基于热电制冷和声光移频的纵向塞曼激光锁频方法和装置制造方法
【专利摘要】基于热电制冷和声光移频的纵向塞曼激光器互锁方法和装置属于激光应用【技术领域】，本发明采用声光移频技术将多台基于热电制冷的纵向塞曼激光器的输出激光频率锁定于同一台参考纵向塞曼稳频激光器的输出激光频率上，从而使所有激光器输出激光具有统一的频率值，目的是解决传统稳频激光器相互之间的频率一致性较低的不足，为超精密激光干涉测量提供一种新型的激光光源。
【专利说明】基于热电制冷和声光移频的纵向塞曼激光锁频方法和装置
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光应用【技术领域】，特别是一种基于热电制冷和声光移频的纵向塞曼 激光锁频方法及其装置。
【背景技术】
[0002] 近年来，以光刻机和数控机床为代表的超精密测量与加工技术朝着大尺度、高精 度、多空间自由度同步测量方向发展，对激光干涉测量系统的总激光功率消耗急剧增加，远 超过单台稳频激光器的输出激光功率，因此需要同时采用多台稳频激光器进行组合测量。 然而，不同稳频激光器在相对频率稳定度、激光波长值、波长漂移方向等方面存在差异，这 将带来激光干涉测量系统不同空间自由度的测量精度、波长基准和空间坐标不一致的问 题，从而影响整个多维激光干涉测量系统的综合测量精度。为了保证激光干涉测量系统的 综合测量精度，要求组合使用的多台稳频激光器的频率一致性要达到1〇_ 8,因此稳频激光器 之间的频率一致性已经成为超精密测量与加工技术发展亟需解决的关键问题之一。
[0003] 目前应用于激光干涉测量系统的稳频激光光源主要有双纵模稳频激光器、横向塞 曼稳频激光器和纵向塞曼激光器等，这类激光器在稳频基准上以激光增益曲线的中心频率 作为稳频控制的参考频率，而激光增益曲线的中心频率随工作气体气压和放电条件而改 变，且多台稳频激光器在物理参数上无法做到高度一致，故其稳频控制的参考频率存在差 异，从而导致多台稳频激光器输出激光的频率一致性较低，只能到达1〇_ 6?1〇_7。
[0004] 为了解决稳频激光器之间的频率一致性较差的问题，哈尔滨工业大学提出一 种双纵模激光器偏频锁定方法（中国专利申请号CN200910072517、CN200910072518、 CN200910072519和CN200910072523)，该方法以一台碘稳频激光器或双纵模激光器输出激 光的频率作为基准，其余多台双纵模激光器相对于基准频率偏移一定的数值进行锁定，从 而使多台双纵模激光器的输出激光具有相同的波长(频率)，但是该方法在激光频率的锁定 过程中，需要调整激光器的内部工作参数，一方面由于调整的方式属于间接调整，系统的响 应速度相对比较迟缓，另一方面由于每个激光器的特性参数存在一定差异，激光器内部工 作参数的改变可能会对激光的频率稳定度产生不良影响，严重的情况甚至会导致激光器失 锁。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术存在的不足，本发明提出一种基于热电制冷和声光移频的纵向塞曼 激光锁频方法，其目的是结合声光移频器的移频特性和热电制冷的纵向塞曼稳频激光器的 优点，为超精密加工与测量技术提供一种波长一致性优良的激光光源。本发明还提供了一 种基于热电制冷和声光移频的纵向塞曼激光锁频装置。
