[發明專利]基于熱電致冷器的雙縱模激光器復合穩頻方法與裝置

有效

• 申請號: 200910072521.7
• 申請日: 2009-07-17
• 公開（公告）號: CN101615757A
• 公開（公告）日: 2009-12-30
• 發明（設計）人: 譚久彬;胡鵬程;刁曉飛;楊國新
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H01S3/139
• 分類號: H01S3/139;H03L7/00;G05B19/04
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技術領域

本發明屬于激光應用技術領域，特別是一種基于熱電致冷器的雙縱模激光器復合穩頻方法與裝置

背景技術

激光的特點之一是單色性好，其自發輻射噪聲引起的激光線寬極限很小，但由于各種不穩定因素的影響，自由運轉的激光器光頻率漂移遠遠大于線寬極限，其相對頻率準確度僅為10^-5～10^-6。隨著科學技術的不斷發展，超精密測量與加工工業對激光器的頻率精度提出越來越高的要求，當前超精密加工一般要求激光的頻率相對準確度達到10^-7～10^-8，有的特殊場合，如光刻機和大型天文望遠鏡加工等，甚至要求激光的頻率相對準確度達到10^-9，為了滿足這樣的精度要求，需要對自由運轉的激光器采取穩頻控制措施，以提高其相對頻率準確度。

按照穩頻基準頻率不同，穩頻激光器可分為兩大類：一類以原子或分子吸收譜線作為穩頻控制的參考頻率，如碘飽和吸收穩頻激光器；另一類以激光增益曲線的中心頻率作為穩頻控制的參考頻率，如蘭姆凹陷穩頻激光器、雙縱模穩頻激光器、塞曼穩頻激光器。

碘穩頻激光器輸出光中心頻率的相對準確度高達到10^-11～10^-12，然而，腔內調制的碘穩頻激光器輸出光為調頻激光，其光波頻率的調制深度為幾MHz，因此總體上激光相對頻率準確度為10^-8。此外，該類碘穩頻激光器的輸出功率只有幾十μW，采用壓電陶瓷作為腔長調節器件，工藝結構復雜，價格昂貴，壓電材料蠕變大且使用周期短，預熱時間長、抗振性能較差，對環境要求苛刻，無法應用到普通的超精密測量和加工場合。

為了克服碘穩頻氦氖激光器輸出激光頻率帶有調制、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633nm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的激光器高精度跟蹤另一臺碘穩頻激光器，并偏離碘穩頻激光器一固定的頻率值，從而既保持了碘穩頻激光器中心頻率相對準確度高的優點，又可以輸出頻率無調制的大功率激光，其相對頻率準確度達到10^-9，輸出功率達到15mW。然而，該類激光器采用外腔式諧振腔結構和壓電陶瓷調節元件，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備中，且需要采取額外的防振措施，因此不能應用在超精密測量和加工的現場應用中。

蘭姆凹陷穩頻激光器以增益曲線的中心頻率為參考頻率，利用壓電陶瓷調節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。蘭姆凹陷穩頻激光器的頻率穩定性與蘭姆凹陷的寬度及其對稱性相關，采用較低的工作氣壓可使凹陷變窄，激光中心頻率相對準確度可達10^-9，但同時也會大幅度降低激光器的輸出光功率。此外，蘭姆凹陷穩頻激光器輸出激光的光強和頻率均帶有微小的低頻調制，調制深度約為10MHz，并且由于使用壓電晶體和外腔式結構，預熱時間長達2～3小時，造價昂貴，抗振性能較差，因此不能應用在超精密測量和加工的現場應用中。

雙縱模穩頻激光器和塞曼穩頻激光器輸出激光包含兩種不同偏振狀態和頻率的激光，通常以兩種光的光功率差值作為穩頻控制的反饋信號，將兩種光的頻率穩定在關于激光增益曲線中心頻率對稱的位置上。預熱時間小于20分鐘，且工作環境適應好，目前已經在商品化的激光干涉測量系統中得到了廣泛的應用。但是，其穩頻控制的參考頻率實質上是激光增益曲線的中心頻率，由于工作氣壓、放電電流等參數的差異，其相對頻率準確度一般為只能達到10^-8，難以達到10^-9，無法滿足超精密測量和加工特殊場合的要求。