双同位素塞曼激光器及其稳频方法技术

一种双同位素塞曼激光器及其稳频方法，属激光器稳频技术。本发明专利技术采用双同位素增益介质塞曼激光器，使谱线中心拍频值提高，所得拍频极大化稳频塞曼激光器拍频值可达１．２～１．５ＭＨｚ，其它指标亦满足塞曼激光测量系统的要求。本发明专利技术可用于超精加工设备和微细加工设备等工作台的定位控制、以及一般几何量的精密测量。（*该技术在2008年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属激光器稳频技术。塞曼激光测量系统已在微细加工设备几何量和形状误差等精密测量中获得了广泛的应用，纵向稳频塞曼激光器是塞曼激光测量系统的核心部件。为满足测量系统的要求，纵向稳频塞曼激光器应满足下列要求频率稳定度和波长复现性优于10-8量级，拍频值达1.5MHz左右，拍频波动量小于10KHz。1967年，L.S.Culter专利技术了拍频极值化稳频纵向单同位素塞曼激光器，其基本原理是，在磁通密度一定的情况下，塞曼激光器的拍频值随激光器腔调谐而变化，相应于谱线中心处拍频取得极值。用电子伺服系统将塞曼激光器的拍频值稳定在极值点上，就可使光频稳定在谱线中心。附图说明图1是该单同位素塞曼激光器的拍频曲线，从图1中曲线趋势可看出，当拍频极值达到0.8MHz时，拍频曲线趋于平缓，当拍频极值达到1.0MHz左右时，拍频曲线出现两个极小峰和一个极大峰，且曲线更为平缓。曲线平缓意味着稳频精度下降甚至稳频失败，因此该专利技术所能得到的拍频值不超过0.8MHz，和实际需要相差甚远。T.Baer在1980年，中国计量科学研究院在1984年，Mark.A.Zumberge在1985年依相同的原理相继研制成功各自的稳频纵向单同位素塞曼激光器，拍频值均未超过0.8MHz.L.S.Culter的这项专利技术经过了20多年的历史，并不断有人对其改进，却一直未能应用于塞曼激光测量系统，原因就在于拍频值太低。为了提高拍频值，中国计量科学院时频处对单同位素塞曼激光器拍频曲线做了详尽的研究，结果证明拍频极值化稳频塞曼激光器的拍频值难以提高到实用的大小，从而放弃了这一方法，提出了一种拍频锁定稳频方法，参考图2，这种方法是利用伺服系统将拍频值锁定在外界参考信号△fo上，从而使拍频值从△f1提高到△fo。这种方法的一个致命缺点是当磁通密度或Q值发生变化时，将引起拍频曲线的纵向漂移及形状变化，导致光频从UA漂至UB，使得频率长期稳定度和波长复现性下降。本专利技术的目的是为了克服上述各种稳频塞曼激光器的缺点，提供一种实用的拍频极值化稳频塞曼激光器，提高塞曼激光器的拍频值，以满足精密测量的实际要求。本专利技术提供一种新型拍频极值化稳频纵向塞曼激光器，由内充He-Ne混合气体的全内腔激光谐振腔、加在其一端外壳上的压电陶瓷、绕在腔外的热调节线圈及外加纵向磁场组成，其特征在于谐振腔内Ne气为Ne20、Ne22双同位素混合气体。本专利技术设计出一种拍频极值化稳频方法，其特征在于采用He-Ne双同位素塞曼激光器、分光镜、偏振分光棱镜、接收器、可逆计数器、D/A转换电路、时钟电路、PZT伺服电路和热伺服电路构成。经典理论和半经典理论的计算结果表明，拍频曲线的形状及拍频极值不仅与磁通密度的大小有关，还与激光器增益介质的增益曲线宽度有关，在相同的磁通密度条件下，增益曲线宽度越大，拍频极值越大，而提高增益曲线宽度的有效方法就是用双同位素Ne20、Ne22增益介质代替单同位素增益介质。上述计算结果得到了实验验证，图3是本专利技术提供的双同位素增益介质塞曼激光器的拍频曲线，这一组曲线与图1单同位素增益介质塞曼激光器的拍频曲线形状恰好相反，在相同磁通密度下，谱线中心处拍频值比图1有显著提高。由图3可见，双同位素增益介质塞曼激光器的拍频曲线有一部分是具有尖锐凸峰的上凸曲线，拍频极大值可达1.2～1.6MHz。