基于温度自感知柔性薄膜加热器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温度自感知柔性薄膜加热器的激光稳频方法与装置，所述双纵模激光器电源的正负极分别连接所述激光管的两端，所述激光管嵌套在所述导热壳体配在所述热隔离层中，所述散热层靠近所述激光管两端的位置上各开有一透光孔，所述偏振分光镜设置在其中一个所述透光孔外，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，所述柔性薄膜、测温电路和A/D转换电路依次单向连接，所述温度传感器粘接在所述散热层外壁上，所述温度传感器与所述微处理器单向连接。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 based on temperature self sensing flexible film heater

【技术实现步骤摘要】
基于温度自感知柔性薄膜加热器的激光稳频方法与装置
本专利技术涉及基于温度自感知柔性薄膜加热器的激光稳频方法与装置，属于激光应用

技术介绍
随着科技的进步，超精密和微电子制造成为科技竞争的具体表现之一，并影响着国防应用和国民经济等各个领域，作为超精密和微电子制造的先决条件，超精密测量技术也必须向着高精度、大尺寸方向发展，在实现超精密测量的方法中，激光干涉测量方法具有测量精度高、动态测量速度高、外界环境影响小等优点，在测长以及测振等方面有重要应用，作为超精密激光干涉测量技术的核心问题，激光频率特性决定了干涉测量系统所能达到的极限精度，频率的稳定特性包括频率稳定度和频率复现性两个方面，国内外的相关研究采用各种方法对激光器实施主动稳频，其中对于提高激光器的频率稳定度的技术和方法已经相对成熟，国内商用级的激光器的频率稳定度能够达到10-8以上，但是对于频率复现性少有提升手段，当一台激光器分时分地上电后，其最终的频率工作点变化，激光干涉测量系统的参考波长发生变化，导致整个系统的测量精度下降。因此提高频率复现性来提高激光器的频率稳定特性是激光应用
迫切需要解决的问题。在众多激光稳频方法中，热稳频法是双频激光器的主要稳频方法，该方法是在激光器上电后，通过相应的热执行器对激光管进行预热，在预热完成后，控制器以光功率作为稳频判别的参考，通过相应的控制算法调节电热驱动器的功率使谐振腔的腔长发生变化，最终使激光器进入稳频控制阶段。实际实验表明，对于普通玻璃材料的激光管，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，激光器的频率复现性与最终稳频时的温度点有直接关系，因此对于热稳频激光器，腔长调节的执行方式、稳频算法以及执行器与激光管之间的传热结构均会影响激光器的频率复现性，一些学者围绕这三方面问题进行了研究。第一方面是腔长调节的执行方法不同，激光器的稳频方法可以分为水冷稳频法、风冷稳频法、以及热驱动稳频法等。例如Umeda等利用风冷效应调节横向塞曼激光器谐振腔长，获得了10-10的短期频率稳定度。这种腔长调节方式在Teletrac公司的稳频激光器产品中曾得到应用。然而，受环境空气湿度、温度变化的影响，稳频模型参数变化较大，使采用风冷效应调节谐振腔长的稳频激光器对工业现场环境因素适应力较低，不能有效地实现高精度稳频。一些公司也研发了水冷型的激光器，由于水冷型激光器能给激光管提供一个密闭的热环境，因此外界环境对激光器的影响较小，但是该种方式的机械结构设计难度较大，并且成本较高，不适于量产。为了改善激光器的腔长调节方法，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。国内的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，影响了激光器的频率稳定性。除此之外，激光器的传热结构也影响激光器的稳频效果，由于激光管的工艺原因，激光管的外壳是不均匀的，因此整个激光管是各向异性的，实际预热时激光管的内部温度场是不均匀的，常见的稳频方式中单点温度测量不能完全代表激光管的整体实际温度，除此之外如果激光器散热不充分，激光管的温度高于环境温度，会导致激光器再次上电时达到的稳频温度高于初始的环境温度；或者环境温度变化，初始温度与上一次的初始温度不一致，将导致激光器再上电时达到稳频时的温度点与之前的稳频温度点存在差异，因此温度测量环节造成每次激光器稳频时稳频温度点不一致，从而使激光器的频率复现性受到影响。为了改善上述传热方式，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，该公司在温度测量方面选用的是单点或两点测量，这时得到的温度值并不能反应激光管的整体温度。实际的稳频算法也影响激光器的稳频效果，双频激光器主要采用光功率平衡法，该方法以两个纵模的光功率差的大小为稳频控制参考变量，一般情况下，控制两纵模光功率差为零时，此时认为激光器进入稳频状态，但是实际上，光功率差并不能直接反映激光管内部的光频，因此激光器最终进入稳频状态时，两路纵模的光频存在同时漂移的问题，除此之外，在调节激光管的外加光路时，做不到两个纵模的光路完全一致，两纵模的光功率差不能控制绝对为零，此时激光器的稳频控制点偏离稳频的参考基准点，出现稳频控制频移的现象。综上所述，腔长调节的执行方法、传热结构以及稳频算法均影响实际激光器的最终稳频效果。激光管腔长调节方面，国外的激光器虽然可以激光管内嵌加热丝，但是由于工艺以及材料的成本问题，该种方式很难实现；传热结构方面，由于激光管外壳的不均匀性导致激光管内的温度不均匀；算法方面，目前采用的光功率平衡法不能解决最终稳频温度点漂移的问题。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温度自感知柔性薄膜加热器的激光稳频方法与装置，目的是针对现有激光器频率复现性不足的情况，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。基于温度自感知柔性薄膜加热器的激光稳频装置，包括双纵模激光器电源和激光管，所述双纵模激光器电源的正负极分别连接所述激光管的两端，所述激光稳频装置还包括导热壳体、导热胶层、柔性薄膜、热隔离板、散热层和激光稳频电路，所述激光稳频电路包括温度传感器、偏振分光镜、光功率转换电路、测温电路、A/D转换电路、柔性薄膜驱动电路、D/A转换器和微处理器，所述激光管嵌套在所述导热壳体配在所述热隔离层中，所述散热层靠近所述激光管两端的位置上各开有一透光孔，所述偏振分光镜设置在其中一个所述透光孔外，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、柔性薄膜驱动电路和柔性薄膜依次连接，所述柔性薄膜、测温电路和A/D转换电路依次单向连接，所述温度传感器粘接在所述散热层外壁上，所述温度传感器与所述微处理器单向连接。进一步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于温度自感知柔性薄膜加热器的激光稳频装置，包括双纵模激光器电源(1)和激光管(2)，所述双纵模激光器电源(1)的正负极分别连接所述激光管(2)的两端，其特征在于，所述激光稳频装置还包括导热壳体(3)、导热胶层(4)、柔性薄膜(5)、热隔离板(6)、散热层(7)和激光稳频电路，所述激光稳频电路包括温度传感器(8)、偏振分光镜(9)、光功率转换电路(10)、测温电路(11)、A/D转换电路(12)、柔性薄膜驱动电路(13)、D/A转换器(14)和微处理器(15)，所述激光管(2)嵌套在所述导热壳体(3)内，所述导热壳体(3)、导热胶层(4)、柔性薄膜(5)和热隔离板(6)由内至外依次粘接，所述热隔离板(6)装配在所述热隔离层(7)中，所述散热层(7)靠近所述激光管(2)两端的位置上各开有一透光孔，所述偏振分光镜(9)设置在其中一个所述透光孔外，所述光功率转换电路(10)设置在偏振分光镜(9)的反射及折射光路上，所述光功率转换电路(10)、A/D转换电路(12)、微处理器(15)、D/A转换器(14)、柔性薄膜驱动电路(13)和柔性薄膜(5)依次连接，所述柔性薄膜(5)、测温电路(11)和A/D转换电路(12)依次单向连接，所述温度传感器(8)粘接在所述散热层(7)外壁上，所述温度传感器(8)与所述微处理器(15)单向连接。/n...

