基于腔长热调节的双纵模激光器偏频锁定方法和装置属于激光应用技术领域，本发明专利技术将１台功率平衡式双纵模稳频激光器Ａ输出激光的频率作为基准频率，同时通过腔长热调节使ｎ≥１台双纵模激光器Ｂ↓［１］，Ｂ↓［２］，．．．，Ｂ↓［ｎ］输出激光的频率与该基准频率保持为一固定差值，从而使双纵模激光器Ｂ↓［１］，Ｂ↓［２］，．．．，Ｂ↓［ｎ］输出激光具有统一的频率值，其相对频率稳定度和频率一致性均达到１０↑［－８］，克服了传统稳频激光器中由于基准频率不一致导致稳频激光器之间的频率一致性仅达到１０↑［－６］～１０↑［－７］的不足。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光应用
，特别是一种基于腔长热调节的双纵模激光器 偏频锁定方法及其装置。
技术介绍
近年来，以光刻机和数控机床为代表的超精密测量与加工技术朝着大尺度、 高精度、多空间自由度同步测量方向发展，对激光干涉测量系统提出了新的要 求，表现在 一方面，加工线宽的减小要求干涉测量系统的测量不确定度从10—7 提高到10—8，进而要求激光光源的相对频率稳定度要达到10—8;另一方面，大测 量尺度与多空间自由度同步测量导致干涉测量系统的总激光功率消耗急剧增 加，远超过单台稳频激光器的输出激光功率，因此需要同时采用多台稳频激光 器进行组合测量。然而，不同稳频激光器在相对频率稳定度、激光波长值、波 长漂移方向等方面存在差异，这将带来激光干涉测量系统不同空间自由度的测 量精度、波长基准和空间坐标不一致的问题，从而影响整个多维激光干涉测量 系统的综合测量精度。为了保证激光干涉测量系统的综合测量精度，要求组合 使用的多台稳频激光器的频率一致性要达到io.8，稳频激光器之间的频率一致性 已经成为超精密测量与加工技术发展亟需解决的关键问题之一。按照稳频基准频率不同，稳频激光器可分为两大类 一类以激光增益曲线 的中心频率作为稳频控制的参考频率，如兰姆凹陷稳频激光器、双纵模稳频激 光器、塞曼稳频激光器；另一类以原子或分子吸收谱线作为稳频控制的参考频 率，如碘饱和吸收稳频激光器。兰姆凹陷稳频激光器以增益曲线的中心频率为参考频率，利用压电陶瓷调 节谐振腔的长度和激光振荡频率，当激光器工作频率位于增益曲线的中心频率 处时，由于烧孔效应，激光器输出光功率具有极小值。兰姆凹陷稳频激光器的 频率稳定性与兰姆凹陷的宽度及其对称性相关，采用较低的工作气压可使凹陷 变窄，激光中心频率相对稳定度可达l(T9，但同时也会大幅度降低激光器的输出 光功率。由于激光增益曲线的中心频率随工作气体气压和放电条件而改变，且 多台稳频激光器在物理参数上无法做到高度一致，故其稳频控制的参考频率存 在差异，从而导致多台稳频激光器输出激光的频率一致性较低，只能到达10—6 l(T7。此外，兰姆凹陷稳频激光器输出激光的光强和频率均带有微小的音频调制， 调制深度约为10MHz，并且由于使用压电晶体和外腔式结构，造价昂贵，抗振 性能较差，预热时间长达2 3小时。双纵模稳频激光器和塞曼稳频激光器输出激光包含两种不同偏振状态和频 率的激光，通常以两种光的光功率差值作为稳频控制的反馈信号，将两种光的 频率稳定在关于激光增益曲线中心频率对称的位置上。双纵模稳频激光器和塞 曼稳频激光器在结构上可以采用外腔式和内腔式结构，其相应的腔长调节元件 分别为电陶瓷调节和电热器件，前者相对频率稳定度达10—9，但预热时间长，抗 振性能差，后者相对频率稳定度一般为10—8，但预热时间小于20分钟，且工作 环境适应好，目前已经在商品化的激光干涉测量系统中得到了广泛的应用。