频率差稳定的塞曼双折射双频激光器及其频率差稳定方法

摘要

频率差稳定的塞曼－双折射双频激光器的频率差稳定方法,涉及一种氦氖塞曼－双折射双频激光器的结构及其稳频的方法。本发明的特征在于通过应用二维加力环获得可靠的合适频率差的基础上,再利用计算机控制通过稳定激光器频率来稳定频率差。本发明由于以二维施力方式代替原有的一维施力方式,并对加力环的材料进行了优化选取,同时增加了激光器稳频装置,从而进一步减小了该种激光器的频率差漂移,并提高了该装置的可靠性及频率的稳定度,使得该激光器进入了可实际应用的阶段。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光器，特别涉及一种氦氖塞曼-双折射双频激光器的结构及针对该种激光器实施稳频的方法。

背景技术

目前现有技术中提出的一种《没有频差闭锁的双折射双频激光器及其频差精度控制方法》(中国专利：申请号：99103513.5)，该双频激光器由激光增益管、一维施力装置、外加横向磁场组成。该技术解决了双频激光器不能输出大于3兆赫兹小于40兆赫兹的频率差的问题，从而突破了现有双频激光干涉仪在测量速度上的限制，在双频激光器的发明史上有着重要意义。虽然此种激光器能够输出适合双频激光干涉仪应用的合适频差，但是其频差稳定性还不能达到工业应用的具体要求。塞曼-双折射双频激光器的频率差仍有漂移现象，其原因有以三方面：一是因为外界温度变化时，加力环和光弹元件(半内腔为增透窗片，全内腔为输出窗片)都会热胀冷缩，但如果加力环和光弹元件的材质不同、线膨胀系数不同，热胀和冷缩的大小也不同。如加力环为殷钢(线胀系数约为5×10^-7)，窗片材料为K9玻璃(线胀系数约为4×10^-6)，升温时窗片的直径比殷钢的直径膨胀的快，加力环对窗片的压力加大，引起窗片的内应力变大，双折射效应加强，频率差变大，反之亦然。由此引入的变化量在几MHz。其二是现有塞曼-双折射双频激光器中对光弹元件的施力装置为一维加力方式，由于此种激光器的频差与光弹元件内产生的应力成正比，所以需要产生较小频差时所加应力也较小，这使得加力装置相对光弹元件容易松动，可靠性差。其三，随着激光器管壳升温，激光器腔长变长，激光器的两个频率要产生漂移，要扫过增益线，由于频率牵引效应，频率差就要变化几KHz。

发明内容

本发明的目的是在上述专利技术的基础上，提出一种频率差稳定的塞曼双折射双频激光器及其频率差稳定方法，以克服现有塞曼双折射双频激光器频率差漂移问题，达到同时稳定频率差和频率的目的，提高装置的可靠性，使该激光器进入可实际应用阶段。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种频率差稳定的塞曼-双折射双频激光器的频率差稳定方法，该方法的特征在于通过应用二维加力环获得可靠的合适频率差的基础上，再利用计算机控制通过稳定激光器频率来稳定频率差，其方法的步骤如下：

(1).在激光谐振腔内的光弹元件的一对相互正交的直径方向上垂直于光束对径加力，即采用二维施力方式，获得可靠的合适频率差；

(2).优选施力装置的材料，该材料与光弹元件材料之间应满足匹配封接的关系；

(3).在上述激光器上设置一个由计算机控制的频率差稳定装置，该装置首先通过光电探测器探测经渥拉斯顿棱镜分开的O光和E光两路光强，由光电接受模块将光信号转变为电信号；

