專利名稱：基于熱電致冷器的雙縱模激光器偏頻鎖定方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光應用技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于熱電致冷器的雙縱模激光器 偏頻鎖定方法及其裝置。
背景技術(shù)：
近年來，以光刻機和數(shù)控機床為代表的超精密測量與加工技術(shù)朝著大尺度、 離精度、多空間自由度同步測量方向發(fā)展，對激光干涉測量系統(tǒng)提出了新的要 求，表現(xiàn)在 一方面，加工線寬的減小要求干涉測量系統(tǒng)的測量不確定度從10—7 捧高到l(T8，進而要求激光光源的相對頻率穩(wěn)定度要達到1(T8;另一方面，大測 量尺度與多空間自由度同步測量導致干涉測量系統(tǒng)的總激光功率消耗急劇增 加，遠超過單臺穩(wěn)頻激光器的輸出激光功率，因此需要同時采用多臺穩(wěn)頻激光 器進行組合測量。然而，不同穩(wěn)頻激光器在相對頻率穩(wěn)定度、激光波長值、波 長漂移方向等方面存在差異，這將帶來激光干涉測量系統(tǒng)不同空間自由度的測 量精度、波長基準和空間坐標不一致的問題，從而影響整個多維激光干涉測量 系統(tǒng)的綜合測量精度。為了保證激光干涉測量系統(tǒng)的綜合測量精度，要求組合 使用的多臺穩(wěn)頻激光器的頻率一致性要達到10—8，穩(wěn)頻激光器之間的頻率一致性 已經(jīng)成為超精密測量與加工技術(shù)發(fā)展亟需解決的關(guān)鍵問題之一。
.按照穩(wěn)頻基準頻率不同，穩(wěn)頻激光器可分為兩大類 一類以激光增益曲線 的中心頻率作為穩(wěn)頻控制的參考頻率，如蘭姆凹陷穩(wěn)頻激光器、雙縱模穩(wěn)頻激 光器、塞曼穩(wěn)頻激光器；另一類以原子或分子吸收譜線作為穩(wěn)頻控制的參考頻 率，如碘飽和吸收穩(wěn)頻激光器。
蘭姆凹陷穩(wěn)頻激光器以增益曲線的中心頻率為參考頻率，利用壓電陶瓷調(diào) 節(jié)諧振腔的長度和激光振蕩頻率，當激光器工作頻率位于增益曲線的中心頻率 處時，由于燒孔效應，激光器輸出光功率具有極小值。蘭姆凹陷穩(wěn)頻激光器的 頻率穩(wěn)定性與蘭姆凹陷的寬度及其對稱性相關(guān)，采用較低的工作氣壓可使凹陷 變窄，激光中心頻率相對穩(wěn)定度可達io'9，但同時也會大幅度降低激光器的輸出 光功率。由于激光增益曲線的中心頻率隨工作氣體氣壓和放電條件而改變，且 多臺穩(wěn)頻激光器在物理參數(shù)上無法做到高度一致，故其穩(wěn)頻控制的參考頻率存
在差異，從而導致多臺穩(wěn)頻激光器輸出激光的頻率一致性較低，只能到達10—6 ib—7。此外，蘭姆凹陷穩(wěn)頻激光器輸出激光的光強和頻率均帶有一定的調(diào)制，調(diào)
制深度約為lOMHz。并且蘭姆凹陷穩(wěn)頻激光器采用壓電晶體和外腔式結(jié)構(gòu)，造 價昂貴，抗振性能較差，預熱時間長達2 3小時。
-雙縱模穩(wěn)頻激光器和塞曼穩(wěn)頻激光器輸出激光包含兩種不同偏振狀態(tài)和頻 率的激光，通常以兩種光的光功率差值作為穩(wěn)頻控制的反饋信號，將兩種光的 頻率穩(wěn)定在關(guān)于激光增益曲線中心頻率對稱的位置上。雙縱模穩(wěn)頻激光器和塞 曼穩(wěn)頻激光器在結(jié)構(gòu)上可以采用外腔式和內(nèi)腔式結(jié)構(gòu)。外腔式穩(wěn)頻激光器的腔 長調(diào)節(jié)執(zhí)行器件為壓電陶瓷器件，這種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)頻激光器相對頻率穩(wěn)定度達 10—9，但預熱時間長，抗振性能差。內(nèi)腔式穩(wěn)頻激光器的腔長調(diào)節(jié)執(zhí)行器件有電 ^器件和熱電致冷器，使用兩種執(zhí)行器件的內(nèi)腔式穩(wěn)頻激光器相對頻率穩(wěn)定度 ，能達到l(T8，且預熱時間小于20分鐘。但是采用電熱器件調(diào)節(jié)腔長進行穩(wěn)頻， 預熱目標溫度一般高出激光管自然預熱平衡溫度，因此在不同的環(huán)境溫度下預 熱時間差異較大，同時較高的預熱溫度帶來了光電轉(zhuǎn)換器件及其他器件的性能 參數(shù)的漂移，導致了穩(wěn)頻控制電路系統(tǒng)的不穩(wěn)定，較高的工作溫度還降低了激 光管工作壽命。
