基于激光管温度多点采集的高频率复现性激光稳频方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术提出了基于激光管温度多点采集的高频率复现性激光稳频方法与装置，所述激光稳频装置包括：稳频控制电路，所述稳频控制电路包括偏振分光镜、光功率转换电路、A/D转换电路、测温电路、微处理器、D/A转换器和加热薄膜驱动器，所述偏振分光镜设置在任一所述透光孔外，所述光功率转换电路设置在偏振分光镜的反射及折射光路上，所述光功率转换电路、A/D转换电路、微处理器、D/A转换器、加热薄膜驱动器和多组加热薄膜依次单向连接，所述温度传感器、测温电路和微处理器依次单向连接。本发明专利技术的方法可以使激光器的频率复现性从10

The method and device of high frequency repetitive laser frequency stabilization based on multi-point acquisition of laser tube temperature

【技术实现步骤摘要】
基于激光管温度多点采集的高频率复现性激光稳频方法与装置
本专利技术涉及基于激光管温度多点采集的高频率复现性激光稳频方法与装置，属于激光应用

技术介绍
在大规模集成电路、精密机床、航空航天装备等高端制造业中，要求相关工件台的定位精度达到纳米级别。目前能够达到纳米级精度的测量技术有激光干涉测量技术、电学传感测量技术等，其中激光干涉测量技术相对于其他纳米级测量技术具有高精度、非接触、量程大等特点，已成为超精密测量领域中的主要测量技术手段。激光干涉测量系统主要由激光器、相关干涉光路以及信号处理板卡等组成，激光器作为整个干涉测量系统的核心，其输出激光的频率稳定特性决定了整个激光干涉系统的测量精度上限，其中频率稳定特性包括频率稳定度和频率复现性两个方面的评价指标，国内外对于提高激光器频率稳定度的技术方法已经相对成熟，工业级激光器已经能够达到10-8以上的频率稳定度，但是对于频率复现性却少有提升手段，频率复现性也是制约激光器的重要指标，即使对于同一台激光器在两次开启时，其输出频率也会发生变化，这会给整个激光干涉测量系统带来参考波长不一致，测量精度下降等问题。因此提高频率复现性是激光应用
迫切需要解决的问题。按照腔长调节的执行方法不同，激光稳频方法可以分为水冷稳频法、风冷稳频法、压电陶瓷驱动稳频法、以电热器件等为驱动的热稳频法。其中热稳频法是双频激光器的主要稳频方法，该方法以电热器件为执行器对激光管加热，以双纵模光功率差零点作为稳频控制点，通过相应的控制算法调节电热器件的功率使谐振腔的腔长发生变化，最终使激光器进入稳频。在整个稳频过程中，存在三个主要的环节影响激光器的频率复现性。一方面是温度测量环节带来的问题，由于激光管的工艺原因，尤其国产激光管玻璃外壳存在厚度不均匀的问题，整个激光管的温度传导是各向异性的，如果采用整体式无差别加热，激光管的内部温度场是不均匀的，在热胀冷缩的作用下，会导致激光管表面热涨位移不同，进而导致激光管轴向及径向的弯曲，使输出频率及功率产生漂移，而且无法通过控制电热器件的功率来进行补偿。另一方面，现今热稳频激光器采用单点温度测量来代表激光管的整体实际温度，不能体现整体激光管的温度分布，例如：专利基于热稳频和声光移频的双纵模激光器互锁方法和装置(中国专利CN201410308324.1)，该方法导致在稳频控制过程中无法正确判断激光管温度及腔长变化，造成稳频控制误差，尤其在两次激光开关机间隔时间较短时，激光管内部热量无法充分散发，温度梯度明显，单点温度测量会引入更大的测量误差，根据实际实验测量得知，对于普通玻璃的激光管，当稳频温度每变化0.1℃，频率变化0.2～0.6MHz，相对频率漂移约为10-9，这将严重影响稳频精度和频率复现性。针对上述两个问题，一些研究学者进行了相应的研究。为了减小温度测量方式对激光器频率复现性带来的影响，安捷伦厂商的HP5517将加热丝嵌入到激光管中，一方面利用加热丝加热激光管控制腔长，另一方面根据加热丝自身的电阻温度系数，当激光管的温度发生变化时，加热丝的电阻变化导致其两端的电压发生变化，测温电路通过该电压变化来表征激光管内部的温度。由于加热丝是嵌入到激光管的内部，这种方式不仅加热效率高，而且测温方式简单。但是受到国内加工工艺的限制，该种内嵌加热丝的激光管很难批量化生产。国内哈尔滨工业大学提出了一种基于热电致冷器的双纵模激光器稳频方法(中国专利CN100382398：基于热电致冷器的双纵模激光器稳频方法与装置)。该方法利用对TEC加反向电流发热的特性对激光管进行预热，再通过控制TEC电流的大小与方向控制激光管的温度使双频激光器的两个纵模的光功率差为零，最终进入稳频状态。