CN1983747A - 基于热电致冷器的双纵模激光器稳频方法与装置 - Google Patents

Abstract

基于热电致冷器的双纵模激光器稳频方法与装置，激光稳频方法主要是压电陶瓷稳频法等。本发明的方法包括以下步骤：测量激光器所处的环境温度T₀，确定热平衡温度T_set；开启激光器电源，并实时测量激光管的当前温度T_real，根据当前温度T_real和热平衡温度T_set之差调整反向电流I值，加热激光管，使温度趋近T_set。同时分别测量激光器偏振方向相互垂直的m阶和m+1阶纵模的光功率P_m和P_m+1，并求出两功率之差ΔP；激光管温度达到热平衡温度T_set，根据两功率之差ΔP的正、负对热电致冷器施加正、反向电流，控制对激光管的温度处理、谐振腔长度和激光纵模频率，使得两纵模激光频率对称，光功率差ΔP趋近于零；两纵模光频率都得到稳定。本产品用于稳频。

Description

基于热电致冷器的双纵模激光器稳频方法与装置

技术领域

本发明属于激光应用技术领域，特别是一种基于热电致冷器的双纵模激光器稳频方法与装置。

背景技术

激光的特点之一是单色性好，其自发辐射噪声引起的激光线宽极限很小，但由于各种不稳定因素的影响，自由运转的激光器光频率漂移远远大于线宽极限。在精密干涉测量、光频标、光通信及精密光谱研究等应用领域中，激光作为长度标准要求光频率(波长)具有很好的稳定性。

根据执行器的不同，激光稳频方法主要可分为压电陶瓷稳频法、电热丝稳频法、放电电流稳频法和风冷稳频法等。压电陶瓷稳频法采用压电晶体控制腔长，其在美国劳伦斯实验室的大型超精密金刚石车床激光外差干涉测量系统应用中频率不确定度可高达10^-9，但工艺结构复杂，价格昂贵，压电材料蠕变大且使用周期短。电热丝稳频法控制缠绕在激光管外或管内的电热丝的电流大小，调节激光管温度和谐振腔腔长来稳定激光器输出光频率，美国惠普公司利用该方法获得10^-8的频率稳定度，但这种方法既要求系统具有良好的散热条件，又要防止热交换过快带来的温度不稳定，因而其热结构设计困难，且由于热调谐的容性滞后，该方法不能用于锁定反馈信号为极值(如塞曼效应频差峰值)的稳频系统中。放电电流稳频法类似于电热丝稳频法，通过调节激光管放电电流，改变激光管温度和谐振腔腔长来稳定激光器输出光频率，但改变放电电流将影响光强、光频差等反馈信号的大小和增益曲线的中心频率点位置，因此其频率稳定性一般不高于10^-7。风冷稳频法可以主动降低激光管温度，散热条件好，但其温升只能由激光管自身发热引起，热控制曲线的对称性设计困难，且由于气流流动容易带来震动，影响稳频效果。

此外，在稳频过程中激光器达到热平衡状态是稳频的重要条件之一，上述稳频方法都对电热丝加恒电压进行预热，特别是电热丝稳频法中为避免热饱和一般设定激光管预热目标温度为固定值且大于激光管自然运转热平衡温度，因而在不同的外界环境下预热效果和预热时间相差较大，甚至预热时间长达1小时以上也难以达到稳频要求，影响了这些方法在工业现场的应用。

发明内容

为了克服上述已有技术中的不足，本发明提出了一种基于热电致冷器的双纵模激光器稳频方法。该方法对热电致冷器加反向电流对激光管预热至其自然运转热平衡温，再通过控制热电致冷器电流的大小和方向改变激光器谐振腔腔长来控制激光器输出双纵模光功率之差为零，此时两纵模光频率均得到稳定。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

