CN111064072A - 基于激光管多点加热的高频率复现性的激光稳频方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了基于激光管多点加热的高频率复现性的激光稳频方法与装置，所述激光稳频装置包括：稳频控制电路，所述稳频控制电路包括偏振分光镜、光功率转换电路、A/D转换电路、测温电路、微处理器、D/A转换器和加热薄膜驱动器，所述偏振分光镜设置在任一所述透光孔外，所述光功率转换电路设置在偏振分光镜的反射及折射光路上，所述光功率转换电路、A/D转换电路、微处理器、D/A转换器、加热薄膜驱动器和多组加热薄膜依次单向连接，所述温度传感器、测温电路和微处理器依次单向连接。本发明的方法可以使激光器的频率复现性从10^‑8提升至10^‑9，本发明的装置可以有效避免最终的稳频温度点漂移的情况。

Description

基于激光管多点加热的高频率复现性的激光稳频方法与装置

技术领域

本发明涉及基于激光管多点加热的高频率复现性的激光稳频方法与装置，属于激光应用技术领域。

背景技术

在测量技术领域中，激光干涉测量是实现超精密测控以及微纳尺度测量的最有效的手段之一，该种测量方式利用光的干涉实现测量，由于具有非接触、无损检测等特点，已经在各个领域得到重要应用，尤其针对光刻机等苛刻测量环境中实现多自由度干涉测量的要求。其中激光光源作为整个激光干涉测量系统的核心组件，其波长作为整个测量系统几何量的量值基准，激光器的频率稳定特性决定了整个激光干涉测量的精度上限，其中频率稳定特性包括频率稳定度和频率复现性两个方面，作为激光器光源光源质量的一项重要指标，频率复现性影响了激光器每次激光器的最终频率工作点，这会给整个激光干涉测量系统带来参考波长不一致，测量复现性低的问题，国内的商品级热稳频激光器能达到10^-8以上的频率稳频度，但是频率复现性很难突破10^-8，因此提高激光器的频率复现性是激光应用技术领域迫切需要解决的问题。

在主动稳频方法中，热稳频方法是双频激光器常见的稳频方法，该方法利用热执行机构对激光管内的温度进行控制，以双纵模光功率差零点作为稳频控制点，通过相应的控制算法调节热执行机构的驱动功率改变激光管内的温度，进而改变激光管腔长，最终实现了激光器的主动稳频。在上述稳频过程中，热执行器对激光管的精准的温度控制是整个稳频过程的核心问题，根据实际实验测量得知，对于普通玻璃的激光管，当稳频温度每变化0.1℃，频率变化0.2～0.6MHz，相对频率漂移约为10^-9，这将严重影响稳频精度和频率复现性。

英国Renishaw公司首先提出了基于电热丝的热稳频双纵模激光器方法(国际专利WO8801798：Pre-heat Control System for a Laser；国际专利WO8801799：FrequencyStabilized Laser and Control System Therefor)，该方法通过相应的稳频控制算法，改变缠绕在激光管外壁上电热丝的工作电流，调整激光管的温度和腔长，从而稳定激光管输出激光的频率，但是该种方式的热传递不可靠，并且易受环境温度影响。

为了避免环境温度带来的干扰，安捷伦厂商的HP5517将加热丝嵌入到激光管中，一方面利用加热丝加热激光管控制腔长，另一方面根据加热丝自身的电阻温度系数，当激光管的温度发生变化时，加热丝的电阻温度变化导致其两端的电压发生变化，测温电路通过该电压变化来表征激光管内部的温度。由于加热丝是嵌入到激光管的内部，这种方式不仅加热效率高，而且测温方式简单。但是受到国内加工工艺的限制，该种内嵌加热丝的激光管很难批量化生产。

为了改善热执行器与激光管之间的热传递，Niebauer利用加热薄膜作为热执行器来调节激光管的腔长，与其他加热器相比，加热薄膜的柔性弯曲度小于2mm，可以紧密的贴合在激光管的外部，因此它的热传递可靠，适用于调节激光管的温度。国外的Zygo公司的稳频激光器的热执行器就是采用这种方案，但是激光管玻璃外壳存在厚度不均匀的问题，整个激光管的温度传导是各向异性的，如果采用整体式无差别加热，激光管的内部温度场是不均匀的，

