CN104078831A - 基于热稳频和声光移频的双纵模激光器互锁方法和装置 - Google Patents
基于热稳频和声光移频的双纵模激光器互锁方法和装置 Download PDFInfo
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Abstract
基于热稳频和声光移频的双纵模激光器互锁方法和装置属于激光应用技术领域,本发明采用声光移频技术将多台基于热稳频的双纵模激光器的输出激光频率锁定于同一台参考双纵模稳频激光器的输出激光频率上,从而使所有激光器输出激光具有统一的频率值,目的是解决传统稳频激光器相互之间的频率一致性较低的不足,为超精密激光干涉测量提供一种新型的激光光源。
Description
技术领域
本发明属于激光应用技术领域,特别是一种基于热稳频和声光移频的双纵模激光器互锁方法及其装置。
背景技术
近年来,以光刻机和数控机床为代表的超精密测量与加工技术朝着大尺度、高精度、多空间自由度同步测量方向发展,对激光干涉测量***的总激光功率消耗急剧增加,远超过单台稳频激光器的输出激光功率,因此需要同时采用多台稳频激光器进行组合测量。然而,不同稳频激光器在相对频率稳定度、激光波长值、波长漂移方向等方面存在差异,这将带来激光干涉测量***不同空间自由度的测量精度、波长基准和空间坐标不一致的问题,从而影响整个多维激光干涉测量***的综合测量精度。为了保证激光干涉测量***的综合测量精度,要求组合使用的多台稳频激光器的频率一致性要达到10-8,因此稳频激光器之间的频率一致性已经成为超精密测量与加工技术发展亟需解决的关键问题之一。
目前应用于激光干涉测量***的稳频激光光源主要有双纵模稳频激光器、横向塞曼稳频激光器和纵向塞曼激光器等,这类激光器在稳频基准上以激光增益曲线的中心频率作为稳频控制的参考频率,而激光增益曲线的中心频率随工作气体气压和放电条件而改变,且多台稳频激光器在物理参数上无法做到高度一致,故其稳频控制的参考频率存在差异,从而导致多台稳频激光器输出激光的频率一致性较低,只能到达10-6~10-7。
为了解决稳频激光器之间的频率一致性较差的问题,哈尔滨工业大学提出一种双纵模激光器偏频锁定方法(中国专利申请号CN200910072517、CN200910072518、CN200910072519和CN200910072523),该方法以一台碘稳频激光器或双纵模激光器输出激光的频率作为基准,其余多台双纵模激光器相对于基准频率偏移一定的数值进行锁定,从而使多台双纵模激光器的输出激光具有相同的波长(频率),但是该方法在激光频率的锁定过程中,需要调整激光器的内部工作参数,一方面由于调整的方式属于间接调整,***的响应速度相对比较迟缓,另一方面由于每个激光器的特性参数存在一定差异,激光器内部工作参数的改变可能会对激光的频率稳定度产生不良影响,严重的情况甚至会导致激光器失锁。
发明内容
针对现有技术存在的不足,本发明提出一种基于热稳频和声光移频的双纵模激光器互锁方法,其目的是结合声光移频器的移频特性和热稳频的双纵模稳频激光器的优点,为超精密加工与测量技术提供一种波长一致性优良的激光光源。本发明还提供了一种基于热稳频和声光移频的双纵模激光器互锁装置。
本发明的目的通过以下技术方案实现:
一种基于热稳频和声光移频的双纵模激光器互锁方法,该方法包括以下步骤:
(1)开启参考双纵模稳频激光器的电源,经过预热和稳频过程后,激光器输出正交偏振的两个纵模光,利用偏振分光镜分离出其中一个纵模光作为参考双纵模稳频激光器的输出光,其光波频率记为νr,此输出光由光纤分束器分离成n≥1路,记为光束Xi(i=1,2,…,n),分别作为双纵模激光器Li(i=1,2,…,n)频率锁定的参考光束;