[0006] 本发明的目的通过以下技术方案实现： 一种基于热电制冷和声光移频的纵向塞曼激光锁频方法，该方法包括以下步骤： (1)开启参考纵向塞曼稳频激光器的电源，经过预热和稳频过程后，激光器输出正交 偏振的两个激光分量，利用偏振分光镜分离出其中一个激光分量作为参考纵向塞曼稳频 激光器的输出光，其光波频率记为v !?，此输出光由光纤分束器分离成η > 1路，记为光束 Xi (i=l，2,…，η)，分别作为纵向塞曼激光器Q (i=l，2,…，η)频率锁定的参考光束； (2) 开启纵向塞曼激光器Li(i=l，2, ···，!〇的电源，所有纵向塞曼激光器同时进入预热 过程，测量当前环境的温度值，据此设定预热的目标温度Tset，且T srt高于环境温度，利用热 电制冷器对放置在纵向磁场中的激光管进行加热，使激光管的温度趋于预先设定的温度值 Tsrt并达到热平衡状态，在此基础上根据预热算法微调热电制冷器工作电流的正反和大小， 使激光管工作于单纵模光输出状态，该单纵模光在纵向磁场作用下分裂为左旋和右旋圆偏 振两个激光分量，并从激光管的主输出端和副输出端输出； (3) 纵向塞曼激光器Li(i=l，2, ···，!〇在预热过程结束后进入稳频控制过程，激光 管副输出端的左旋和右旋圆偏振光经1/4波片转变为相互正交的线偏振光，并由渥拉斯 顿棱镜进行分离，其光功率？/(1=1，2，一，11)和？/(1=1，2，一，11)由二象限光电探测器 测量得出，稳频控制模块计算出两个激光分量的功率之差AP^P^-P/ailj，…，n)， 并根据△Piaij，···，!〇的正负和大小调整热电制冷器工作电流的正反和大小，使 Λ Pi (i=l，2,…，η)趋于零，进而使激光的频率趋于稳定数值； (4) 激光管主输出端的左旋和右旋圆偏振光由1/4波片转变为两个相互正交的线偏振 激光，并利用偏振分光镜分离出其中一个线偏振激光分量，记为光束?\ (i=l，2,…，η)，其频 率记为ν i (i=l，2,…，η)，光束凡（i=l，2,…，η)分别进入驱动频率为(i=l，2,…，η)的声 光移频器Si (i=l，2,…，η)进行移频，其对应的输出激光的频率记为ν (i=l，2,…，η)， 此激光再由分光镜分为强度比为9:1的两部分光，其中强度相对较大的部分光记为光束 Zi (i=l，2,…，η)，分别作为纵向塞曼激光器Q (i=l，2,…，η)的输出激光，强度相对较小的 部分光记为光束￥1(1=1，2，···，!!）； (5) 将光束Xi(i=l，2, ···，!〇分别与光束Yi(i=l，2, ···，!〇进行光学混频形成光学 拍频信号，利用光电探测器将光学拍频信号转换为电信号，其频率值4^=^+/；-vji=l，2, ···，!!）由频率测量模块测得，频率调整模块根据测量得到的光学拍频信号的 频率值Λ ^(^^，…，。，计算得出光束父^^^^^"和丫"^^^^"的频率 差值\ Λ Vi(i=l，2,…，η)，并将声光移频器5力=1，2，···，!!）的驱动频率 /；(i=l，2,…，η)调整为vr - ν i (i=l, 2,…，η),从而使纵向塞曼激光器Q (i=l, 2,…，η) 输出光束2^1 = 1，2，···，!!）的频率等于参考光束Xiaij，···，!!）的频率，S卩= \ (i=l, 2, ···, η)； (6) 循环重复步骤（4)到（5)，通过调整声光移频器Siaij，···，!!）的工作频率 /力=1，2,…，n)，使纵向塞曼激光器Li(i=l，2,…，η)的输出激光Zi(i=l，2,…，η)的频率始 终锁定于同一频率值