国内方面，陈正超、李华锋等(陈正超,李华丰,朱国勤.双纵模He-Ne激光器的热稳频技术研究[J].计测技术,2014,34(01):31-34.)设计出一种利用加热丝控温的双纵模稳频系统，该电路的加热丝驱动采用的是PWM驱动电路，驱动电压的误差约为20mV，虽然该电路的光电检测部分光功率分辨率足够高，但是驱动电压的误差较大，影响了加热丝的温控精度。

哈尔滨工业大学提出了一种基于热电致冷器的双纵模激光器稳频方法(中国专利CN100382398：基于热电致冷器的双纵模激光器稳频方法与装置)。该方法利用对TEC加反向电流发热的特性对激光管进行预热，再通过控制TEC电流的大小与方向控制激光管的温度使双频激光器的两个纵模的光功率差为零，最终进入稳频状态。该种方法可以减小激光器的预热时间，受外界环境的温度影响小，可以有效改善由于环境影响带来的激光器频率复现性的问题，但是该种方式的热结构存在缺陷，热电制冷器只安装在激光管的一侧，激光管的轴向以及纵向均存在温度梯度，激光管内受热不均匀，影响了激光器频率稳定性。

综上所述，激光管内的温度控制是激光稳频的核心问题，综合国内外的热稳频激光器进行分析，现有的激光器存在热接触不牢靠，激光管受热不均匀等问题，导致热执行器对激光管的控温精度下降，降低了激光器的频率复现性，因此目前的激光稳频技术很难在高频率稳定度的情况下提高激光器的频率复现性。

发明内容

本发明提出基于激光管多点加热的高频率复现性的激光稳频方法与装置，目的是针对现有的激光器频率复现性不足的问题，基于热稳频方法的激光器提供一种新型的加热测温方法，为新一代超精密加工测量的工业现场提供一种高频率稳定度高频率复现性的激光光源。

基于激光管多点加热的高频率复现性的激光稳频装置，包括：双纵模激光器电源、激光管、内导热胶层、多组加热薄膜、温度传感器、外导热胶层和隔热层，在所述多组加热薄膜内部分别嵌入所述温度传感器，并通过所述内导热胶层粘贴在所述激光管的外壁上，在所述多组加热薄膜的外部依次紧贴设置所述外导热胶层和隔热层，所述双纵模激光器电源的正负极分别连接在所述激光管的两端，所述隔热层靠近所述激光管的两端处各设置有一透光孔，所述双纵模激光器电源的正负极分别连接在所述激光管的两端，所述激光稳频装置还包括：稳频控制电路，所述稳频控制电路包括偏振分光镜、光功率转换电路、A/D转换电路、测温电路、微处理器、D/A转换器和加热薄膜驱动器，所述偏振分光镜设置在任一所述透光孔外，所述光功率转换电路设置在偏振分光镜的反射及折射光路上，所述光功率转换电路、A/D转换电路、微处理器、D/A转换器、加热薄膜驱动器和多组加热薄膜依次单向连接，所述温度传感器、测温电路和微处理器依次单向连接。

进一步的，所述多组加热薄膜为以良好热均匀性材料为基底的加热薄膜。

进一步的，所述多组加热薄膜不少于三组。

进一步的，所述温度传感器的温度测量精度为0.005℃。

基于激光管多点加热的高频率复现性的激光稳频方法，应用于上述的基于激光管多点加热的高频率复现性的激光稳频装置，所述激光稳频方法包括以下步骤：

步骤一、开启双纵模激光器电源，在激光管预热之前利用多组加热薄膜内嵌的温度传感器和测温电路对激光管的温度进行采集，记为T₁，...，T_N，对这组数据进行处理，取其特征温度为T_tube，将所述特征温度作为该环境状态下激光管的初始温度；

步骤二、对激光管自然预热，激光管内的光功率发生周期性变化，其中，从一个光功率到下一相同光功率的过程为一个模式，一段时间内利用多组加热薄膜中的温度传感器测量激光管的整体温度变化ΔT以及该段时间所对应的激光器光功率变化模式的数量ΔN，利用

