基于热稳频和声光移频的单纵模激光器互锁方法和装置制造方法
【专利摘要】基于热稳频和声光移频的单纵模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稳频的单纵模激光器的输出激光频率锁定于同一台参考单纵模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】基于热稳频和声光移频的单纵模激光器互锁方法和装置
【技术领域】
[0001]本发明属于激光应用【技术领域】，特别是一种基于热稳频和声光移频的单纵模激光器互锁方法及其装置。
【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10_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10_6?10_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基于热稳频和声光移频的单纵模激光器互锁方法，其目的是结合声光移频器的移频特性和热稳频的单纵模稳频激光器的优点，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稳频和声光移频的单纵模激光器互锁装置。
[0006]本发明的目的通过以下技术方案实现:
一种基于热稳频和声光移频的单纵模激光器互锁方法，该方法包括以下步骤:
(I)开启参考单纵模稳频激光器的电源，经过预热和稳频过程后，激光器输出单个纵模激光，其光波频率记为此输出光由光纤分束器分离成η > I路，记为光束Xi(i=l，2，…，η)，分别作为单纵模激光器Li (i=l, 2，…，η)频率锁定的参考光束；
(2)开启单纵模激光器Li(i=l，2，...，!!)的电源，所有单纵模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Tsrt,且Tsrt高于环境温度，利用电热器对激光器内部的激光管进行加热，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，利用偏振分光镜将激光管副输出端激光中的水平偏振和竖直偏振激光分量分离，其光功率Pi1 (1=1, 2，…，η)和Pi2 (i=l, 2，…，η)由两个相同的光电探测器测量得出，稳频控制模块根据预热算法调整电热器的工作电流值，使水平偏振激光分量的功率值Pi1Q=I, 2,…，η) =0,此时激光管主输出端和副输出端的激光为竖直偏振的单纵模激光；
(3)预热过程结束后，单纵模激光器Li(i=l, 2，…，η)进入稳频控制过程，稳频控制模块进一步微调电热器的工作电流值的大小，使竖直偏振激光分量的功率值Pi2 (i=l，2，…，η)趋于最大值，并且根据稳频控制算法控制电热器的工作电流值，使Pi2Q=I, 2，…，η)始终保持为最大值，进而使激光的频率趋于稳定数值；
(4)将激光管主输出端的激光记为光束Ti(i=l, 2，…，η)，其频率记为V i (i=l, 2，…，η)，光束 Ti (i=l, 2，...，η)进入驱动频率为 Zi (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〃，((^一’…^^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)，作为单纵模激光器Li (i=l, 2，…，η)的输出激光，强度相对较小的部分光记为光束Yi (i=l, 2，…，η)；
(5)将光束Xi(i=l，2，…，η)分别与光束Yi(i=l，2，…，η)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△ Vi=Vi+/;-vr(i=l,2,-,n)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Δ Vi(i=l，2，. ..，!!)，计算得出光束XiQ=IJ,"'!!)和Yi(i=l，2，…，η)的频率差值Vr - Vi=/;- Δ Vi(i=l，2，…，η)，并将声光移频器3力=1，2，...，!!)的驱动频率^(1=1,2,…，η)调整为vr - V ^i=I, 2,…，η)，从而使单纵模激光器Li (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Vi+/;= vr(i=l, 2，…，η)；
(6)循环重复步骤(4)到(5)，通过调整声光移频器Sia=^，...，!!)的工作频率^(1=1,2,…，η)，使单纵模激光器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V r。
[0007]—种基于热稳频和声光移频的单纵模激光器互锁装置，包括激光器电源A、稳频状态指示灯、参考单纵模稳频激光器、光纤分束器，该装置中还包括η > I个结构相同、呈并联关系的单纵模激光器(L1, L2,…，Ln),其中每一个单纵模激光器(L1, L2,…，Ln)的装配结构是:激光器电源B与激光管连接，电热器缠绕在激光管外壁上，其输入端接稳频控制模块，激光管温度传感器粘附在激光管外壁上，其输出端接稳频控制模块，环境温度传感器与稳频控制模块连接，偏振分光镜放置在激光管副输出端后，其后并列放置光电探测器A和光电探测器B，二者的输出端都与稳频控制模块连接，声光移频器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光电探测器C之间，光电探测器C、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:
(I)本发明采用声光移频器对多个双纵模激光器进行并联频率锁定，所有单纵模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10_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单纵模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单纵模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产生不良影响，有利于提高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。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本发明装置的原理示意图
图2为本发明装置中单纵模激光器稳频结构的示意图图3为本发明装置中单纵模激光器预热过程的闭环控制功能框图图4为本发明装置中单纵模激光器稳频过程的闭环控制功能框图图5为本发明装置中单纵模激光器频率锁定过程的闭环控制功能框图图中，I激光器电源A、2稳频状态指示灯、3参考单纵模稳频激光器、4光纤分束器，5激光管、6偏振分光镜、7光电探测器A、8光电探测器B、9稳频控制模块、10激光管温度传感器、11电热器、12环境温度传感器、13激光器电源B、14声光移频器、15分光镜、16光纤合束器、17检偏器、18光电探测器C、19频率测量模块、20频率调整模块、21锁频状态指示灯。
【具体实施方式】
[0012]以下结合附图对本发明的实施实例进行详细的描述。
[0013]如图1和图2所示，本发明装置中基于热稳频和声光移频的单纵模激光器互锁装置，包括激光器电源Al、稳频状态指示灯2、参考单纵模稳频激光器3、、光纤分束器4，该装置中还包括η≥I个结构相同、呈并联关系的单纵模激光器L1, L2,-, Ln，其中每一个单纵模激光器L1, L2,…，Ln的装配结构是:激光器电源Β13与激光管5连接，电热器11缠绕在激光管5外壁上，其输入端接稳频控制模块9，激光管温度传感器10粘附在激光管5外壁上，其输出端接稳频控制模块9，环境温度传感器12与稳频控制模块9连接，偏振分光镜6放置在激光管5副输出端后，其后并列放置光电探测器Α7和光电探测器Β8，二者的输出端都与稳频控制模块9连接，声光移频器14放置在激光管5主输出端前，分光镜15放置在声光移频器14与光纤合束器16的一个输入端之间,光纤合束器16的另一个输入端与光纤分束器4的输出端之一连接,检偏器17放置在光纤合束器16的输出端与光电探测器C18之间，光电探测器C18、频率测量模块19、频率调整模块20、声光移频器14依次连接，锁频状态指示灯21与频率调整模块20连接。[0014]鉴于装置中包括多个结构相同的单纵模稳频激光器L1, L2,-, Ln，这些单纵模稳频激光器的工作过程完全一致，以下仅对其中一个单纵模稳频激光器L1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单纵模稳频激光器。
[0015]开始工作时，开启激光器电源Al，参考单纵模稳频激光器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，表示参考单纵模稳频激光器3进入稳定工作状态，其输出激光为单个纵模光，并耦合进入光纤分束器4，被分离成η路频率基准光束，记为光束X1, X2,-, Xn，其频率记为V r，作为单纵模激光器L1, L2,-, 1^频率锁定的参考频率。
[0016]稳频状态指示灯2使能的同时，开启激光管电源B13，单纵模稳频激光器L1进入预热过程。稳频控制模块9根据环境温度传感器11测量得到的环境温度值而设定预热的目标温度Tsrt,且Tsrt高于环境温度，将Tsrt作为如图3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10测量得到激光管5的实际温度TMal作为反馈信号，稳频控制模块9计算二者的差值，并根据稳频控制算法调整电热器11的工作电流的大小，对激光管5进行加热，使其温度趋于预设的目标温度Tsrt,利用偏振分光镜6将激光管5副输出端激光中的水平偏振和竖直偏振激光分量分离，其光功率P11和P12分别由光电探测器A7和光电探测器B8测量得出，稳频控制模块9根据预热算法调整电热器11的工作电流值，使水平偏振激光分量的功率值P11 =0，此时激光管5主输出端和副输出端的激光为竖直偏振的单纵模激光。
[0017]预热过程结束后，稳频控制模块9切换单纵模激光器L1进入稳频控制过程，稳频控制模块9进一步微调电热器11的工作电流值的大小，使竖直偏振激光分量的功率值P12趋于最大值，该最大值记为P12maiS并将Pi2max作为如图4所示的稳频闭环控制系统的参考量，同时将光电探测器B8测量得到的竖直偏振激光分量的功率值P12作为反馈量，稳频控制模块9计算出二者的差 值，并根据稳频控制算法控制电热器件11的工作电流值，使P12始终保持为最大值P12maiS进而使激光的频率趋于稳定数值。
[0018]稳频过程结束后，激光器L1进入频率锁定过程，激光管5主输出端的单纵模激光作为声光移频器14的输入光，其频率记为V 17声光移频器14的工作频率记为Λ，由于声光相互作用，声光移频器14输出激光的频率为V1Z1，该光束再通过分光镜15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Z1，作为单纵模激光器L1的输出激光，强度相对较小的部分光记为光束Y1，该光束与光束X1由光纤合束器16稱合进入光纤合成为一束同轴光束，该同轴光束通过检偏器17后形成光学拍频信号，经光电探测器C18进行光电转换后，其频率值Λ V1=V1+/;- \由频率测量模块19测量得到，并作为如图5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20根据二者的差值Λ V1，计算得出光束X1与光束Y1的频率差值为V ^fl - Δ Vl，并将声光移频器14的驱动频率调整为? i，从而使激光器L1输出光束Z1的频率(光束Z1与光束Y1同频率)等于参考光束X1的频率当上述频率锁定过程完成后，频率调整模块20使能锁频状态指示灯21。
