一种温控光学谐振腔自动稳频方法及装置与流程

本发明属于激光器技术领域，特别涉及一种温控光学谐振腔自动稳频方法。本发明还涉及通过上述方法实现光学谐振腔自动稳频的温控光学谐振腔自动稳频装置。

背景技术：

众所周知，激光具有良好的相干性和单色性，但激光器发射的激光光谱并非一条无宽度的线，而是有一定宽度的，即为激光线宽。激光器中光子跃迁辐射存在自然加宽、碰撞加宽和多普勒加宽等多种因素，再加上激光谐振腔中还可能存在多个纵模振荡，均会使激光器发射的激光谱线加宽。当前，随着激光器制造技术的发展和凝聚态物理研究的需要，单频的激光越来越多的被应用在原子冷却、钠导星、激光雷达、生物治疗等方面，单频激光的制备在科研和生产中具有日益重要的意义。

目前，可实现单频激光输出的原理性方案很多，其中单频锁腔方法为较成熟的单频激光方案之一。将稳定主动腔的透过率反馈给可调谐激光器，改变激光频率使其透过率最大并稳定在这个频率上，实现可调激光器单频输出或使得特定频率的单频激光在光学腔内发生谐振，改变光学腔参数使其透过率最大。这种方法统称为pdh（pound-drever-hall），但当前采用pdh实现光学腔内特定光频谐振存在系统复杂、调试繁琐、工程化难度大的不足，因此需要在现有pdh技术基础上研发一种更加简单便捷的光学谐振腔稳频技术。

技术实现要素：

针对现有技术中采用pdh方法实现光学谐振腔稳定到特定频率时存在的调试繁琐、结构复杂、工程化难度大等不足，本发明提供了温控光学谐振腔自动稳频方法及装置，具有装置结构简单，调试快捷的特点，可以稳定实现不同参数的光学谐振腔的自动稳频。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供了一种温控光学谐振腔自动稳频方法，所述方法步骤为：实时采集光学腔透射光的光强数据并反馈至控制器，控制器调节光学腔腔长以使光学腔透射光光强达到极大值，建立透射光光强对光学腔腔长的负反馈；所述调节光学腔腔长通过改变腔体的受热膨胀程度实现，由控制器自动控制对腔体的加热。

优选地，所述由控制器自动控制对腔体的加热步骤为：由所述控制器根据透射光的光强数据自动修改pid温控模块的参数，再由pid温控模块直接控制加热单元对光学腔腔长进行加热。

为解决上述技术问题，本发明的实施例还提供了一种基于前述方法的温控光学谐振腔自动稳频装置，包括光学腔和控制系统，所述光学腔具有加热单元，所述控制系统包括采集单元、控制器和pid温控模块，其中：所述采集单元用于实时采集光学腔透射光的光强数据并反馈至所述控制器；所述控制器通过所述pid温控模块连接所述加热单元，所述控制器发送指令自动修改所述pid温控模块的参数，由所述pid温控模块直接控制所述加热单元对所述光学腔腔体进行加热，通过受热膨胀调节所述光学腔的腔长以使透射光光强达到极大值，形成透射光光强和光学腔腔长的负反馈回路。

优选地，所述光学腔腔体由二个支撑架和二个腔镜调整架组成；二个所述腔镜调整架沿腔体的光轴前后设置，所述腔镜调整架中部开有用于固定腔镜的腔镜安装孔；二个所述支撑架为具有相同材质和规格的条状金属板，每个所述支撑架的两端分别与二个所述腔镜调整架的同一侧面固定连接，二个所述支撑架沿光轴方向延伸并对称固定于二个所述腔镜调整架的两侧，所述腔镜调整架的侧面通过隔热垫与所述支撑架固定连接。

对支撑架的进一步优选，所述支撑架宜采用热膨胀系数较小的金属材质，如殷钢条；作为另一优选，所述加热单元为由支撑架壳体固定贴合在每个所述支撑架的中心位置的加热片，进一步优选地，所述支撑架壳体材质采用耐热的聚四氟乙烯。

优选地，所述控制系统的所述采集单元包括分光片和带采集卡的光电探测器，所述分光片设置于所述所述光学腔透射光的光路上，将透射光反射至所述光电探测器；所述光电探测器连接所述控制器传输数据。

本发明实施例的上述温控光学谐振腔自动稳频装置的技术方案基于pdh方法的改进，利用光学腔腔体受热膨胀的原理改变腔长，实时控制光学腔加热程度以使透射光强达到最大，形成对腔长以透射光强为准的负反馈控制，从而实现光学腔对参考频率的自动锁腔。由两个腔镜通过腔镜调整架固定在支撑架上组成光学腔，支撑架受热膨胀即可使腔长发生变化；控制系统为自动控制腔长实现最大腔透射光强的负反馈环路，由带采集卡的光电探测器实时采集光学腔透射的光强并反馈给控制器，控制器实时修改pid温控模块的参数以控制支撑架受热膨胀程度，使特定频率激光在光学腔内发生谐振从而获得最强的透射光强，使光学腔以参考激光为准实现了稳频输出。其有益效果如下：

1.利用支撑架受热膨胀改变腔长实现光学腔对参考光频率的锁定，装置结构简单，调试便捷；

2.光学谐振腔中的两个腔镜可根据需求改变类型与参数，使本发明装置可适用于不同的光学谐振腔，具有了较强的适用灵活性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的温控光学谐振腔自动稳频装置的俯视图；

图2为图1所示温控光学谐振腔自动稳频装置光学腔的左视图；

图3为本发明实施例提供的支撑架的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的腔镜调整架的结构示意图。