,為了解決電熱器件調(diào)節(jié)腔長穩(wěn)頻方法的上述缺點，哈爾濱工業(yè)大學提出了 一種基于熱電致冷器的雙縱模激光器穩(wěn)頻方法(中國專利CN100382398:基于 熱電致冷器的雙縱模激光器穩(wěn)頻方法與裝置)。該方法對熱電致冷器加反向電流 對激光管預熱至其自然運轉(zhuǎn)熱平衡溫，再通過控制熱電致冷器電流的大小和方 向改變激光器諧振腔腔長來控制激光器輸出雙縱模光功率之差為零，達到穩(wěn)頻 的目的。避免了現(xiàn)有穩(wěn)頻裝置隨著環(huán)境溫度不同出現(xiàn)的預熱時間加長，預熱效 果不理想，易受外界環(huán)境溫度、氣流速度變化影響的缺點。但在其設(shè)計的傳熱 結(jié)構(gòu)中，熱電致冷器安裝'在激光管的同一側(cè)，造成激光管外壁受熱或制冷不均 勻，存在溫度梯度，進而導致激光管的徑向畸變，影響輸出激光頻率的穩(wěn)定性。 此外這類雙縱模穩(wěn)頻激光器仍以激光增益曲線的中心頻率作為穩(wěn)頻控制的頻率 參考點，而此中心頻率容易受到溫度、氣壓等因素的影響而改變，激光相對頻 f準確度難以超過lO-8。
此外上述兩種結(jié)構(gòu)的雙縱模穩(wěn)頻激光器和塞曼穩(wěn)頻激光器，其穩(wěn)頻控制的 參考頻率與諧振腔長控制執(zhí)行器無關(guān)，實質(zhì)上都是激光增益曲線的中心頻率，
一于工作氣壓、放電電流等參數(shù)的差異，多臺穩(wěn)頻激光器輸出激光頻率一致性 低的缺點依然存在， 一般為1(T6 10—7。
'碘飽和吸收穩(wěn)頻激光器采用外腔式結(jié)構(gòu)，其諧振腔中放置有高純度的低壓 碘蒸氣吸收室，并利用壓電陶瓷調(diào)節(jié)諧振腔的長度，使激光器的工作頻率鎖定在127/2分子的超精細吸收譜線上。由于碘吸收室的氣壓只有1 10Pa，吸收峰的 寬度主要取決于吸收物質(zhì)的自然線寬，其數(shù)值僅為幾十KHz，遠小于蘭姆凹陷 的寬度，因此碘飽和吸收穩(wěn)頻激光器中心頻率的相對頻率穩(wěn)定度可達1(T11 10'12。另一方面，由于采用了外部參考頻率，該頻率不受激光器工作物質(zhì)氣壓 和放電電流等參數(shù)的影響，所以對于多臺穩(wěn)頻激光器而言，其穩(wěn)頻控制的頻率 基準是高度一致的，頻率一致性可高達10'u 10'12。然而，腔內(nèi)調(diào)制的碘穩(wěn)頻 激光器輸出光為調(diào)頻激光，其光波頻率的調(diào)制深度為幾MHz，因此總體上激光 柏對頻率準確度為10_8。此外，碘飽和吸收穩(wěn)頻激光器輸出激光功率僅達到幾十 ，由于使用壓電陶瓷調(diào)節(jié)元件，工藝結(jié)構(gòu)復雜，價格昂貴，壓電材料蠕變大 i使用周期短，預熱時間長、抗振性能差。
為了克服碘穩(wěn)頻氦氖激光器輸出激光頻率帶有調(diào)制、光功率偏小的缺點， 美國Lawrence Livemore實驗室的R. R. Donaldson等研制了偏頻鎖定的633 "w 氦氖激光器(R. R. Donaldson, S. R. Paterson. Design and Construction of a Large, Vertical-axis Diamond Turning Machine. Proc. Of SPIE. 1983, (433): 62 67)。該激 光器的特點是將一臺自由運轉(zhuǎn)的激光器高精度跟蹤另一臺碘穩(wěn)頻激光器，并偏 離碘穩(wěn)頻激光器一固定的頻率值，從而既保持了碘穩(wěn)頻激光器中心頻率相對準 確度高的優(yōu)點，又可以輸出頻率無調(diào)制的大功率激光，其相對頻率準確度達到 IQ-9，輸出功率達到15mW。然而，該類激光器采用外腔式諧振腔結(jié)構(gòu)和壓電陶 瓷調(diào)節(jié)元件，除去預熱時間長、抗振特性差的不足外，整個激光器裝置體積十 分龐大。目前，該類激光器僅用于個別專用的大型超精密加工設(shè)備中，且需要 采取額外的防振措施。