(2)开启双纵模激光器Li(i=1,2,…,n)的电源,所有双纵模激光器同时进入预热过程,测量当前环境的温度值,设定预热的目标温度Tset,且Tset高于环境温度,利用电热器对激光器内部的激光管进行加热,使激光管的温度趋于预先设定的温度值Tset并达到热平衡状态,在此基础上根据预热算法微调电热器的工作电流值,使激光管主输出端和副输出端的激光包括正交偏振的两个纵模光;
(3)预热过程结束后,双纵模激光器Li(i=1,2,…,n)进入稳频控制过程,利用渥拉斯顿棱镜将其内部激光管副输出端的正交偏振的两个纵模光分离,其光功率Pi 1(i=1,2,…,n)和Pi 2(i=1,2,…,n)由二象限光电探测器测量得出,稳频控制模块计算出两个纵模光的功率之差 ΔPi=Pi 1–Pi 2(i=1,2,…,n),并根据ΔPi(i=1,2,…,n)的正负和大小调整电热器件的电流值,使 ΔPi(i=1,2,…,n)趋于零,进而使激光的频率趋于稳定数值;
(4)利用偏振分光镜分离出激光管主输出端激光中的一个纵模光,记为光束Ti(i=1,2,…,n),其频率记为νi(i=1,2,…,n),光束Ti(i=1,2,…,n)分别进入驱动频率为f i(i=1,2,…,n)的声光移频器Si(i=1,2,…,n)进行移频,其对应的输出激光的频率记为νi+ f i(i=1,2,…,n),此激光再由分光镜分为强度比为9:1的两部分光,其中强度相对较大的部分光记为光束Zi(i=1,2,…,n),作为双纵模激光器Li(i=1,2,…,n)的输出激光,强度相对较小的部分光记为光束Yi(i=1,2,…,n);
(5)将光束Xi(i=1,2,…,n)分别与光束Yi(i=1,2,…,n)进行光学混频形成光学拍频信号,利用光电探测器将光学拍频信号转换为电信号,其频率值Δνi=νi+f i–νr(i=1,2,…,n)由频率测量模块测得,频率调整模块根据测量得到的光学拍频信号的频率值Δνi(i=1,2,…,n),计算得出光束Xi(i=1,2,…,n)和Yi(i=1,2,…,n)的频率差值νr –νi=f i–Δνi(i=1,2,…,n),并将声光移频器Si(i=1,2,…,n)的驱动频率f i(i=1,2,…,n)调整为νr –νi(i=1,2,…,n),从而使双纵模激光器Li(i=1,2,…,n)输出光束Zi(i=1,2,…,n)的频率等于参考光束Xi(i=1,2,…,n)的频率,即νi+ f i = νr (i=1,2,…,n)。
一种基于热稳频和声光移频的双纵模激光器互锁装置,包括激光器电源A、稳频状态指示灯、参考双纵模稳频激光器、偏振分光镜A、光纤分束器,其特征在于装置中还包括n≥1个结构相同、呈并联关系的双纵模激光器,其中每一个双纵模激光器的装配结构是:激光器电源B与激光管连接,电热器缠绕在激光管外壁上,其输入端接稳频控制模块,激光管温度传感器粘附在激光管外壁上,其输出端接稳频控制模块,环境温度传感器与稳频控制模块连接,渥拉斯顿棱镜放置在激光管副输出端后,其后放置二象限光电探测器,二象限光电探测器的输出端与稳频控制模块连接,偏振分光镜B放置在激光管主输出端前,其后放置声光移频器,分光镜放置在声光移频器与光纤合束器的一个输入端之间,光纤合束器的另一个输入端与光纤分束器的输出端之一连接,检偏器放置在光纤合束器的输出端与高速光电探测器之间,高速光电探测器、频率测量模块、频率调整模块、声光移频器依次连接,锁频状态指示灯与频率调整模块连接。
本发明具有以下特点及良好效果:
(1)本发明采用声光移频器对多个双纵模激光器进行并联频率锁定,所有双纵模稳频激光器输出激光具有统一的频率值,由于声光移频器极高的频率调节分辨力,多个激光器的频率一致性可高达到10-9,比现有方法提高一到两个数量级,这是区别于现有技术的创新点之一。
