[发明专利]基于激光管温度多点采集的高频率复现性激光稳频方法与装置

说明书

本发明提出了基于激光管温度多点采集的高频率复现性激光稳频方法与装置，所述激光稳频装置包括：稳频控制电路，所述稳频控制电路包括偏振分光镜、光功率转换电路、A/D转换电路、测温电路、微处理器、D/A转换器和加热薄膜驱动器，所述偏振分光镜设置在任一所述透光孔外，所述光功率转换电路设置在偏振分光镜的反射及折射光路上，所述光功率转换电路、A/D转换电路、微处理器、D/A转换器、加热薄膜驱动器和多组加热薄膜依次单向连接，所述温度传感器、测温电路和微处理器依次单向连接。本发明的方法可以使激光器的频率复现性从10^‑8提升至10^‑9，本发明的装置可以有效避免最终的稳频温度点漂移的情况。

技术领域

本发明涉及基于激光管温度多点采集的高频率复现性激光稳频方法与装置，属于激光应用技术领域。

背景技术

在大规模集成电路、精密机床、航空航天装备等高端制造业中，要求相关工件台的定位精度达到纳米级别。目前能够达到纳米级精度的测量技术有激光干涉测量技术、电学传感测量技术等，其中激光干涉测量技术相对于其他纳米级测量技术具有高精度、非接触、量程大等特点，已成为超精密测量领域中的主要测量技术手段。激光干涉测量系统主要由激光器、相关干涉光路以及信号处理板卡等组成，激光器作为整个干涉测量系统的核心，其输出激光的频率稳定特性决定了整个激光干涉系统的测量精度上限，其中频率稳定特性包括频率稳定度和频率复现性两个方面的评价指标，国内外对于提高激光器频率稳定度的技术方法已经相对成熟，工业级激光器已经能够达到10^-8以上的频率稳定度，但是对于频率复现性却少有提升手段，频率复现性也是制约激光器的重要指标，即使对于同一台激光器在两次开启时，其输出频率也会发生变化，这会给整个激光干涉测量系统带来参考波长不一致，测量精度下降等问题。因此提高频率复现性是激光应用技术领域迫切需要解决的问题。

按照腔长调节的执行方法不同，激光稳频方法可以分为水冷稳频法、风冷稳频法、压电陶瓷驱动稳频法、以电热器件等为驱动的热稳频法。其中热稳频法是双频激光器的主要稳频方法，该方法以电热器件为执行器对激光管加热，以双纵模光功率差零点作为稳频控制点，通过相应的控制算法调节电热器件的功率使谐振腔的腔长发生变化，最终使激光器进入稳频。在整个稳频过程中，存在三个主要的环节影响激光器的频率复现性。

一方面是温度测量环节带来的问题，由于激光管的工艺原因，尤其国产激光管玻璃外壳存在厚度不均匀的问题，整个激光管的温度传导是各向异性的，如果采用整体式无差别加热，激光管的内部温度场是不均匀的，在热胀冷缩的作用下，会导致激光管表面热涨位移不同，进而导致激光管轴向及径向的弯曲，使输出频率及功率产生漂移，而且无法通过控制电热器件的功率来进行补偿。

另一方面，现今热稳频激光器采用单点温度测量来代表激光管的整体实际温度，不能体现整体激光管的温度分布，例如：专利基于热稳频和声光移频的双纵模激光器互锁方法和装置(中国专利CN201410308324.1)，该方法导致在稳频控制过程中无法正确判断激光管温度及腔长变化，造成稳频控制误差，尤其在两次激光开关机间隔时间较短时，激光管内部热量无法充分散发，温度梯度明显，单点温度测量会引入更大的测量误差，根据实际实验测量得知，对于普通玻璃的激光管，当稳频温度每变化0.1℃，频率变化0.2～0.6MHz，相对频率漂移约为10^-9，这将严重影响稳频精度和频率复现性。

针对上述两个问题，一些研究学者进行了相应的研究。为了减小温度测量方式对激光器频率复现性带来的影响，安捷伦厂商的HP5517将加热丝嵌入到激光管中，一方面利用加热丝加热激光管控制腔长，另一方面根据加热丝自身的电阻温度系数，当激光管的温度发生变化时，加热丝的电阻变化导致其两端的电压发生变化，测温电路通过该电压变化来表征激光管内部的温度。由于加热丝是嵌入到激光管的内部，这种方式不仅加热效率高，而且测温方式简单。但是受到国内加工工艺的限制，该种内嵌加热丝的激光管很难批量化生产。