綜上所述，蘭姆凹陷穩(wěn)頻激光器的頻率穩(wěn)定度達到l(T9，但抗振性能差、光 頻有調(diào)制，無法應用于工業(yè)測量現(xiàn)場，且多臺穩(wěn)頻激光器的頻率一致性只達到 1(T6 1(T7;外腔式雙縱模穩(wěn)頻激光器與塞曼穩(wěn)頻激光器的相對頻率穩(wěn)定度可達 l(T9，但是預熱時間長、抗震性差，無法應用于工業(yè)測量現(xiàn)場；內(nèi)腔式雙縱模激 光器與塞曼激光器的相對頻率穩(wěn)定度達到IO'8，工作環(huán)境適應能力強、但其穩(wěn)頻 控制的參考頻率實質(zhì)上是激光增益曲線的中心頻率，由于工作氣壓、放電電流 等參數(shù)的差異，仍然存在多臺穩(wěn)頻激光器頻率一致性較低的缺點，不能滿足超 精密測量與加工技術(shù)發(fā)展對穩(wěn)頻激光器頻率一致性提出的10'8要求；碘飽和吸 收穩(wěn)頻激光器頻率穩(wěn)定性和一致性均優(yōu)于IO'11，但輸出光功率小、工作環(huán)境要 求高， 一般只用于計量檢定領(lǐng)域；基于壓電陶瓷并以碘飽和吸收穩(wěn)頻激光作為 參考的偏頻鎖定激光器，其頻率穩(wěn)定度和一致性達到IO'9，但結(jié)構(gòu)復雜、抗振能 力差，適用場合受到嚴格限制。由此可見，現(xiàn)有穩(wěn)頻激光器技術(shù)將難以滿足新 一代超精密加工與測量技術(shù)發(fā)展的要求。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有激光器穩(wěn)頻技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種基于熱電致冷器的雙縱 模激光器偏頻鎖定方法，其目的是解決當前多維激光干涉測量系統(tǒng)中由于穩(wěn)頻激 光器之間的頻率一致性差而導致綜合測量精度偏低的問題，并為迅速發(fā)展的超精 密加工與測量技術(shù)提供一種頻率一致性好、壽命長并可直接應用于工業(yè)現(xiàn)場的新 型激光光源。本發(fā)明還提供了一種基于熱電致冷器的雙縱模激光器偏頻鎖定裝 置。
本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)-' 一種基于熱電致冷器的雙縱模激光器偏頻鎖定方法，該方法包括以下步驟
(1) 開啟雙縱模穩(wěn)頻激光器A電源，經(jīng)過預熱和穩(wěn)頻過程后，激光器A內(nèi) ^P激光管輸出偏振方向相互正交的兩個縱模光，利用偏振分光器取出其中一個縱
模光作為激光器A的輸出光，該輸出光由光纖分束器分離成n》l路，記為光束 《，J^,…，^;，其光波頻率記為v^，作為雙縱模激光器81，82,...,811頻偏鎖定的參 考頻率；
(2) 同時開啟雙縱模激光器81,82,...311電源，測量當前環(huán)境溫度r。并以此 ^定預熱目標溫度值7;,，且r。 <7;(，由熱電致冷器對雙縱模激光器Bi，BnBn的 激光管進行預熱，并根據(jù)當前溫度rre。,和預熱目標溫度rre,之差不斷調(diào)整熱電致 冷器反向電流值大小，使激光管的溫度逐漸趨于預先設(shè)定的溫度值7;,，并最終 達到熱平衡狀態(tài)，此時各激光管輸出激光均包括偏振方向相互正交的兩個縱模
光，利用偏振分光器件分離出其中一個縱模光作為雙縱模激光器81，82,...,8[1的輸
出光，記為光束1;，72，...,};,相應的光波頻率記為 V2，…，Vn;
(3) 雙縱模激光器B,，B2，…3n在其預熱過程結(jié)束后進入鎖頻控制過程，將
光束^,12,...，;^分別與光束};，;^,...,1;進行光學混頻并形成"路拍頻光信號，利 用高頻光電探測器將"路拍頻光信號轉(zhuǎn)換為"路電信號，經(jīng)信號調(diào)理后，其頻率
值由頻率測量模塊測得，記為Av,，Av2,…,Av^，其中Av,.-h—v」(z'-l,2,…,")；
(4) 雙縱模穩(wěn)頻激光器81,82,...,811在各自光波頻率差值么^^1/2,...^^值
變化的同一單調(diào)區(qū)間實現(xiàn)激光頻率的鎖定，且所有激光器預先設(shè)定的偏頻參考值 厶^,相同，將測量得到的光波頻率差值厶^厶^2,...，厶^作為鎖頻閉環(huán)控制的反饋 倩號，與預先設(shè)定的偏頻參考值A(chǔ)、,求差，根據(jù)光波頻率差值A(chǔ)v,，Av2，…，Av^與 偏頻參考值A(chǔ)v^求差所得差值的正、負和大小調(diào)整熱電致冷器施加電流的正向、 反向和大小，從而控制其對激光管致冷和加熱，進而改變激光管的溫度、諧振腔 長度和激光縱模頻率，使Av,，Av^，…，A^趨于Av^,;(5) 當Av, = △ v2 =…=Av = Avie,時，雙縱模激光器B,，B2，…，Bn鎖頻控制過
