制器包括：返回控制器，基于该预定波形确定谐振器长度的返回方向；以及谐振器长度控制器，将谐振器长度改变到返回方向。

Description

激光设备和激光稳定方法

相关申请的交叉引用

本申请依据35U.S.C.§119要求于2017年11月1日提交的日本申请No.2017-212034的优先权，其公开内容明确地通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明涉及激光设备和激光稳定方法。

背景技术

传统地，已知一种激光设备，其中谐振器的振荡频率被稳定到吸收单元的具体(specific)饱和吸收线(参见例如日本专利特许公开No.2008-141054)。为了稳定振荡频率，这种激光设备包括驱动控制器，该驱动控制器基于从谐振器发射的激光的光输出信号来控制谐振器长度。

具体而言，驱动控制器首先在预定范围内改变谐振器长度，并基于光输出信号的二阶微分信号和三阶微分信号搜索饱和吸收线(饱和吸收线搜索处理)。在饱和吸收线搜索的处理中，二阶微分信号和三阶微分信号示出如图10中所示的波形。当二阶微分信号的输出值等于或高于预定电压值Vth并且三阶微分信号的输出值在0V附近时，驱动控制器确定已经观察到饱和吸收线(参见图11)。

接下来，通过实现已经观察到具体饱和吸收线的谐振器长度，驱动控制器将振荡频率锁定到与该具体饱和吸收线相对应的频率(频率锁定处理)。然后，驱动控制器使用三阶微分信号的输出值作为指数(index)并控制谐振器长度，使得三阶微分信号的输出值在0V附近。因而，振荡频率稳定在具体饱和吸收线的中心频率附近(频率稳定控制)。

在由传统的激光设备进行的频率稳定控制中，如上所述，通过控制谐振器长度使谐振器长度保持在目标值Lo，使得三阶微分信号的输出值在0V附近(参见图12)。

但是，当对谐振器壳体发生诸如振动之类的外部干扰等时，由于谐振器长度的突然改变，输出值可能超过控制范围Rc。例如，如图12中所示，当谐振器长度具有控制范围Rc之外的值L1或L2时，即使谐振器长度从目标值Lo显著改变，三阶微分信号的输出值也接近0V。在这种情况下，不能基于三阶微分信号的输出值来控制谐振器长度，并且不能继续频率稳定控制。因此，需要花费时间和精力来重新启动激光设备等。

发明内容

本发明提供允许稳定的频率稳定控制得以继续的激光设备和激光稳定方法。

根据本发明的激光设备包括：激发光源；谐振器，接收来自激发光源的激发光并生成激光；吸收单元，激光发射到吸收单元；光转换器，将通过吸收单元的激光转换成光输出信号；微分信号发生器，生成光输出信号的三阶微分信号；返回控制器，当检测到三阶微分信号的预定波形时基于该预定波形确定谐振器长度的返回方向；以及谐振器长度控制器，将谐振器长度改变到返回方向。

在本发明中，类似于传统技术，在具体饱和吸收线出现的谐振器长度的范围(控制范围)内，基于三阶微分信号将谐振器长度控制为目标值(频率稳定控制)。因而，激光的振荡频率被稳定到具体饱和吸收线。在这个示例中，三阶微分信号在谐振器长度由于外部干扰等引起的突然改变而偏离控制范围的时刻示出预定波形。例如，三阶微分信号的预定波形包括等于或大于预定范围的峰波形，并且波形的形状取决于由于外部干扰等引起的谐振器长度的改变处于增加的方向还是减少的方向而不同。鉴于上述情况，在本发明中，返回控制器基于检测到的三阶微分信号的波形确定用于将谐振器长度返回到原始状态的返回方向。谐振器长度控制器将谐振器长度改变到返回方向，并且由此，谐振器长度可以返回到具体饱和吸收线出现的原始控制范围。因此，根据本发明的激光设备，即使在发生外部干扰等时，也可以稳定地继续频率稳定控制。

在本发明的激光设备中，优选地，当三阶微分信号指示预定波形时，返回控制器基于初始峰值为正或为负来确定谐振器长度的返回方向。在本发明中，可以容易地确定谐振器长度的返回方向。

根据本发明的激光稳定方法使用一种激光设备，该激光设备包括激发光源、接收来自激发光源的激发光并生成激光的谐振器、激光被发射到的吸收单元、将通过吸收单元的激光转换成光输出信号的光转换器、以及生成光输出信号的三阶微分信号的微分信号发生器。当检测到三阶微分信号的预定波形时，该方法基于该波形确定谐振器长度的返回方向，并将谐振器长度改变到返回方向。在本发明中，类似于如上所述的本发明的激光设备，即使在发生外部干扰等时，也可以稳定地继续频率稳定控制。