采用双同位素增益介质激光器代替单同位素增益介质激光器，拍频极值化稳频塞曼激光器拍频值能达到实用要求的大小，这就解决了拍频极值化稳频塞曼激光器自专利技术20多年来一直未能解决的问题。附图简要说明图1为已有技术中的单同位素塞曼激光器拍频曲线。图2为拍频锁定法稳频点及其漂移。图3为本专利技术提供的双同位素塞曼激光器拍频曲线。图4为本专利技术提供的拍频极值化稳频方法实施方案框图。本专利技术提供的双同位素稳频塞曼激光器的最佳实施例是谐振腔长在150mm以内，以保证激光单模运行。为保证增益曲线及拍频曲线的对称性，Ne20气体的可用比例范围为占Ne气体的(53±5)%，双同位素的最佳混合比例为Ne20∶Ne22＝53∶47，为充气控制方便，亦可采用等比例混合，即Ne20∶Ne22＝1∶1。本专利技术提供的拍频极值化稳频方法实施方案如图4所示，这一方法的关键在于取得拍频曲线的一阶导数。其工作原理叙述如下时钟电路输出30Hz标准方波，用于控制可逆计数器的加减和D/A转换电路的采样，以及激光频率的调制。用两对半圆硬质玻璃环将压电陶瓷固定在激光谐振腔的外壳上，30Hz方波经PZT伺服电路放大加到压电陶瓷上，伸缩谐振腔以实现对激光频率的调制，在方波的低电平期间，计数器加计数;在方波的高电平期间，计数器减计数。经过一个周期后，计数器中的余数与拍频曲线上某点的一阶导数成正比，若拍频取得极值，则此时一阶导数为零，计数器中余数亦为零。D/A转换电路依计数器中余数的正负将其转换为负正的模拟量，P2T伺服电路和热伺服电路将此模拟量放大，输出至压电陶瓷和加热线圈，缩短或伸长激光谐振腔直至计数器中余数为零，拍频取得极值，光频稳定在谱线中心。由该实施例组成的双同位素稳频塞曼激光器，其拍频值达到1.5MHz，拍频稳定度达10-3，频率稳定度达2×10-8，波长复现性达3×10-8(3σ)，满足了实际精密测量的要求。其特点是频率稳定度和波长复现性不受磁通密度和Q值等因素变化的影响，误差因素少，易达到较高精度。权利要求1.一种He-Ne纵向塞曼激光器，由内充Ne-He混合气体的全内腔激光谐振腔、加在其一端外壳上的电压陶瓷、绕在腔外的热调节线圈及外加纵向磁场组成，其特征在于谐振腔内Ne气为Ne20、Ne22双同位素混合气体。2.如权利要求1所说的塞曼激光器，其特征在于所充的双同位素气体Ne20的充气比例可用范围为(53±5)%，3.如权利要求2，其特征在于所充双同位素气体比例为Ne20∶Ne22＝53∶47。4.如权利要求2所说的塞曼激光器，其特征在于所充双同位素气体比例为Ne20∶Ne22＝1∶1。5.一种拍频极值化稳频方法，其特征在于采用He-Ne双同位素塞曼激光器、分光镜、偏振分光棱镜、接收器、可逆计数器、D/A转换电路、时钟电路、PZT伺服电路和热伺服电路构成。全文摘要一种，属激光器稳频技术。本专利技术采用双同位素增益介质塞曼激光器，使谱线中心拍频值提高，所得拍频极大化稳频塞曼激光器拍频值可达1.2～1.5MHz，其它指标亦满足塞曼激光测量系统的要求。本专利技术可用于超精加工设备和微细加工设备等工作台的定位控制、以及一般几何量的精密测量。文档编号H01S3/134GK1041068SQ8810644公开日1990年4月4日 申请日期1988年9月8日 优先权日1988年9月8日专利技术者沈钊, 邵学, 余兴龙, 殷纯永 申请人:清华大学 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Ｈｅ－Ｎｅ纵向塞曼激光器，由内充Ｎｅ－Ｈｅ混合气体的全内腔激光谐振腔〔６〕、加在其一端外壳上的电压陶瓷〔７〕、绕在腔外的热调节线圈〔９〕及外加纵向磁场组成，其特征在于谐振腔内Ｎｅ气为Ｎｅ↑〔２０〕、Ｎｅ↑〔２２〕双同位素混合气体。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：沈钊，邵学，余兴龙，殷纯永，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]