程完成，其由偏振分光器件分離出單縱模激光1;，}^，...，};的頻率鎖定在同一頻率
諄上，即^=^= =^=卜+厶^,(或^=^= =^=卜—AVw,);
(6) 將預設(shè)的偏頻參考值調(diào)整為A:,,重復步驟(4)、 (5)，雙縱模激光 器81，82，...，811輸出激光1;，72，...,};的頻率鎖定在重新設(shè)置的頻率值^+厶《，(或
上，從而其輸出激光的頻率值得到調(diào)整。
一種基于熱電致冷器的雙縱模激光器偏頻鎖定裝置，包括雙縱模穩(wěn)頻激光電 源、雙縱模穩(wěn)頻激光器、穩(wěn)頻狀態(tài)指示燈、光纖分束器，裝置中還包括r^l個結(jié) 構(gòu)相同、呈并聯(lián)關(guān)系的雙縱模激光器，其中每一個雙縱模激光器的裝配結(jié)構(gòu)是 雙縱模激光器電源與激光管連接，主偏振分光器放置在激光管主輸出端前，副偏 振分光器放置在激光管副輸出端與光纖合束器的一個輸入端之間，光纖合束器的 另一個輸入端與光纖分束器的輸出端之一連接，檢偏器放置在光纖合束器的輸出 端與高速光電探測器之間，高速光電探測器、高速分頻器、前置放大器、后置放 大器、高速比較器、頻率測量模塊、微處理器、D/A轉(zhuǎn)換器、熱電致冷器驅(qū)動器、 ,電致冷器、傳熱結(jié)構(gòu)依次連接，其中傳熱結(jié)構(gòu)由從激光管開始由里到外依次裝 配的內(nèi)部導熱膠層、銅管導熱層、中間導熱膠層、熱電致冷器、外部導熱膠層、 散熱器、隔熱層組成，且熱電致冷器與散熱器各有兩個，對稱于激光管兩側(cè)放置， 熱電致冷器的電流控制端通過熱電致冷器驅(qū)動器、D/A轉(zhuǎn)換器與微處理器相連， 激光管溫度傳感器處在內(nèi)部導熱膠層中，其輸出端接微處理器，環(huán)境溫度傳感器 放置在雙縱模激光器外部，其輸出端接微處理器，鎖頻狀態(tài)指示燈接微處理器。
'所述的高速光電探測器探測帶寬大于500MHz 。
本發(fā)明具有以下特點及良好效果
.(1)本發(fā)明采用激光偏頻鎖定技術(shù)對多個雙縱模激光器進行并聯(lián)頻率鎖定， 所有偏頻鎖定的雙縱模穩(wěn)頻激光器輸出激光具有統(tǒng)一的頻率值，其相對頻率穩(wěn)定 度達到1(T8，頻率一致性達到1(T8，克服了傳統(tǒng)穩(wěn)頻激光器中由于頻率基準不一 致導致穩(wěn)頻激光器之間的頻率一致性僅能達到10—6 10—7的不足，這是區(qū)別于現(xiàn) 有技術(shù)的創(chuàng)新點之一。
,(2)本發(fā)明中雙縱模穩(wěn)頻激光器采用內(nèi)腔式結(jié)構(gòu)，并以熱電致冷器作為諧 振腔長度調(diào)整執(zhí)行元件，同時采用熱電致冷器對稱傳熱結(jié)構(gòu)設(shè)計，消除了激光管 受熱不均勻?qū)е碌募す夤軓较蚧儗敵鲱l率穩(wěn)定性的影響；與外腔式穩(wěn)頻激光 器相比預熱時間短，抗震動能力強，能夠直接用于工業(yè)現(xiàn)場；與電熱器件作為內(nèi)腔式諧振腔長度調(diào)整的執(zhí)行元件相比，降低了激光管穩(wěn)頻工作時的溫度，增強了 環(huán)境適應能力，縮短了預熱時間，減小了光電轉(zhuǎn)換器件及其他器件性能參數(shù)的溫 漂對穩(wěn)頻效果的影響，提高了激光管的壽命，這是區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點之二。
(3)通過改變預設(shè)的偏頻參考值A(chǔ)^,，可以調(diào)整本發(fā)明中偏頻鎖定的雙縱 模穩(wěn)頻激光器輸出激光的頻率值，因而可以較為方便地產(chǎn)生波長可連續(xù)調(diào)諧的激 雄，這是區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點之三。


圖1為本發(fā)明裝置的原理示意圖
圖2(a)為本發(fā)明裝置中雙縱模激光器的結(jié)構(gòu)示意圖
'圖2(b)為圖2(a)中A-A剖視圖，即傳熱結(jié)構(gòu)示意圖
圖3為本發(fā)明裝置中雙縱模激光器預熱過程的閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖 .圖4為本發(fā)明裝置中雙縱模激光器預熱平衡溫度與環(huán)境溫度關(guān)系曲線圖