(4).上述电信号通过AD转换进入计算机进行实时采集，经计算机程序运算后输出等光强法或极值锁定法的控制信号；

(5).将上述控制信号通过DA转换给电压放大模块，经过电压放大驱动稳频执行元件，最后由稳频执行元件完成稳频伺服控制。

二维加力装置所使用的材料与光弹元件材料之间应满足匹配封接的关系，即使其线膨胀系数与光弹元件材料的线膨胀系数相差0～10％。

一种实现上述方法的频率差稳定的塞曼-双折射双频激光器，包括一个氦氖(He-Ne)激光增益管，以及激光谐振腔内的光弹元件及其上的施力装置、反射透镜，石英封装壳，外加横向磁场所用的磁条，其特征在于所述的加力环为带有加力螺钉的二维加力环；该加力环是由其线膨胀系数和光弹元件的线膨胀系数相一致的可阀制成。

为了进一步减小该种激光器的频率差漂移并提高频率稳定度，上述激光器还增加一个稳频装置，该装置是由渥拉斯顿棱镜、光电探测器、光电接收模块、压电放大模块、稳频执行元件及装有AD/DA数据采集卡和控制软件的计算机所组成；所述光电探测器的输出端与光电接收模块的输入端相连，光电接收模块的输出端与数据采集卡的AD端相连，数据采集卡的DA端和电压放大模块的输入端相连，电压放大模块的输出端与稳频执行元件相连。

上述二维加力环可采用圆形、方形或可对光弹元件施加一对相互正交的直径方向对径加力的其它形状的加力环。

当上述激光器的激光谐振腔为半腔时，所述的稳频执行元件采用压电陶瓷；激光谐振腔为全腔时，稳频执行元件采用加热丝。

本发明由于以二维施力方式代替原有的一维施力方式，并对加力环的材料进行了优化选取，同时增加了激光器稳频装置，从而进一步减小了该种激光器的频率差漂移，并提高了该装置的可靠性及频率的稳定度，使得该激光器进入了可实际应用的阶段。

附图说明：

图1为本发明的塞曼-双折射双频激光器光强随腔长调谐曲线示意图

图2为本发明的实施例，即加力环采用圆形时的结构示意图。

图3为本发明的又一实施例，即加力环采用方形的结构示意图。

图4为加力环安装结构剖面示意图。

图5为带有稳频装置的塞曼-双折射双频激光器的结构示意图。

图6为光电接收模块电路图

图7为电压放大模块电路图。

图8为控制软件程序流程框图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的原理、结构、具体实施及优选方式：

本发明中的施力方式为二维施力方式，即在光弹元件的一对相互正交的直径方向上垂直于光束对径加力，我们称这种施力装置为二维加力环，可采用圆形(如图2所示)或方形(如图3所示)及其他可对光弹元件施加一对相互正交的直径方向对径加力的其他形状的加力环。在圆形加力环的两个相互垂直的直径位置以及在方形加力环的四条边的中心位置分别有四个螺孔，每个螺孔配有一枚平头顶丝向位于环内的光弹元件加力。激光束通过此光弹元件，激光器所产生的频差与相互垂直的两个加力方向的应力差成正比，它可表示为， $>>\Delta v>\propto >>(>\Delta >>n>1>>->\Delta >>n>2>>)>>=>>1>2>sup>>n>0>3sup>>>(>>p>12>>->>p>11>>)>>>(>>s>1>>->>s>2>>)>>->->->->>(>1>)>>>s>式中\Delta v为激光器输出频差，\Delta n$₁、Δn₂为两个主应力方向的的主折射率，n₀为光弹元件的折射率，p₁₂、p₁₁为光弹系数张量，s₁、s₂为主应变张量。这种新型的二维施力装置通过提供小的应力差来获得小频差，这使得我们在获得小频差时可以施加足够大的力，以防止加力环松动，保证可靠性。