基于热电致冷器的双纵模激光器稳频方法，该方法包括以下步骤：

(1)测量激光器所处的环境温度T₀，根据环境温度T₀确定双纵模激光器激光管自然开机状态下的热平衡温度T_set；

(2)开启激光器电源，并实时测量激光管的当前温度T_real，对热电致冷器加反向电流I并根据当前温度T_real和热平衡温度T_set之差不断调整反向电流I值大小，加热激光管，使其温度趋近热平衡温度T_set。同时分别测量激光器偏振方向相互垂直的m阶和m+1阶纵模的光功率P_m和P_m+1，并求出两功率之差ΔP；

(3)激光管温度达到热平衡温度T_set，根据两功率之差ΔP的正、负对热电致冷器施加正、反向电流，控制其对激光管制冷、加热，改变激光管的温度、谐振腔长度和激光纵模频率，使得两纵模激光频率关于增益曲线中心频率对称，光功率差ΔP趋近于零；

(4)光功率差ΔP＝0时，则热电致冷器电流I＝0，两纵模光频率稳定的对称分布于增益曲线中心频率两侧，两纵模光频率都得到稳定。

基于热电致冷器的双纵模激光器稳频装置，其组成包括：高压电源、温度传感器、散热器、偏振分光器、光电探测器、前置放大器、后置放大器、低通滤波器、A/D转换器、微处理器、D/A转换器、滤波电感，本发明还包括实现He-Ne激光管与工作环境之间以散热器为媒介的热交换、以实现预热和稳频两个控制过程的热电致冷器及其控制器，以及降低所述的He-Ne激光管与工作环境之间热交换的隔热层。

本发明的优点是：

在激光器开机前先测量激光器环境温度，根据环境温度确定预热目标温度值，并以预热目标温度为参考信号，激光管1温度为反馈信号，两者之差为偏差信号，热电致冷器6为执行元件，激光管1为控制对象，构成用于激光管预热的温度闭环控制系统。预热目标温度随初始环境温度变化而调节，且在预热过程中预热电流随着偏差信号的变化不断变化而不是保持恒值，有利于减小环境温度的影响，快速有效的达到预热目的，这是区别现有技术的创新点之一；

结合偏振分光器12，光电探测器13、14分别采集两纵模光功率，在激光管1达到热平衡后，以零值为输入，两功率之差为电压形式的反馈信号，热电致冷器6为可实行加热、致冷的执行元件，谐振腔腔长为控制对象，构成零定值的激光功率差控制系统，间接稳定激光器输出光频。本发明利用热电致冷器的加热、致冷效应来减小、增加腔长，通过双向跟踪特性高效率地稳定激光器输出光频率，这是区别现有技术的创新点之二；

采用热电致冷器6稳频的稳频装置具有独特的热交换结构，利用隔热层9大大降低激光管1与外界的自由热交换，同时以铝导热层4为热交换介质，用热电致冷器6实现受控的激光管1与外界热交换，使被稳频环节处于相对稳定的热环境中，有利于提高稳频的抗干扰能力，这是区别现有技术的创新点之三；

采用上述技术后，稳频装置具有如下显著特点：

1)在环境温度不同的情况下，预热时间和预热效果的一致性比较好，使用本发明预热方法的稳频装置可适用于较多的工业应用现场，避免了现有稳频装置随着环境温度不同出现的预热时间加长，预热效果不理想等缺点；

2)热电致冷器的致冷和加热双重功能，可保证激光器的温度和频率处于双向(升高、降低)完全受控状态下，避免了原热稳频装置因设计不足出现的热饱和热功率不足而进一步引起的光频单向漂移甚至跳模问题。

3)隔热器件大大降低了激光管与外界的自由热交换、热电致冷器实现受控的激光管与外界热交换，这种机构避免了原稳频装置的光频稳定性易受外界环境温度、气流速度变化影响的缺点。