.圖5為本發(fā)明裝置中雙縱模激光器頻率鎖定過程的閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖
圖6為本發(fā)明中雙縱模激光器頻率鎖定位置與基準頻率的相對位置示意圖 圖7為本發(fā)明中熱電致冷器電流方向與熱交換方向的相互關(guān)系示意圖
圖8為本發(fā)明實施例在不同初始環(huán)境下的預熱溫度曲線圖
圖9為本發(fā)明普通功率平衡式雙縱模穩(wěn)頻激光器輸出激光頻率漂移圖 圖10為本發(fā)明中雙縱模激光器輸出激光頻率漂移圖
圖中，1穩(wěn)頻激光器激光電源、2雙縱模穩(wěn)頻激光器、BpB2，.,.，Bn雙縱模激 光器、3穩(wěn)頻狀態(tài)指示燈、4光纖分束器、5激光管電源、6微處理器、7環(huán)境溫 度傳感器、8激光管溫度傳感器、9激光管、10D/A轉(zhuǎn)換器、ll熱電致冷器驅(qū)動 器、12熱電致冷器、13副偏振分光器、14主偏振分光器、15光纖合束器、16 檢偏器、17高速光電探測器、18高速分頻器、19前置放大器、20后置放大器、 21高速比較器、22頻率測量模塊、23鎖頻狀態(tài)指示燈、24內(nèi)部導熱膠層、25 銅管導熱層、26中間導熱膠層、27外部導熱膠層、28散熱器、29隔熱層。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施實例進行詳細描述。
,本發(fā)明中基于熱電致冷器的雙縱模激光器偏頻鎖定裝置包括穩(wěn)頻激光器電 源1、雙縱模穩(wěn)頻激光器2、穩(wěn)頻狀態(tài)指示燈3和光纖分束器4，裝置中還包括n21 個結(jié)構(gòu)相同、呈并聯(lián)關(guān)系的雙縱模激光器BpB,，...，Bn，其中每一個雙縱模激光器 B,，By...，Bn的裝配結(jié)構(gòu)是雙縱模激光器電源5與激光管9連接，主偏振分光器 14放置在激光管9主輸出端前，副偏振分光器13放置在激光管9副輸出端與光 纖合束器15的一個輸入端之間，光纖合束器15的另一個輸入端與光纖分束器4 的輸出端之一連接，檢偏器16放置在光纖合束器15的輸出端與高速光電探測器 17之間，高速光電探測器17、高速分頻器18、前置放大器19、后置放大器20、 高速比較器21、頻率測量模塊22、微處理器6、 D/A轉(zhuǎn)換器10、熱電致冷器驅(qū) 動器ll、熱電致冷器12、傳熱結(jié)構(gòu)依次連接，其中傳熱結(jié)構(gòu)由從激光管9開始 由里到外依次裝配的內(nèi)部導熱膠層24、銅管導熱層25、中間導熱膠層26、熱電 致冷器12、外部導熱膠層27、散熱器28、隔熱層29組成，且熱電致冷器12與 散熱器28各有兩個，對稱于激光管9兩側(cè)放置，熱電致冷器12的電流控制端通 過熱電致冷器驅(qū)動器ll、 D/A轉(zhuǎn)換器10與微處理器6相連，激光管溫度傳感器 8處在內(nèi)部導熱膠層24中，其輸出端接微處理器6，環(huán)境溫度傳感器7放置在雙 縱模激光器B、32，…,Bn外部，其輸出端接微處理器6，鎖頻狀態(tài)指示燈23接微處 理器6。
'所述的高速光電探測器17的探測帶寬大于500MHz 。
鑒于裝置中包括多個偏頻鎖定的雙縱模穩(wěn)頻激光器B,，B2,…，Bn,且激光器 B,，B,，...，Bn的預熱和頻率鎖定的控制過程完全一致，以下僅對雙縱模穩(wěn)頻激光器 4作過程描述，這些描述文字同樣適用于裝置中的任一其它偏頻鎖定的雙縱模 穩(wěn)頻激光器。
開始工作時，開啟雙縱模穩(wěn)頻激光器電源l，雙縱模穩(wěn)頻激光器2進入預熱 和穩(wěn)頻過程，當上述過程完成時，使能穩(wěn)頻狀態(tài)指示燈3，表示雙縱模穩(wěn)頻激光
器2已進入穩(wěn)頻狀態(tài)，其輸出激光經(jīng)耦合進入光纖分束器4，被分離成A7路基準
頻率光束，記為光束A,A,...,A，頻率記為v^。
在穩(wěn)頻狀態(tài)指示燈3使能的時刻，開啟雙縱模激光器電源5，雙縱模激光器 Bj進入預熱過程，圖3為雙縱模激光器環(huán)境溫度與預熱熱平衡溫度曲線圖，不 同環(huán)境溫度下其預熱熱平衡溫度不同，但每個熱平衡狀態(tài)下激光管與外界環(huán)境溫 度的熱交換能量相同，而熱交換能量與溫差有關(guān)，即溫度與環(huán)境溫度都有固定的 溫差。根據(jù)預熱溫度曲線確定預熱熱平衡溫度7;,。圖4為雙縱模激光器預熱過程的閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖。微處理器6根據(jù)環(huán)境溫度傳感器7測量得到的環(huán)境溫