(2)本发明采用声光移频器对多个双纵模激光器进行并联频率锁定,由于声光移频器较高的频率调整响应速度,可有效抑制外界干扰因素引起的激光波长漂移和跃变,从而提高了光源的稳定性和环境适用性,这是区别于现有技术的创新点之二。
(3)本发明采用声光移频器对多个双纵模激光器进行并联频率锁定,由于激光器最终输出激光的频率调整方式对于激光器内部激光管而言,属于一种外部调整方法,因此不会对激光管的稳频控制机制产生不良影响,有利于提高***的稳定性和频率稳定精度,这是区别于现有技术的创新点之三。
附图说明
图1 为本发明装置的原理示意图
图2 为本发明装置中双纵模激光器稳频结构的示意图
图3 为本发明装置中双纵模激光器预热过程的闭环控制功能框图
图4 为本发明装置中双纵模激光器稳频过程的闭环控制功能框图
图5为本发明装置中双纵模激光器频率锁定过程的闭环控制功能框图
图中,1激光器电源A、2稳频状态指示灯、3参考双纵模稳频激光器、4偏振分光镜A、5光纤分束器,6激光管、7渥拉斯顿棱镜、8二象限光电探测器、9稳频控制模块、10激光管温度传感器、11电热器、12环境温度传感器、13激光器电源B、14偏振分光镜B、15声光移频器、16分光镜、17光纤合束器、18检偏器、19高速光电探测器、20频率测量模块、21频率调整模块、22锁频状态指示灯。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施实例进行详细的描述。
如图1和图2所示,本发明装置中基于热稳频和声光移频的双纵模激光器互锁装置,包括激光器电源A1、稳频状态指示灯2、参考双纵模稳频激光器3、偏振分光镜A4、光纤分束器5,该装置中还包括n≥1个结构相同、呈并联关系的双纵模激光器L1, L2,…, Ln,其中每一个双纵模激光器L1, L2,…, Ln的装配结构是:激光器电源B13与激光管6连接,电热器11缠绕在激光管6外壁上,其输入端接稳频控制模块9,激光管温度传感器10粘附在激光管6外壁上,其输出端接稳频控制模块9,环境温度传感器12与稳频控制模块9连接,渥拉斯顿棱镜7放置在激光管6副输出端后,其后放置二象限光电探测器8,二象限光电探测器8的输出端与稳频控制模块9连接,偏振分光镜B14放置在激光管6主输出端前,其后放置声光移频器15,分光镜16放置在声光移频器15与光纤合束器17的一个输入端之间,光纤合束器17的另一个输入端与光纤分束器5的输出端之一连接,检偏器18放置在光纤合束器17的输出端与高速光电探测器19之间,高速光电探测器19、频率测量模块20、频率调整模块21、声光移频器15依次连接,锁频状态指示灯22与频率调整模块21连接。
鉴于装置中包括多个结构相同的双纵模稳频激光器L1, L2,…, Ln,这些双纵模稳频激光器的工作过程完全一致,以下仅对其中一个双纵模稳频激光器L1进行工作过程描述,这些描述文字同样适用于装置中的其它同类双纵模稳频激光器。
开始工作时,开启激光器电源A1,参考双纵模稳频激光器3进入预热和稳频过程,当上述过程完成时,使能稳频状态指示灯2,表示参考双纵模稳频激光器3进入稳定工作状态,其输出激光包括偏振方向互相正交的两个纵模光,利用偏振分光镜A4取出其中一个纵模光作为输出光,并耦合进入光纤分束器5,被分离成n路频率基准光束,记为光束X1, X2,…, Xn,其频率记为νr,作为双纵模激光器L1, L2,…, Ln频率锁定的参考频率。