本发明的激光设备和激光稳定方法可以稳定地继续频率稳定控制。

附图说明

通过本发明的示例性实施例的非限制性示例，参考所提到的多个附图，在下面的详细描述中进一步描述本发明，其中相同的标号贯穿附图的若干视图表示相似的部分，并且其中：

图1是根据本发明实施例的激光设备的示意图；

图2是图示该实施例中的激光设备的控制器的框图；

图3是图示该实施例中的频率返回处理的流程图；

图4是图示三阶微分信号相对于谐振器长度的改变的曲线图；

图5是图示三阶微分信号相对于谐振器长度的改变的曲线图；

图6是图示在谐振器长度偏离控制范围的时刻三阶微分信号的波形的曲线图；

图7是图示三阶微分信号相对于谐振器长度的改变的曲线图；

图8是图示在谐振器长度偏离控制范围的时刻三阶微分信号的波形的曲线图；

图9是图示三阶微分信号相对于谐振器长度的改变的曲线图；

图10A和10B是传统技术的解释图，其中图10A图示了二阶微分信号相对于谐振器长度的改变，并且图10B图示了三阶微分信号相对于谐振器长度的改变；

图11A和11B是传统技术的解释图，其中图11A图示了二阶微分信号相对于谐振器长度的改变，并且图11B图示了三阶微分信号相对于谐振器长度的改变；以及

图12是本发明的挑战的解释图，图示了三阶微分信号相对于谐振器长度的改变。

具体实施方式

本文示出的细节是作为示例并且仅仅是为了本发明的实施例的说明性讨论，并且是为了提供被认为是最有用且易于理解的本发明的原理和概念方面的描述而呈现的。在这方面，没有试图比对本发明的基本理解所必需的更详细地示出本发明的结构细节，连同附图一起进行的描述使本领域技术人员明白本发明的形式如何可以在实践中实施。

在下文中，参考附图描述本发明的实施例。

激光设备的配置

如图1中所示，激光设备1包括激光发生器10、激光检测器20和驱动控制器30。

激光发生器10包括激发光源11和谐振器12。激发光源11例如通过流过驱动电流而发射808nm附近的激发光La1。

谐振器12包括固态激光介质121、非线性光学晶体122、标准具123、谐振器镜(resonator mirror)124、致动器125以及在内部容纳它们的壳体126。固态激光介质121例如是Nd：YVO₄晶体等，并且发射由激发光La1激发的、具有在1064nm附近的波长的光(基波光)。此外，对于激发光La1入射侧的固态激光介质121的表面，施加通过激发光La1并反射基波光的涂层。非线性光学晶体122例如是KTP晶体等，并且将从固态激光介质121发射的基波光转换成具有在532nm附近的波长的光(二次谐波光)。标准具123通过穿过具有预定波长的光将基波光和二次谐波光设置为单模。

谐振器镜124经由致动器125(诸如压电元件)附接到壳体126。对于谐振器镜124的标准具123侧的表面，施加反射基波光并穿过二次谐波光的涂层。谐振器镜124根据施加到致动器125的电压Va沿着谐振器12的光轴方向移动。换句话说，致动器125被配置为改变谐振器12的谐振器长度L。

在谐振器12中，从固态激光介质121发射的基波光在固态激光介质121和谐振器镜124之间往复运动，并且由非线性光学晶体122转换成二次谐波光。由非线性光学晶体122转换的二次谐波光穿过谐振器镜124并作为激光La2从谐振器12发射。

激光检测器20包括1/2波片21、第一偏振分束器22、第二偏振分束器23、1/4波片24、吸收单元(absorption cell)25(诸如碘单元)、反射镜26和光学转换器27。

在激光检测器20中，从谐振器12发射的激光La2通过具有由1/2波片21调节的偏振方向撞击(strike)第一偏振分束器22。来自第一偏振分束器22的入射光被划分为P偏振光的透射光和S偏振光的反射光。其中，S偏振光的反射光(激光La3)被发射到激光设备1的外部并用于长度测量等。

另一方面，由第一偏振分束器22划分的P偏振光的透射光(激光La4)穿过第二偏振分束器23并且经由1/4波片24在吸收单元25处发光(fire)。穿过吸收单元25的光被反射镜26反射并穿过吸收单元25和1/4波片24并再次撞击第二偏振分束器23。在这个时候，再次撞击第二偏振分束器23的入射光是通过两次穿过1/4波片24的S偏振光的光，因此，被第二偏振分束器23反射并撞击光转换器27。光转换器27向驱动控制器30输出与入射光的强度相对应的光输出信号Sd1。