度設(shè)定預熱的熱平衡溫度 ;,，并將7;,作為預熱閉環(huán)控制系統(tǒng)的參考輸入量，同 時以激光管溫度傳感器8測量得到激光管9的溫度r，,作為反饋信號，微處理器
6計算二者的差值，并根據(jù)MPC控制算法，輸出數(shù)字控制信號，由D/A轉(zhuǎn)換器
lp數(shù)模轉(zhuǎn)換為模擬信號，此模擬信號經(jīng)熱電致冷器驅(qū)動器11進行放大，用于控
制熱電致冷器12的工作電流，對激光管9進行預熱。
'在激光管9達到預熱的熱平衡溫度后，微處理器6切換雙縱模激光器Bt進 入頻率鎖定控制過程。圖5即為本發(fā)明裝置中雙縱模激光器頻率鎖定過程的閉環(huán) 控制系統(tǒng)示意圖。激光管9主、副輸出端均輸出偏振方向相互正交的兩個縱模光， 利用偏振分光器13和14分別分離主、副輸出端的兩個縱模光，其中副輸出端水 平偏振的縱模光用于鎖頻控制，記為光束K，其頻率記為v,，主輸出端水平偏振. 的縱模光作為雙縱模穩(wěn)頻激光器B,的輸出光。光束K耦合進入光纖合束器15, 為參考光束Z,合為一束，通過檢偏器16后參考光束Z,與光束^偏振方向一致， 形成拍頻光信號，并由高速光電探測器17轉(zhuǎn)換為電壓信號，該電壓信號依次通 過高速分頻器18、前置放大器19、后置放大器20、高速比較器21，成為方波信
號，送入頻率測量模塊22進行頻率測量，得到光束《與光束i;的光頻差值
'頻率測量模塊22測量得到的頻率A^為光束X,中心頻率^與光束K頻率h 之差的絕對值，則光束X的頻率值= v, -Av/,或v, = ^ +△ v,, S卩^可能位于vr的 左側(cè)或右側(cè)，如圖6所示。為了使雙縱模穩(wěn)頻激光器BpB2，…,Bn輸出激光具有統(tǒng) 一的頻率值，需要將所有偏頻鎖定的雙縱模穩(wěn)頻激光器統(tǒng)一鎖定到、的同一側(cè)， 因此需要判斷v,與v,的相對位置。由微處理器6控制熱電致冷器12對激光管9 進行加熱，使其溫度上升到7;,+Ar,同時測量在此過程中Av,數(shù)值的變化。根 據(jù)v,與激光管腔長的關(guān)系
式中，c為光速，《為縱模序數(shù)，；/為諧振腔內(nèi)的折射率，/為激光管腔長。溫度 升高時，激光管腔長/增大，v,減小，若Av,增大，則v,位于v,的左側(cè)；反之， 位于v^的右側(cè)。本實例中將v,鎖定到v^的右側(cè)，若熱平衡溫度7;,下v,實際位于 v,的左側(cè)，則針對激光器B,，調(diào)整其熱平衡溫度為Tl，使v,轉(zhuǎn)移到、的右側(cè)。
將頻率測量模塊22測量所得的A^值作為頻率鎖定閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋信 號，同時將預先設(shè)定的偏頻參考值A(chǔ)v^ (本實例取Av^-65MHz)作為控制系統(tǒng) 的參考輸入量，由微處理器6計算兩者的差值，根據(jù)兩者差值的正負和大小經(jīng) MPC控制算法處理得到輸出的數(shù)字控制信號，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器10轉(zhuǎn)換為模擬電壓，熱電致冷器驅(qū)動器11進行功率放大，最終調(diào)節(jié)熱電致冷器12工作電流的方 向和大小，使其改變加熱或制冷的程度以改變激光管9的溫度，進而調(diào)整激光管 9'的激光諧振腔長和輸出光的頻率，使Av,趨于Av^,。當Av/,-A^,時，雙縱模 激光器B,頻率鎖定過程完成，使能鎖頻狀態(tài)指示燈23，表示雙縱模激光器B,進 人穩(wěn)定工作狀態(tài)，此時v,-v,+A、,。將預設(shè)的偏頻參考值調(diào)整為A^,，重復上 述的頻率鎖定過程，則雙縱模激光器B,輸出激光的頻率調(diào)整為^+A《,。
圖7說明了實例中熱電致冷器12電流方向與熱能方向相互關(guān)系。實例中熱 電致冷器12是應用半導體材料顯著的帕爾帖效應和其它有關(guān)熱電效應而設(shè)計制 造的半導體組件，據(jù)有體積小，壽命長，無噪聲振動和無任何污染等優(yōu)點，原理 是當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯(lián)成電偶對時，在這個電路 中接通直流電流后，就能發(fā)生能量的轉(zhuǎn)移電流由N型元件流向P型元件，接 頭吸收熱量，成為冷端；電流由P型元件流向N型元件，接頭釋放熱量。成為 辨端。熱能方向由電流的方向決定，吸收熱量和放出熱量的大小由電流大小決定。