［主要元件符号说明］

01-光学腔；1-支撑架；10-固定排孔；11-加热片；12-支撑架壳体；2-腔镜调整架；20-腔镜安装孔；21-水平调节钮；22-俯仰调节钮；3-隔热垫；02-控制系统；4-分光片；5-光电探测器；6-控制器；7-pid温控模块。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有技术中采用pdh方法实现光学谐振腔稳定到特定频率时存在的调试繁琐、结构复杂、工程化难度大等不足，本发明的实施例提供了一种温控光学谐振腔自动稳频方法，基本步骤为：实时采集光学腔透射光的光强数据并反馈至控制器，控制器调节光学腔腔长以使光学腔透射光光强达到极大值，建立透射光光强对光学腔腔长的负反馈；调节光学腔腔长通过改变腔体的受热膨胀程度实现，由控制器根据透射光的光强数据自动修改pid温控模块的参数，再由pid温控模块直接控制加热单元对光学腔腔长进行加热。

作为应用上述温控光学谐振腔自动稳频方法的一种温控光学谐振腔自动稳频装置的实施例，如图1和图2所示，包括光学腔01和控制系统02，光学腔01具有加热单元，控制系统02包括采集单元、控制器6和pid温控模块7，具体的：

采集单元用于实时采集光学腔01透射光的光强数据并反馈至控制器6；控制器6通过pid温控模块7连接加热单元，控制器6发送指令自动修改pid温控模块7的参数，由pid温控模块7直接控制加热单元对光学腔01腔体进行加热，通过受热膨胀调节光学腔01的腔长以使透射光光强达到极大值，形成透射光光强和光学腔腔长的负反馈回路。

光学腔01腔体由二个支撑架1和二个腔镜调整架2组成；二个腔镜调整架2沿腔体的光轴前后设置，腔镜调整架2中部开有用于固定腔镜的腔镜安装孔20；二个支撑架1为具有相同材质和规格的条状金属板，每个支撑架1的两端分别与二个腔镜调整架2的同一侧面固定连接，二个支撑架1沿光轴方向延伸并对称固定于二个腔镜调整架2的两侧，腔镜调整架2的侧面通过隔热垫3与支撑架1固定连接。作为更佳的实施方式，二个支撑架1采用来自同一殷钢板材上的两块殷钢条，两块殷钢条采用完全相同的设计和加工，以保证二个支撑架1在相同的升温下具有完全相同尺寸的膨胀。另外，如图3所示，每个支撑架1在其两端均打有对称的固定排孔10，以方便腔镜调整架2得固定和调节。作为其它实施方式，光学腔也可以采用不同于本实施例的其它结构，只要腔体可在加热下沿光轴均匀的伸长，仅仅使腔长发生变化而不至影响光学腔的其它性质，均可用于本发明。

如图1所示，加热单元为加热片11，由支撑架壳体12固定贴合在每个支撑架1的中心位置，有利于支撑架1快速升温，并可使支撑架1温度更易达到平衡，每个支撑架1上均配有加热片11，作为更佳的实施方式，支撑架壳体12材质采用聚四氟乙烯。

采集单元包括分光片4和带采集卡的光电探测器5，分光片4设置于光学腔01透射光的光路上，将透射光反射至光电探测器5；光电探测器5连接控制器6传输数据。

对于腔镜调整架2，作为更佳的实施方式，如图4所示，腔镜调整架2顶部设置有水平调节钮21和俯仰调节钮22，分别用来调节腔镜的水平（h）和俯仰（v）位置；腔镜安装孔20可根据不同的应用场合更换安装各种类型与参数的前后腔镜，以组成不同的光学腔。

采用前述温控光学谐振腔自动稳频方法及装置实现自动锁腔稳频输出时，首先需要将参考激光的光束进行准直，保证通过光学腔01时激光的发散角小于0.4mrad；其次，在保持殷钢条支撑架1温度恒定的前提下，通过调节腔镜调整架2调整前后腔镜的水平及俯仰位置，使光学腔01输出功率最大，即后腔镜的透射光出现最亮光斑；此时，由控制器6发出指令给pid温控模块7，控制加热片11同时加热二个支撑架1，支撑架1受热膨胀引起光学腔01腔长发生变化，透射光的功率随之发生变化，变化特性由光电探测器5采集，分析后传输给控制器6，控制器6修改pid温控模块7的相应参数，进一步控制加热片11的加热温度，当调整腔长使透射光功率出现最大值时，表示参考频率的光在光学腔内已实现了谐振，此时将腔长锁定即可达到稳频输出参考频率激光的目的。

作为一种更佳的实施例，上述装置中各组件的参数如下：

光学腔的支撑架采用殷钢条，其长度为120mm，厚度20mm，宽度为40mm；腔镜调整架采用顶部调节俯仰类型的调整架thorlabs公司的vm1/m；前后腔镜为平面镜，镀有对入射激光反射率为75%的反射膜，平面镜的直径为25.4mm，两个腔镜的中心距离为105mm；光电探测器具有高灵敏低噪声持续采集数据功能；pid温控模块的算法设置为开源模糊算法，可由外部的控制器自动修改pid参数；控制器可分析光电探测器采集模块采集的变化曲线的特征，发出新的参数指令给pid温控模块。

对于上述的本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识未作过多描述；各实施例采用递进的方式描述，各实施例中所涉及到的技术特征在彼此之间不构成冲突的前提下可以相互组合，各实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为落入本发明的保护范围。