然 而，上述两种结构的双纵模稳频激光器和塞曼稳频激光器，其稳频控制的参考 频率实质上是激光增益曲线的中心频率，由于工作气压、放电电流等参数的差 异，多台稳频激光器输出激光频率一致性低的缺点依然存在， 一般为10—6 10—7。碘饱和吸收稳频激光器采用外腔式结构，其谐振腔中放置有高纯度的低压 碘蒸气吸收室，并利用压电陶瓷调节谐振腔的长度，使激光器的工作频率锁定 在127/2分子的超精细吸收谱线上。由于碘吸收室的气压只有l 10Pa，吸收峰的 宽度主要取决于吸收物质的自然线宽，其数值仅为几十KHz，远小于兰姆凹陷 的宽度，因此碘饱和吸收稳频激光器中心频率的相对频率稳定度可达1(T11 10—12。另一方面，由于采用了外部参考频率，该频率不受激光器工作物质气压 和放电电流等参数的影响，所以对于多台稳频激光器而言，其稳频控制的频率 基准是高度一致的，频率一致性可高达1(T11 10—12。然而，碘饱和吸收稳频激 光器输出激光功率仅达到几十^W，且输出光为调频激光，调制深度为几MHz。 此外，由于使用压电陶瓷调节元件，预热时间长、抗振性能差的缺点依然存在。针对碘饱和稳频氦氖激光器输出激光频率带有调制、光功率偏小的缺点， 国内外一些研究机构提出了偏频锁定的稳频激光器方案，其特点是将一台自由运转的激光器高精度跟踪另一台碘饱和吸收稳频激光器，并偏离碘稳频激光器 一固定的频率值，从而既能保持碘稳频激光器中心频率稳定度高的优点，又可 以输出频率无调制的大功率激光，此类激光器的相对频率稳定度达到或优于 10一9，输出功率达到mW量级，且由于此采用碘稳频激光中心频率作为稳频控 制的外部参考频率，多台稳频激光器的频率一致性达到10—9以上。然而，此类 激光器采用外腔式结构和压电陶瓷调节元件，除去预热时间长、抗振特性差的 不足外，整个激光器装置体积十分庞大。目前，该类激光器仅用于个别专用的 大型超精密加工设备中，且需要采取额外的防振措施。综上所述，兰姆凹陷稳频激光器的频率稳定度达到10—9，但抗振性能差、光5频有调制，无法应用于工业测量现场，且多台稳频激光器的频率一致性只达到 10'6 10'7;双纵模稳频激光器与塞曼稳频激光器的频率稳定度达到10—8 1(T9，特别是采用内腔结构的热稳频双纵模激光器与塞曼激光器工作环境适应能力 强、可携带性好，已经得到了广泛的实际应用，但仍然存在多台稳频激光器频 率一致性较低的缺点，不能满足超精密测量与加工技术发展对稳频激光器频率—致性提出的10'8要求；碘饱和吸收稳频激光器频率稳定性和一致性均优于 10—11，但输出光功率小、工作环境要求高， 一般只用于计量检定领域；基于压 电陶瓷并以碘饱和吸收稳频激光作为参考的偏频锁定激光器，其频率稳定度和 一致性达到10'9，但结构复杂、抗振能力差，适用场合受到严格限制。由此可见， 规有稳频激光器技术将难以满足新一代超精密加工与测量技术发展的要求。
技术实现思路
针对现有激光器稳频技术的不足，本专利技术提出了一种基于腔长热调节的双纵 模激光器偏频锁定方法，其目的是解决当前多维激光干涉测量系统中由于稳频激 光器之间的频率一致性差而导致综合测量精度偏低的问题，并为迅速发展的超精 密加工与测量技术提供一种频率一致性好、可直接应用于工业现场的新型激光光 源。本专利技术还提供了一种基于腔长热调节的双纵模激光器偏频锁定装置。