该种方法可以减小激光器的预热时间，受外界环境的温度影响小，可以有效改善由于环境影响带来的激光器频率复现性的问题，但是该种方式的热结构存在缺陷，由于材料限制，热电致冷器不具备柔性，不能覆盖整个激光管的表面，热电致冷器与激光管之间的热传递不可靠，管内受热不均匀，影响了激光器的频率稳定性。除了热传递和测温方式带来的激光器频率复现性问题，稳频控制的算法也影响着激光器的稳频效果，常用的激光器主要采用的是光功率平衡法，该方法以两个纵模的光功率差是否等于零为频率稳定的判别条件，一般情况下，控制两纵模光功率差为零时，认为激光器进入稳频状态，但是实际稳频过程中，由于光路不对称，噪声干扰以及激光管老化等原因，会发生两纵模的光功率同时增大或同时减小的情况，此时光功率差仍为零，但激光器的总功率及腔长已发生了变化，频率发生了漂移，因此光功率平衡法作为间接反馈量无法完全避免此情况的发生，限制了频率稳定度及频率复现性的进一步提高。综上所述，激光器频率复现性低存在上述两方面的原因。首先稳频时的温度点不同，导致最终的稳频工作点发生漂移，国外激光器中的激光管可以内嵌加热丝，但是由于工艺以及材料的成本问题，该种方式很难实现。另一个方面，稳频算法也会影响激光器的频率复现性，现有的光功率平衡法以双纵模光功率差为参考，不能直接反映频率变化，仍存在频率工作点漂移的问题。因此目前的激光稳频技术很难在高频率稳定度情况下提高激光器的频率复现性。
技术实现思路
本专利技术提出基于激光管温度多点采集的高频率复现性激光稳频方法与装置，目的是针对现有激光器频率复现性低的问题，基于热稳频方法的激光器提供一种新型的加热测温方法，为新一代超精密加工测量的工业现场提供一种高频率稳定度高频率复现性的激光光源。基于激光管温度多点采集的高频率复现性激光稳频装置，包括：双纵模激光器电源、激光管、内导热胶层、多组加热薄膜、温度传感器、外导热胶层和隔热层，在所述多组加热薄膜内部分别嵌入所述温度传感器，并通过所述内导热胶层粘贴在所述激光管的外壁上，在所述多组加热薄膜的外部依次紧贴设置所述外导热胶层和隔热层，所述双纵模激光器电源的正负极分别连接在所述激光管的两端，所述隔热层靠近所述激光管的两端处各设置有一透光孔，所述双纵模激光器电源的正负极分别连接在所述激光管的两端，所述激光稳频装置还包括：稳频控制电路，所述稳频控制电路包括偏振分光镜、光功率转换电路、A/D转换电路、测温电路、微处理器、D/A转换器和加热薄膜驱动器，所述偏振分光镜设置在任一所述透光孔外，所述光功率转换电路设置在偏振分光镜的反射及折射光路上，所述光功率转换电路、A/D转换电路、微处理器、D/A转换器、加热薄膜驱动器和多组加热薄膜依次单向连接，所述温度传感器、测温电路和微处理器依次单向连接。所述双纵模激光器电源，用于为所述激光管提供电能；所述激光管，用于向所述偏振分光镜输出激光；所述内导热胶层和外导热胶层，用于传导热量；所述多组加热薄膜，用于接收并根据所述加热薄膜驱动器的驱动信号对所述激光管进行温度控制；所述温度传感器，用于采集所述激光管的温度，并以电信号的形式传输给所述测温电路；所述外导热胶层，用于将所述多组加热薄膜的热量向外导出；所述隔热层，用于阻绝所述隔热层内部的热量耗散；所述偏振分光镜，用于反射及折射所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于激光管温度多点采集的高频率复现性激光稳频装置，包括：双纵模激光器电源(1)、激光管(2)、内导热胶层(3)、多组加热薄膜(4)、温度传感器(5)、外导热胶层(6)和隔热层(7)，在所述多组加热薄膜(4)内部分别嵌入所述温度传感器(5)，并通过所述内导热胶层(3)粘贴在所述激光管(2)的外壁上，在所述多组加热薄膜(4)的外部依次紧贴设置所述外导热胶层(6)和隔热层(7)，所述双纵模激光器电源(1)的正负极分别连接在所述激光管(2)的两端，所述隔热层(7)靠近所述激光管(2)的两端处各设置有一透光孔，所述双纵模激光器电源(1)的正负极分别连接在所述激光管(2)的两端，其特征在于，所述激光稳频装置还包括：稳频控制电路，所述稳频控制电路包括偏振分光镜(8)、光功率转换电路(9)、A/D转换电路(10)、测温电路(11)、微处理器(12)、D/A转换器(13)和加热薄膜驱动器(14)，所述偏振分光镜(8)设置在任一所述透光孔外，所述光功率转换电路(9)设置在偏振分光镜(8)的反射及折射光路上，所述光功率转换电路(9)、A/D转换电路(10)、微处理器(12)、D/A转换器(13)、加热薄膜驱动器(14)和多组加热薄膜(4)依次单向连接，所述温度传感器(5)、测温电路(11)和微处理器(12)依次单向连接。