一种双频He-Ne激光器频率测量装置及其测量方法

摘要

本发明涉及一种双频He-Ne激光器频率测量装置及其测量方法，其包括相连接的稳频激光系统和双频激光频率测量系统；稳频激光系统将可调谐激光器的输出激光频率锁定至光频梳的任意梳齿，使得可调谐激光器的输出激光频率可溯源至铷钟频率基准；双频激光频率测量系统将已锁定的可调谐激光器的输出激光与待测双频He-Ne激光器的输出激光拍频，同时测量两个正交偏振激光频率；本发明可同时测双频He-Ne激光两个正交偏振激光的绝对频率，测量结果可溯源至铷钟频率基准，系统抗干扰能力强适用于工业环境中的双频He-Ne激光器频率测量和标定。

说明书

技术领域

本发明涉及双频He-Ne激光器技术领域，特别涉及一种双频He-Ne激光器 频率测量装置及其测量方法。

背景技术

双频激光干涉仪具有测量精度高、测量速度快和环境适应力强等特点，其 在激光精密计量领域有着重要的应用，尤其是在精密位移平台定位等工业生产 领域有着不可替代的作用。1970年惠普公司首次推出了基于双频He-Ne激光器 的商用双频外差干涉仪用于增量式位移测量，其测量精度可达λ/16，目前市场 上已有多个厂家的多种性能双频激光干涉仪产品。双频激光干涉仪的核心元件 是双频激光器，其输出激光包括具有一定频率差的两个正交偏振的激光，其波 长作为测量的基础尺度。由于双频激光干涉仪的测量结果与双频激光器的波长 直接联系，所以双频激光器的绝对频率及其频率稳定度决定了干涉仪的测量精 确度。为实现纳米量级的测量精确度，双频激光器输出激光的绝对频率需精确 到10MHz，1小时频率相对稳定度需达到1×10^-9，在光刻应用等某些高精度微 纳加工领域甚至需要更高的相对稳定性。所以，在双频激光器研制过程以及出 厂前，其绝对频率及稳定度需要经过严格的测量。

在633nm激光频率波段，¹²⁷I₂吸收稳频He-Ne激光是国际计量委员会推荐 的实施米定义的12种稳频激光谱线之一，其频率相对不确定度为2.1×10^-11。 He-Ne激光频率的测量通常是通过与¹²⁷I₂吸收稳频He-Ne激光拍频获得，但受 到拍频带宽限制这种方法测量的频率范围十分有限。此外，¹²⁷I₂吸收稳频He-Ne 激光对温度和环境振动等噪声非常敏感，采用¹²⁷I₂吸收稳频He-Ne激光作为标 准进行频率测量是对测量环境有着苛刻要求。

光频梳的出现解决了光学频率直接精密测量的问题，使得激光频率测量结 果可直接溯源至具有更高精确度的时间频率基准。由于光频梳直接建立了微波 频率基准与光波频率的联系，锁定至微波频率基准的光频梳相比现有稳定激光 具有更高的频率稳定度，且其光谱范围可覆盖可见至近红外区域，所以光频梳 有望成为取代现有稳频激光的下一代光频基准。尽管光频梳在光学频率测量方 面具有显著优势，但是由于双频He-Ne激光的正交偏振特性，如果直接利用光 频梳对其频率进行测量会极大地增加系统难度。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种双频He-Ne激 光器频率测量装置及其测量方法，将光频梳作为微波频率与光波频率的桥梁， 双频He-Ne激光器频率测量结果可溯源至微波频率基准，具有计量学意义，且 能够同时直接测得双频He-Ne激光器两个正交偏振激光的绝对频率，具有良好 的抗干扰性。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种双频He-Ne激光器频率测量装置，包括相互连接的稳频激光系统1和 双频激光频率测量系统2；

