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。本发明专利技术的方法包括以下步骤：测量激光器所处的环境温度Ｔ↓［０］，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△Ｐ；激光管温度达到热平衡温度Ｔ↓［ｓｅｔ］，根据两功率之差△Ｐ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△Ｐ趋近于零；两纵模光频率都得到稳定。本产品用于稳频。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光应用
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了克服上述已有技术中的不足，本专利技术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Tset；(2)开启激光器电源，并实时测量激光管的当前温度Treal，对热电致冷器加反向电流I并根据当前温度Treal和热平衡温度Tset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Tset。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Pm和Pm+1，并求出两功率之差ΔP；(3)激光管温度达到热平衡温度Tset，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，本专利技术还包括实现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。本专利技术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。本专利技术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，使用本专利技术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为本专利技术装置的原理示意2为本专利技术装置热电致冷器安装的结构示意3为本专利技术装置的结构示意4为本专利技术的预热过程中温度闭环控制系统示意5为本专利技术的稳频过程中功率差闭环控制系统示意6为本专利技术中热电致冷器电流方向与热交换方向的相互关系示意7为本专利技术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稳频状态灯本专利技术的具体实施例方式实施例1本专利技术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Tset。(2)开启激光器高压电源1，并实时测量激光管的当前温度Treal，对热电致冷器加反向电流I并根据当前温度Treal和热平衡温度Tset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Tset本文档来自技高网...
【技术保护点】
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Ｔ↓［０］，根据环境温度Ｔ↓［０］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△Ｐ；（３）激光管温度达到热平衡温度Ｔ↓［ｓｅｔ］，根据两功率之差△Ｐ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△Ｐ趋近于零；（４）光功率差△Ｐ＝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。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：谭久彬，胡鹏程，庞鸿光，路伟，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]
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