[0007] -种基于热电制冷和声光移频的纵向塞曼激光锁频装置，包括激光器电源Α、稳频 状态指示灯、参考纵向塞曼稳频激光器、偏振分光镜Α、光纤分束器，其特征在于装置中还包 括η >1个结构相同、呈并联关系的纵向塞曼激光器（U，L2，…，Ln)，其中每一个纵向塞曼 激光器（U，L 2，…，Ln)的装配结构是：激光器电源B与激光管连接，激光管放置在导热金属 腔中，激光管与导热金属腔之间的空隙填充导热硅胶层，激光管温度传感器放置于导热硅 胶层中，并紧贴激光管外壁，其输出端接稳频控制模块，热电制冷器贴合在导热金属腔外壁 上，其输入端接稳频控制模块，激光管、导热硅胶层、导热金属腔和热电制冷器共同构成的 热控制结构放置在圆筒形纵向磁场模块中，且激光管的轴线与磁场方向平行，环境温度传 感器与稳频控制模块连接，1/4波片A、渥拉斯顿棱镜和二象限光电探测器依次放置在激光 管副输出端后，二象限光电探测器的输出端与稳频控制模块连接，1/4波片B、偏振分光镜B 和声光移频器依次放置在激光管主输出端前，分光镜放置在声光移频器与光纤合束器的一 个输入端之间，光纤合束器的另一个输入端与光纤分束器的输出端之一连接，检偏器放置 在光纤合束器的输出端与高速光电探测器之间，高速光电探测器、频率测量模块、频率调整 模块、声光移频器依次连接，锁频状态指示灯与频率调整模块连接。
[0008] 本发明具有以下特点及良好效果： (1)本发明采用声光移频器对多个纵向塞曼激光器进行并联频率锁定，所有纵向塞曼 稳频激光器输出激光具有统一的频率值，由于声光移频器极高的频率调节分辨力，多个激 光器的频率一致性可高达到1〇_9,比现有方法提高一到两个数量级，这是区别于现有技术的 创新点之一。
[0009] (2)本发明采用声光移频器对多个纵向塞曼激光器进行并联频率锁定，由于声光 移频器较高的频率调整响应速度，可有效抑制外界干扰因素引起的激光波长漂移和跃变， 从而提高了光源的稳定性和环境适用性，这是区别于现有技术的创新点之二。
[0010] (3)本发明采用声光移频器对多个纵向塞曼激光器进行并联频率锁定，由于激光 器最终输出激光的频率调整方式对于激光器内部激光管而言，属于一种外部调整方法，因 此不会对激光管的稳频控制机制广生不良影响，有利于提1?系统的稳定性和频率稳定精 度，这是区别于现有技术的创新点之三。
[0011] (4)本发明采用热电制冷器进行了温度控制和调节，由于改变其工作电流方向可 以让热电制冷器产生热量或吸收热量，从而减小了对环境散热性能的依赖，有利于实现对 激光管温度的快速控制和调节，提高控制系统的反应速度，这是区别于现有技术的创新点 之四。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1为本发明装置的原理示意图 图2为本发明装置中纵向塞曼激光器稳频结构的示意图 图3为本发明装置中纵向塞曼激光器热控制机械结构的横截面图 图4为本发明装置中纵向塞曼激光器预热过程的闭环控制功能框图 图5为本发明装置中纵向塞曼激光器稳频过程的闭环控制功能框图 图6为本发明装置中纵向塞曼激光器频率锁定过程的闭环控制功能框图 图中，1-激光器电源A、2-稳频状态指示灯、3-参考纵向塞曼稳频激光器、4-偏振分光 镜A、5-光纤分束器，6-激光管、7-圆筒形纵向磁场模块、8-1/4波片A、9-渥拉斯顿棱镜、 10-二象限光电探测器、11-稳频控制模块、12-激光管温度传感器、13-热电制冷器、14-导 热娃胶层、15-导热金属腔、16-环境温度传感器、17-激光器电源B、18-1/4波片B、19-偏振 分光镜B、20-声光移频器、21-分光镜、22-光纤合束器、23-检偏器、24-高速光电探测器、 25-频率测量模块、26-频率调整模块、27-锁频状态指示灯。
【具体实施方式】
[0013] 以下结合附图对本发明的实施实例进行详细的描述。
