[发明专利]一种双频He-Ne激光器频率测量装置及其测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及双频He-Ne激光器技术领域，特别涉及一种双频He-Ne激光器频率测量装置及其测量方法。

背景技术

双频激光干涉仪具有测量精度高、测量速度快和环境适应力强等特点，其在激光精密计量领域有着重要的应用，尤其是在精密位移平台定位等工业生产领域有着不可替代的作用。1970年惠普公司首次推出了基于双频He-Ne激光器的商用双频外差干涉仪用于增量式位移测量，其测量精度可达λ/16，目前市场上已有多个厂家的多种性能双频激光干涉仪产品。双频激光干涉仪的核心元件是双频激光器，其输出激光包括具有一定频率差的两个正交偏振的激光，其波长作为测量的基础尺度。由于双频激光干涉仪的测量结果与双频激光器的波长直接联系，所以双频激光器的绝对频率及其频率稳定度决定了干涉仪的测量精确度。为实现纳米量级的测量精确度，双频激光器输出激光的绝对频率需精确到10MHz，1小时频率相对稳定度需达到1×10^-9，在光刻应用等某些高精度微纳加工领域甚至需要更高的相对稳定性。所以，在双频激光器研制过程以及出厂前，其绝对频率及稳定度需要经过严格的测量。

在633nm激光频率波段，¹²⁷I₂吸收稳频He-Ne激光是国际计量委员会推荐的实施米定义的12种稳频激光谱线之一，其频率相对不确定度为2.1×10^-11。He-Ne激光频率的测量通常是通过与¹²⁷I₂吸收稳频He-Ne激光拍频获得，但受到拍频带宽限制这种方法测量的频率范围十分有限。此外，¹²⁷I₂吸收稳频He-Ne激光对温度和环境振动等噪声非常敏感，采用¹²⁷I₂吸收稳频He-Ne激光作为标准进行频率测量是对测量环境有着苛刻要求。

光频梳的出现解决了光学频率直接精密测量的问题，使得激光频率测量结果可直接溯源至具有更高精确度的时间频率基准。由于光频梳直接建立了微波频率基准与光波频率的联系，锁定至微波频率基准的光频梳相比现有稳定激光具有更高的频率稳定度，且其光谱范围可覆盖可见至近红外区域，所以光频梳有望成为取代现有稳频激光的下一代光频基准。尽管光频梳在光学频率测量方面具有显著优势，但是由于双频He-Ne激光的正交偏振特性，如果直接利用光频梳对其频率进行测量会极大地增加系统难度。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种双频He-Ne激光器频率测量装置及其测量方法，将光频梳作为微波频率与光波频率的桥梁，双频He-Ne激光器频率测量结果可溯源至微波频率基准，具有计量学意义，且能够同时直接测得双频He-Ne激光器两个正交偏振激光的绝对频率，具有良好的抗干扰性。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种双频He-Ne激光器频率测量装置，包括相互连接的稳频激光系统1和双频激光频率测量系统2；

所述稳频激光系统1包括依次连接的可调谐激光器101、光隔离器102以及第一光纤准直器103，和所述第一光纤准直器103通过保偏光纤104依次连接的保偏光纤耦合器105、第二光纤准直器106、第一1/2波片107、第一偏振分光立方体108、第一偏振片111以及光栅112，所述第一1/2波片107和第一偏振片111连接在第一偏振分光立方体108的一中轴线上，第二1/2波片110通过保偏光纤104连接在第一偏振分光立方体108的另一中轴线上，光频梳109通过保偏光纤104和第二1/2波片110相连接，平面反射镜113的位置使光栅112反射的光束经过平面反射镜113反射后入射至第一光电探测器114，所述第一光电探测器114依次和放大器115、鉴相器116、控制器117电连接，所述控制器117的输出端和所述可调谐激光器101的电流调制端口电连接，计算机119的信号输入端口分别与可调谐激光器101、波长计120和控制器107的信号输出端口相电连接，铷钟118的输出端分别与所述光频梳109和鉴相器116的输入端相电连接；