專利名稱：頻率差穩(wěn)定的塞曼雙折射雙頻激光器及其頻率差穩(wěn)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光器，特別涉及一種氦氖塞曼-雙折射雙頻激光器的結(jié)構(gòu)及針對該種激光器實(shí)施穩(wěn)頻的方法。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種頻率差穩(wěn)定的塞曼-雙折射雙頻激光器的頻率差穩(wěn)定方法，該方法的特征在于通過應(yīng)用二維加力環(huán)獲得可靠的合適頻率差的基礎(chǔ)上，再利用計(jì)算機(jī)控制通過穩(wěn)定激光器頻率來穩(wěn)定頻率差，其方法的步驟如下(1).在激光諧振腔內(nèi)的光彈元件的一對相互正交的直徑方向上垂直于光束對徑加力，即采用二維施力方式，獲得可靠的合適頻率差；(2).優(yōu)選施力裝置的材料，該材料與光彈元件材料之間應(yīng)滿足匹配封接的關(guān)系；(3).在上述激光器上設(shè)置一個(gè)由計(jì)算機(jī)控制的頻率差穩(wěn)定裝置，該裝置首先通過光電探測器探測經(jīng)渥拉斯頓棱鏡分開的O光和E光兩路光強(qiáng)，由光電接受模塊將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?4).上述電信號通過AD轉(zhuǎn)換進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，經(jīng)計(jì)算機(jī)程序運(yùn)算后輸出等光強(qiáng)法或極值鎖定法的控制信號；(5).將上述控制信號通過DA轉(zhuǎn)換給電壓放大模塊，經(jīng)過電壓放大驅(qū)動穩(wěn)頻執(zhí)行元件，最后由穩(wěn)頻執(zhí)行元件完成穩(wěn)頻伺服控制。
二維加力裝置所使用的材料與光彈元件材料之間應(yīng)滿足匹配封接的關(guān)系，即使其線膨脹系數(shù)與光彈元件材料的線膨脹系數(shù)相差0～10％。
一種實(shí)現(xiàn)上述方法的頻率差穩(wěn)定的塞曼-雙折射雙頻激光器，包括一個(gè)氦氖(He-Ne)激光增益管，以及激光諧振腔內(nèi)的光彈元件及其上的施力裝置、反射透鏡，石英封裝殼，外加橫向磁場所用的磁條，其特征在于所述的加力環(huán)為帶有加力螺釘?shù)亩S加力環(huán)；該加力環(huán)是由其線膨脹系數(shù)和光彈元件的線膨脹系數(shù)相一致的可閥制成。
為了進(jìn)一步減小該種激光器的頻率差漂移并提高頻率穩(wěn)定度，上述激光器還增加一個(gè)穩(wěn)頻裝置，該裝置是由渥拉斯頓棱鏡、光電探測器、光電接收模塊、壓電放大模塊、穩(wěn)頻執(zhí)行元件及裝有AD/DA數(shù)據(jù)采集卡和控制軟件的計(jì)算機(jī)所組成；所述光電探測器的輸出端與光電接收模塊的輸入端相連，光電接收模塊的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的AD端相連，數(shù)據(jù)采集卡的DA端和電壓放大模塊的輸入端相連，電壓放大模塊的輸出端與穩(wěn)頻執(zhí)行元件相連。
上述二維加力環(huán)可采用圓形、方形或可對光彈元件施加一對相互正交的直徑方向?qū)郊恿Φ钠渌螤畹募恿Νh(huán)。
當(dāng)上述激光器的激光諧振腔為半腔時(shí)，所述的穩(wěn)頻執(zhí)行元件采用壓電陶瓷；激光諧振腔為全腔時(shí)，穩(wěn)頻執(zhí)行元件采用加熱絲。