[0014] 如图1、图2和图3所示，本发明装置中基于热电制冷和声光移频的纵向塞曼激光 锁频装置，包括激光器电源A1、稳频状态指示灯2、参考纵向塞曼稳频激光器3、偏振分光镜 A4、光纤分束器5,该装置中还包括η > 1个结构相同、呈并联关系的纵向塞曼激光器U， L2，···，Ln，其中每一个纵向塞曼激光器1^，L2，···，L n的装配结构是：激光器电源B17与激光 管6连接，激光管6放置在导热金属腔15中，激光管6与导热金属腔15之间的空隙填充导 热硅胶层14,激光管温度传感器12放置于导热硅胶层14中，并紧贴激光管6外壁，其输出 端接稳频控制模块11，热电制冷器13贴合在导热金属腔15外壁上，其输入端接稳频控制模 块11，激光管6、导热娃胶层14、导热金属腔15和热电制冷器13共同构成的热控制结构放 置在圆筒形纵向磁场模块7中，且激光管6的轴线与磁场方向平行，环境温度传感器16与 稳频控制模块11连接，1/4波片A8、渥拉斯顿棱镜9和二象限光电探测器10依次放置在激 光管6副输出端后，二象限光电探测器10的输出端与稳频控制模块11连接，1/4波片B18、 偏振分光镜B19和声光移频器20依次放置在激光管6主输出端前，分光镜21放置在声光 移频器20与光纤合束器22的一个输入端之间，光纤合束器22的另一个输入端与光纤分束 器5的输出端之一连接，检偏器23放置在光纤合束器22的输出端与高速光电探测器24之 间，高速光电探测器24、频率测量模块25、频率调整模块26、声光移频器20依次连接，锁频 状态指示灯27与频率调整模块26连接。
[0015] 鉴于装置中包括多个结构相同的纵向塞曼稳频激光器u，L2，…，Ln，这些纵向塞 曼稳频激光器的工作过程完全一致，以下仅对其中一个纵向塞曼稳频激光器U进行工作过 程描述，这些描述文字同样适用于装置中的其它同类纵向塞曼稳频激光器。
[0016] 开始工作时，开启激光器电源A1，参考纵向塞曼稳频激光器3进入预热和稳频过 程，当上述过程完成时，使能稳频状态指示灯2,表示参考纵向塞曼稳频激光器3进入稳定 工作状态，其内部激光管输出偏振方向互相正交的两个激光分量，利用偏振分光镜A4取出 其中一个激光分量作为输出光，并耦合进入光纤分束器5,被分离成η路频率基准光束，记 为光束Χ 2，…，Χη，其频率记为作为纵向塞曼激光器U，L2，…，、频率锁定的参考 频率。
[0017] 稳频状态指示灯2使能的同时，开启激光管电源B17,纵向塞曼稳频激光器U进入 预热过程。稳频控制模块11根据环境温度传感器16测量得到的环境温度值而设定预热的 目标温度T srt，且Tsrt高于环境温度，将Tsrt作为如图4所示的预热闭环控制系统的参考输 入量，同时以激光管温度传感器12测量得到激光管6的实际温度T Mal作为反馈信号，稳频 控制模块11计算二者的差值，并根据稳频控制算法调节热电制冷器13的工作电流的大小 和正反，对激光管6进行加热或制冷，使其温度趋于预设的目标温度T srt达到热平衡状态， 在此基础上根据预热算法微调热电制冷器13工作电流的正反和大小，使激光管6工作于单 纵模光输出状态，该单纵模光在纵向磁场作用下分裂为左旋和右旋圆偏振两个激光分量， 并从激光管6的主输出端和副输出端输出。
[0018] 预热过程完成后，稳频控制模块11切换纵向塞曼稳频激光器u进入稳频控制过 程。激光管6副输出端输出的左旋和右旋两个激光分量经1/4波片A8转变为相互正交的 线偏振光分量，并由渥拉斯顿棱镜9分离，其光功率P/和P/由二象限光电探测器10测得， 将两个纵模的功率之差Λ P= P/ - P/作为如图5所示的稳频闭环控制系统的反馈输入量， 参考输入量设置为零，稳频控制模块11计算出参考输入量与反馈输入量的差值，并根据稳 频控制算法调整缠绕热电制冷器13的工作电流的大小和方向，进而调整激光管6的温度和 谐振腔长，使两个激光分量的功率Ρ/= ΡΛ此时两个激光分量的频率也趋于稳定数值。
