双纵模激光电磁感应加热的稳频装置及其稳频方法

摘要

本发明公开了一种双纵模激光电磁感应加热的稳频装置及其稳频方法，该装置通过He－Ne激光管(1)发出的激光经相互垂直以布儒斯特角放置的玻璃片(2)、(3)，将偏振方向正交的两个模式的激光分别反射一部分到光电池(4)、(5)，两只光电池是极性反向联接的，光电池输出电压代表了两个纵模光强的差异，经差动放大器(8)放大、A/D转换器(9)转换为数字信号，单片机(10)处理产生脉宽调制信号，连接驱动器(14)(15)通过D/A转换器(11)输出模拟信号，经功率放大电路(12)(13)控制外围高频脉冲发生电路(16)，使电磁感应线圈(6)、(7)通过高频交变电流产生高频交变磁场，导致He－Ne激光管两端的金属管颈产生涡流发热，调整激光管谐振腔长度，达到稳频的目的。

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种双纵模激光电磁感应加热的稳频装置及其稳频方法，属于激光应用技术领域。

二、背景技术

激光广泛的用于精密计量测试。但是，自由运转的激光器由于温度变化、气流扰动，其波长是不稳定的。不能直接作为测量的标准使用，要作为长度标准就要求激光频率(波长)具有很高的稳定性。

目前激光稳频方法常见的有兰姆下陷法、塞曼效应法、热稳频法、拍频稳频法等多种。用兰姆下陷法进行稳频，其频率稳定度可达10^-9，但其频率复现性较差为10^-7。这种方法用压电晶体控制腔长，价格昂贵，压电材料叠层寿命不够长(激光稳频技术的新发展，王世华、周肇飞、迟桂纯，成都科技大学学报，1995年4期P69～P74)。用塞曼效应法进行稳频其频率稳定度、频率复现性与兰姆下陷法相当，不足之处是价格昂贵、达到频率稳定所需时间较长(633nm氦氖激光的纵向塞曼拍频曲线及稳频的原理和实验，王楚，光学学报，1984.4(9)，P808～P813)。一般热稳频分为调整放电电流稳频法和外加热稳频法，针对以前生产的背包式He-Ne激光器其稳频效果较好(He-Ne激光器的双纵模热稳频系统，周肇飞，仪器仪表学报，1988.9(4)，P375～P380)。近年来流行同轴式He-Ne激光管，管颈采用与玻璃焊接性能好的可伐合金，使用寿命提高，但对热稳频技术来说、谐振腔的力学约束条件复杂了，散热效果也不好导致已有热稳频方法无论是控制放电电流还是通过外部加热调整激光管腔长，调整能力都较弱、变化速度慢、容易失稳(跑模)。

三、发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种双纵模激光电磁感应加热的稳频装置及其稳频方法，其特点是利用He-Ne金属管颈的特点，通过电磁感应加热方式，环绕在激光管两端或一端的激励线圈中通过高频电流，使线圈周围产生磁场，磁场在激光器两端金属封装头管壁产生涡流发热，由于温度变化而产生热胀冷缩，改变激光管腔长，达到稳频目的。

本发明的目的由以下技术措施实现：

He-Ne激光管发出的激光经相互垂直以布儒斯特角放置的玻片，将偏振方向正交的两个纵模的激光分别反射一部分到光电池上，两只光电池是极性反向联接的，光电池输出电压反映了两纵模光强的差异。放大器放大A/D转换器转换为数字信号，单片机处理产生脉宽调制(PWM)信号驱动驱动器，通过D/A转换器、经功率放大电路，控制外围高频脉冲发生电路，使电磁感应加热线圈通过高频交变电流产生高频交变磁场，导致He-Ne激光管两端的金属管壁产生涡流发热，激光管伸长，从而调整激光器谐振腔长度，达到稳频的目的。

电磁感应加热线圈的绕制采用线圈轴在圆周方向上环绕激光管金属管颈，通过周向磁场使激光器两端金属封装头产生涡流而发热，避免了线圈轴线与管轴同向时产生的轴向磁场对激光偏振态的影响。

He-Ne激光管采用双端的管颈电磁感应加热线圈加热或者一端的管颈电磁感应加热线圈加热。

双纵模激光电磁感应加热的稳频装置的稳频方法为：

1、激光管与该系统上电后，以布儒斯特角放置的玻片将偏振方向正交的两个纵模的激光分别反射一部分到光电池，反射光强的差异控制电磁感应加热线圈，根据腔长与谐振频率公式：V_c＝qc/2nl，V_c为频率，q为纵模序数，c为光速，n为折射率，l为腔长，当腔长l发生变化时，频率也会发生相应变化，通过对高频交变电流大小、变化频率和占空比从而控制激光管颈的温度；