为了克服谐振腔伸长缩短过程中频率差的漂移，本发明在应用二维加力环获得可靠的合适频率差的基础上，通过计算机控制来实现稳定激光器频率来稳定频率差。本发明还包括对塞曼-双折射双频激光器进行稳频，以稳定频率差。现有的广泛应用于双频激光干涉仪的双频激光光源多为纵向塞曼双频激光器，并多使用等光强法热稳频。由于纵向塞曼效应中左旋光与右旋光增益线关于中心频率对称，等光强点位于中心频率处且唯一，故等光强法简单易行。由于本发明中的激光器在横向塞曼效应作用下，两种频率的光(O光和E光)的增益线如图1所示，分别由横向塞曼效应中的π分量1和σ分量2提供增益。针对这样的增益曲线，无论全内腔还是半内腔的塞曼-双折射双频激光器，本发明对其的稳频方法都存在稳频点选取的问题，并都可采取两种方法，即等光强法和光强极值锁定法，其中光强极值锁定法还分为π光极值锁定法和σ光凹陷锁定法。两种稳频方法都是以稳定光强从而稳定频率达到稳定频率差的方法。等光强法是把频率锁定在两模光强相等的两个位置中的一个上(3点或4点)；π光极值锁定法是把频率锁定在π增益线的极大值处(5点)；σ光凹陷锁定法是把频率锁定在σ增益线的极小值处(6点)。等光强法的频率不在中心频率处，极值锁定法的频率在中心频率。

实施例1：

二维加力环以采用圆形7(如图2所示)或方形10(如图3所示)为例加以说明。加力环7通过四个平头顶丝8紧固在全内腔激光器的输出窗片13上，或半内腔激光器的增透窗片9上。通过调整顶丝的松紧得到需要的频差并使加力环固定在窗片上。然后用环氧树脂将顶丝与窗片、顶丝与加力环分别粘牢，这样就能保证其可靠性。加力环和顶丝的材料都是线膨胀系数与增透窗片的线膨胀系数一致的可阀。此金属与光弹元件材料k4玻璃之间应满足匹配封接的关系，即两种材料的线膨胀系数相差应小于10％，能够保证它们膨胀与收缩的一致性。粘牢后的加力装置结构如图4所示，其中11为激光增益管。

实施例2

图5为装有频差稳定装置的半内腔塞曼-双折射双频激光器系统的结构示意图。它主要包括由激光增益管11、增透窗片9、反射镜16、二维加力环7、封装石英壳12和外加横向磁场所用的磁条14、15构成的半内腔塞曼-双折射双频激光器，渥拉斯顿棱镜18，光电探测器19和20，光电接收模块21，AD/DA数据采集卡24，装有控制软件的计算机25，电压放大模块22和压电陶瓷17等组成。在实际应用中，光电接收模块21和电压放大模块22被整合组装在控制电箱23中；AD/DA数据采集卡24和控制软件则安装在计算机25内。光电探测器采用硅光电池，数据采集卡为12位精度(中泰公司PC6333)，电压放大范围可达0～300V。稳频工作时，通过计算机控制，由光电探测器探测经渥拉斯顿棱镜分开的0光和E光两路光强并送入光电接受模块PHOTOINPUT端，此信号经光电接收模块放大、滤波由OUTPUT端输出给数据采集卡，通过AD转换进入计算机进行实时采集，经计算机程序运算后输出等光强法或极值锁定法的控制信号，再通过DA转换输出到电压放大模块INPUT端，经过电压放大由OUTPUT端输出并驱动压电陶瓷，最后由压电陶瓷完成稳频伺服控制。从而，通过稳定激光器频率来稳定频率差。频率稳定度优于1×10^-7的工业应用要求，频率差稳定度可达1×10^-4以上。

本实施例的稳频系统在稳频方法的选择、稳频点的判断和控制信号优化上全部由软件控制来实现，具有较强的通用性。软件通过增益曲线形状来判断稳频点。稳频开始时，预置电压驱动压电陶瓷扫瞄激光器腔长，实时采集并分别记录两路光强的两个邻近平均值，分别计算出两条增益曲线在该点的斜率。通过软件的逻辑判断，等光强法将频率稳定在两路光强相等处，并通过斜率区分3点和4点，极值锁定法将频率稳定在光强极值且斜率为零处，即5点或6点。控制软件包含数字PID程序环节，对输出控制信号进行优化处理。

另外，对于全内腔塞曼-双折射双频激光器进行稳频，本系统只要更换执行元件，即将压电陶瓷更换为电热丝即可使用。