[0019] 稳频过程结束后，激光器Li进入频率锁定过程，激光管6主输出端输出的左旋和 右旋两个圆偏振激光分量经1/4波片B18转变为相互正交的线偏振光，并由偏振分光镜B19 分离出其中一个激光分量，作为声光移频器20的输入光，其频率记为v i，声光移频器20的 工作频率记为Λ，由于声光相互作用，声光移频器20输出激光的频率为v ，该光束再通 过分光镜21分离为强度为9:1两部分光，其中强度相对较大的部分光记为光束Zi，作为纵 向塞曼激光器U的输出激光，强度相对较小的部分光记为光束t，该光束与光束Xi由光纤 合束器22 f禹合进入光纤合成为一束同轴光束，该同轴光束通过检偏器23后形成光学拍频 信号，经高速光电探测器24进行光电转换后，其频率值Λ \由频率测量模块 25测量得到，并作为如图6所示的频率锁定闭环控制系统的反馈输入量，参考输入量设置 为零，频率调整模块26根据二者的差值Λ v i，计算得出光束Xi与光束Yi的频率差值为\ -vf/；- Λ Vl，并将声光移频器20的驱动频率调整为\ - Vl，从而使激光器1^输出 光束Zi的频率(光束Zi与光束Yi同频率)等于参考光束Xi的频率当上述频率锁定过 程完成后，频率调整模块26使能锁频状态指示灯27。
[0020] 当外界环境变化或其它因素导致参考纵向塞曼稳频激光器3或者纵向塞曼激光 器1^输出激光的频率发生变化时，自动循环上述稳频锁定过程，通过调整声光移频器20的 工作频率/；，使纵向塞曼激光器Q输出激光的频率v i始终锁定于参考频率v p同理，纵 向塞曼激光器L2, L3，…，Ln输出激光的频率v2，v3，…，\也始终锁定在参考频率\ 上。
【权利要求】
1. 一种基于热电制冷和声光移频的纵向塞曼激光锁频方法，其特征在于该方法包括以 下步骤： (1) 开启参考纵向塞曼稳频激光器的电源，经过预热和稳频过程后，激光器输出正交 偏振的两个激光分量，利用偏振分光镜分离出其中一个激光分量作为参考纵向塞曼稳频 激光器的输出光，其光波频率记为 v!?，此输出光由光纤分束器分离成η > 1路，记为光束 Xi (i=l，2,…，η)，分别作为纵向塞曼激光器Q (i=l，2,…，η)频率锁定的参考光束； (2) 开启纵向塞曼激光器Li(i=l，2, ···，!〇的电源，所有纵向塞曼激光器同时进入预热 过程，测量当前环境的温度值，据此设定预热的目标温度Tset，且T srt高于环境温度，利用热 电制冷器对放置在纵向磁场中的激光管进行加热，使激光管的温度趋于预先设定的温度值 Tsrt并达到热平衡状态，在此基础上根据预热算法微调热电制冷器工作电流的正反和大小， 使激光管工作于单纵模光输出状态，该单纵模光在纵向磁场作用下分裂为左旋和右旋圆偏 振两个激光分量，并从激光管的主输出端和副输出端输出； (3) 纵向塞曼激光器Li(i=l，2, ···，!〇在预热过程结束后进入稳频控制过程，激光 管副输出端的左旋和右旋圆偏振光经1/4波片转变为相互正交的线偏振光，并由渥拉斯 顿棱镜进行分离，其光功率？/(1=1，2，一，11)和？/(1=1，2，一，11)由二象限光电探测器 测量得出，稳频控制模块计算出两个激光分量的功率之差AP^P^-P/ailj，…，n)， 并根据△Piaij，···，!〇的正负和大小调整热电制冷器工作电流的正反和大小，使 Λ Pi (i=l，2,…，η)趋于零，进而使激光的频率趋于稳定数值； (4) 激光管主输出端的左旋和右旋圆偏振光由1/4波片转变为两个相互正交的线偏振 激光，并利用偏振分光镜分离出其中一个线偏振激光分量，记为光束?