本發(fā)明由于以二維施力方式代替原有的一維施力方式，并對加力環(huán)的材料進(jìn)行了優(yōu)化選取，同時(shí)增加了激光器穩(wěn)頻裝置，從而進(jìn)一步減小了該種激光器的頻率差漂移，并提高了該裝置的可靠性及頻率的穩(wěn)定度，使得該激光器進(jìn)入了可實(shí)際應(yīng)用的階段。
圖3為本發(fā)明的又一實(shí)施例，即加力環(huán)采用方形的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為加力環(huán)安裝結(jié)構(gòu)剖面示意圖。
圖5為帶有穩(wěn)頻裝置的塞曼-雙折射雙頻激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為光電接收模塊電路7為電壓放大模塊電路圖。
圖8為控制軟件程序流程框圖。
為了克服諧振腔伸長縮短過程中頻率差的漂移，本發(fā)明在應(yīng)用二維加力環(huán)獲得可靠的合適頻率差的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定激光器頻率來穩(wěn)定頻率差。本發(fā)明還包括對塞曼-雙折射雙頻激光器進(jìn)行穩(wěn)頻，以穩(wěn)定頻率差?，F(xiàn)有的廣泛應(yīng)用于雙頻激光干涉儀的雙頻激光光源多為縱向塞曼雙頻激光器，并多使用等光強(qiáng)法熱穩(wěn)頻。由于縱向塞曼效應(yīng)中左旋光與右旋光增益線關(guān)于中心頻率對稱，等光強(qiáng)點(diǎn)位于中心頻率處且唯一，故等光強(qiáng)法簡單易行。由于本發(fā)明中的激光器在橫向塞曼效應(yīng)作用下，兩種頻率的光(O光和E光)的增益線如

圖1所示，分別由橫向塞曼效應(yīng)中的π分量1和σ分量2提供增益。針對這樣的增益曲線，無論全內(nèi)腔還是半內(nèi)腔的塞曼-雙折射雙頻激光器，本發(fā)明對其的穩(wěn)頻方法都存在穩(wěn)頻點(diǎn)選取的問題，并都可采取兩種方法，即等光強(qiáng)法和光強(qiáng)極值鎖定法，其中光強(qiáng)極值鎖定法還分為π光極值鎖定法和σ光凹陷鎖定法。兩種穩(wěn)頻方法都是以穩(wěn)定光強(qiáng)從而穩(wěn)定頻率達(dá)到穩(wěn)定頻率差的方法。等光強(qiáng)法是把頻率鎖定在兩模光強(qiáng)相等的兩個(gè)位置中的一個(gè)上(3點(diǎn)或4點(diǎn))；π光極值鎖定法是把頻率鎖定在π增益線的極大值處(5點(diǎn))；σ光凹陷鎖定法是把頻率鎖定在σ增益線的極小值處(6點(diǎn))。等光強(qiáng)法的頻率不在中心頻率處，極值鎖定法的頻率在中心頻率。
實(shí)施例1
二維加力環(huán)以采用圓形7(如圖2所示)或方形10(如圖3所示)為例加以說明。加力環(huán)7通過四個(gè)平頭頂絲8緊固在全內(nèi)腔激光器的輸出窗片13上，或半內(nèi)腔激光器的增透窗片9上。通過調(diào)整頂絲的松緊得到需要的頻差并使加力環(huán)固定在窗片上。然后用環(huán)氧樹脂將頂絲與窗片、頂絲與加力環(huán)分別粘牢，這樣就能保證其可靠性。加力環(huán)和頂絲的材料都是線膨脹系數(shù)與增透窗片的線膨脹系數(shù)一致的可閥。此金屬與光彈元件材料k4玻璃之間應(yīng)滿足匹配封接的關(guān)系，即兩種材料的線膨脹系數(shù)相差應(yīng)小于10％，能夠保證它們膨脹與收縮的一致性。粘牢后的加力裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中11為激光增益管。