驱动控制器30包括解调信号发生器31、二阶微分锁定放大器33、三阶微分锁定放大器32、致动器驱动电路34和控制器40。解调信号发生器31输出频率为1fHz、2fHz和3fHz的调制信号1f、2f和3f。二阶微分锁定放大器33利用调制信号2f解调光输出信号Sd1并生成二阶微分信号Sd2。三阶微分锁定放大器32是本发明的微分信号发生器，并且利用调制信号3f解调光输出信号Sd1并生成三阶微分信号Sd3。致动器驱动电路34基于从控制器40输入的控制信号Sv向致动器125输出利用调制信号1f解调的电压Va。

如图2中所示，控制器40通过组合存储器、CPU(中央处理单元或处理器)等来被配置，并且通过读取和执行存储在存储器中的程序来用作谐振器长度控制器41和返回(return)控制器42。谐振器长度控制器41将控制信号Sv输出到致动器驱动电路34，并由此控制施加到致动器125的电压Va。因而，控制谐振器12的谐振器长度L。在下面的描述中，当谐振器长度控制器41利用控制信号Sv控制电压Va时，其可以简单地被描述为控制谐振器长度L。当谐振器长度L偏离控制范围Rc时，返回控制器42确定谐振器长度L的返回方向。此外，控制器40包括存储器43，存储器43按时间顺序存储从三阶微分锁定放大器32输出的三阶微分信号Sd3。

控制器40的操作

在控制器40中，谐振器长度控制器41和返回控制器42执行以下操作，以便将谐振器12的振荡频率稳定到吸收单元25的具体饱和吸收线。首先，谐振器长度控制器41通过改变谐振器长度L来基于二阶微分信号Sd2和三阶微分信号Sd3搜索吸收单元25的饱和吸收线(饱和吸收线搜索处理)。

吸收单元25的饱和吸收线作为光输出信号Sd1的峰(peak)出现。因此，谐振器长度控制器41将谐振器长度L记录为检测到饱和吸收线的值，在二阶微分信号Sd2的输出值等于或大于预定电压值并且三阶微分信号Sd3的输出值在0V附近的地方，形成谐振器长度L。

接下来，谐振器长度控制器41将谐振器长度L调节到与具体饱和吸收线的中心波长相对应的值(目标值Lo)(参见图4)。因而，谐振器12的振荡频率被锁定在该具体饱和吸收线的中心频率附近(频率锁定处理)。

然后，谐振器长度控制器41控制谐振器长度L，以便使用三阶微分信号Sd3的输出值作为指标(indicator)在具体饱和吸收线出现的谐振器长度L的范围(控制范围Rc)内将三阶微分信号Sd3的输出值保持在0V附近(频率稳定控制，参见图4)。在本实施例的控制范围Rc中，随着谐振器长度L增加，三阶微分信号Sd3增加。因此，在频率稳定控制中，当三阶微分信号Sd3的输出值在0V附近的正侧时，谐振器长度L减小；而当三阶微分信号Sd3的输出值在0V附近的负侧时，谐振器长度L增加。因而，谐振器长度L稳定在目标值Lo处，因此谐振器12的振荡频率稳定在具体饱和吸收线的中心频率附近。

在下文中，参考图3的流程图描述频率稳定控制的操作。在频率稳定控制开始之后，返回控制器42开始获得三阶微分信号Sd3的输出值并监测所获得的三阶微分信号Sd3的输出值(步骤S1)。在此期间，存储器43将三阶微分信号Sd3的输出值与获得其所花费的时间一起存储预定时间，并且定期更新。

接下来，返回控制器42基于三阶微分信号Sd3的跳变(transition)确定是否检测到三阶微分信号Sd3的预定波形(步骤S2)。在这个示例中，三阶微分信号Sd3的预定波形是在谐振器长度L由于外部干扰等而突然改变并且偏离控制范围Rc的时刻出现的波形。例如，如图5中所示，当谐振器长度L大于控制范围Rc时(诸如，当谐振器长度L从Lo变为L1时)，三阶微分信号Sd3的输出值在快速上升和急剧下潜之后在0V附近，如箭头M11所示。换句话说，三阶微分信号Sd3改变以在正方向上超过并且示出如图6所示的第一波形W1。另外，如图7中所示，当谐振器长度L小于控制范围时Rc(诸如，当谐振器长度L从Lo变为L2时)，三阶微分信号Sd3的输出值在急剧下潜和快速上升之后在0V附近，如箭头M21所示。换句话说，三阶微分信号Sd3改变以在负方向上超过并且示出如图8所示的第二波形W2。