所述稳频激光系统1包括依次连接的可调谐激光器101、光隔离器102以及 第一光纤准直器103，和所述第一光纤准直器103通过保偏光纤104依次连接的 保偏光纤耦合器105、第二光纤准直器106、第一1/2波片107、第一偏振分光 立方体108、第一偏振片111以及光栅112，所述第一1/2波片107和第一偏振 片111连接在第一偏振分光立方体108的一中轴线上，第二1/2波片110通过保 偏光纤104连接在第一偏振分光立方体108的另一中轴线上，光频梳109通过 保偏光纤104和第二1/2波片110相连接，平面反射镜113的位置使光栅112反 射的光束经过平面反射镜113反射后入射至第一光电探测器114，所述第一光电 探测器114依次和放大器115、鉴相器116、控制器117电连接，所述控制器117 的输出端和所述可调谐激光器101的电流调制端口电连接，计算机119的信号 输入端口分别与可调谐激光器101、波长计120和控制器107的信号输出端口相 电连接，铷钟118的输出端分别与所述光频梳109和鉴相器116的输入端相电 连接；

所述双频激光频率测量系统2包括和所述稳频激光系统1的保偏光纤耦合 器105通过保偏光纤104相连接的第三光纤准直器201，和所述第三光纤准直器 201通过保偏光纤104依次连接的第三1/2波片202，第二偏振分光立方体204、 第三偏振片207以及第三光电探测器208，所述第三1/2波片202和第三偏振片 207连接在第三光电探测器208的一中轴线上，双频He-Ne激光器203和第二偏 振片205通过保偏光纤104连接在第三光电探测器208的另一中轴线上，所述 第二偏振片205通过保偏光纤104和第二光电探测器206相连接，所述第二光 电探测器206和第三光电探测器208的输出端分别和频率计数器209的输入端 相电连接。

所述可调谐激光器101输出单一频率、单一线偏振方向激光，通过改变其 工作电流或电压可连续调谐其输出激光频率。

所述光频梳109的工作波长覆盖所述可调谐激光器101的所有频率，且其 重复频率和偏置频率锁定至微波频率基准信号。

一种双频He-Ne激光器频率测量装置的测量方法为：所述可调谐激光器101 出射的激光经所述光隔离器102后由所述第一光纤准直器103进入所述保偏光 纤104，经所述保偏光纤耦合器105分成三路激光，第一路进入所述双频激光频 率测量系统2，第二路进入所述波长计120，第三路经所述第二光纤准直器106 出射为空间激光光束并经所述第一1/2波片107旋转偏振态后由所述第一偏振分 光立方体108透射，所述光频梳109输出的光束经所述第二1/2波片110旋转偏 振态后由所述第一偏振分光立方体108反射，经透射和反射后的两路激光光束 经所述第一偏振片111后入射至所述光栅112，由所述光栅112反射的+1级光束 经所述平面反射镜113反射后入射至所述第一光电探测器114并转化为电信号； 所述第一光电探测器114输出的电信号经所述放大器115后作为测量信号输入 至所述鉴相器116，所述铷钟118的输出信号分别输入至所述光频梳109和所述 鉴相器116作为参考信号，所述鉴相器116输出的信号电压与参考信号和测量 信号的相位差成线性关系，所述鉴相器116输出的信号输入至所述控制器117 经比例-积分控制后输出电压信号输入至所述可调谐激光器101的电流调制端 口；所述计算机119的信号输入端口分别与所述可调谐激光器101、所述波长计 120和所述控制器107的信号输出端口相连接，稳频激光系统1的所有工作由计 算机119中的软件进行操控；

经所述保偏光纤耦合器105分成的第一路激光进入所述双频激光频率测量 系统2的第三光纤准直器201，经第三光纤准直器201出射的激光经所述第三 1/2波片202偏振态旋转后输入至所述第二偏振分光立方体204，所述双频He-Ne 激光器203出射的激光入射至所述第二偏振分光立方体204，经所述偏振分光立 方体204分光后的一路光经所述第二偏振片205后入射至所述第二光电探测器 206转化为电信号，经所述偏振分光立方体204分光后的另一路光经所述第三偏 振片207后入射至所述第三光电探测器208转化为电信号，所述第二光电探测 器206和所述第三光电探测器208的输出的电信号分别输入至所述频率计数器 209。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

