专利名称：双频激光器稳频装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种双频激光器的稳频装置及其控制方法。
背景技术：
双频激光器利用塞曼效应产生具有一定频率差的正交偏振激光束，该激光器广泛应用于精密测量领域。双频激光器作为测量光源，其频率需要具有很好的稳定性。双频激光器的稳频方法有压电陶瓷稳频法、电热丝稳频法等。压电陶瓷稳频法采用压电晶体控制激光器谐振腔腔长，该方法频率稳定度高，但是エ艺复杂、价格昂贵、并且压电材料使用寿命短等原因，现已很少用于投入生产。电热丝稳频法通过加热缠绕在激光管上的电热丝，使激光管材料发生热膨胀以使激光管的腔长发生变化，精确控制电热丝的温度可以控制激光管的腔长，由于激光管腔长的变化影响激光器的谐振频率的变化，因此激光管腔长的变化越小，双频激光器的稳频精度越高。然而在使用电热丝稳频法加热电热丝时，会发生加热的温度超过实际所需要的温度，这时，需要降低激光管的温度，通常使激光管的温度降低的过程是依靠空气传导的方式或自然冷却，由于自然冷却的速度很慢，因此，激光管达到稳频状态所需要的时间也会相应的变长，大大降低了激光管的稳频效率。另外，利用电热丝装置对激光管进行加热，即对激光管而言，只有一个控温装置，对激光管的温度控制精度不高，因此激光管的稳频精度也不够闻。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双频激光器的稳频装置及其控制方法，以解决现有技术中激光管达到稳频状态所需的时间长以及激光管稳频精度低的问题。本发明提供一种双频激光器的稳频装置，包括激光管和磁环，所述双频激光器稳频装置还包括控制器、频率检测单元以及紧贴所述激光管设置的温控单元，所述控制器与所述温控单元连接，所述磁环围绕所述温控单元设置，所述频率检测单元连接在所述激光管和所述控制器之间。优选地，在双频激光器的稳频装置中，所述温控単元包括加热控制単元和制冷控制单元，所述加热控制单元与所述制冷控制单元形成网状结构。优选地，在双频激光器的稳频装置中，所述加热控制单元倾斜缠绕于所述激光管的管壁上，所述制冷控制单元倾斜缠绕于所述激光管的管壁上。优选地，在双频激光器的稳频装置中，所述加热控制单元和制冷控制单元为铜质导线。优选地，在双频激光器的稳频装置中，所述温控单元还包括多个热电致冷器，所述热电致冷器连接至制冷控制单元。优选地，在双频激光器的稳频装置中，所述温控单元还包括多个散热器以及多个硅胶层，所述散热器设置在所述热电致冷器上，所述硅胶层设置在制冷控制单元与所述热电致冷器之间、所述热电致冷器与所述散热器之间。优选地，在双频激光器的稳频装置中，所述热电致冷器的数量为4个，所述散热器的数量为4个，所述硅胶层的数量为8个。优选地，在双频激光器的稳频装置中，还包括设置于所述磁环与所述温控単元之间的橡胶层。优选地，在双频激光器的稳频装置中，所述频率检测单元包括偏振分光棱镜、第一探測器、第二探测器以及比较器，所述偏振分光棱镜设置在能够接收所述激光管发出的光束的位置，所述第一探測器和所述第二探測器分别设置在能够接收所述偏振分光镜分出的光束的位置，并且所述第一探測器和第二探測器分别连接至所述比较器。本发明还提供了ー种双频激光器稳频装置的控制方法，该方法包括温控单元エ作使激光管达到初始温度值；在所述磁环的作用下激光管发出第一频率激光束和第二频率激光束；频率检测单元检测所述第一频率激光束和所述第二频率激光束，并将检测结果输送至控制器；控制器对检测结果进行判断，并根据判断结果控制温控单元工作。优选地，在所述双频激光器稳频装置的控制方法中，所述检测结果是所述第一频率激光束和所述第二频率激光束之间的光强差，若光强差不为零，则控制温控单元工作，若光强差等于零，则温控单元停止工作。优选地，在所述双频激光器稳频装置的控制方法中，所述频率检测单元包括偏振分光棱镜、第一探測器、第二探測器、比较器，所述偏振分光棱镜设置在能够接收所述激光管发出的光束的位置，所述第一探測器和所述第二探測器分别设置在能够接收所述偏振分光镜分出的光线的位置，并且所述第一探測器和第二探測器分别连接至所述比较器。