[發明專利]基于激光管溫度多點采集的高頻率復現性激光穩頻方法與裝置

有效

• 申請號: 201911410452.6
• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN111048987B
• 公開（公告）日: 2021-02-12
• 發明（設計）人: 楊宏興;鄒運;殷子淇;李婧;胡鵬程;譚久彬
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H01S3/13
• 分類號: H01S3/13;H01S3/131;H01S3/10
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 劉景祥

本發明提出了基于激光管溫度多點采集的高頻率復現性激光穩頻方法與裝置，所述激光穩頻裝置包括：穩頻控制電路，所述穩頻控制電路包括偏振分光鏡、光功率轉換電路、A/D轉換電路、測溫電路、微處理器、D/A轉換器和加熱薄膜驅動器，所述偏振分光鏡設置在任一所述透光孔外，所述光功率轉換電路設置在偏振分光鏡的反射及折射光路上，所述光功率轉換電路、A/D轉換電路、微處理器、D/A轉換器、加熱薄膜驅動器和多組加熱薄膜依次單向連接，所述溫度傳感器、測溫電路和微處理器依次單向連接。本發明的方法可以使激光器的頻率復現性從10^?8提升至10^?9，本發明的裝置可以有效避免最終的穩頻溫度點漂移的情況。

技術領域

本發明涉及基于激光管溫度多點采集的高頻率復現性激光穩頻方法與裝置，屬于激光應用技術領域。

背景技術

在大規模集成電路、精密機床、航空航天裝備等高端制造業中，要求相關工件臺的定位精度達到納米級別。目前能夠達到納米級精度的測量技術有激光干涉測量技術、電學傳感測量技術等，其中激光干涉測量技術相對于其他納米級測量技術具有高精度、非接觸、量程大等特點，已成為超精密測量領域中的主要測量技術手段。激光干涉測量系統主要由激光器、相關干涉光路以及信號處理板卡等組成，激光器作為整個干涉測量系統的核心，其輸出激光的頻率穩定特性決定了整個激光干涉系統的測量精度上限，其中頻率穩定特性包括頻率穩定度和頻率復現性兩個方面的評價指標，國內外對于提高激光器頻率穩定度的技術方法已經相對成熟，工業級激光器已經能夠達到10^-8以上的頻率穩定度，但是對于頻率復現性卻少有提升手段，頻率復現性也是制約激光器的重要指標，即使對于同一臺激光器在兩次開啟時，其輸出頻率也會發生變化，這會給整個激光干涉測量系統帶來參考波長不一致，測量精度下降等問題。因此提高頻率復現性是激光應用技術領域迫切需要解決的問題。

按照腔長調節的執行方法不同，激光穩頻方法可以分為水冷穩頻法、風冷穩頻法、壓電陶瓷驅動穩頻法、以電熱器件等為驅動的熱穩頻法。其中熱穩頻法是雙頻激光器的主要穩頻方法，該方法以電熱器件為執行器對激光管加熱，以雙縱模光功率差零點作為穩頻控制點，通過相應的控制算法調節電熱器件的功率使諧振腔的腔長發生變化，最終使激光器進入穩頻。在整個穩頻過程中，存在三個主要的環節影響激光器的頻率復現性。

一方面是溫度測量環節帶來的問題，由于激光管的工藝原因，尤其國產激光管玻璃外殼存在厚度不均勻的問題，整個激光管的溫度傳導是各向異性的，如果采用整體式無差別加熱，激光管的內部溫度場是不均勻的，在熱脹冷縮的作用下，會導致激光管表面熱漲位移不同，進而導致激光管軸向及徑向的彎曲，使輸出頻率及功率產生漂移，而且無法通過控制電熱器件的功率來進行補償。

另一方面，現今熱穩頻激光器采用單點溫度測量來代表激光管的整體實際溫度，不能體現整體激光管的溫度分布，例如：專利基于熱穩頻和聲光移頻的雙縱模激光器互鎖方法和裝置(中國專利CN201410308324.1)，該方法導致在穩頻控制過程中無法正確判斷激光管溫度及腔長變化，造成穩頻控制誤差，尤其在兩次激光開關機間隔時間較短時，激光管內部熱量無法充分散發，溫度梯度明顯，單點溫度測量會引入更大的測量誤差，根據實際實驗測量得知，對于普通玻璃的激光管，當穩頻溫度每變化0.1℃，頻率變化0.2～0.6MHz，相對頻率漂移約為10^-9，這將嚴重影響穩頻精度和頻率復現性。

針對上述兩個問題，一些研究學者進行了相應的研究。為了減小溫度測量方式對激光器頻率復現性帶來的影響，安捷倫廠商的HP5517將加熱絲嵌入到激光管中，一方面利用加熱絲加熱激光管控制腔長，另一方面根據加熱絲自身的電阻溫度系數，當激光管的溫度發生變化時，加熱絲的電阻變化導致其兩端的電壓發生變化，測溫電路通過該電壓變化來表征激光管內部的溫度。由于加熱絲是嵌入到激光管的內部，這種方式不僅加熱效率高，而且測溫方式簡單。但是受到國內加工工藝的限制，該種內嵌加熱絲的激光管很難批量化生產。