1、由于本发明采用光频梳作为微波频率与光波频率的桥梁，双频He-Ne激 光器频率测量结果可溯源至微波频率基准，具有计量学意义；

2、由于本发明采用频率锁定至光频梳的可调谐激光进行对双频He-Ne激光 频率测量，可同时直接测得双频He-Ne激光器两个正交偏振激光的绝对频率；

3、由于本发明采用保偏光纤系统进行激光传输，系统具有良好的抗干扰性， 可用于工业环境中的双频He-Ne激光器频率测量。

附图说明

附图是本发明装置的结构示意图。

图中实线为激光光路，虚线为电子线路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明结构原理和工作原理作进一步详细说明。

如附图所示，本发明一种双频He-Ne激光器频率测量装置，包括相互连接 的稳频激光系统1和双频激光频率测量系统2；所述稳频激光系统1包括依次连 接的可调谐激光器101、光隔离器102以及第一光纤准直器103，和所述第一光 纤准直器103通过保偏光纤104依次连接的保偏光纤耦合器105、第二光纤准直 器106、第一1/2波片107、第一偏振分光立方体108、第一偏振片111以及光 栅112，所述第一1/2波片107和第一偏振片111连接在第一偏振分光立方体108 的一中轴线上，第二1/2波片110通过保偏光纤104连接在第一偏振分光立方体 108的另一中轴线上，光频梳109通过保偏光纤104和第二1/2波片110相连接， 平面反射镜113的位置使光栅112反射的光束经过平面反射镜113反射后入射至 第一光电探测器114，所述第一光电探测器114依次和放大器115、鉴相器116、 控制器117电连接，所述控制器117的输出端和所述可调谐激光器101的电流 调制端口电连接，计算机119的信号输入端口分别与可调谐激光器101、波长计 120和控制器107的信号输出端口相电连接，铷钟118的输出端分别与所述光频 梳109和鉴相器116的输入端相电连接；该系统用于将可调谐激光器101的输 出激光频率锁定至光频梳109的任意梳齿，以实现可调谐激光器101输出激光 频率的稳定并溯源至铷钟118频率基准。

所述双频激光频率测量系统2包括和所述稳频激光系统1的保偏光纤耦合 器105通过保偏光纤104相连接的第三光纤准直器201，和所述第三光纤准直器 201通过保偏光纤104依次连接的第三1/2波片202，第二偏振分光立方体204、 第三偏振片207以及第三光电探测器208，所述第三1/2波片202和第三偏振片 207连接在第三光电探测器208的一中轴线上，双频He-Ne激光器203和第二偏 振片205通过保偏光纤104连接在第三光电探测器208的另一中轴线上，所述 第二偏振片205通过保偏光纤104和第二光电探测器206相连接，所述第二光 电探测器206和第三光电探测器208的输出端分别和频率计数器209的输入端 相电连接。该系统将已锁定的可调谐激光器101的输出激光与待测双频He-Ne 激光器203的输出激光拍频，同时测量两个正交偏振激光频率。

用于直接拍频测量双频He-Ne激光两个偏振态激光频率。

优选的，所述可调谐激光器101输出单一频率、单一线偏振方向激光，通 过改变其工作电流或电压可连续调谐其输出激光频率。

优选的，所述光频梳109的工作波长覆盖所述可调谐激光器101的所有频 率，且其重复频率和偏置频率锁定至微波频率基准信号。

本实施例中，可调谐激光器101为外腔可调谐半导体激光器，其中心波长 为632.99nm，频率可调谐范围为100GHz，自由运转激光线宽小于150kHz； 光频梳109的输出飞秒激光的中心波长为633nm，光谱宽度为3nm，脉冲重复 频率为250MHz，偏置频率为20MHz；铷钟输出信号为10MHz，1秒平均时间 内的相对稳定度为2.4×10^-12。将可调谐激光器101的输出激光频率锁定至光频 梳的某一梳齿后，其绝对频率可表示为

f＝N×f_r±f_o±f_b                 (1)