在步骤S2中，当达到作为初始峰值的正峰值P1之后三阶微分信号Sd3接近0V时，返回控制器42确定检测到第一波形W1。此外，当达到作为初始峰值的负峰值P2之后三阶微分信号Sd3接近0V时，返回控制器42确定检测到第二波形W2。在这个示例中，P1和P2是与谐振器长度L的控制范围Rc的上限值和下限值相对应的三阶微分信号Sd3的输出值。在这里，描述检测到三阶微分信号Sd3在达到峰值P1或P2之后立即返回到0V附近的示例。但是，代替峰值P1和P2，可以定义预定余量添加到P1和P2的阈值Pt1和Pt2。具体而言，当三阶微分信号Sd3达到正阈值Pt1之后三阶微分信号Sd3立即返回到0V附近时，返回控制器42可以确定检测到第一波形W1；并且当三阶微分信号Sd3达到负阈值Pt2之后三阶微分信号Sd3立即返回到0V附近时，可以确定检测到第二波形W2。

当检测到三阶微分信号Sd3的预定波形时(步骤S2：是)，返回控制器42使谐振器长度控制器41暂时停止频率稳定控制(步骤S3)。另一方面，当未检测到三阶微分信号Sd3的预定波形时(步骤S2：否)，返回控制器42重复步骤S2。

接下来，返回控制器42基于三阶微分信号Sd3的预定波形(第一波形W1或第二波形W2)确定谐振器长度L的返回方向(步骤S4)。在步骤S4中，当检测到的波形是第一波形W1时(步骤S4：“W1”，参见图6)，返回控制器42将谐振器长度L的返回方向确定为减小方向(步骤S5)。但是，当检测到的波形是第二波形W2时(步骤S4：“W2”，参见图8)，返回控制器42将谐振器长度L的返回方向确定为增加方向(步骤S6)。换句话说，当三阶微分信号Sd3是在正方向上超过的信号时(初始峰值为正)，返回方向被确定为减小方向；当三阶微分信号Sd3是在负方向上超过的信号时(初始峰值为负)，返回方向被确定为增加方向。在使用阈值Pt1和Pt2的情况下，当检测到三阶微分信号Sd3已经超过正阈值Pt1时，可以将返回方向确定为减小方向；并且当检测到三阶微分信号Sd3已经超过负阈值Pt2时，可以将返回方向确定为增加方向。

然后，基于由返回控制器42确定的返回方向，谐振器长度控制器41开始扫描电压Va并改变谐振器长度L(步骤S7)。例如，当谐振器长度L由于外部干扰等而改变为大于控制范围Rc的L1时(参见图5)，通过使谐振器长度控制器41在减小方向上扫描电压Va，谐振器长度L开始减小。因而，三阶微分信号Sd3如箭头M12所示改变。但是，当谐振器长度L由于外部干扰等而改变为小于控制范围Rc的L2时(参见图7)，通过使谐振器长度控制器41在增加方向上扫描电压Va，谐振器长度L开始增加。因而，三阶微分信号Sd3如箭头M22所示改变。

接下来，返回控制器42确定是否再次检测到三阶微分信号Sd3的预定波形(步骤S8)。在步骤S8中检测到的预定波形源自谐振器长度L返回到初始控制范围Rc的改变，并且由返回控制器42检测预定波形的具体方法与步骤S2相同。

当返回控制器42检测到预定波形时(步骤S8：是)，谐振器长度L返回到控制范围Rc。因此，返回控制器42使谐振器长度控制器41停止扫描电压(步骤S9)，以重新启动频率稳定控制(步骤S10)，然后返回到步骤S2。另一方面，当返回控制器42未检测到预定波形时(步骤S8：否)，谐振器长度L不再次返回到控制范围Rc。因此，返回控制器42重复步骤S8，直到检测到预定波形。在执行频率稳定控制的同时连续不断地执行上述处理。

实施例的效果

根据本实施例，当谐振器长度L由于外部干扰等而改变为控制范围Rc之外的值时，确定谐振器长度L的返回方向，并且通过将谐振器长度L改变到返回方向上而允许谐振器长度L返回到控制器范围Rc内。因此，激光设备1能够继续频率稳定控制而不执行重新启动等。另外，在本实施例中，当三阶微分信号Sd3指示预定波形时，能够基于初始峰值为正或负来容易地确定谐振器长度L的返回方向。