【技术特征摘要】
1.基于温度自感知柔性薄膜加热器的激光稳频装置，包括双纵模激光器电源(1)和激光管(2)，所述双纵模激光器电源(1)的正负极分别连接所述激光管(2)的两端，其特征在于，所述激光稳频装置还包括导热壳体(3)、导热胶层(4)、柔性薄膜(5)、热隔离板(6)、散热层(7)和激光稳频电路，所述激光稳频电路包括温度传感器(8)、偏振分光镜(9)、光功率转换电路(10)、测温电路(11)、A/D转换电路(12)、柔性薄膜驱动电路(13)、D/A转换器(14)和微处理器(15)，所述激光管(2)嵌套在所述导热壳体(3)内，所述导热壳体(3)、导热胶层(4)、柔性薄膜(5)和热隔离板(6)由内至外依次粘接，所述热隔离板(6)装配在所述热隔离层(7)中，所述散热层(7)靠近所述激光管(2)两端的位置上各开有一透光孔，所述偏振分光镜(9)设置在其中一个所述透光孔外，所述光功率转换电路(10)设置在偏振分光镜(9)的反射及折射光路上，所述光功率转换电路(10)、A/D转换电路(12)、微处理器(15)、D/A转换器(14)、柔性薄膜驱动电路(13)和柔性薄膜(5)依次连接，所述柔性薄膜(5)、测温电路(11)和A/D转换电路(12)依次单向连接，所述温度传感器(8)粘接在所述散热层(7)外壁上，所述温度传感器(8)与所述微处理器(15)单向连接。


2.根据权利要求1所述的基于温度自感知柔性薄膜加热器的激光稳频装置，其特征在于，
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(9)输出激光；
所述导热壳体(3)，用于将来自所述导热胶层(4)的热量传导至所述激光管(2)上；
所述导热胶层(4)，用于将来自所述柔性薄膜(5)的热量传导至所述导热壳体(3)上；
所述柔性薄膜(5)，用于接收并根据所述柔性薄膜驱动电路(13)的驱动信号对所述激光管(2)进行温度控制；
所述热隔离板(6)，用于阻绝热隔离板(6)内侧的热量耗散；
所述散热层(7)，用于与外界环境进行热交换，使所述激光管(2)与外界环境更快达到热平衡状态；
所述温度传感器(8)，用于采集所述环境温度，并以电信号的形式传输给所述微处理器(15)；
所述偏振分光镜(9)，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(10)的光电转换器件上；
所述光功率转换电路(10)，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(12)；
所述测温电路(11)，用于将所述柔性薄膜(5)的温度模拟信号，并将所述温度模拟信号传输至所述A/D转换电路(12)；
所述A/D转换电路(12)，用于将所述光模拟信号转换为光数字信号，将所述温度模拟信号转换为温度数字信号，并将所述光数字信号和温度数字信号传输至所述微处理器(13)；
所述柔性薄膜驱动电路(...

【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