實(shí)施例2圖5為裝有頻差穩(wěn)定裝置的半內(nèi)腔塞曼-雙折射雙頻激光器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。它主要包括由激光增益管11、增透窗片9、反射鏡16、二維加力環(huán)7、封裝石英殼12和外加橫向磁場所用的磁條14、15構(gòu)成的半內(nèi)腔塞曼-雙折射雙頻激光器，渥拉斯頓棱鏡18，光電探測器19和20，光電接收模塊21，AD/DA數(shù)據(jù)采集卡24，裝有控制軟件的計(jì)算機(jī)25，電壓放大模塊22和壓電陶瓷17等組成。在實(shí)際應(yīng)用中，光電接收模塊21和電壓放大模塊22被整合組裝在控制電箱23中；AD/DA數(shù)據(jù)采集卡24和控制軟件則安裝在計(jì)算機(jī)25內(nèi)。光電探測器采用硅光電池，數(shù)據(jù)采集卡為12位精度(中泰公司PC6333)，電壓放大范圍可達(dá)0～300V。穩(wěn)頻工作時(shí)，通過計(jì)算機(jī)控制，由光電探測器探測經(jīng)渥拉斯頓棱鏡分開的0光和E光兩路光強(qiáng)并送入光電接受模塊PHOTOINPUT端，此信號經(jīng)光電接收模塊放大、濾波由OUTPUT端輸出給數(shù)據(jù)采集卡，通過AD轉(zhuǎn)換進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，經(jīng)計(jì)算機(jī)程序運(yùn)算后輸出等光強(qiáng)法或極值鎖定法的控制信號，再通過DA轉(zhuǎn)換輸出到電壓放大模塊INPUT端，經(jīng)過電壓放大由OUTPUT端輸出并驅(qū)動壓電陶瓷，最后由壓電陶瓷完成穩(wěn)頻伺服控制。從而，通過穩(wěn)定激光器頻率來穩(wěn)定頻率差。頻率穩(wěn)定度優(yōu)于1×10-7的工業(yè)應(yīng)用要求，頻率差穩(wěn)定度可達(dá)1×10-4以上。
本實(shí)施例的穩(wěn)頻系統(tǒng)在穩(wěn)頻方法的選擇、穩(wěn)頻點(diǎn)的判斷和控制信號優(yōu)化上全部由軟件控制來實(shí)現(xiàn)，具有較強(qiáng)的通用性。軟件通過增益曲線形狀來判斷穩(wěn)頻點(diǎn)。穩(wěn)頻開始時(shí)，預(yù)置電壓驅(qū)動壓電陶瓷掃瞄激光器腔長，實(shí)時(shí)采集并分別記錄兩路光強(qiáng)的兩個(gè)鄰近平均值，分別計(jì)算出兩條增益曲線在該點(diǎn)的斜率。通過軟件的邏輯判斷，等光強(qiáng)法將頻率穩(wěn)定在兩路光強(qiáng)相等處，并通過斜率區(qū)分3點(diǎn)和4點(diǎn)，極值鎖定法將頻率穩(wěn)定在光強(qiáng)極值且斜率為零處，即5點(diǎn)或6點(diǎn)。控制軟件包含數(shù)字PID程序環(huán)節(jié)，對輸出控制信號進(jìn)行優(yōu)化處理。
另外，對于全內(nèi)腔塞曼-雙折射雙頻激光器進(jìn)行穩(wěn)頻，本系統(tǒng)只要更換執(zhí)行元件，即將壓電陶瓷更換為電熱絲即可使用。
權(quán)利要求
1.一種頻率差穩(wěn)定的塞曼-雙折射雙頻激光器的頻率差穩(wěn)定方法，該方法的特征在于通過應(yīng)用二維加力環(huán)獲得可靠的合適頻率差的基礎(chǔ)上，再利用計(jì)算機(jī)控制通過穩(wěn)定激光器頻率來穩(wěn)定頻率差，其方法的步驟如下(1).在激光諧振腔內(nèi)的光彈元件的一對相互正交的直徑方向上垂直于光束對徑加力，即采用二維施力方式，獲得可靠的合適頻率差；(2).優(yōu)選施力裝置的材料，使其與光彈元件材料之間應(yīng)滿足匹配封接的關(guān)系；(3).