计算激光管单个模式所对应的温度变化系数α；

步骤三、再次对激光器上电，重新采集多组温度传感器所对应的初始温度值T₀’，T₁’，...，T_N’，预设稳频时激光管的温度为T_set，对每个温度值利用模式温度变化系数α以及稳频时的预设温度T_set计算出激光管在对应温度达到预设温度时光功率应该变化的模式个数分别为ΔN₁，ΔN₂，...，ΔN_n，对这组数据进行处理，得到其特征模式个数为N_set，将N_set作为整个激光管(2)达到预设温度时光功率需要变化的模式个数；

步骤四、利用稳频控制电路上的加热薄膜驱动器控制多组加热薄膜对激光管加热，激光管进入预热阶段，利用两路光功率的变化记录整个激光管的模式变化数量，当模式变化数量达到N_set-2时，结束预热过程，激光管进入稳频控制阶段；

步骤五、在预热过程结束时，再次记录该时刻的温度T”，以该温度变化数据作为参考，对多组加热薄膜进行控制，当激光管的温度达到预热的温度目标T_set时，激光管的模式变化数量达到N，此时激光管锁定了该模式，微处理器通过算法控制多组加热薄膜的驱动电压对激光管的整体温度进行微调，最终控制激光管达到高频率稳定度的状态。

进一步的，所述ΔN小于N_set。

本发明的主要优点是：

(1)本发明利用加热薄膜作为激光管谐振腔长度调整的执行元件，与其他热执行元件相比，多组加热薄膜对激光管不同区域分别进行加热消除了由于受热不均匀导致的激光管输出频率漂移的影响。除此之外，加热薄膜内嵌的温度传感器可以避免由于外界环境温度变化或者激光器散热不充分导致的激光管初始温度测量不准的问题，减小了由于激光管初始温度漂移导致的最终稳频温度节点不同的问题，该方法可以使激光器的频率复现性从10^-8提升至10^-9，这是区别于现有的技术创新点。

(2)本发明在算法方面综合了温度以及光功率对于稳频判别参考的优势，通过光功率模式数量的判别，可以方便准确的测量出激光管内部的模式变化个数，减小激光器的预热时间；以温度为参考量，可以直接反应激光管的腔长变化，除此之外，多组加热薄膜可以分别利用相应的算法对激光管上的各个区域进行及时的温控，两者综合可以有效避免最终的稳频温度点漂移的情况，这是区别于现有的技术创新点。

附图说明

图1为本发明的基于激光管多点加热的高频率复现性的激光稳频装置的原理示意图；

图2为本发明的基于激光管多点加热的高频率复现性的激光稳频装置的结构示意图；

图3为图2中A-A向剖视图；

图4为激光管内光功率模式变换图；

图5为激光管内增益阈值与模式之间的关系图；

图6为激光管温度与光功率模式变化关系曲线图；

图7为激光管玻璃侧壁局剖图；

图8为稳频过程的控制系统示意图；

图9为稳频过程的闭环控制系统示意图；

图10为激光管腔长与温度之间的关系图。

其中，1为双纵模激光器电源、2为激光管、3为内导热胶层、4为多组加热薄膜、5为温度传感器、6为外导热胶层、7为隔热层、8为偏振分光镜、9为光功率转换电路、10为A/D转换电路、11为测温电路、12为微处理器、13为D/A转换器、14为加热薄膜驱动器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图2、图3及图7所示，基于激光管多点加热的高频率复现性的激光稳频装置，包括：双纵模激光器电源1、激光管2、内导热胶层3、多组加热薄膜4、温度传感器5、外导热胶层6和隔热层7，在多组加热薄膜4内部分别嵌入温度传感器5，并通过内导热胶层3粘贴在激光管2的外壁上，在多组加热薄膜4的外部依次紧贴设置外导热胶层6和隔热层7，双纵模激光器电源1的正负极分别连接在激光管2的两端，隔热层7靠近激光管2的两端处各设置有一透光孔，双纵模激光器电源1的正负极分别连接在激光管2的两端，激光稳频装置还包括：稳频控制电路，稳频控制电路包括偏振分光镜8、光功率转换电路9、A/D转换电路10、测温电路11、微处理器12、D/A转换器13和加热薄膜驱动器14，偏振分光镜8设置在任一透光孔外，光功率转换电路9设置在偏振分光镜8的反射及折射光路上，光功率转换电路9、A/D转换电路10、微处理器12、D/A转换器13、加热薄膜驱动器14和多组加热薄膜4依次单向连接，温度传感器5、测温电路11和微处理器12依次单向连接。