附图说明

图1为本发明装置的原理示意图

图2为本发明装置热电致冷器安装的结构示意图

图3为本发明装置的结构示意图

图4为本发明的预热过程中温度闭环控制系统示意图

图5为本发明的稳频过程中功率差闭环控制系统示意图

图6为本发明中热电致冷器电流方向与热交换方向的相互关系示意图

图7为本发明实施例在不同初始环境下的预热温度数据曲线

图8实施例所用He-Ne激光管1在预热过程中双纵模光功率变化数据曲线

图中，1He-Ne激光管、2高压电源、3和5和7硅胶导热层、4铝导热层、5热电致冷器、8散热器、9隔热层、10温度传感器、11环境温度传感器、12偏振分光器、13和14光电探测器、15和16前置放大器、17和18后置放大器、19和20低通滤波器、21和22A/D转换器、23微处理器、24D/A转换器、25热电致冷控制器、26和27滤波电感、28预热状态灯、29稳频状态灯

本发明的具体实施方式：

实施例1：

本发明的技术解决方案是：一种基于热电致冷器的双纵模激光器稳频方法，该方法包括以下步骤

(1)测量激光器所处的环境温度T₀，根据环境温度T₀确定双纵模激光器激光管在该环境温度下自然开机后的热平衡温度T_set。

(2)开启激光器高压电源1，并实时测量激光管的当前温度T_real，对热电致冷器加反向电流I并根据当前温度T_real和热平衡温度T_set之差不断调整反向电流I值大小，加热激光管1，使其温度趋近热平衡温度T_set。同时分别测量激光器偏振方向相互垂直的m阶和m+1阶纵模的光功率P_m和P_m+1，并求出两功率之差ΔP。

(3)激光管1温度达到热平衡温度T_set，根据两功率之差ΔP的正、负对热电致冷器6施加正、反向电流，控制其对激光管1制冷、加热，改变激光管1的温度、谐振腔长度和激光纵模频率，使得两纵模激光频率关于增益曲线中心频率对称，光功率差ΔP趋近于零。

(4)光功率差ΔP＝0时，则热电致冷器6电流I＝0，两纵模光频率稳定的对称分布于增益曲线中心频率两侧，两纵模光频率都得到稳定。

一种基于热电致冷器的双纵模激光器稳频装置，主要由He-Ne激光管1、高压电源2、硅胶导热层3和5和7、铝导热层4、热电致冷器6、散热器8、隔热层9、温度传感器10、环境温度传感器11、偏振分光器12、光电探测器13和14、前置放大器15和16、后置放大器17和18、低通滤波器19和20、A/D转换器21和22、微处理器23、D/A转换器24、热电致冷控制器25、滤波电感26和27、预热状态灯28、稳频状态灯29构成。整个装置利用热电致冷器6实现He-Ne激光管1与工作环境之间以散热器8为媒介的热交换，实现预热和稳频两个控制过程。

本发明的基于热电致冷器的双纵模激光器稳频装置的结构及工作原理结合实施例及附图详细说明如下：

本发明的基于热电致冷器的双纵模激光器稳频装置一实施例，结构如图3所示，包括：He-Ne激光管1、高压电源2、硅胶导热层3和5和7、铝导热层4、热电致冷器6、散热器8、隔热层9、温度传感器10、环境温度传感器11、偏振分光器12、光电探测器13和14、前置放大器15和16、后置放大器17和18、低通滤波器19和20、A/D转换器21和22、微处理器23、D/A转换器24、热电致冷控制器25、滤波电感26和27、预热状态灯28、稳频状态灯29。

实施例装置开始工作时，微处理器23(ATML89C52)驱动预热状态灯28(LED)，显示装置进入预热状态；微处理器23根据环境温度传感器11(DS18B20)测得的环境温度设定热平衡温度，开启高压电源2点亮He-Ne激光管1；在预热控制中，微处理器23以热平衡温度为输入信号，温度传感器10(HTS206)测得的激光管温度为输出信号和反馈信号，根据MPC这一适用于滞后系统的控制算法，输出数字信号通过D/A转换器24(AD420)数模转换得到模拟电压，将此模拟电压送到功率放大热电致冷控制器25(MAX1968)得到PWM脉宽调制信号，以控制通过热电致冷器6(杭州建华TEC1-3503T125)的反向电流I大小，对导热层3、4、5和He-Ne激光管1加热；串接在电流回路中的大功率电感26、27滤除PWM信号中的高频交流电流以获得较好的控制效果。