[0019]当外界环境变化或其它因素导致参考单纵模稳频激光器3或者单纵模激光器L1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14的工作频率/；，使单纵模激光器L1输出激光的频率V i始终锁定于参考频率V rD同理，单模激光器L2, L3，…，Ln输出激光的频率v2，V3,-, vn也始终锁定在参考频率\上。
【权利要求】
1.一种基于热稳频和声光移频的单纵模激光器互锁方法，其特征在于该方法包括以下步骤: (1)开启参考单纵模稳频激光器的电源，经过预热和稳频过程后，激光器输出单个纵模激光，其光波频率记为此输出光由光纤分束器分离成η > I路，记为光束Xi(i=l，2，…，η)，分别作为单纵模激光器Li (i=l, 2，…，η)频率锁定的参考光束； (2)开启单纵模激光器Li(i=l，2，...，!!)的电源，所有单纵模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Tsrt,且Tsrt高于环境温度，利用电热器对激光器内部的激光管进行加热，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，利用偏振分光镜将激光管副输出端激光中的水平偏振和竖直偏振激光分量分离，其光功率Pi1 (1=1, 2，…，η)和Pi2 (i=l, 2，…，η)由两个相同的光电探测器测量得出，稳频控制模块根据预热算法调整电热器的工作电流值，使水平偏振激光分量的功率值Pi1Q=I, 2，…，η) =0,此时激光管主输出端和副输出端的激光为竖直偏振的单纵模激光； (3)预热过程结束后，单纵模激光器Li(i=l, 2，…，η)进入稳频控制过程，稳频控制模块进一步微调电热器的工作电流值的大小，使竖直偏振激光分量的功率值Pi2 (i=l，2，…，η)趋于最大值，并且根据稳频控制算法控制电热器的工作电流值，使Pi2Q=I, 2，…，η)始终保持为最大值，进而使激光的频率趋于稳定数值； (4)将激光管主输出端的激光记为光束Ti(i=l, 2，…，η)，其频率记为V i (i=l, 2，…，η)，光束 Ti (i=l, 2，...，η)进入驱动频率为 Zi (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〃，((^一’…^^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)，作为单纵模激光器Li (i=l, 2，…，η)的输出激光，强度相对较小的部分光记为光束Yi (i=l, 2，…，η)； ^片等光束乂“^，〗，…，η)分别与光束Yi(i=l，2，…，η)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Λ Vi=Vi+/;- \(i=l，2^..,η)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Δ V^i=I, 2,…，η)，计算得出光束Xi (i=l，2，…，η)和YiQ=I, 2，…，η)的频率差值vr-Vi=Z1- Δ V ^i=I, 2,…，η)，并将声光移频器Si (i=l，2，…，η)的驱动频率(i=l，2，…，η)调整为vr- V^i=I, 2,…，η)，从而使单纵模激光器Li (i=l，2，…，η)输出光束Zi (i=l，2，…,η)的频率等于参考光束Xi (i=l，2，…，η)的频率，即vi+/；= v r (i=l，2，…，η)； (6)循环重复步骤(4)到(5)，通过调整声光移频器Sia=^，...，!!)的工作频率^(1=1,2,…，η)，使单纵模激光器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V r。
2.一种基于热稳频和声光移频的单纵模激光器互锁装置，包括激光器电源A (I)、稳频状态指示灯(2)、参考单纵模稳频激光器(3)、光纤分束器(4)，其特征在于装置中还包括η > I个结构相同、呈并联关系的单纵模激光器(L1, L2,-, Ln)，其中每一个单纵模激光器(L1, L2，…，Ln)的装配结构是:激光器电源B (13)与激光管(5)连接，电热器(11)缠绕在激光管(5)外壁上，其输入端接稳频控制模块(9)，激光管温度传感器(10)粘附在激光管(5)外壁上，其输出端接稳频控制模块(9)，环境温度传感器(12)与稳频控制模块(9)连接，偏振分光镜(6)放置在激光管(5)副输出端后，其后并列放置光电探测器A (7)和光电探测器B (8)，二者的输出端都与稳频控制模块(9)连接，声光移频器(14)放置在激光管(5)主输出端前，分光镜(15)放置在声光移频器(14)与光纤合束器(16)的一个输入端之间,光纤合束器(16)的 另一个输入端与光纤分束器(4)的输出端之一连接,检偏器(17)放置在光纤合束器(16)的输出端与光电探测器C (18)之间，光电探测器C (18)、频率测量模块(19)、频率调整模块(20 )、声光移频器(14 )依次连接，锁频状态指示灯(21)与频率调整模块(20 )连接。
【文档编号】H01S3/13GK104037610SQ201410308375
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年7月1日 优先权日:2014年7月1日
【发明者】谭久彬, 付海金, 胡鹏程 申请人:哈尔滨工业大学