修改

本发明不限于上述实施例，并且包括在能够实现本发明的优点的范围内的修改和改进。

本实施例图示了当谐振器长度L增加时正峰值P1出现在三阶微分信号Sd3中(三阶微分信号Sd3在正方向上超过)以及当谐振器长度L减小时负峰值P2出现在三阶微分信号Sd3中(三阶微分信号Sd3在负方向上超过)的示例。但是，取决于从光转换器27到三阶微分锁定放大器32的电路配置，由于谐振器长度L的增加，三阶微分信号Sd3可以在负方向上超过，并且由于谐振器长度L的减小，三阶微分信号Sd3可以在正方向上超过。在这种情况下，在步骤S3中，当检测到的波形是第一波形W1时，返回控制器42可以确定谐振器长度L的返回方向是增加方向；并且当检测到的波形是第二波形W2时，返回控制器42可以确定谐振器长度L的返回方向是减小方向。

在步骤S2中，可以适当地修改用于判断是否检测到三阶微分信号Sd3的预定波形的标准。例如，返回控制器42可以仅利用具有检测到的三阶微分信号Sd3的峰值(与P1或P2大致相同的程度)的事实来确定检测到三阶微分信号Sd3的预定波形。

在步骤S4中，可以适当地修改用于判断谐振器长度L的返回方向的标准。例如，三阶微分信号Sd3的波形W1和W2在初始大峰之后包括反向的小峰(参见图6和8)。鉴于此，返回控制器42可以基于在三阶微分信号Sd3的预定波形中的第二峰值为正或为负来确定谐振器长度L的返回方向。

在上述实施例中，给出了通过将谐振器长度L改变到控制范围Rc之外而使三阶微分信号Sd3接近0V的示例(参见图5和7)，但是，即使在其它情况下，本实施例也能够实现效果。例如，如图9中所示，在谐振器长度L变为L3或L4并且三阶微分信号Sd3具有除0V之外的值的情况下，与谐振器长度L在控制范围Rc中的情况相比，描绘三阶微分信号Sd3相对于谐振器长度L的改变的趋势(inclination)反转。因此，取决于传统技术，不能适当地执行频率稳定控制。另一方面，根据本实施例，当谐振器长度L改变为L3或L4时，类似于谐振器长度L改变为L1或L2的情况，返回控制器42检测到三阶微分信号Sd3的预定波形并允许谐振器长度L返回到控制范围Rc。因此，可以在不执行重新启动等的情况下继续频率稳定控制。

在步骤S7至S9中，谐振器控制器41改变谐振器长度L，直到三阶微分信号Sd3的预定波形被指示。但是，可以改变谐振器长度L，直到三阶微分信号Sd3再次接近0V。

本发明提供了能够继续稳定的频率稳定控制的激光设备和激光稳定方法。

要注意的是，提供前述实施例仅仅是为了解释的目的，而决不应当被解释为对本发明的限制。虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应该理解的是，本文使用的词语是描述和说明的词语，而不是限制性的词语。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以在所附权利要求的范围内，如现在陈述和修订后的那样进行改变。虽然本文已经参考特定结构、材料和实施例描述了本发明，但是本发明并不旨在限于本文公开的细节；更确切地说，本发明扩展到所有功能上等同的结构、方法和用途，诸如在所附权利要求的范围内。

本发明不限于上述实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种变化和修改。

Claims (3)

1.一种激光设备，包括：

激发光源；

谐振器，接收来自所述激发光源的激发光并生成激光；

吸收单元，所述激光被发射到所述吸收单元；

光转换器，将通过所述吸收单元的激光转换成光输出信号；

微分信号发生器，生成所述光输出信号的三阶微分信号；以及

处理器和存储指令的存储器，作为当所述处理器执行存储在所述存储器中的指令时的配置，所述处理器还包括：

返回控制器，当检测到所述三阶微分信号的预定波形时基于所述预定波形确定谐振器长度的返回方向；以及

谐振器长度控制器，将所述谐振器长度改变到所述返回方向。

2.根据权利要求1所述的激光设备，其中，当所述三阶微分信号指示所述预定波形时，所述返回控制器基于初始峰值为正或为负来确定所述谐振器长度的返回方向。

3.一种采用一种激光设备的激光稳定方法，所述激光设备包括激发光源、接收来自所述激发光源的激发光并生成激光的谐振器、激光被发射到的吸收单元、将通过所述吸收单元的激光转换成光输出信号的光转换器、以及生成所述光输出信号的三阶微分信号的微分信号发生器，所述方法包括：

当检测到所述三阶微分信号的预定波形时，基于所述波形确定谐振器长度的返回方向；以及

将所述谐振器长度改变到所述返回方向。