[發(fā)明專利]基于碘穩(wěn)頻參考的雙縱模熱電致冷偏頻鎖定方法與裝置

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910072523.6
• 申請日: 2009-07-17
• 公開（公告）號: CN101615759A
• 公開（公告）日: 2009-12-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 譚久彬;胡鵬程;楊宏興;常樹林
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H01S3/139
• 分類號: H01S3/139;H01S3/10;H03L7/00;G05B19/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于碘穩(wěn)頻參考的雙縱模熱電致冷偏頻鎖定方法與裝置。

背景技術(shù)

激光干涉測量技術(shù)因具有非接觸、精度高、量程大、可溯源、可多通道分光測量等特點，廣泛應(yīng)用于超精密加工、測量裝備業(yè)中，激光真空波長準確度(激光頻率穩(wěn)定度)決定了干涉測量系統(tǒng)所能達到的最高相對測量不確定度，已成為快速超精密激光干涉測量技術(shù)的核心問題之一，在國防裝備、微電子制造業(yè)發(fā)展對超精密加工需求的推動作用下，激光干涉測量技術(shù)相對測量準確度需求即將突破10^-8，相應(yīng)地對干涉光源的頻率準確度提出了10^-8～10^-9要求，特別在超精密加工裝備中常需對多個空間自由度進行多維同步測量，這種多維測量需求將導(dǎo)致干涉測量系統(tǒng)的總激光功率消耗增加到5mW以上，這就要求同時采用3臺以上的穩(wěn)頻激光器進行組合測量。然而即使對于同一廠家同一型號批次的穩(wěn)頻激光器，其輸出光頻率的一致性也僅能達到1×10^-7。這必將帶來的波長基準、波長漂移和空間坐標不一致的問題，從而影響整個多維激光干涉系統(tǒng)的綜合測量精度。因此需提高單個穩(wěn)頻激光器的穩(wěn)頻精度、抗干擾能力、輸出光功率和多個穩(wěn)頻激光器的波長一致性是激光應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域迫切需要解決的問題。

目前激光干涉儀中采用光源主要有縱向塞曼穩(wěn)頻激光器，雙縱模穩(wěn)頻激光器，碘穩(wěn)頻激光器，其激光穩(wěn)頻方法根據(jù)腔長調(diào)節(jié)執(zhí)行器的不同，主要可分為壓電陶瓷穩(wěn)頻法、電熱絲穩(wěn)頻法、放電電流穩(wěn)頻法和風(fēng)冷穩(wěn)頻法等。

碘穩(wěn)頻激光器輸出光中心頻率的相對準確度高達到10^-11～10^-12，且多臺同類激光器中心頻率一致性可達10^-11，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，因此總體上激光相對頻率準確度為10^-8。此外，該類碘穩(wěn)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(diào)節(jié)器件，工藝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，壓電材料蠕變大且使用周期短，預(yù)熱時間長、抗振性能較差。

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633nm氦氖激光器(R.R.Donaldson，S.R.Paterson.Design?and?Construction?of?aLarge，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(jié)構(gòu)和壓電陶瓷調(diào)節(jié)元件，除去預(yù)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。

激光干涉儀中采用的其他主要光源為塞曼型穩(wěn)頻激光器和雙縱模激光器，塞曼型雙頻激光器具有較好的穩(wěn)頻特性和可靠性，但雙頻激光的獲得需附加磁場，制造工藝復(fù)雜，成本較高，加之其頻差小于3MHz，故其測量速度受到限制，不能適應(yīng)現(xiàn)在高速測量的場合，雙縱模熱穩(wěn)頻方法成本低，穩(wěn)頻裝置簡單，又可達到與傳統(tǒng)塞曼型穩(wěn)頻激光器同一量級的穩(wěn)頻精度，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

針對雙縱模激光器穩(wěn)頻問題，Balhorn等提出了通過調(diào)整激光管放電電流來控制諧振腔長度的雙縱模激光器穩(wěn)頻方法(R.Balhorn，H.Kunzmann，F(xiàn).Lebowsky.Frequency?Stabilization?of?Internal-Mirror?Helium-Neon?Lasers.Applied?Optics，1972，11(4)：742～746)。該方法具有熱慣性小、調(diào)節(jié)效率高的優(yōu)點，但是激光器增益曲線的中心頻率容易受到放電電流變化的影響而改變，其相對頻率準確度不超過10^-7。