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，本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于激光应用
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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νr，此输出光由光纤分束器分离成n≥1路，记为光束Xi,i＝1,2,…,n，分别作为横向塞曼激光器Li,i＝1,2,…,n频率锁定的参考光束；(2)开启横向塞曼激光器Li,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Pi1,i＝1,2,…,n和Pi2,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ΔPi＝Pi1–Pi2,i＝1,2,…,n，并根据ΔPi,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ΔPi＝0,i＝1,2,…,n，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Ti,i＝1,2,…,n，所述光束Ti,i＝1,2,…,n频率记为νi,i＝1,2,…,n，光束Ti,i＝1,2,…,n分别进入工作频率为fi,i＝1,2,…,n的声光移频器Si,i＝1,2,…,n进行移频，声光移频器Si,i＝1,2,…,n对应的输出激光的频率记为νi+fi,i＝1,2,…,n，所述声光移频器Si,i＝1,2,…,n输出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输出光束Zi,i＝1,2,…,n，作为横向塞曼激光器Li,i＝1,2,…,n的输出激光，强度相对较小的部分光记为光束Yi,i＝1,2,…,n；(5)将光束Xi,i＝1,2,…,n分别与光束Yi,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Δνi＝νi+fi–νr,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Δνi,i＝1,2,…,n，计算得出光束Xi,i＝1,2,…,n和Yi,i＝1,2,…,n的频率差值νr–νi＝fi–Δνi,i＝1,2,…,n，并将声光移频器Si,i＝1,2,…,n的工作频率fi,i＝1,2,…,n调整为νr–νi,i＝1,2,…,n，从而使横向塞曼激光器Li,i＝1,2,…,n输出光束Zi,i＝1,2,…,n的频率等于参考光束Xi,i＝1,2,…,n的频率，即νi+fi＝νr,i＝1,2,…,n；(6)循环重复步骤(4)到(5)，通过调整声光移频器Si,i＝1,2,…,n的工作频率fi,i＝1,2,…,n，使横向塞曼激光器Li,i＝1,2,…,n的输出光束Zi,i＝1,2,…,n的频率始终锁定于同一频率值νr。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(1)、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A(4)、光纤分束器(5)，激光器电源A(1)和稳频状态指示灯(2)均与参考横向塞曼稳频激光器(3)连接，偏振分光镜A(4)放置在参考横向塞曼稳频激光器(3)输出端和光纤分束器(5)输入端之间，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Li,i＝1,2,…,n，其中每一个横向塞曼激光器Li,i＝1,2,…,n的装配结构是：激光器电源B(15)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，所述环形压电陶瓷(12)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，所述激光管温度传感器(11)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，所述渥拉斯顿棱镜(8)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B(16)放置在激光管(6)主输出本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于压电效应和声光移频的横向塞曼激光锁频方法，其特征在于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νr，此输出光由光纤分束器分离成n≥1路，记为光束Xi(i=1,2,…,n)，分别作为横向塞曼激光器Li(i=1,2,…,n)频率锁定的参考光束；（2）开启双纵模激光器Li(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Pi1(i=1,2,…,n)和Pi2(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ΔPi=Pi1–Pi2(i=1,2,…,n)，并根据ΔPi(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ΔPi(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Ti(i=1,2,…,n)，其频率记为νi(i=1,2,…,n)，光束Ti(i=1,2,…,n)分别进入驱动频率为fi(i=1,2,…,n)的声光移频器Si(i=1,2,…,n)进行移频，其对应的输出激光的频率记为νi+ fi(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Zi(i=1,2,…,n)，作为横向塞曼激光器Li(i=1,2,…,n)的输出激光，强度相对较小的部分光记为光束Yi(i=1,2,…,n)；（5）将光束Xi(i=1,2,…,n)分别与光束Yi(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Δνi=νi+fi–νr(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Δνi(i=1,2,…,n)，计算得出光束Xi(i=1,2,…,n)和Yi(i=1,2,…,n)的频率差值νr–νi=fi–Δνi(i=1,2,…,n)，并将声光移频器Si(i=1,2,…,n)的驱动频率fi(i=1,2,…,n)调整为νr–νi(i=1,2,…,n)，从而使横向塞曼激光器Li(i=1,2,…,n)输出光束Zi(i=1,2,…,n)的频率等于参考光束Xi(i=1,2,…,n)的频率，即νi+ fi = νr(i=1,2,…,n)；（6）循环重复步骤（4）到（5），通过调整声光移频器Si(i=1,2,…,n)的工作频率fi(i=1,2,…,n)，使横向塞曼激光器Li(i=1,2,…,n)的输出激光Zi(i=1,2,…,n)的频率始终锁定于同一频率值νr。...
【技术特征摘要】
1.一种基于压电效应和声光移频的横向塞曼激光锁频方法，其特征在于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νr，此输出光由光纤分束器分离成n≥1路，记为光束Xi,i＝1,2,…,n，分别作为横向塞曼激光器Li,i＝1,2,…,n频率锁定的参考光束；(2)开启横向塞曼激光器Li,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Pi1,i＝1,2,…,n和Pi2,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ΔPi＝Pi1–Pi2,i＝1,2,…,n，并根据ΔPi,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ΔPi＝0,i＝1,2,…,n，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Ti,i＝1,2,…,n，所述光束Ti,i＝1,2,…,n频率记为νi,i＝1,2,…,n，光束Ti,i＝1,2,…,n分别进入工作频率为fi,i＝1,2,…,n的声光移频器Si,i＝1,2,…,n进行移频，声光移频器Si,i＝1,2,…,n对应的输出激光的频率记为νi+fi,i＝1,2,…,n，所述声光移频器Si,i＝1,2,…,n输出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输出光束Zi,i＝1,2,…,n，作为横向塞曼激光器Li,i＝1,2,…,n的输出激光，强度相对较小的部分光记为光束Yi,i＝1,2,…,n；(5)将光束Xi,i＝1,2,…,n分别与光束Yi,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Δνi＝νi+fi–νr,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Δνi,i＝1,2,…,n，计算得出光束Xi,i＝1,2,…...
【专利技术属性】
技术研发人员：谭久彬，付海金，胡鹏程，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
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