优选地，在所述双频激光器稳频装置的控制方法中，所述偏振分光棱镜将第一频率激光束和第二频率激光束分开；第一探測器检测第一频率激光束并将其转化成第一电流 信号，第二探測器检测第二频率激光束并将其转化成第二电流信号；将第一电流信号和第ニ电流信号一并输送至所述比较器，比较器得到检测结果；将检测结果输送入控制器，由控制器对检测结果进行判断，若判断结果为正值，则控制温控单元以升高激光管的温度，若判断结果为负值，则控制温控单元以降低激光管的温度，若判断结果为零，则温控単元停止エ作。由于采用了以上技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明提供的双频激光器的稳频装置通过温控単元控制激光管的温度，以进一歩控制激光管的腔长，相比只采用电热丝加热稳频的方法，降温过程比自然冷却要快，缩短了控制双频激光器达到稳频的时间，可快速稳频。进ー步地，温控单元包括加热控制单元和制冷控制单元，同时用加热控制单元和制冷控制单元这两种装置对激光管的温度进行控制，提高了温度控制的精度，因此也提高了双频激光器的稳频精度。另外，所述磁环与所述温控単元之间设置的橡胶层，可以减小磁环振动对激光管的影响，并可起到保温的作用。本发明提供的双频激光器稳频装置的控制方法，根据判断结果控制温控单元エ作，使用温控单元可以迅速地调节激光管的温度，以缩短双频激光器达到稳频的时间；此夕卜，温控单元可以同时通过主动升温和降温来调节激光管的温度，提高了温度控制的精度，同时也提高了双频激光器的稳频精度。
參照附图阅读了本发明的具体实施方式
以后，将会更清楚地了解本发明的各个方面。其中，图I为本发明实施例提供的双频激光器的稳频装置的结构示意图；图2为图I中温控单元的结构示意图；图3为本发明实施例提供的双频激光器稳频装置的控制方法的流程图。
具体实施例方式下面參照附图，对本发明的具体实施方式
作进ー步的详细描述。在整个描述中，相同的附图标记表示相同的部件。本发明提供的双频激光器的稳频装置通过温控単元控制激光管的温度，缩短了控制双频激光器达到稳频的时间，可快速稳频。本发明提供的双频激光器稳频装置的控制方法，根据判断结果控制温控单元工作，使用温控单元可以迅速地调节激光管的温度，以缩短双频激光器达到稳频的时间；此外，温控单元可以同时通过主动升温和降温来调节激光管的温度，提高了温度控制的精度，同时也提高了双频激光器的稳频精度。图I为本发明实施例提供的双频激光器的稳频装置的结构示意图。參照图1，双频激光器的稳频装置包括激光管11和磁环12，所述双频激光器稳频装置还包括控制器13、频率检测单元14以及紧贴所述激光管11设置的温控单元15，所述控制器13与所述温控単元15连接，所述磁环12围绕所述温控単元15设置，所述频率检测单元14连接在所述激光管11和所述控制器13之间。图2为图I中温控单元的结构示意图。參照图2，所述温控单元15包括加热控制単元151和制冷控制单元152，所述温控単元15紧密缠绕于激光管11的管壁上。在本实施例中，所述加热控制单元151与所述制冷控制单元152形成密绕的网状结构，由加热控制单元151与制冷控制单元152均匀编织而成，以使加热控制单元151进行加热和制冷控制单元152进行制冷时，激光管11管壁的温度均匀分布，升温和降温过程激光管11管壁各处温度变化均匀，避免因管壁各处温度分布不均匀导致管壁破裂或影响激光管发光性能。本领域的普通技术人员应该理解，所述加热控制单元151与所述制冷控制单元152密绕的方式不仅仅局限于网状结构，还可以是其他密绕的方式。具体地，所述加热控制单元151倾斜缠绕于所述激光管11的管壁上，同样，所述制冷控制单元152倾斜缠绕于所述激光管11的管壁上，所述加热控制单元151倾斜缠绕的角度和所述制冷控制单元152倾斜缠绕的角度相同，以保证加热控制単元151加热和制冷控制単元152制冷过程对激光管11管长膨胀影响相同。进ー步地，所述加热控制单元151以及制冷控制单元152缠绕于所述激光管11的倾斜角度在30°和60°之间，在本实施例中，所述加热控制单元151以及制冷控制单元152缠绕于所述激光管11的倾斜角度为45°。在本实施例中，所述加热控制单元151和制冷控制单元152均为铜质导线。本领域的普通技术人员应该理解，所述加热控制单元151和制冷控制单元152不仅仅局限于铜质导线，还可以是其他可以导热导电的金属导线。