在本部分优选实施例中，双纵模激光器电源1，用于为激光管2提供电能；

激光管2，用于向偏振分光镜8输出激光；

内导热胶层3和外导热胶层6，用于传导热量；

多组加热薄膜4，用于接收并根据加热薄膜驱动器14的驱动信号对激光管2进行温度控制；

温度传感器5，用于采集激光管2的温度，并以电信号的形式传输给测温电路11；

隔热层7，用于阻绝隔热层7内部的热量耗散；

偏振分光镜8，用于反射及折射激光管2发出的激光至光功率转换电路9的光电转换器件上；

光功率转换电路9，用于将激光转换为光模拟信号并输出至A/D转换电路10；

A/D转换电路10，用于将光模拟信号转换为光数字信号并输出至微处理器12；

测温电路11，用于获取温度传感器5的温度模拟信号，将温度模拟信号转换为温度数字信号后传输至微处理器12；

微处理器12，用于处理光数字信号和温度数字信号，并输出温控数字信号至D/A转换器13；

D/A转换器13，用于将温控数字信号转换为温控模拟信号并输出至加热薄膜驱动器14；

加热薄膜驱动器14，用于根据温控模拟信号输出相应的驱动信号至多组加热薄膜4。

在本部分优选实施例中，多组加热薄膜4为以良好热均匀性材料为基底的加热薄膜。

在本部分优选实施例中，多组加热薄膜4不少于三组。

在本部分优选实施例中，温度传感器5的温度测量精度为0.005℃。

参照图1所示，基于激光管多点加热的高频率复现性的激光稳频方法，应用于上述的基于激光管多点加热的高频率复现性的激光稳频装置，激光稳频方法包括以下步骤：

步骤一、开启双纵模激光器电源1，在激光管2预热之前利用多组加热薄膜4内嵌的温度传感器5和测温电路11对激光管2的温度进行采集，记为T₁，...，T_N，对这组数据进行处理，取其特征温度为T_tube，将特征温度作为该环境状态下激光管2的初始温度；

步骤二、对激光管2自然预热，激光管2内的光功率发生周期性变化，其中，从一个光功率到下一相同光功率的过程为一个模式，一段时间内利用多组加热薄膜4中的温度传感器5测量激光管2的整体温度变化ΔT以及该段时间所对应的激光器2光功率变化模式的数量ΔN，利用

计算激光管2单个模式所对应的温度变化系数α；

步骤三、再次对激光器上电，重新采集多组温度传感器5所对应的初始温度值T₀’，T₁’，...，T_N’，预设稳频时激光管2的温度为T_set，对每个温度值利用模式温度变化系数α以及稳频时的预设温度T_set计算出激光管2在对应温度达到预设温度时光功率应该变化的模式个数分别为ΔN₁，ΔN₂，...，ΔN_n，对这组数据进行处理，得到其特征模式个数为N_set，将N_set作为整个激光管2达到预设温度时光功率需要变化的模式个数；

步骤四、利用稳频控制电路上的加热薄膜驱动器14控制多组加热薄膜4对激光管2加热，激光管2进入预热阶段，利用两路光功率的变化记录整个激光管2的模式变化数量，当模式变化数量达到N_set-2时，结束预热过程，激光管2进入稳频控制阶段；

步骤五、在预热过程结束时，再次记录该时刻的温度T”，以该温度变化数据作为参考，对多组加热薄膜4进行控制，当激光管2的温度达到预热的温度目标T_set时，激光管2的模式变化数量达到N，此时激光管2锁定了该模式，微处理器12通过算法控制多组加热薄膜4的驱动电压对激光管2的整体温度进行微调，最终控制激光管2达到高频率稳定度的状态。