稳频状态指示灯2使能的同时,开启激光管电源B13,双纵模稳频激光器L1进入预热过程。稳频控制模块9根据环境温度传感器12测量得到的环境温度值而设定预热的目标温度Tset,且Tset高于环境温度,将Tset作为如图3所示的预热闭环控制***的参考输入量,同时以激光管温度传感器10测量得到激光管6的实际温度Treal作为反馈信号,稳频控制模块9计算二者的差值,并根据差值的正负和大小调整电热器11的工作电流的大小,对激光管6进行加热,使其温度趋于预设的目标温度Tset,在此基础上根据预热算法微调电热器11的工作电流值,使激光管6主输出端和副输出端的激光包括正交偏振的两个纵模光。
预热过程完成后,稳频控制模块9切换双纵模稳频激光器L1进入稳频控制过程。模激光管6副输出端输出的两个纵模光由渥拉斯顿棱镜7分离后,其光功率P1 1和P1 2由二象限光电探测器8测得,将两个纵模的功率之差ΔP= P1 1–P1 2作为如图4所示的稳频闭环控制***的反馈输入量,参考输入量设置为零,稳频控制模块9计算出参考输入量与反馈输入量的差值,并根据稳频控制算法调整缠绕电热器11的工作电流值,进而调整激光管6的温度和谐振腔长,使两个纵模光的功率P1 1= P1 2,此时两个纵模光的频率也趋于稳定数值。
稳频过程结束后,激光器L1进入频率锁定过程,激光管6主输出端输出的双模激光由偏振分光镜B14分离出其中一个纵模光,作为声光移频器15的输入光,其频率记为ν1,声光移频器15的工作频率记为f 1,由于声光相互作用,声光移频器15输出激光的频率为 ν1+ f 1,该光束再通过分光镜16分离为强度为9:1两部分光,其中强度相对较大的部分光记为光束Z1,作为双纵模激光器L1的输出激光,强度相对较小的部分光记为光束Y1,该光束与光束X1由光纤合束器17耦合进入光纤合成为一束同轴光束,该同轴光束通过检偏器18后形成光学拍频信号,经高速光电探测器19进行光电转换后,其频率值Δν1=ν1+f 1–νr由频率测量模块20测量得到,并作为如图5所示的频率锁定闭环控制***的反馈输入量,参考输入量设置为零,频率调整模块21根据二者的差值Δν1,计算得出光束X1与光束Y1的频率差值为νr –ν1=f 1–Δν1,并将声光移频器15的驱动频率f 1调整为νr –ν1,从而使激光器L1输出光束Z1的频率(光束Z1与光束Y1同频率)等于参考光束X1的频率νr。当上述频率锁定过程完成后,频率调整模块21使能锁频状态指示灯22。
当外界环境变化或其它因素导致参考双纵模稳频激光器3或者双纵模激光器L1输出激光的频率发生变化时,自动循环上述稳频锁定过程,通过调整声光移频器15的工作频率f 1,使双纵模激光器L1输出激光的频率ν1始终锁定于参考频率νr。同理,双纵模激光器L2, L3,…, Ln输出激光的频率ν2, ν3,…, νn也始终锁定在参考频率νr上。
Claims (2)
1.一种基于热稳频和声光移频的双纵模激光器互锁方法,其特征在于该方法包括以下步骤:
(1)开启参考双纵模稳频激光器的电源,经过预热和稳频过程后,激光器输出正交偏振的两个纵模光,利用偏振分光镜分离出其中一个纵模光作为参考双纵模稳频激光器的输出光,其光波频率记为νr,此输出光由光纤分束器分离成n≥1路,记为光束Xi(i=1,2,…,n),分别作为双纵模激光器Li(i=1,2,…,n)频率锁定的参考光束;
(2)开启双纵模激光器Li(i=1,2,…,n)的电源,所有双纵模激光器同时进入预热过程,测量当前环境的温度值,设定预热的目标温度Tset,且Tset高于环境温度,利用电热器对激光器内部的激光管进行加热,使激光管的温度趋于预先设定的温度值Tset并达到热平衡状态,在此基础上根据预热算法微调电热器的工作电流值,使激光管主输出端和副输出端的激光包括正交偏振的两个纵模光;