优选地，在双频激光器的稳频装置中，所述温控単元15还包括多个热电致冷器153，多个散热器154、以及多个硅胶层155，所述热电致冷器153连接至制冷控制单元152，所述散热器154设置在所述热电致冷器153上，以帮助热电致冷器153工作时进行散热，所述硅胶层155设置在制冷控制单元152与所述热电致冷器153之间、所述热电致冷器153与所述散热器154之间，即在制冷控制单元152与所述热电致冷器153之间设置有ー个硅胶层155,在热电致冷器153与所述散热器154之间也设置有ー个娃胶层155,用于均勻快速传导热量。采用了多个热电致冷器153同时降温，能够使激光管11降温过程均匀。在本 实施例中，所述热电致冷器153的数量为4个，分别在激光管11的两端上下各放置一个热电致冷器153,所述散热器154的数量为4个,所述散热器154配合姆个热电致冷器153安装，所述硅胶层155的数量为8个。当然，上述数量不用于限定本发明，可以根据激光管11的降温需求来设定热电致冷器153、散热器154以及娃胶层155。在本实施例中，所述磁环12与所述温控単元15之间设置有橡胶层18，所述橡胶层18灌注于所述磁环12与所述温控単元15之间，可减小磁环12振动对激光管11的影响，并可起到保温作用。进ー步地，所述频率检测单元14包括偏振分光棱镜141、第一探測器142、第二探测器143、以及比较器144，所述偏振分光棱镜141设置在能够接收所述激光管11发出的光束的位置，所述第一探測器142和所述第二探測器143分别设置在能够接收所述偏振分光镜141分出的光束的位置，并且所述第一探測器142和第二探測器143分别连接至所述比较器144。其中，所述第一探測器142和所述第二探測器143能够将光信号转化成电流信号。相应的，本发明还提供了利用图I所示双频激光器的稳频装置的控制方法。具体请參考图3，其为本发明实施例提供的双频激光器稳频装置的控制方法的流程图。本发明实施例提供的控制方法包括以下步骤步骤S31 :温控单元工作使激光管达到初始温度值；步骤S32 :在所述磁环的作用下激光管发出第一频率激光束和第二频率激光束；步骤S33 :频率检测单元检测所述第一频率激光束和所述第二频率激光束，并将检测结果输送至控制器；步骤S34 :控制器对检测结果进行判断，并根据判断结果控制温控单元工作。在使用双频激光器稳频装置对激光器所发出的光束进行稳频，主要是通过温控单元15对激光管11进行控温，具体是由加热控制単元151利用铜丝的通电发热效应实现升温，制冷控制单元152利用热电致冷器153制冷以及铜丝传递热量实现降温，进ー步控制激光管11的腔长，使激光管11发出的两个激光束的频率关于激光器増益曲线的中心频率对称，使两个激光束的光强差趋近于零，以使激光管11实现稳频。在步骤S31中，温控单元15中的加热控制单元151工作，使激光管11升温，以达到初始温度值，所述初始温度值是多次实验后所取的经验值，在本实施例中，所述初始温度值比环境温度值高10°C。其中，激光管11的温度值依靠检测加热控制単元151的电阻(即铜丝的电阻)获得，而无需额外的温度传感器，铜丝的电阻公式是R= P L/S (I)其中，P是铜丝的电阻率，L为铜丝的长度，S为铜丝的截面积。