2、经过5～10分钟加热后，系统达到热平衡，激光管腔长处于稳定状态，此时以布儒斯特角放置的玻片反射到光电池上的激光强度达到相等；

3、当光电池上接收到激光的强度在1分钟内无变化，则状态显示发光二极管或串行通讯接口发出稳频完成信号。

本发明具有如下优点：

1、直接在激光管金属管壁上产生涡流，通过涡流产生热量，克服了间接方式加热，热效率低、加热速度慢，散热也慢、系统响应速度低等缺点。

2、采用纵向扁平线圈绕制方法，利用周向磁场使激光器两端金属封装头产生涡流而发热，避免了线圈轴线与管轴同向时产生的轴向磁场对激光偏振态的影响。

3、加热线圈与金属管壁之间无接触，避免了传统电热丝加热等方式由于接触给激光管腔长带来的影响。同时也避免了加热器本身发热、散热都慢对激光管控制能力迟钝的缺点。

四、附图说明

图1为双纵模激光电磁感应加热稳频装置的原理框图。

图2为双纵模激光电磁感应加热稳频装置的电路原理图。

1激光管；2、3玻片；4、5光电池；6、7电磁感应线圈

图3为电磁感应加热线圈绕制图。

采用纵向扁平线圈绕制方法，利用线圈周向磁场使He-Ne激光器两端金属封装管产生涡流而发热，避免了横向绕制线圈，磁场影响激光器发出激光的偏振态，其中虚线部分代表磁力线。

图4为双纵模激光电磁感应加热稳频装置光强接收、信号放大以及A/D转换电路原理图。

8差动放大器；9A/D转换器

图5为双纵模激光电磁感应加热稳频装置单片机电路、状态显示以及通讯电路原理图。

10单片机；17、18状态显示发光二极管；19串行通讯接口

图6为双纵模激光电磁感应加热稳频装置控制部分电路原理图。

11D/A转换器；12电压跟随器；13功率调整三极管；14、15驱动及电平变换器；16桥式功率输出

图7为双纵模激光电磁感应加热稳频装置稳压电源电路原理图。

20稳压电源

五、具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例

双纵模激光电磁感应加热稳频装置及其稳频方法如图1～7所示。

He-Ne激光管发出的激光经相互垂直的以布儒斯特角旋转的玻片2、3将偏振方向正交的两个模式的激光分别反射一部分到光电池4和5，两只光电池的极性是反向连接的。如果激光器发出的激光中有一个模减弱，则接收该模光信号的光电管输出电压下降。光电池产生的差动电信号送入差动放大器8(AD623)、A/D转换电路9(AD7705)进行模数转换，转换后的数字信号送入单片机10(ATMEGA8)进行计算、处理，然后经D/A转换电路11(MAX5154)转换为数字信号，经电压跟随器12(LM358)功率调节三极管13(3AG33)放大后控制加在桥式功率输出16上电路上电压高低。同时，计算机输出一路PWM(脉宽调制)信号，控制驱动电路14(IR2110)，15(IR2110)控制桥式功率输出电路16驱动激励线圈6、7，在线圈上形成高频交变电场，从而在线圈周围形成高频交变磁场，使位于线圈产生磁场范围内的激光管金属产生涡流发热，并使谐振腔的长度向着有利于减弱的那个模的方向变化，这样便可使两个相邻的模同时并存，并保持强度不变，从而达到稳频目的。

图2中的线圈6、7与激光管1的金属管壁无接触，不会对激光管壁的发热以及热膨胀造成影响。对于不同腔长和不同管径的激光管，可采用两端或一端加上电磁感应线圈，进行稳频，此两种方法都可以实现稳频的目的，他们各有各的优点。单端加入电磁感应线圈使线路简单，但对于管径较粗的激光管需要较大功率，从预热到频率稳定所需要的时间的较长。双端加入电磁感应线圈使线路较为复杂，但对于管径较粗的激光管而言从预热到频率稳定的时间较短。

图3是电磁感应加热线圈的绕制采用线圈轴在圆周方向上环绕激光管金属管颈，通过周向磁场使激光器两端金属封装头产生涡流而发热，避免了线圈轴线与管轴同向时产生的轴向磁场对激光偏振态的影响。

图4是稳频系统的偏振光信号采集及信号放大、A/D转换部分。由玻片2、3反射的光线入射到光电池4、5上，产生的模拟信号经仪表放大器8放大后输入A/D转换器9转换为数字信号，送入单片机进行处理。

图5是稳频系统的单片机控制电路及状态显示电路、串行通讯接口电路。单片机10处理完成后的系统信息通过状态显示发光二极管18、19显示，也可通过串行通讯接口电路20上传到上位机处理。单片机根据接收到的A/D转换器输出信号输出控制信号。

图6是稳频系统的加热稳频装置控制电路。D/A转换器将单片机输出的数字信号转换为模拟信号输入到功率放大电路控制桥式功率电路，最后控制加在线圈上的电压，驱动及电平变换器控制桥式功率输出电路，控制加在线圈上的的脉冲宽度和频率。

图7是稳频系统的供电部分。220V交流电通过二极管桥式整流，电容滤波，三端稳压电路稳压后输出稳定的直流电压。其中一路为5V，是给整个系统供电，另外一路为24V，是给图1中驱动及电平变换器14、15的输出端以及桥式功率输出16供电。

双纵模激光电磁感应加热的稳频方法为：

激光管与该系统上电后，以布儒斯特角放置的玻片2、3，将偏振方向正交的两个纵模的激光分别反射一部分到光电池4、5。根据反射光强的差异控制电磁感应加热线圈6、7上通过高频交变电流大小、变化频率、占空比等，从而控制激光管颈的温度。

经过5～10分钟加热后，系统达到热平衡，激光管腔长处于稳定状态，此时以布儒斯特角放置的玻片2、3反射到光电池4、5上的激光强度达到相等。

当光电池4、5上接收到激光的强度在1分钟内无变化，则通过状态显示发光二极管17、18或串行通讯接口19发出稳频完成信号。