[发明专利]基于热电致冷器的双纵模激光器复合稳频方法与装置

说明书

技术领域

本发明属于激光应用技术领域，特别是一种基于热电致冷器的双纵模激光器复合稳频方法与装置

背景技术

激光的特点之一是单色性好，其自发辐射噪声引起的激光线宽极限很小，但由于各种不稳定因素的影响，自由运转的激光器光频率漂移远远大于线宽极限，其相对频率准确度仅为10^-5～10^-6。随着科学技术的不断发展，超精密测量与加工工业对激光器的频率精度提出越来越高的要求，当前超精密加工一般要求激光的频率相对准确度达到10^-7～10^-8，有的特殊场合，如光刻机和大型天文望远镜加工等，甚至要求激光的频率相对准确度达到10^-9，为了满足这样的精度要求，需要对自由运转的激光器采取稳频控制措施，以提高其相对频率准确度。

按照稳频基准频率不同，稳频激光器可分为两大类：一类以原子或分子吸收谱线作为稳频控制的参考频率，如碘饱和吸收稳频激光器；另一类以激光增益曲线的中心频率作为稳频控制的参考频率，如兰姆凹陷稳频激光器、双纵模稳频激光器、塞曼稳频激光器。

碘稳频激光器输出光中心频率的相对准确度高达到10^-11～10^-12，然而，腔内调制的碘稳频激光器输出光为调频激光，其光波频率的调制深度为几MHz，因此总体上激光相对频率准确度为10^-8。此外，该类碘稳频激光器的输出功率只有几十μW，采用压电陶瓷作为腔长调节器件，工艺结构复杂，价格昂贵，压电材料蠕变大且使用周期短，预热时间长、抗振性能较差，对环境要求苛刻，无法应用到普通的超精密测量和加工场合。

为了克服碘稳频氦氖激光器输出激光频率带有调制、光功率偏小的缺点，美国Lawrence Livemore实验室的R.R.Donaldson等研制了偏频锁定的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)。该激光器的特点是将一台自由运转的激光器高精度跟踪另一台碘稳频激光器，并偏离碘稳频激光器一固定的频率值，从而既保持了碘稳频激光器中心频率相对准确度高的优点，又可以输出频率无调制的大功率激光，其相对频率准确度达到10^-9，输出功率达到15mW。然而，该类激光器采用外腔式谐振腔结构和压电陶瓷调节元件，除去预热时间长、抗振特性差的不足外，整个激光器装置体积十分庞大。目前，该类激光器仅用于个别专用的大型超精密加工设备中，且需要采取额外的防振措施，因此不能应用在超精密测量和加工的现场应用中。

兰姆凹陷稳频激光器以增益曲线的中心频率为参考频率，利用压电陶瓷调节谐振腔的长度和激光振荡频率，当激光器工作频率位于增益曲线的中心频率处时，由于烧孔效应，激光器输出光功率具有极小值。兰姆凹陷稳频激光器的频率稳定性与兰姆凹陷的宽度及其对称性相关，采用较低的工作气压可使凹陷变窄，激光中心频率相对准确度可达10^-9，但同时也会大幅度降低激光器的输出光功率。此外，兰姆凹陷稳频激光器输出激光的光强和频率均带有微小的低频调制，调制深度约为10MHz，并且由于使用压电晶体和外腔式结构，预热时间长达2～3小时，造价昂贵，抗振性能较差，因此不能应用在超精密测量和加工的现场应用中。

双纵模稳频激光器和塞曼稳频激光器输出激光包含两种不同偏振状态和频率的激光，通常以两种光的光功率差值作为稳频控制的反馈信号，将两种光的频率稳定在关于激光增益曲线中心频率对称的位置上。预热时间小于20分钟，且工作环境适应好，目前已经在商品化的激光干涉测量系统中得到了广泛的应用。但是，其稳频控制的参考频率实质上是激光增益曲线的中心频率，由于工作气压、放电电流等参数的差异，其相对频率准确度一般为只能达到10^-8，难以达到10^-9，无法满足超精密测量和加工特殊场合的要求。