在本部分优选实施例中，ΔN小于N_set。

下面给出一个具体实施例：

装置实例开始工作时，开启双纵模激光器的电源，在激光管预热之前利用加热薄膜内嵌的M组温度传感器5以及测温电路11对激光管2的温度进行采集，记为T₁，...，T_N，对这组数据进行处理，取其特征温度为T_tube，将该温度作为该环境状态下激光管的初始温度。加热薄膜4的温度传感器5测量激光管的整体温度变化ΔT以及该温度变化所对应的激光器光功率变化模式的数量ΔN，如图5为激光管2的模式变换数量与激光管2温度实际实验图像，由图像可知模式变化数量与激光管2的温度之间是线性关系，则温度变化系数α可以表示为：

当上述过程完成时，利用M个温度传感器5重新采集激光管2此时的温度值T₀’，T₁’，...，T_N’，预设稳频时整体激光管2的温度为T_set，对每个温度值利用模式温度变化系数α以及稳频时的预设温度T_set计算出激光管2在对应温度时达到预设温度时光功率应该变化的模式个数ΔN_i表示为：

ΔN_i＝T_i’·α

对这组数据进行处理，得到其特征模式个数为N_set。如图4为激光管2内的实际光功率电信号的模式变换图，光功率由一次最大值到下一次最大值过程为一个模式。将N_set作为整个激光管达到预设温度时光功率需要变化的模式个数。该过程结束后，热驱动电路14以合适的驱动电压驱动加热薄膜4，激光管2进入预热阶段，光功率转换电路9将双频光功率转换成电压信号，由A/D转换电路进行信号转换，并由微处理器12对模式光功率模式变换进行识别，当模式变化的数量达到当模式变化数量达到N_set-2时，结束预热过程，激光管2进入稳频控制阶段。

如图6所示为激光管2的侧壁局剖图，加热薄膜4给激光管2的热传递是沿轴向向里的，由于实际激光管2玻璃壳体存在非均匀性，因此预热过程结束时，在相同的驱动电压下M组加热薄膜4相同时间内上达到的温度点是不相同的，因此此时需要对激光管2进行多点的温度测量以及控制以消除激光管2上温度场的各项异性，如图9所示为本发明装置中双纵模稳频激光器稳频过程的闭环控制系统示意图，控制策略以温度为参考量，执行相应的算法给加热薄膜4一定的驱动电压，控制激光管的温度，达到控制激光管2腔长的目的，当激光管2的温度达到预热的温度目标T_set时，此时激光管2的模式变化数量达到N_set，双纵模激光管达到高频率稳定度状态，微处理器使能状态指示灯2，此时稳频工作过程完成，双纵模激光器频率稳定可用。

图5为激光管2内增益阈值与模式之间的关系图，对于双频激光器，整个光频率增益的谱线有且仅有两个是有效的，如图8为普通双频激光器功率平衡式双纵模稳频激光器稳频过程的控制系统示意图，此时激光器的稳频控制是以光功率为稳频参考，而光功率并不能直接反应激光管2的腔长关系，并且功率平衡式激光器多次上电的稳频时的温度工作点容易发生漂移，此时激光器相应的频率v₁与v₂也会发生漂移，而图8为本发明的稳频过程的控制系统的示意图，发明中的双频激光器以温度为参考量，可以直接反应激光管2的腔长，避免了激光管2稳频时温度工作点漂移的问题。

图10为激光管2温度变化与频率漂移之间的关系，激光管2以石英玻璃为材料，其谐振腔间隔材料的线膨胀系数为α＝6×10^-7/℃，因此频率漂移量与温度之间的关系满足式：

对于本发明的实际装置中所用的激光器温度传感器5的测温精度为0.005℃，因此如果最终激光器稳频的温度工作点与预设温度T_set之间的相对温差控制在0.01℃以内，最终的最大频率相对漂移量为6×10^-9，满足本发明最终对整体激光器高频率复现性的要求。

Claims (6)

