基于激光管多点加热的高频率复现性的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多点加热的高频率复现性的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

Laser frequency stabilization method and device with high frequency reproducibility based on multi-point heating of laser tube

【技术实现步骤摘要】
基于激光管多点加热的高频率复现性的激光稳频方法与装置
本专利技术涉及基于激光管多点加热的高频率复现性的激光稳频方法与装置，属于激光应用

技术介绍
在测量
中，激光干涉测量是实现超精密测控以及微纳尺度测量的最有效的手段之一，该种测量方式利用光的干涉实现测量，由于具有非接触、无损检测等特点，已经在各个领域得到重要应用，尤其针对光刻机等苛刻测量环境中实现多自由度干涉测量的要求。其中激光光源作为整个激光干涉测量系统的核心组件，其波长作为整个测量系统几何量的量值基准，激光器的频率稳定特性决定了整个激光干涉测量的精度上限，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，作为激光器光源光源质量的一项重要指标，频率复现性影响了激光器每次激光器的最终频率工作点，这会给整个激光干涉测量系统带来参考波长不一致，测量复现性低的问题，国内的商品级热稳频激光器能达到10-8以上的频率稳频度，但是频率复现性很难突破10-8，因此提高激光器的频率复现性是激光应用
迫切需要解决的问题。在主动稳频方法中，热稳频方法是双频激光器常见的稳频方法，该方法利用热执行机构对激光管内的温度进行控制，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热执行机构的驱动功率改变激光管内的温度，进而改变激光管腔长，最终实现了激光器的主动稳频。在上述稳频过程中，热执行器对激光管的精准的温度控制是整个稳频过程的核心问题，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。英国Renishaw公司首先提出了基于电热丝的热稳频双纵模激光器方法(国际专利WO8801798：Pre-heatControlSystemforaLaser；国际专利WO8801799：FrequencyStabilizedLaserandControlSystemTherefor)，该方法通过相应的稳频控制算法，改变缠绕在激光管外壁上电热丝的工作电流，调整激光管的温度和腔长，从而稳定激光管输出激光的频率，但是该种方式的热传递不可靠，并且易受环境温度影响。为了避免环境温度带来的干扰，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，加热丝的电阻温度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。为了改善热执行器与激光管之间的热传递，Niebauer利用加热薄膜作为热执行器来调节激光管的腔长，与其他加热器相比，加热薄膜的柔性弯曲度小于2mm，可以紧密的贴合在激光管的外部，因此它的热传递可靠，适用于调节激光管的温度。国外的Zygo公司的稳频激光器的热执行器就是采用这种方案，但是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，国内方面，陈正超、李华锋等(陈正超,李华丰,朱国勤.双纵模He-Ne激光器的热稳频技术研究[J].计测技术,2014,34(01):31-34.)设计出一种利用加热丝控温的双纵模稳频系统，该电路的加热丝驱动采用的是PWM驱动电路，驱动电压的误差约为20mV，虽然该电路的光电检测部分光功率分辨率足够高，但是驱动电压的误差较大，影响了加热丝的温控精度。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，热电制冷器只安装在激光管的一侧，激光管的轴向以及纵向均存在温度梯度，激光管内受热不均匀，影响了激光器频率稳定性。综上所述，激光管内的温度控制是激光稳频的核心问题，综合国内外的热稳频激光器进行分析，现有的激光器存在热接触不牢靠，激光管受热不均匀等问题，导致热执行器对激光管的控温精度下降，降低了激光器的频率复现性，因此目前的激光稳频技术很难在高频率稳定度的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多点加热的高频率复现性的激光稳频方法与装置，目的是针对现有的激光器频率复现性不足的问题，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。基于激光管多点加热的高频率复现性的激光稳频装置，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。进一步的，所述多组加热薄膜为以良好热均匀性材料为基底的加热薄膜。进一步的，所述多组加热薄膜不少于三组。进一步的，所述温度传感器的温度测量精度为0.005℃。基于激光管多点加热的高频率复现性的激光稳频方法，应用于上述的基于激光管多点加热的高频率复现性的激光稳频装置，所述激光稳频方法包括以下步骤：步骤一、开启双纵模激光器电源，在激光管预热之前利用多组加热薄膜内嵌的温度传感器和测温电路对激光管的温度进行采集，记为T1，...，TN，对这组数据进行处理，取其特征温度为Ttube，将所述特征温度作为该环境状态下激光管的初始温度；步骤二、对激光管自然预热，激光管内的光功率发生周期性变化，其中，从一个光功率到下一相同光功率的过程为一个模式，一段时间内利用多组加热薄膜中的温度传感器测量激光管的整体温度变化ΔT以及该段时间所对应的激光器光功率变化模式的数量ΔN，利用计算激光管单个模式所对应的温度变化系数α；步骤三、再次对激光器上电，重新采集多组温度传感器所对应的初始温度值T0’，T1’，...，TN’，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于激光管多点加热的高频率复现性的激光稳频装置，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...

【技术特征摘要】
1.基于激光管多点加热的高频率复现性的激光稳频装置，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。


2.根据权利要求1所述的基于激光管多点加热的高频率复现性的激光稳频装置，其特征在于，所述多组加热薄膜(4)为以良好热均匀性材料为基底的加热薄膜。


3.根据权利要求2所述的基于激光管多点加热的高频率复现性的激光稳频装置，其特征在于，所述多组加热薄膜(4)不少于三组。


4.根据权利要求1所述的基于激光管温度多点采集的高频率复现性激光稳频装置，其特征在于，所述温度传感器(5)的温度测量精度为0.005℃。


5.基于激光管多点加热的高频率复现性的激光稳频方法，应用于权利要求1-4任一项所述的基于激光管多点加热的高频率复现性的激光稳频装置，其特征在于，所述激光稳频方法包括以下步骤：

【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