铜丝的电阻率与温度相关P = P 0(1+α T) (2)其中P。为0°C时铜丝的电阻率，α为铜丝的温度系数，T为铜丝的温度值。依据公式(I)和(2)即可通过铜丝电阻值计算获得相应的温度值。在步骤S32中，激光管11发出第一频率激光束和第二频率激光束。在步骤S33和步骤S34中，频率检测单元14检测所述第一频率激光束和所述第二频率激光束，并将检测结果输送入控制器13，所述检测结果是所述第一频率激光束和所述第二频率激光束之间的光强差，若光强差不为零，则控制温控单元15工作，微小改变激光管11的温度，从而快速调整激光管11的腔长，使两束激光束的频率关于激光器増益曲线的中心频率对称，使光强差趋近于零；若光强差等于零，则温控单元15停止工作，此时两束激 光束的频率稳定分布于增益曲线中心频率两侧，两束激光束频率稳定，双频激光器达到稳频状态。在本实施例中，使用偏振分光棱镜141将第一频率激光束和第二频率激光束分开，第一探測器142检测第一频率激光束，并将第一频率激光束的光信号转化成第一电流信号II，第二探測器143检测第二频率激光束，并将第二频率激光束的光信号转化成第二电流信号12 ;将第一电流信号Il和第二电流信号12 —起送入比较器144进行比较，比较结果Λ I送入控制器13。控制器13判断Λ I的正负，当Λ I大于零时，温控单元15的加热控制单元151加热，升高激光管11腔内的温度，增大激光管11的腔长，使△ I趋近于零；当Δ I小于零时，使温控单元15的制冷控制单元152的温度降低，从而降低激光管11腔内的温度，缩短激光管11的腔长，使Λ I趋近于零；当Λ I等于零时，温控单元15停止加热或制冷，第一频率激光束和第二频率激光束频率稳定，双频激光器达到稳频状态。本发明利用加热控制单元151和制冷控制单元152共同作用的温控单元15控制激光管11腔内的温度，以控制激光管11的腔长，相比只采用电热丝加热稳频的方案，降温过程比自然冷却迅速，因此控制双频激光器达到稳频的时间缩短，可快速稳频。另外，同时采用加热控制単元151和制冷控制单元152组成的控温单元15控温，可提高激光器腔内温度的控制精度，进ー步地，可提高双频激光器的稳频精度。具体地，激光器的谐振频率为r = q—Tい)
2nL其中q为模的阶次，为整数；(为光速；n为激光器腔镜间介质的折射率山为腔长。从式(3)中可知腔长的变化影响谐振频率的变化— = -〔—)( 4 )由式(4)可知要使激光器频率稳定，腔长的变化必须很小。在激光器腔镜的端面之间，间隔的材料会发生热变化，带来腔镜间距发生相应变化— = αΑ ( 5 )其中α为间隔材料的热膨胀系数，AT为温度变化量。当选用α值较低的熔融石英制作激光管11的腔吋，α值为10_6 10_7量级；腔内温度变化控制在O. TC，激光器频率稳定度可达10_8量级。而本发明提供的双频激光器稳频装置由于使用了加热控制単元151和制冷控制单元152共同作用的温控单元15来进行控温， 使腔内的温度变化控制由原来的O. 1°C，提高到O. 05°C，进而激光器频率稳定度可达10_9量级。综上所述，本发明提供的双频激光器稳频装置通过温控単元控制激光管的温度，缩短了控制双频激光器达到稳频的时间，可快速稳频。本发明提供的双频激光器稳频装置的控制方法，根据判断结果控制温控单元工作，使用温控单元可以迅速地调节激光管的温度，以缩短双频激光器达到稳频的时间；此外，温控单元可以同时通过主动升温和降温来调节激光管的温度，提高了温度控制的精度，同时也提高了双频激光器的稳频精度。上文中，參照附图描述了本发明的具体实施方式
。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式
作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。
权利要求
1.ー种双频激光器稳频装置，包括激光管和磁环，其特征在于，所述双频激光器稳频装置还包括控制器、频率检测单元以及紧贴所述激光管设置的温控单元，所述控制器与所述温控单元连接，所述磁环围绕所述温控单元设置，所述频率检测单元连接在所述激光管和所述控制器之间。
2.如权利要求I所述的双频激光器稳频装置，其特征在于，所述温控単元包括加热控制单元和制冷控制单元，所述加热控制单元与所述制冷控制单元形成网状结构。