1.基于激光管多点加热的高频率复现性的激光稳频装置，包括：双纵模激光器电源(1)、激光管(2)、内导热胶层(3)、多组加热薄膜(4)、温度传感器(5)、外导热胶层(6)和隔热层(7)，在所述多组加热薄膜(4)内部分别嵌入所述温度传感器(5)，并通过所述内导热胶层(3)粘贴在所述激光管(2)的外壁上，在所述多组加热薄膜(4)的外部依次紧贴设置所述外导热胶层(6)和隔热层(7)，所述双纵模激光器电源(1)的正负极分别连接在所述激光管(2)的两端，所述隔热层(7)靠近所述激光管(2)的两端处各设置有一透光孔，所述双纵模激光器电源(1)的正负极分别连接在所述激光管(2)的两端，其特征在于，所述激光稳频装置还包括：稳频控制电路，所述稳频控制电路包括偏振分光镜(8)、光功率转换电路(9)、A/D转换电路(10)、测温电路(11)、微处理器(12)、D/A转换器(13)和加热薄膜驱动器(14)，所述偏振分光镜(8)设置在任一所述透光孔外，所述光功率转换电路(9)设置在偏振分光镜(8)的反射及折射光路上，所述光功率转换电路(9)、A/D转换电路(10)、微处理器(12)、D/A转换器(13)、加热薄膜驱动器(14)和多组加热薄膜(4)依次单向连接，所述温度传感器(5)、测温电路(11)和微处理器(12)依次单向连接。

2.根据权利要求1所述的基于激光管多点加热的高频率复现性的激光稳频装置，其特征在于，所述多组加热薄膜(4)为以良好热均匀性材料为基底的加热薄膜。

3.根据权利要求2所述的基于激光管多点加热的高频率复现性的激光稳频装置，其特征在于，所述多组加热薄膜(4)不少于三组。

4.根据权利要求1所述的基于激光管温度多点采集的高频率复现性激光稳频装置，其特征在于，所述温度传感器(5)的温度测量精度为0.005℃。

5.基于激光管多点加热的高频率复现性的激光稳频方法，应用于权利要求1-4任一项所述的基于激光管多点加热的高频率复现性的激光稳频装置，其特征在于，所述激光稳频方法包括以下步骤：

步骤一、开启双纵模激光器电源(1)，在激光管(2)预热之前利用多组加热薄膜(4)内嵌的温度传感器(5)和测温电路(11)对激光管(2)的温度进行采集，记为T₁，...，T_N，对这组数据进行处理，取其特征温度为T_tube，将所述特征温度作为该环境状态下激光管(2)的初始温度；

步骤二、对激光管(2)自然预热，激光管(2)内的光功率发生周期性变化，其中，从一个光功率到下一相同光功率的过程为一个模式，一段时间内利用多组加热薄膜(4)中的温度传感器(5)测量激光管(2)的整体温度变化ΔT以及该段时间所对应的激光器(2)光功率变化模式的数量ΔN，利用

计算激光管(2)单个模式所对应的温度变化系数α；

步骤三、再次对激光器上电，重新采集多组温度传感器(5)所对应的初始温度值T₀’，T₁’，...，T_N’，预设稳频时激光管(2)的温度为T_set，对每个温度值利用模式温度变化系数α以及稳频时的预设温度T_set计算出激光管(2)在对应温度达到预设温度时光功率应该变化的模式个数分别为ΔN₁，ΔN₂，...，ΔN_n，对这组数据进行处理，得到其特征模式个数为N_set，将N_set作为整个激光管(2)达到预设温度时光功率需要变化的模式个数；

步骤四、利用稳频控制电路上的加热薄膜驱动器(14)控制多组加热薄膜(4)对激光管(2)加热，激光管(2)进入预热阶段，利用两路光功率的变化记录整个激光管(2)的模式变化数量，当模式变化数量达到N_set-2时，结束预热过程，激光管(2)进入稳频控制阶段；

步骤五、在预热过程结束时，再次记录该时刻的温度T”，以该温度变化数据作为参考，对多组加热薄膜(4)进行控制，当激光管(2)的温度达到预热的温度目标T_set时，激光管(2)的模式变化数量达到N，此时激光管(2)锁定了该模式，微处理器(12)通过算法控制多组加热薄膜(4)的驱动电压对激光管(2)的整体温度进行微调，最终控制激光管(2)达到高频率稳定度的状态。

6.根据权利要求5所述的基于激光管多点加热的高频率复现性的激光稳频方法，其特征在于，所述ΔN小于N_set。

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