其中，f_o为飞秒激光偏置频率，f_r为飞秒激光重复频率，f_b为待锁定激光与相邻 梳齿拍频频率，N梳齿整数级次。利用波长计120对激光频率进行初测，选择光 频梳109的第1 894 449个梳齿锁定可调谐激光器101的输出激光频率，得到锁 定后的激光频率均值为473 612 190 000.0kHz，标准偏差为0.7kHz。考虑到第1 894 449个梳齿的频率不确定度，ECDL跟踪梳齿的频率不确定度和铷钟的频率 引入的B类不确定度，锁定激光绝对频率为473 612 190 000.0±2.7kHz。

本实施例中，双频He-Ne激光器203为商品双频He-Ne激光器，波长名义 值为632.991 37nm，1小时平均时间内的波长稳定度优于±2×10^-9。双频He-Ne 激光器203与锁定后的可调谐激光器101拍频，测得一路拍频均值为39.934 MHz，标准偏差为56kHz，极差为286kHz；另一路拍频均值为42.111MHz， 标准偏差为56kHz，极差为289kHz。最终计算得到，双频He-Ne激光器输出 的水平方向偏振激光频率的绝对频率均值为473 612 229 934kHz，对应波长均值 为632.991 377 866nm，竖直方向偏振激光频率绝对频率均值为473 612 232 111 kHz，对应波长均值为632.991 374 957nm。

本发明一种双频He-Ne激光器频率测量装置的测量方法为：所述可调谐激 光器101出射的激光经所述光隔离器102后由所述第一光纤准直器103进入所 述保偏光纤104，经所述保偏光纤耦合器105分成三路激光，第一路进入所述双 频激光频率测量系统2，第二路进入所述波长计120，第三路经所述第二光纤准 直器106出射为空间激光光束并经所述第一1/2波片107旋转偏振态后由所述第 一偏振分光立方体108透射，所述光频梳109输出的光束经所述第二1/2波片 110旋转偏振态后由所述第一偏振分光立方体108反射，经透射和反射后的两路 激光光束经所述第一偏振片111后入射至所述光栅112，由所述光栅112反射的 +1级光束经所述平面反射镜113反射后入射至所述第一光电探测器114并转化 为电信号；所述第一光电探测器114输出的电信号经所述放大器115后作为测 量信号输入至所述鉴相器116，所述铷钟118的输出信号分别输入至所述光频梳 109和所述鉴相器116作为参考信号，所述鉴相器116输出的信号电压与参考信 号和测量信号的相位差成线性关系，所述鉴相器116输出的信号输入至所述控 制器117经比例-积分控制后输出电压信号输入至所述可调谐激光器101的电流 调制端口；所述计算机119的信号输入端口分别与所述可调谐激光器101、所述 波长计120和所述控制器107的信号输出端口相连接，稳频激光系统1的所有 工作由计算机119中的软件进行操控；

经所述保偏光纤耦合器105分成的第一路激光进入所述双频激光频率测量 系统2的第三光纤准直器201，经第三光纤准直器201出射的激光经所述第三 1/2波片202偏振态旋转后输入至所述第二偏振分光立方体204，所述双频He-Ne 激光器203出射的激光入射至所述第二偏振分光立方体204，经所述偏振分光立 方体204分光后的一路光经所述第二偏振片205后入射至所述第二光电探测器 206转化为电信号，经所述偏振分光立方体204分光后的另一路光经所述第三偏 振片207后入射至所述第三光电探测器208转化为电信号，所述第二光电探测 器206和所述第三光电探测器208的输出的电信号分别输入至所述频率计数器 209。