當實例中熱電致冷器12的正電極端輸入電流時，熱能從激光管9輸出，依 次經(jīng)內(nèi)部導熱膠層24，銅管導熱層25，中間導熱膠層26，熱電致冷器12，外部 導熱膠層27，到達散熱器28，散熱器28有較大面積，因此熱量很容易通過空氣 對流和輻射的形式散到空氣中；當實施例中熱電致冷器12的負電極端輸入電流 吋，散熱器28通過空氣對流和輻射的形式從空氣中吸收熱能，依次經(jīng)外部導熱 膠層27，熱電致冷器12，中間導熱膠層26，銅管導熱層25,內(nèi)部導熱膠層24， 到達激光管9。
圖8給出了本發(fā)明裝置實例在不同初始環(huán)境下的預熱溫度曲線圖，從曲線變 化趨勢可以得出在不同的初始溫度環(huán)境下，激光器預熱曲線變化趨勢基本一致，
在i5分鐘左右溫度上升至距目標溫度o.rc之內(nèi)，且溫度變化率很小，基本達到
熱平衡。說明裝置在不同的工業(yè)現(xiàn)場，經(jīng)過時間基本一致的預熱，都能獲得熱平 衡，提併較好的穩(wěn)頻條件。
圖9是普通功率平衡式雙縱模穩(wěn)頻激光器輸出激光頻率漂移圖，圖中給出了 兩臺功率平衡式雙縱模穩(wěn)頻激光器在15個月的抽樣測量中激光頻率的變化曲 線，兩臺激光器的頻率通過與碘飽和吸收穩(wěn)頻氦氖激光器拍頻而獲得。從圖中可 以看出，兩臺激光器輸出激光的頻率差值約為210MHz，并且存在長期的、緩慢 的漂移，不同激光器頻率漂移的變化趨勢也不相同，所以對于普通的功率平衡式 雙縱模穩(wěn)頻激光器，其激光頻率一致性一般僅達到10—6 10'7。
圖IO是本發(fā)明中偏頻鎖定的雙縱模激光器輸出激 頻率長期漂移圖。本實 例中取w=2，雙縱模激光器B,與B2的頻率通過與碘飽和吸收穩(wěn)頻氦氖激光器拍頻而獲得，從圖中可以看出，在為期15個月的抽樣測量時間內(nèi)，雙縱模激光器 3i與B2輸出激光的頻率存在長期的、緩慢的漂移，這是因為穩(wěn)頻控制的基準頻 率存在長期漂移。但是，激光器B,與激光器B2采用了相同的穩(wěn)頻控制的基準頻 率，所以其頻率漂移的趨勢在總體上是一致的，其頻率一致性達到l(T8。
權(quán)利要求
1、一種基于熱電致冷器的雙縱模激光器偏頻鎖定方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)開啟雙縱模穩(wěn)頻激光器A電源，經(jīng)過預熱和穩(wěn)頻過程后，激光器A內(nèi)部激光管輸出偏振方向相互正交的兩個縱模光，利用偏振分光器取出其中一個縱模光作為激光器A的輸出光，該輸出光由光纖分束器分離成n≥1路，記為光束X1，X2，...，Xn，其光波頻率記為vr，作為雙縱模激光器B1，B2，...，Bn頻偏鎖定的參考頻率；(2)同時開啟雙縱模激光器B1，B2，...，Bn電源，測量當前環(huán)境溫度T0并以此確定預熱目標溫度值Tset，且T0＜Tset，由熱電致冷器對雙縱模激光器B1，B2，...，Bn的激光管進行預熱，并根據(jù)當前溫度Treal和預熱目標溫度Tset之差不斷調(diào)整熱電致冷器反向電流值大小，使激光管的溫度逐漸趨于預先設(shè)定的溫度值Tset，并最終達到熱平衡狀態(tài)，此時各激光管輸出激光均包括偏振方向相互正交的兩個縱模光，利用偏振分光器件分離出其中一個縱模光作為雙縱模激光器B1，B2，...，Bn的輸出光，記為光束Y1，Y2，...，Yn，相應的光波頻率記為v1，v2，...，vn；(3)雙縱模激光器B1，B2，...，Bn在其預熱過程結(jié)束后進入鎖頻控制過程，將光束X1，X2，...，Xn分別與光束Y1，Y2，...，Yn進行光學混頻并形成n路拍頻光信號，利用高頻光電探測器將n路拍頻光信號轉(zhuǎn)換為n路電信號，經(jīng)信號調(diào)理后，其頻率值由頻率測量模塊測得，記為Δv1，Δv2，...，Δvn，其中Δvi＝|vi-vr|(i＝1，2，...，n)；(4)雙縱模穩(wěn)頻激光器B1，B2，...，Bn在各自光波頻率差值Δv1，Δv2，...