在达到热平衡温度后，微处理器23关断预热状态灯28(LED)，驱动稳频状态灯29(LED)，微处理器23切换整个装置开始稳频控制：He-Ne激光管1发出的双纵模光根据其偏振特性被偏振分光器12(PBS)分光并分别为光电探测器(PN)13、14转换成两个代表功率大小的电流信号；此两电流信号经前置放大器(TLC2652)15和16，后置放大器(OP07)17和18，再通过A/D转换器(AD976)21和22采集为数字量输入微处理器23，求出两纵模光功率之差；以零值为输入量，光功率差作为反馈信号，微处理器23根据MPC这一适用于滞后系统的控制算法，输出数字信号通过D/A转换器24数模转换得到模拟电压，将此模拟电压送到热电致冷控制器25得到PWM脉宽调制信号以控制通过热电致冷器6的电流大小和方向，对导热层3、4、5和He-Ne激光管1加热或者致冷，改变激光管的温度、谐振腔长度和激光纵模频率，使得两纵模激光频率关于增益曲线中心频率对称，光功率差趋近于零。当光功率差稳定于零值附近时，微处理器23关断稳频状态灯29(LED)，表明稳频工作完成。

图2给出了本发明装置中He-Ne激光管1安装示意图。目前He-Ne激光管一般为圆形，而热电致冷器一般为平板形，为实现两者之间的热交换，本发明设计了形状如图所示的铝导热层4，而硅胶导热层3、5、7主要是为导热填充物，提高He-Ne激光管1和铝导热层4之间，铝导热层4和热电致冷器6之间，热电致冷器6和散热器8之间的热传导性能。

图6说明了实施例中热电致冷器6电流方向与热能方向相互关系。

实施例中热电致冷器6是应用半导体材料显著的帕尔帖效应和其它有关热电效应而设计制造的半导体组件，据有体积小，寿命长，无噪声振动和无任何污染等优点，原理是：当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能发生能量的转移：电流由N型元件流向P型元件，接头吸收热量，成为冷端；电流由P型元件流向N型元件，接头释放热量。成为热端。热能方向由电流的方向决定，吸收热量和放出热量的大小由电流大小决定。

当实施例中热电致冷器6的正电极端输入电流时，热能从He-Ne激光管1输出，依次经硅导热层3，铝导热层4，硅胶导热层5，热电致冷器6，硅胶导热层7，到达散热器8，散热器8有较大面积，因此热量很容易通过空气对流和辐射的形式散到空气中；当实施例中热电致冷器6的负电极端输入电流时，散热器8通过空气对流和辐射的形式从空气中吸收热能，依次经硅胶导热层7，热电致冷器6，硅胶导热层5，铝导热层4，硅胶导热层3，到达He-Ne激光管1。

图7给出了本发明装置实施例在不同初始环境下的预热温度数据曲线，从曲线变化趋势可以得出在不同的初始温度环境下，激光器预热曲线变化趋势基本一致，在15分钟左右温度上升至距目标温度0.1℃之内，且温度变化率很小，基本达到热平衡。说明装置在不同的工业现场，经过时间基本一致的预热，都能获得热平衡，提供较好的稳频条件。

图8给出了本发明装置实施例所采用的He-Ne激光管1双纵模光功率变化数据。

实施例所采用谐振腔长度l为150mm的633nm同轴式内腔He-Ne激光管，根据谐振腔选模理论，其模间距与光速c和谐振腔长度有关：

$f_{m+1}-f_m=\frac{c}{2l}\≈1\mathrm{GHz}---\left(1\right)$

而增益宽度为1.2～1.5GHz，因此在激光器自然运转的大部分时刻，激光器可保持两个纵模同时振荡，又由于模式竞争的关系两纵模为相互垂直的偏振光，且功率较大的优势振荡模偏振方向总是出现在激光管谐振腔的损耗较小的固定径向上，并随着增益的变化两模的偏振方向突然互换，出现跳模现象。但这种“跳模”现象随着各种激光器气体成分，谐振腔损耗和双折射特性的不同而不同，如果跳模现象在功率相等点出现，则此点不能稳定控制。从图3中可见，本实施例采用的激光管的“跳模”并不出现在两纵模功率相等的时刻，因此激光管可通过控制稳定在两纵模功率相等，频率相对增益曲线中心频率对称分布的状态。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但是依照法律规定这些说明不会限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上进行的、该领域技术人员能够根据已有知识做出的改动都是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于热电致冷器的双纵模激光器稳频方法，其特征是：该方法包括以下步骤：

