基于压电效应和声光移频的横向塞曼激光锁频方法和装置

摘要

基于压电效应和声光移频的横向塞曼激光锁频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腔长压电调节的横向塞曼激光器的输出激光频率锁定于同一台参考横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。

说明书

技术领域

本发明属于激光应用技术领域，特别是一种基于压电效应和声光移频的横向塞曼激光锁频方法及其装置。

背景技术

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。

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。

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

针对现有技术存在的不足，本发明提出一种基于压电效应和声光移频的横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压电陶瓷稳频的横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压电效应和声光移频的横向塞曼激光锁频装置。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种基于压电效应和声光移频的横向塞曼激光锁频方法，该方法包括以下步骤：

（1）开启参考横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横向塞曼稳频激光器的输出光，其光波频率记为ν_r，此输出光由光纤分束器分离成n≥1路，记为光束X_i(i=1,2,…,n)，分别作为横向塞曼激光器L_i(i=1,2,…,n)频率锁定的参考光束；

（2）开启双纵模激光器L_i(i=1,2,…,n)的电源，稳频控制模块根据稳频控制算法输出一预设电压值，该电压施加在激光器内部激光管副输出端的环形压电陶瓷上，使环形压电陶瓷的长度在激光管轴向上发生微小变化，以调整安装在环形压电陶瓷上的腔镜在激光管轴向的位置，进而调整激光管的腔长，使激光管工作于单纵模光输出状态，该单纵模光在横向磁场作用下分裂为正交偏振的两个激光分量，并从激光管的主输出端和副输出端输出；

（3）利用渥拉斯顿棱镜将其内部激光管副输出端的正交偏振的两个激光分量分离，其光功率P_i¹(i=1,2,…,n)和P_i²(i=1,2,…,n)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ΔP_i=P_i¹–P_i²(i=1,2,…,n)，并根据ΔP_i(i=1,2,…,n)的正负和大小调整施加在环形压电陶瓷上的电压值大小，使ΔP_i(i=1,2,…,n)趋于零，进而使激光的频率趋于稳定数值；

（4）利用偏振分光镜分离出激光管主输出端激光中的一个激光分量，记为光束T_i(i=1,2,…,n)，其频率记为ν_i(i=1,2,…,n)，光束T_i(i=1,2,…,n)分别进入驱动频率为f_i(i=1,2,…,n)的声光移频器S_i(i=1,2,…,n)进行移频，其对应的输出激光的频率记为ν_i+ f_i(i=1,2,…,n)，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Z_i(i=1,2,…,n)，作为横向塞曼激光器L_i(i=1,2,…,n)的输出激光，强度相对较小的部分光记为光束Y_i(i=1,2,…,n)；

（5）将光束X_i(i=1,2,…,n)分别与光束Y_i(i=1,2,…,n)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Δν_i=ν_i+f_i–ν_r(i=1,2,…,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Δν_i(i=1,2,…,n)，计算得出光束X_i(i=1,2,…,n)和Y_i(i=1,2,…,n)的频率差值ν_r –ν_i=f_i–Δν_i(i=1,2,…,n)，并将声光移频器S_i(i=1,2,…,n)的驱动频率f_i(i=1,2,…,n)调整为ν_r –ν_i(i=1,2,…,n)，从而使横向塞曼激光器L_i(i=1,2,…,n)输出光束Z_i(i=1,2,…,n)的频率等于参考光束X_i(i=1,2,…,n)的频率，即ν_i+ f_i  = ν_r (i=1,2,…,n)；

（6）循环重复步骤（4）到（5），通过调整声光移频器S_i(i=1,2,…,n)的工作频率f_i(i=1,2,…,n)，使横向塞曼激光器L_i(i=1,2,…,n)的输出激光Z_i(i=1,2,…,n)的频率始终锁定于同一频率值ν_r。

一种基于压电效应和声光移频的横向塞曼激光锁频装置，包括激光器电源A、稳频状态指示灯、参考横向塞曼稳频激光器、偏振分光镜A、光纤分束器，其特征在于装置中还包括n≥1个结构相同、呈并联关系的横向塞曼激光器（L₁, L₂,…, L_n），其中每一个横向塞曼激光器（L₁, L₂,…, L_n）的装配结构是：激光器电源B与激光管连接，激光管放置在横向磁场模块中，横向磁场模块产生的磁场在竖直方向上，激光管的轴线与磁场方向垂直，环形压电陶瓷安装在激光管的副输出端，其输入端接稳频控制模块，腔镜安装在环形压电陶瓷上，激光管温度传感器贴在激光管外壁上，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，渥拉斯顿棱镜放置在激光管副输出端后，其后放置二象限光电探测器，二象限光电探测器的输出端与稳频控制模块连接，偏振分光镜B放置在激光管主输出端前，其后放置声光移频器，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。

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横向塞曼激光器进行并联频率锁定，所有横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。

（2）本发明采用声光移频器对多个横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。

（3）本发明采用声光移频器对多个横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。

（4）本发明采用环形压电陶瓷对激光管腔长进行调节，与热稳频等其它间接调节方法相比，本发明方法属于直接调节方法，因而稳频系统具有非常迅速的响应速度，另外由于压电陶瓷器件优异的机械稳定性，有助于提高激光稳频的精度，这是区别于现有技术的创新点之四。