\ (i=l，2,…，η)，其频 率记为ν i (i=l，2,…，η)，光束凡（i=l，2,…，η)分别进入驱动频率为(i=l，2,…，η)的声 光移频器Si (i=l，2,…，η)进行移频，其对应的输出激光的频率记为ν (i=l，2,…，η)， 此激光再由分光镜分为强度比为9:1的两部分光，其中强度相对较大的部分光记为光束 Zi (i=l，2,…，η)，分别作为纵向塞曼激光器Q (i=l，2,…，η)的输出激光，强度相对较小的 部分光记为光束￥1(1=1，2，···，!!）； (5) 将光束Xi(i=l，2, ···，!〇分别与光束Yi(i=l，2, ···，!〇进行光学混频形成光学 拍频信号，利用光电探测器将光学拍频信号转换为电信号，其频率值4^=^+/；-vji=l，2, ···，!!）由频率测量模块测得，频率调整模块根据测量得到的光学拍频信号的 频率值Λ ^(^^，…，。，计算得出光束父^^^^^"和丫"^^^^"的频率 差值Λ Vi(i=l，2,…，η)，并将声光移频器5力=1，2，···，!!）的驱动频率 /；(i=l，2,…，η)调整为v r - ν ^1=1，2,…，η),从而使纵向塞曼激光器Q (i=l, 2,…，η) 输出光束Zi(i=l，2, ···，!!）的频率等于参考光束Xi(i=l，2, ···，!!）的频率，即= vr(i=l, 2, *··,η)； (6) 循环重复步骤（4)到（5)，通过调整声光移频器Siaij，···，!!）的工作频率 /力=1，2,…，n)，使纵向塞曼激光器Li(i=l，2,…，η)的输出激光Zi(i=l，2,…，η)的频率始 终锁定于同一频率值
2. -种基于热电制冷和声光移频的纵向塞曼激光锁频装置，包括激光器电源A (1)、稳 频状态指示灯（2 )、参考纵向塞曼稳频激光器（3 )、偏振分光镜A (4 )、光纤分束器（5 )，其特 征在于装置中还包括η彡1个结构相同、呈并联关系的纵向塞曼激光器（U，L2，…，Ln)，其 中每一个纵向塞曼激光器（U，L2，…，Ln)的装配结构是：激光器电源B (17)与激光管（6) 连接，激光管（6)放置在导热金属腔（15)中，激光管（6)与导热金属腔（15)之间的空隙填 充导热硅胶层（14)，激光管温度传感器（12)放置于导热硅胶层（14)中，并紧贴激光管（6) 外壁，其输出端接稳频控制模块（11)，热电制冷器（13)贴合在导热金属腔（15)外壁上，其 输入端接稳频控制模块（11)，激光管（6)、导热硅胶层（14)、导热金属腔（15)和热电制冷 器（13)共同构成的热控制结构放置在圆筒形纵向磁场模块（7)中，且激光管（6)的轴线与 磁场方向平行，环境温度传感器（16)与稳频控制模块（11)连接，1/4波片A (8)、渥拉斯顿 棱镜（9)和二象限光电探测器（10)依次放置在激光管（6)副输出端后，二象限光电探测器 (10)的输出端与稳频控制模块（11)连接，1/4波片B (18)、偏振分光镜B (19)和声光移频 器（20)依次放置在激光管（6)主输出端前，分光镜（21)放置在声光移频器（20)与光纤合 束器（22)的一个输入端之间，光纤合束器（22)的另一个输入端与光纤分束器（5)的输出端 之一连接，检偏器（23)放置在光纤合束器（22)的输出端与高速光电探测器（24)之间，高速 光电探测器（24 )、频率测量模块（25 )、频率调整模块（26 )、声光移频器（20 )依次连接，锁频 状态指示灯（27 )与频率调整模块（26 )连接。
【文档编号】H01S3/13GK104051942SQ201410308252
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年7月1日 优先权日:2014年7月1日
【发明者】付海金, 谭久彬, 胡鹏程 申请人:哈尔滨工业大学