3.如权利要求2所述的双频激光器稳频装置，其特征在干，所述加热控制单元倾斜缠绕于所述激光管的管壁上，所述制冷控制单元倾斜缠绕于所述激光管的管壁上。
4.如权利要求2或3所述的双频激光器稳频装置，其特征在于，所述加热控制单元和制冷控制单元为铜质导线。
5.如权利要求2或3所述的双频激光器稳频装置，其特征在于，所述温控单元还包括多个热电致冷器，所述热电致冷器连接至所述制冷控制单元。
6.如权利要求5所述的双频激光器稳频装置，其特征在于，所述温控单元还包括多个散热器以及多个硅胶层，所述散热器设置在所述热电致冷器上，所述硅胶层设置在制冷控制単元与所述热电致冷器之间、所述热电致冷器与所述散热器之间。
7.如权利要求6所述的双频激光器稳频装置，其特征在于，所述热电致冷器的数量为4个，所述散热器的数量为4个，所述硅胶层的数量为8个。
8.如权利要求I或2或3所述的双频激光器稳频装置，其特征在于，还包括设置于所述磁环与所述温控単元之间的橡胶层。
9.如权利要求I或2或3所述的双频激光器稳频装置，其特征在于，所述频率检测单元包括偏振分光棱镜、第一探測器、第二探测器以及比较器，所述偏振分光棱镜设置在能够接收所述激光管发出的光束的位置，所述第一探測器和所述第二探測器分别设置在能够接收所述偏振分光镜分出的光束的位置，并且所述第一探測器和第二探測器分别连接至所述比较器。
10.ー种双频激光器稳频装置的控制方法，其特征在于，包括 温控单元工作使激光管达到初始温度值； 在磁环的作用下所述激光管发出第一频率激光束和第二频率激光束； 频率检测单元检测所述第一频率激光束和所述第二频率激光束，并将检测结果输送至控制器； 所述控制器对所述检测结果进行判断，并根据判断结果控制温控单元工作。
11.如权利要求10所述的双频激光器稳频装置的控制方法，其特征在于，所述检测结果是所述第一频率激光束和所述第二频率激光束之间的光强差，若光强差不为零，则控制温控单元工作，若光强差等于零，则温控単元停止工作。
12.如权利要求10或11所述的双频激光器稳频装置的控制方法，其特征在于，所述频率检测单元包括偏振分光棱镜、第一探測器、第二探測器、比较器，所述偏振分光棱镜设置在能够接收所述激光管发出的光束的位置，所述第一探測器和所述第二探測器分别设置在能够接收所述偏振分光镜分出的光线的位置，并且所述第一探測器和第二探測器分别连接至所述比较器。
13.如权利要求12所述的双频激光器稳频装置的控制方法，其特征在干，所述偏振分光棱镜将第一频率激光束和第二频率激光束分开； 所述第一探測器检测第一频率激光束并将其转化成第一电流信号，所述第二探测器检测第二频率激光束并将其转化成第二电流信号； 将所述第一电流信号和第二电流信号一并输送至所述比较器，比较器得到检测结果； 将所述检测结果输送入所述控制器，由所述控制器对检测结果进行判断，若判断结果为正值，则控制温控单元以升高激光管的温度；若判断结果为负值，则控制温控单元以降低激光管的温度；若判断结果为零，则温控単元停止工作。
全文摘要
本发明提供了一种双频激光器的稳频装置包括激光管、磁环，所述双频激光器稳频装置还包括控制器、频率检测单元以及紧贴激光管设置的温控单元，控制器与温控单元连接，磁环围绕温控单元设置，频率检测单元连接在激光管和控制器之间。本发明还提供了一种双频激光器稳频装置的控制方法，该方法包括温控单元工作使激光管达到初始温度值；在磁环的作用下激光管发出第一频率激光束和第二频率激光束；频率检测单元检测第一频率激光束和第二频率激光束，并将检测结果输送入控制器；控制器对检测结果进行判断，根据判断结果控制温控单元工作。本发明提供的双频激光器的稳频装置缩短了控制双频激光器达到稳频的时间，可快速稳频。
文档编号H01S3/13GK102684058SQ20111005330
公开日2012年9月19日 申请日期2011年3月7日 优先权日2011年3月7日
发明者吴萍, 张志平, 张晓文, 池峰, 陈勇辉 申请人:上海微电子装备有限公司