附图说明

图1 为本发明装置的原理示意图

图2 为本发明装置中横向塞曼激光器稳频结构的示意图

图3 为本发明装置中横向塞曼激光器稳频过程的闭环控制功能框图

图4为本发明装置中横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、3参考横向塞曼稳频激光器、4偏振分光镜A、5光纤分束器，6激光管、7横向磁场模块、8渥拉斯顿棱镜、9二象限光电探测器、10稳频控制模块、11激光管温度传感器、12压电陶瓷、13腔镜、14环境温度传感器、15激光器电源B、16偏振分光镜B、17声光移频器、18分光镜、19光纤合束器、20检偏器、21高速光电探测器、22频率测量模块、23频率调整模块、24锁频状态指示灯。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施实例进行详细的描述。

如图1和图2所示，本发明装置中基于压电效应和声光移频的横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、参考横向塞曼稳频激光器3、偏振分光镜A4、光纤分束器5，其特征在于装置中还包括n≥1个结构相同、呈并联关系的横向塞曼激光器（L₁, L₂,…, L_n），其中每一个横向塞曼激光器（L₁, L₂,…, L_n）的装配结构是：激光器电源B15与激光管6连接，激光管6放置在横向磁场模块7中，横向磁场模块7产生的磁场在竖直方向上，激光管6的轴线与磁场方向垂直，环形压电陶瓷12安装在激光管6的副输出端，其输入端接稳频控制模块10，腔镜13安装在环形压电陶瓷12上，激光管温度传感器11贴在激光管6外壁上，其输出端接稳频控制模块10，环境温度传感器14与稳频控制模块10连接，渥拉斯顿棱镜8放置在激光管6副输出端后，其后放置二象限光电探测器9，二象限光电探测器9的输出端与稳频控制模块10连接，偏振分光镜B16放置在激光管6主输出端前，其后放置声光移频器17，分光镜18放置在声光移频器17与光纤合束器19的一个输入端之间，光纤合束器19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20放置在光纤合束器19的输出端与高速光电探测器21之间，高速光电探测器21、频率测量模块22、频率调整模块23、声光移频器17依次连接，锁频状态指示灯24与频率调整模块23连接。

由于装置中包括多个结构相同的横向塞曼稳频激光器L₁, L₂,…, L_n，这些横向塞曼稳频激光器的工作过程完全一致，以下仅对其中一个横向塞曼稳频激光器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横向塞曼稳频激光器。

开始工作时，开启激光器电源A1，参考横向塞曼稳频激光器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，表示参考横向塞曼稳频激光器3进入稳定工作状态，其输出激光包括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n路频率基准光束，记为光束X₁, X₂,…, X_n，其频率记为ν_r，作为横向塞曼激光器L₁, L₂,…, L_n频率锁定的参考频率。

稳频状态指示灯2使能的同时，开启激光管电源B15，稳频控制模块10输出一预设电压值施加在横向塞曼稳频激光器L₁内部激光管6副输出端的环形压电陶瓷12上，使环形压电陶瓷的长度在激光管6轴向上发生微小变化，以调整安装在环形压电陶瓷上的腔镜13在激光管6轴向的位置，进而调整激光管6的腔长，使激光管工作于单纵模光输出状态，该单纵模光在横向磁场作用下分裂为正交偏振的两个激光分量，并从激光管的主输出端和副输出端输出。利用渥拉斯顿棱镜8将激光管6副输出端输出的两个激光分量分离，其光功率P₁¹和P₁²由二象限光电探测器9测得，将两个纵模的功率之差ΔP= P₁¹–P₁²作为如图3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10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施加在环形压电陶瓷12上的电压值的大小，进而调整激光管6的谐振腔长，使两个激光分量的功率P₁¹= P₁²，此时两个激光分量的频率也趋于稳定数值。

稳频过程结束后，激光器L₁进入频率锁定过程，激光管6主输出端输出的双模激光由偏振分光镜B16分离出其中一个激光分量，作为声光移频器17的输入光，其频率记为 ν₁，声光移频器17的工作频率记为f₁，由于声光相互作用，声光移频器17输出激光的频率为ν₁₊f₁，该光束再通过分光镜18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，作为横向塞曼激光器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19耦合进入光纤合成为一束同轴光束，该同轴光束通过检偏器20后形成光学拍频信号，经高速光电探测器21进行光电转换后，其频率值Δν₁=ν₁ +f₁–ν_r由频率测量模块22测量得到，并作为如图4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23根据二者的差值Δν₁，计算得出光束X₁与光束Y₁的频率差值为ν_r –ν₁=f₁–Δν₁，并将声光移频器17的驱动频率f₁调整变为ν_r–ν₁，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ν_r。当上述频率锁定过程完成后，频率调整模块23使能锁频状态指示灯24。

当外界环境变化或其它因素导致参考横向塞曼稳频激光器3或者横向塞曼激光器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17的工作频率f₁，使横向塞曼激光器L₁输出激光的频率ν₁始终锁定于参考频率ν_r。同理，横向塞曼激光器L₂, L₃,…, L_n输出激光的频率ν₂, ν₃,…, ν_n也始终锁定在参考频率ν_r上。