(1)测量激光器所处的环境温度T₀，根据环境温度T₀确定双纵模激光器激光管自然开机状态下的热平衡温度T_set；

(2)开启激光器电源，并实时测量激光管的当前温度T_real，对热电致冷器加反向电流I并根据当前温度T_real和热平衡温度T_set之差不断调整反向电流I值大小，加热激光管，使其温度趋近热平衡温度T_set。同时分别测量激光器偏振方向相互垂直的m阶和m+1阶纵模的光功率P_m和P_m+1，并求出两功率之差ΔP；

(3)激光管温度达到热平衡温度T_set，根据两功率之差ΔP的正、负对热电致冷器施加正、反向电流，控制其对激光管制冷、加热，改变激光管的温度、谐振腔长度和激光纵模频率，使得两纵模激光频率关于增益曲线中心频率对称，光功率差ΔP趋近于零；

(4)光功率差ΔP＝0时，则热电致冷器电流I＝0，两纵模光频率稳定的对称分布于增益曲线中心频率两侧，两纵模光频率都得到稳定。

2、根据权利要求1所述的基于热电致冷器的双纵模激光器稳频方法，其特征是：预热前测量了环境温度，并据此确定了预热目标温度。

3、根据权利要求1或2所述的基于热电致冷器的双纵模激光器稳频方法，其特征是：预热目标温度等于He-Ne激光管自然开机状态下的热平衡温度，而不要求高于He-Ne激光管自然开机的热平衡温度。

4.根据权利要求1或2所述的基于热电致冷器的双纵模激光器稳频方法，其特征是：预热过程中热电制冷器电流不是恒定值，而是根据当前温度T_real和热平衡温度T_set之差不断调整；调整方法可依据PID算法，也可以是MPC算法，PFC算法等适用于热滞后系统的控制算法。

5、根据权利要求1或2所述的基于热电致冷器的双纵模激光器稳频方法，其特征是：预热过程中采用了热电致冷器对He-Ne激光管加热。

6、根据权利要求1或2所述的基于热电致冷器的双纵模激光器稳频方法，其特征在于预热后的稳频阶段采用了热电致冷器对He-Ne激光管进行致冷和预热以控制腔长。

7、一种基于热电致冷器的双纵模激光器稳频装置，其组成包括：高压电源、温度传感器、散热器、偏振分光器、光电探测器、前置放大器、后置放大器、低通滤波器、A/D转换器、微处理器、D/A转换器、滤波电感，其特征是：本发明还包括实现He-Ne激光管与工作环境之间以散热器为媒介的热交换、以实现预热和稳频两个控制过程的热电致冷器及其控制器，以及降低所述的He-Ne激光管与工作环境之间热交换的隔热层。

8.根据权利要求7所述的基于热电致冷器的双纵模激光器稳频装置，其特征是：在所述的He-Ne激光管和铝导热层之间具有高效导热的硅胶导热层，在所述的铝导热层和热电致冷器之间具有高效导热的硅胶导热层，在所述的散热器和热电致冷器之间具有高效导热的硅胶导热层。

9、根据权利要求8所述的基于热电致冷器的双纵模激光器稳频装置，其特征是：在所述的铝导热层中嵌入了对铝导热层的温度进行监控的温度传感器。

10、根据权利要求7或8所述的基于热电致冷器的双纵模激光器稳频装置，其特征是：其组成还包括采用了作为激光管与外界热交换导体、降低了激光管与外界环境自由热交换的整个导热层结构。

Images