，Δvn值變化的同一單調(diào)區(qū)間實現(xiàn)激光頻率的鎖定，且所有激光器預先設(shè)定的偏頻參考值Δvset相同，將測量得到的光波頻率差值Δv1，Δv2，...，Δvn作為鎖頻閉環(huán)控制的反饋信號，與預先設(shè)定的偏頻參考值Δvset求差，根據(jù)光波頻率差值Δv1，Δv2，...，Δvn與偏頻參考值Δvset求差所得差值的正、負和大小調(diào)整熱電致冷器施加電流的正向、反向和大小，從而控制其對激光管致冷和加熱，進而改變激光管的溫度、諧振腔長度和激光縱模頻率，使Δv1，Δv2，...，Δvn趨于Δvset；(5)當Δv1＝Δv2＝...＝Δvn＝Δvset時，雙縱模激光器B1，B2，...，Bn鎖頻控制過程完成，其由偏振分光器件分離出單縱模激光Y1，Y2，...，Yn的頻率鎖定在同一頻率值上，即v1＝v2＝...＝vn＝vr+Δvset(或v1＝v2＝...＝vn＝vr-Δvset)；(6)將預設(shè)的偏頻參考值調(diào)整為Δv′set，重復步驟(4)、(5)，雙縱模激光器B1，B2，...，Bn輸出激光Y1，Y2，...，Yn的頻率鎖定在重新設(shè)置的頻率值vr+Δv′set(或vr-Δv′set)上，從而其輸出激光的頻率值得到調(diào)整。
2、 一種基于熱電致冷器的雙縱模激光器偏頻鎖定裝置，包括雙縱模穩(wěn)頻激 光電源(1)、雙縱模穩(wěn)頻激光器(2)、穩(wěn)頻狀態(tài)指示燈(3)、光纖分束器(4)， 其特征在于裝置中還包括論l個結(jié)構(gòu)相同、呈并聯(lián)關(guān)系的雙縱模激光器(BpB2,.,.，Bn)，其中每一個雙縱模激光器(B^B^.^Bn)的裝配結(jié)構(gòu)是雙縱 模激光器電源(5)與激光管(9)連接，主偏振分光器(14)放置在激光管(9) 主輸出端前，副偏振分光器(13)放置在激光管(9)副輸出端與光纖合束器(15) 的一個輸入端之間，光纖合束器(15)的另一個輸入端與光纖分束器(4)的輸 出端之一連接，檢偏器(16)放置在光纖合束器(15)的輸出端與高速光電探測 器(17)之間，高速光電探測器(17)、高速分頻器(18)、前置放大器(19)、 后置放大器(20)、高速比較器(21)、頻率測量模塊(22)、微處理器(6)、 D/A 轉(zhuǎn)換器(10)、熱電致冷器驅(qū)動器(11)、熱電致冷器(12)、傳熱結(jié)構(gòu)依次連接， 其中傳熱結(jié)構(gòu)由從激光管(9)開始由里到外依次裝配的內(nèi)部導熱膠層(24)、銅 管導熱層(25)、中間導熱膠層(26)、熱電致冷器(12)、外部導熱膠層(27)、 散熱器(28)、隔熱層(29)組成，且熱電致冷器(12)與散熱器(28)各有兩 個，對稱于激光管(9)兩側(cè)放置，熱電致冷器(12)的電流控制端通過熱電致 冷器驅(qū)動器(11)、 D/A轉(zhuǎn)換器(10)與微處理器(6)相連，激光管溫度傳感器(8)處在內(nèi)部導熱膠層(24)中，其輸出端接微處理器(6)，環(huán)境溫度傳感器(7)放置在雙縱模激光器(Bt,B2，…，Bn)外部，其輸出端接微處理器(6)，鎖 頻狀態(tài)指示燈(23)接微處理器(6)。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于熱i致冷器的雙縱模激光器偏頻鎖定裝置， 其特征在于高速光電探測器(17)探測帶寬大于500MHz。
全文摘要
基于熱電致冷器的雙縱模激光器偏頻鎖定方法和裝置屬于激光應用技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明將1臺功率平衡式雙縱模穩(wěn)頻激光器A輸出激光的頻率作為基準頻率，同時通過熱電致冷器控溫調(diào)節(jié)腔長使n≥1臺雙縱模激光器B₁，B₂，…，B_n輸出激光的頻率與該基準頻率保持為一固定差值，從而使雙縱模激光器B₁，B₂，…，B_n輸出激光具有統(tǒng)一的頻率值，其相對頻率穩(wěn)定度達到10^-8，頻率一致性達到10^-8，克服了傳統(tǒng)穩(wěn)頻激光器中由于基準頻率不一致導致穩(wěn)頻激光器之間的頻率一致性僅達到10^-6～10^-7的不足。
文檔編號G05B19/04GK101609958SQ20091007251
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月17日
發(fā)明者琳 張, 李薇薇, 楊睿韜, 胡鵬程, 譚久彬 申請人:哈爾濱工業(yè)大學