[发明专利]基于激光管环绕式测温与精准温度控制点的激光稳频方法与装置

说明书

本发明提出了基于激光管环绕式测温与精准温度控制点的激光稳频方法与装置，双纵模激光器电源的正负极分别连接在激光管的两端，激光稳频装置还包括导热壳体、导热胶层、加热薄膜、热隔离层、散热层、温度传感器和激光稳频系统，导热壳体嵌套在激光管的外部，导热壳体、导热胶层、加热薄膜、热隔离层和散热层由内到外依次粘接，温度传感器粘接于散热层外表面，测温电路的测温端与加热薄膜连接，测温电路、A/D转换器、微处理器、D/A转换器、加热薄膜驱动电路和加热薄膜依次连接，温度传感器与微处理器连接。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由于热传递产生的热迟滞效应。

技术领域

本发明涉及基于激光管环绕式测温与精准温度控制点的激光稳频方法与装置，属于激光应用技术领域。

背景技术

近年来，在微电子制造、超精密测量领域以及航空航天装备的加工制造等高端领域中，要求相关的测量和定位精度达到纳米级别。在能够达到纳米级别的测量技术中，激光干涉测量技术相对于其他技术具有高精度、非接触、量程大等优点，在超精密测量领域中成为了主要的测量技术手段。现阶段激光干涉测量的关键单元技术创新和系统集成不断向着大量程、超精密方向迈进。激光器作为整个激光干涉测量的核心，光源的频率准确度决定了激光干涉测量系统的极限测量精度，其中激光器的频率稳定特性包括频率稳定度以及频率复现性两个方面，国内外对于提高激光器的频率稳定度的技术和方法已经相对成熟，工业用商品级激光器的频率稳定度能够达到10^-8以上，但是对于频率复现性却少有提升的手段，对于一台激光器来说，频率复现性也是制约激光器整体表现的重要指标。在整个激光干涉测量系统中，同一台激光器在分时开启时，其最终频率工作点也会发生变化，系统的参考频率也会随之变化，这会改变干涉测量系统的参考波长，使系统测量精度下降。因此提高频率复现性来提高激光器的频率稳定特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。