在上述激光器上設(shè)置一個(gè)由計(jì)算機(jī)控制的穩(wěn)頻裝置，該裝置首先通過光電探測器探測經(jīng)渥拉斯頓棱鏡分開的O光和E光兩路光強(qiáng)，由光電接受模塊將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?4).上述電信號通過AD轉(zhuǎn)換進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，經(jīng)計(jì)算機(jī)程序運(yùn)算后輸出等光強(qiáng)法或極值鎖定法的控制信號；(5).將上述控制信號通過DA轉(zhuǎn)換給電壓放大模塊，經(jīng)過電壓放大驅(qū)動穩(wěn)頻執(zhí)行元件，最后由穩(wěn)頻執(zhí)行元件完成穩(wěn)頻伺服控制。
2.采用如權(quán)利要求1所述方法的一種頻率差穩(wěn)定的塞曼-雙折射雙頻激光器，包括一個(gè)氦氖激光增益管(11)，以及激光諧振腔內(nèi)的光彈元件(9)及其上的施力裝置，反射透鏡(16)，石英封裝殼(12)，外加橫向磁場所用的磁條(14)、(15)，其特征在于所述的加力裝置為帶有加力螺釘?shù)亩S加力環(huán)。
3.按照權(quán)利要求2所述的雙頻激光器，其特征在于所述的二維加力環(huán)是由其線膨脹系數(shù)與光彈元件的線膨脹系數(shù)相一致的可閥制成。
4.按照權(quán)利要求2或3所述的雙頻激光器，其特征是上述激光器還增加了一個(gè)穩(wěn)頻裝置，該裝置是由渥拉斯頓棱鏡(18)、光電探測器(19)和(20)、光電接收模塊(21)、壓電放大模塊(22)、穩(wěn)頻執(zhí)行元件(17)及裝有AD/DA數(shù)據(jù)采集卡(24)和PID控制軟件的計(jì)算機(jī)(25)所組成，所述光電探測器的輸出端與光電接收模塊的輸入端相連，光電接收模塊的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的AD端相連，數(shù)據(jù)采集卡的DA端和電壓放大模塊的輸入端相連，電壓放大模塊的輸出端與穩(wěn)頻執(zhí)行元件相連。
5.按照權(quán)利要求2所述的一種雙頻激光器，其特征在于所述的二維加力環(huán)為圓形、方形或可對光彈元件施加一對相互正交的直徑方向?qū)郊恿Φ钠渌螤畹募恿Νh(huán)。
6.按照權(quán)利要求4所述的一種雙頻激光器，其特征在于激光諧振腔為半腔時(shí)，所述的穩(wěn)頻執(zhí)行元件采用壓電陶瓷，激光諧振腔為全腔時(shí)，穩(wěn)頻執(zhí)行元件采用加熱絲。
全文摘要
頻率差穩(wěn)定的塞曼－雙折射雙頻激光器的頻率差穩(wěn)定方法,涉及一種氦氖塞曼－雙折射雙頻激光器的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)頻的方法。本發(fā)明的特征在于通過應(yīng)用二維加力環(huán)獲得可靠的合適頻率差的基礎(chǔ)上,再利用計(jì)算機(jī)控制通過穩(wěn)定激光器頻率來穩(wěn)定頻率差。本發(fā)明由于以二維施力方式代替原有的一維施力方式,并對加力環(huán)的材料進(jìn)行了優(yōu)化選取,同時(shí)增加了激光器穩(wěn)頻裝置,從而進(jìn)一步減小了該種激光器的頻率差漂移,并提高了該裝置的可靠性及頻率的穩(wěn)定度,使得該激光器進(jìn)入了可實(shí)際應(yīng)用的階段。
文檔編號H01S3/13GK1344048SQ01134338
公開日2002年4月10日 申請日期2001年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月31日
發(fā)明者張書練, 肖巖, 李巖, 朱鈞, 徐俊澄 申請人:清華大學(xué)