/n所述双纵模激光器电源(1)，用于为所述激光管(2)提供电能；/n所述激光管(2)，用于向所述偏振分光镜(8)输出激光；/n所述内导热胶层(3)和外导热胶层(6)，用于传导热量；/n所述多组加热薄膜(4)，用于接收并根据所述加热薄膜驱动器(14)的驱动信号对所述激光管(2)进行温度控制；/n所述温度传感器(5)，用于采集所述激光管(2)的温度，并以电信号的形式传输给所述测温电路(11)；/n所述外导热胶层(6)，用于将所述多组加热薄膜(4)的热量向外导出；/n所述隔热层(7)，用于阻绝所述隔热层(7)内部的热量耗散；/n所述偏振分光镜(8)，用于反射及折射所述激光管(2)发出的激光至所述光功率转换电路(9)的光电转换器件上；/n所述光功率转换电路(9)，用于将所述激光转换为光模拟信号并输出至所述A/D转换电路(10)；/n所述A/D转换电路(10)，用于将所述光模拟信号转换为光数字信号并输出至所述微处理器(12)；/n所述测温电路(11)，用于获取所述温度传感器(5)的温度模拟信号，将所述温度模拟信号转换为温度数字信号后传输至所述微处理器(12)；/n所述微处理器(12)，用于处理所述光数字信号和温度数字信号，并输出温控数字信号至所述D/A转换器(13)；/n所述D/A转换器(13)，用于将所述温控数字信号转换为温控模拟信号并输出至所述加热薄膜驱动器(14)；/n所述加热薄膜驱动器(14)，用于根据所述温控模拟信号输出相应的驱动信号至所述多组加热薄膜(4)。/n...

【技术特征摘要】
1.基于激光管温度多点采集的高频率复现性激光稳频装置，包括：双纵模激光器电源(1)、激光管(2)、内导热胶层(3)、多组加热薄膜(4)、温度传感器(5)、外导热胶层(6)和隔热层(7)，在所述多组加热薄膜(4)内部分别嵌入所述温度传感器(5)，并通过所述内导热胶层(3)粘贴在所述激光管(2)的外壁上，在所述多组加热薄膜(4)的外部依次紧贴设置所述外导热胶层(6)和隔热层(7)，所述双纵模激光器电源(1)的正负极分别连接在所述激光管(2)的两端，所述隔热层(7)靠近所述激光管(2)的两端处各设置有一透光孔，所述双纵模激光器电源(1)的正负极分别连接在所述激光管(2)的两端，其特征在于，所述激光稳频装置还包括：稳频控制电路，所述稳频控制电路包括偏振分光镜(8)、光功率转换电路(9)、A/D转换电路(10)、测温电路(11)、微处理器(12)、D/A转换器(13)和加热薄膜驱动器(14)，所述偏振分光镜(8)设置在任一所述透光孔外，所述光功率转换电路(9)设置在偏振分光镜(8)的反射及折射光路上，所述光功率转换电路(9)、A/D转换电路(10)、微处理器(12)、D/A转换器(13)、加热薄膜驱动器(14)和多组加热薄膜(4)依次单向连接，所述温度传感器(5)、测温电路(11)和微处理器(12)依次单向连接。
所述双纵模激光器电源(1)，用于为所述激光管(2)提供电能；
所述激光管(2)，用于向所述偏振分光镜(8)输出激光；
所述内导热胶层(3)和外导热胶层(6)，用于传导热量；
所述多组加热薄膜(4)，用于接收并根据所述加热薄膜驱动器(14)的驱动信号对所述激光管(2)进行温度控制；
所述温度传感器(5)，用于采集所述激光管(2)的温度，并以电信号的形式传输给所述测温电路(11)；
所述外导热胶层(6)，用于将所述多组加热薄膜(4)的热量向外导出；
所述隔热层(7)，用于阻绝所述隔热层(7)内部的热量耗散；
所述偏振分光镜(8)，用于反射及折射所述激光管(2)发出的激光至所述光功率转换电路(9)的光电转换器件上；
所述光功率转换电路(9)，用于将所述激光转换为光模拟信号并输出至所述A/D转换电路(10)；
所述A/D转换电路(10)，用于将所述光模拟信号转换为光数字信号并输出至所述微处理器(12)；
所述测温电路(11)，用于获取所述温度传感器(5)的温度模拟信号，将所述温度模拟信号转换为温度数字信号后传输至所述微处理器(12)；
所述微处理器(12)，用于处理所述光数字信号和温度数字信号，并输出温控数字信号至所述D/A转换器(13)；
所述D/A转换器(13)，用于将所述温控数字信号转换为温控模拟信号并输出至所述加热薄膜驱动器(14)；
所述加热薄膜驱动器(14)，用于根据所述温控模拟信号输出相应的驱动信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨宏兴，邹运，殷子淇，李婧，胡鹏程，谭久彬，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23