本专利技术的目的通过以下技术方案实现一种基于腔长热调节的双纵模激光器偏频锁定方法，该方法包括以下步骤(1) 开启双纵模稳频激光器A电源，经过预热和稳频过程后，激光器A内 部激光管输出偏振方向相互正交的两个纵模光，利用偏振分光器取出其中一个纵 模光作为激光器A的输出光，该输出光由光纤分束器分离成n》l路，记为光束 ZpJ^,...,;^,其光波频率记为v,，作为双纵模激光器B,，B2,…,Bn偏频锁定的参 考频率；(2) 同时开启双纵模激光器8132，...311电源，其内部激光管外壁上的电热 眾件对激光管进行加热，使激光管的温度趋于预先设定的温度值并达到热平衡状 态，此时各激光管输出激光均包括偏振方向相互正交的两个纵模光，利用偏振分 光器件分离出其中一个纵模光作为双纵模激光器81，82，...,811的输出光，记为光束 };,72,...,};,相应的光波频率记为^本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于腔长热调节的双纵模激光器偏频锁定方法，其特征在于该方法包括以下步骤： （１）开启双纵模稳频激光器Ａ电源，经过预热和稳频过程后，激光器Ａ内部激光管输出偏振方向相互正交的两个纵模光，利用偏振分光器取出其中一个纵模光作为激光器Ａ的输出光，该输出光由光纤分束器分离成ｎ≥１路，记为光束Ｘ↓［１］，Ｘ↓［２］，．．．，Ｘ↓［ｎ］，其光波频率记为ｖ↓［ｒ］，作为双纵模激光器Ｂ↓［１］，Ｂ↓［２］，．．．，Ｂ↓［ｎ］偏频锁定的参考频率； （２）同时开启双纵模激光器Ｂ↓［１］，Ｂ↓［２］，．．．，Ｂ↓［ｎ］电源，其内部激光管外壁上的电热器件对激光管进行加热，使激光管的温度趋于预先设定的温度值并达到热平衡状态，此时各激光管输出激光均包括偏振方向相互正交的两个纵模光，利用偏振分光器件分离出其中一个纵模光作为双纵模激光器Ｂ↓［１］，Ｂ↓［２］，．．．，Ｂ↓［ｎ］的输出光，记为光束Ｙ↓［１］，Ｙ↓［２］，．．．，Ｙ↓［ｎ］，相应的光波频率记为ｖ↓［１］，ｖ↓［２］，．．．，ｖ↓［ｎ］； （３）双纵模激光器Ｂ↓［１］，Ｂ↓［２］，．．．，Ｂ↓［ｎ］在其预热过程结束后进入锁频控制过程，将光束Ｘ↓［１］，Ｘ↓［２］，．．．，Ｘ↓［ｎ］分别与光束Ｙ↓［１］，Ｙ↓［２］，．．．，Ｙ↓［ｎ］进行光学混频并形成ｎ路拍频光信号，利用高频光电探测器将ｎ路拍频光信号转换为ｎ路电信号，经信号调理后，其频率值由频率测量模块测得，记为Δｖ↓［１］，Δｖ↓［２］，．．．，Δｖ↓［ｎ］，其中Δｖｉ＝｜ｖ↓［ｉ］－ｖ↓［ｒ］｜（ｉ＝１，２，．．．，ｎ）； （４）将测量得到的频率值Δｖ↓［１］，Δｖ↓［２］，．．．，Δｖ↓［ｎ］作为锁频闭环控制的反馈信号，与预先设定的偏频参考值Δｖ↓［ｓｅｔ］求差，并根据锁频控制算法，调整缠绕在激光管上电热器件的电流值，改变激光管的温度和谐振腔长，进而调整双纵模激光器Ｂ↓［１］，Ｂ↓［２］，．．．，Ｂ↓［ｎ］输出激光的频率，使Δｖ↓［１］，Δｖ↓［２］，．．．，Δｖ↓［ｎ］趋于Δｖ↓［ｓｅｔ］； （５）当Δｖ↓［１］＝Δｖ↓［２］＝．．．＝Δｖ↓［ｎ］＝Δｖ↓［ｓｅｔ］时，双纵模激光器Ｂ↓［１］，Ｂ↓［２］，．．．，Ｂ↓［ｎ］锁频控制过程完成，其输出激光的频率锁定在同一频率值上，即ｖ↓［１］＝ｖ↓［２］＝．．．＝ｖ↓［ｎ］＝ｖ↓［ｒ］＋Δｖ↓［ｓｅｔ］（或ｖ↓［１］＝ｖ↓［２］＝．．．＝ｖ↓［ｎ］＝ｖ↓［ｒ］－Δｖ↓［ｓｅｔ］）...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：谭久彬，胡鹏程，付海金，杨睿韬，
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]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。