(3)预热过程结束后,双纵模激光器Li(i=1,2,…,n)进入稳频控制过程,利用渥拉斯顿棱镜将其内部激光管副输出端的正交偏振的两个纵模光分离,其光功率Pi 1(i=1,2,…,n)和Pi 2(i=1,2,…,n)由二象限光电探测器测量得出,稳频控制模块计算出两个纵模光的功率之差 ΔPi=Pi 1–Pi 2(i=1,2,…,n),并根据ΔPi(i=1,2,…,n)的正负和大小调整电热器件的电流值,使 ΔPi(i=1,2,…,n)趋于零,进而使激光的频率趋于稳定数值;
(4)利用偏振分光镜分离出激光管主输出端激光中的一个纵模光,记为光束Ti(i=1,2,…,n),其频率记为νi(i=1,2,…,n),光束Ti(i=1,2,…,n)分别进入驱动频率为f i(i=1,2,…,n)的声光移频器Si(i=1,2,…,n)进行移频,其对应的输出激光的频率记为νi+ f i(i=1,2,…,n),此激光再由分光镜分为强度比为9:1的两部分光,其中强度相对较大的部分光记为光束Zi(i=1,2,…,n),作为双纵模激光器Li(i=1,2,…,n)的输出激光,强度相对较小的部分光记为光束Yi(i=1,2,…,n);
(5)将光束Xi(i=1,2,…,n)分别与光束Yi(i=1,2,…,n)进行光学混频形成光学拍频信号,利用光电探测器将光学拍频信号转换为电信号,其频率值Δνi=νi+f i–νr(i=1,2,…,n)由频率测量模块测得,频率调整模块根据测量得到的光学拍频信号的频率值Δνi(i=1,2,…,n),计算得出光束Xi(i=1,2,…,n)和Yi(i=1,2,…,n)的频率差值νr–νi=f i–Δνi(i=1,2,…,n),并将声光移频器Si(i=1,2,…,n)的驱动频率f i(i=1,2,…,n)调整为νr–νi(i=1,2,…,n),从而使双纵模激光器Li(i=1,2,…,n)输出光束Zi(i=1,2,…,n)的频率等于参考光束Xi(i=1,2,…,n)的频率,即νi+ f i = νr(i=1,2,…,n);
(6)循环重复步骤(4)到(5),通过调整声光移频器Si(i=1,2,…,n)的工作频率f i(i=1,2,…,n),使双纵模激光器Li(i=1,2,…,n)的输出激光Zi(i=1,2,…,n)的频率始终锁定于同一频率值νr。
2.一种基于热稳频和声光移频的双纵模激光器互锁装置,包括激光器电源A(1)、稳频状态指示灯(2)、参考双纵模稳频激光器(3)、偏振分光镜A(4)、光纤分束器(5),其特征在于装置中还包括n≥1个结构相同、呈并联关系的双纵模激光器(L1, L2,…, Ln),其中每一个双纵模激光器(L1, L2,…, Ln)的装配结构是:激光器电源B(13)与激光管(6)连接,电热器(11)缠绕在激光管(6)外壁上,其输入端接稳频控制模块(9),激光管温度传感器(10)粘附在激光管(6)外壁上,其输出端接稳频控制模块(9),环境温度传感器(12)与稳频控制模块(9)连接,渥拉斯顿棱镜(7)放置在激光管(6)副输出端后,其后放置二象限光电探测器(8),二象限光电探测器(8)的输出端与稳频控制模块(9)连接,偏振分光镜B(14)放置在激光管(6)主输出端前,其后放置声光移频器(15),分光镜(16)放置在声光移频器(15)与光纤合束器(17)的一个输入端之间,光纤合束器(17)的另一个输入端与光纤分束器(5)的输出端之一连接,检偏器(18)放置在光纤合束器(17)的输出端与高速光电探测器(19)之间,高速光电探测器(19)、频率测量模块(20)、频率调整模块(21)、声光移频器(15)依次连接,锁频状态指示灯(22)与频率调整模块(21)连接。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |