基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰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基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频方法与装置。涉及激光干涉测量领域。本发明专利技术针对宽温域环境下的激光器稳频问题，提出并结合分区间预热方法与非平衡功率锁定稳频方法，通过环境温度分区间划分，使激光器在所设定的温度范围内稳频至单温度点，利用非平衡功率锁定方案，通过实验建立激光频率模型以修正稳频基准点，补偿激光频率随温度的漂移。本发明专利技术方法及装置的有效工作环境温度范围达到

【技术实现步骤摘要】
基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频方法与装置


[0001]本专利技术属于激光应用
，特别是涉及基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频方法与装置。

技术介绍

[0002]随着高端精密制造技术的发展，超精密测量技术对测量精度、测量速度与测量环境提出了更高的要求，发展方向趋于高效性、大尺度、高精度等等。目前，激光干涉测量技术已成为超精密研究中的关键核心技术，而激光波长是干涉测量的基准，将直接影响测量的结果，因此如何提高波长的精度是需要解决的问题。当面向宽温域条件，激光波长的稳频技术具有更大的挑战性，这严重限制了激光干涉仪的测量环境，且不便于现场的测量实验。为了提高激光管干涉仪的抗干扰性能，必须进一步对宽温域条件下激光稳频技术展开研究。
[0003]激光稳频技术主要包括兰姆凹陷激光稳频技术、饱和吸收激光稳频技术、双纵模激光稳频技术等。所谓兰姆凹陷稳频技术，是利用“兰姆凹陷”功率特性进行激光稳频控制，即非均匀加宽气体激光器的输出功率在增益曲线中心频率处会出现功率下降的现象，从而出现一个功率极小值形成功率曲线的凹陷，当激光频率偏离中心频率时，激光器的输出功率会逐渐增加，从而实现激光频率的稳定。然而，兰姆凹陷稳频技术无法直接应用于激光干涉测量系统中。对于饱和吸收激光稳频技术，以应用广泛的碘分子吸收激光稳频方法为例，其目前的应用主要针对计量标准机构中，虽然稳频准确度高达10
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，但是内部压电陶瓷器件对振动敏感，受限于隔振且温控的实验环境下。对于宽温域条件下，碘稳频激光器亦无法应用于激光干涉装置当中。
[0004]双纵模稳频技术目前应用广泛，其利用根据激光腔长的变化，两个纵模分量的频率与功率进行相应变化的功率特性，以功率差为零的基准点进行稳频控制。1972年，学者R.Balhorn与H.Kunzman首次提出基于放电电流控制的双纵模激光稳频方案(Balhorn R,Kunzmann H,Lebowsky F.Frequency stabilization ofinternal
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mirror helium
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neon lasers.Appl Opt.1972Apr 1；11(4):742
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4.)，通过放电电流的大小调节激光管内增益气体的稳定，进而实现稳频控制。然而该方法对增益曲线中心频率影响很大，且稳频准确度仅达到10
‑7。2009年，哈尔滨工业大学学者提出基于热电制冷器的双纵模激光器复合稳频方法与装置(中国专利：CN101615757B)，该方法利用热电制冷器作为激光管温度控制的执行器件，通过控制热电制冷器电流的大小与方向调节激光管温度，并以激光器双纵模功率之差作为反馈信号，进而实现稳频。然而，该方法由于TEC的结构限制，只能安装于激光管的单侧，这影响到二者的热传递性能，这将导致激光器在宽温域条件下的抗干扰性能严重受限，激光器频率稳定性无法得到保证。
[0005]双纵模激光器热稳频方法作为另一种稳频方法，通过调节附着在激光管表面的加热薄膜驱动电压从而控制加热量，进而实现调节激光管的温度与稳频控制的目的。1985年，学者Katuo Seta初次提出利用薄膜加热器的热调制稳频的方法，并提高激光管短期的频率
稳定性。基于激光热稳频方法，哈尔滨工业大学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(中国专利CN111092362B：基于温度自感知柔性薄膜加热器的激光稳频方法与装置)实现了6
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‑9的高频率复现性，可高效采集实时温度数据并有效地克服了热迟滞效应。然而，该种方法的有效工作温度仅局限于室温小范围温度，无法解决宽温域中温度大幅变化导致激光频率的温漂问题。
[0006]除此之外，风冷稳频法与水冷稳频法亦可用于激光腔长的调节。国内GD公司研发的MOPA脉冲光纤激光器，是一种脉宽可调的高功率光纤激光器，其利用风冷稳频方式。但由于风冷调节方式的激光器在宽温域条件中抗干扰性能较差，难以实现长期高频率稳定度。对于水冷稳频方式，该技术具有散热功率大，振动特性小，热污染小等综合优势，国外ZYGO公司研发的水冷散热型稳频激光器ZYGO7714具有高稳频性能，但其水冷结构复杂，整体系统设计成本较大，对于宽温域条件下保持水温恒定于温度20～25℃以及流速可控的需求难以实现。
[0007]在软件方面，稳频算法也是稳频过程的关键部分。传统的模拟PID控制由于结构复杂、算法移植性差、模拟电路本身的漂移特性以及抗干扰能力弱等缺点已经被数字PID控制算法取代。目前PFC、Smith
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PI等预测算法应用于稳频控制中，并在速度与抗干扰性能等方面具有很大优势。然而，目前采用的光功率平衡法并不能解决稳频温度点的温漂问题。针对宽温域条件的稳频算法，需在双纵模热稳频方法的基础上，提出新的非平衡功率稳频方案，基于温度轨迹预热与合理的目标预热温度点的选择，进而实现高精度稳频。
[0008]由上述分析可知，现有的双纵模He
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Ne激光器无法同时满足高频率准确度和宽工作温度域的双重需求。当温度范围达到
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20～40℃的极端温度时，激光器所属的测量装置甚至无法正常工作。以绝对重力仪为例，需要面对大量野外测量实验，而激光干涉仪作为绝对重力仪的长度测量基准，有必要对激光干涉仪的高抗干扰性能方法展开研究，从而解决实际应用中的实验问题。

技术实现思路

[0009]本专利技术目的是为了解决现有技术中的问题，提出了基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频方法与装置。
[0010]本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术提出基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频装置，所述激光稳频装置包括激光器电源1、激光管2、消偏振分光棱镜3、光隔离器4、偏振分光棱镜5、测温电路和稳频电路；所述激光器电源1连接于所述激光管2两端以提供电能，所述激光管2两侧均设有透光孔，所述消偏振分光棱镜3位于任意一侧的透光孔方向上，所述激光管2、消偏振分光棱镜3、光隔离器4依次单向连接，所述激光管2输出激光经所述消偏振分光棱镜3分光，透射光通过所述光隔离器4输出稳频激光，反射光通过所述偏振分光棱镜5再次分光；所述测温电路包括腔内测温电路9和环境测温电路13，所述腔内测温电路9采集所述激光管2的温度，所述环境测温电路13用于采集激光器壳体14所处的外部环境温度；所述稳频电路包括光电探测器6、I/V转换电路7、A/D转换器8、D/A转换器10、薄膜驱动电路11、加热薄膜12和微处理器15；所述光电探测器6、I/V转换电路7、A/D转换器8、微处理器15依次单向连接，所述微处理器15、D/A转换器10、薄膜驱动电路11、加热薄膜12依次单向连接。
[0011]进一步地，所述激光器电源1，用于为激光管2提供电能；
[0012]所述激光管2，为双纵模激光管，用于向所述消偏振分光棱镜3输出双模态激光；
[0013]所述消偏振分光棱镜3，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频装置，其特征在于：所述激光稳频装置包括激光器电源(1)、激光管(2)、消偏振分光棱镜(3)、光隔离器(4)、偏振分光棱镜(5)、测温电路和稳频电路；所述激光器电源(1)连接于所述激光管(2)两端以提供电能，所述激光管(2)两侧均设有透光孔，所述消偏振分光棱镜(3)位于任意一侧的透光孔方向上，所述激光管(2)、消偏振分光棱镜(3)、光隔离器(4)依次单向连接，所述激光管(2)输出激光经所述消偏振分光棱镜(3)分光，透射光通过所述光隔离器(4)输出稳频激光，反射光通过所述偏振分光棱镜(5)再次分光；所述测温电路包括腔内测温电路(9)和环境测温电路(13)，所述腔内测温电路(9)采集所述激光管(2)的温度，所述环境测温电路(13)用于采集激光器壳体(14)所处的外部环境温度；所述稳频电路包括光电探测器(6)、I/V转换电路(7)、A/D转换器(8)、D/A转换器(10)、薄膜驱动电路(11)、加热薄膜(12)和微处理器(15)；所述光电探测器(6)、I/V转换电路(7)、A/D转换器(8)、微处理器(15)依次单向连接，所述微处理器(15)、D/A转换器(10)、薄膜驱动电路(11)、加热薄膜(12)依次单向连接。2.根据权利要求1所述的激光稳频装置，其特征在于：所述激光器电源(1)，用于为激光管(2)提供电能；所述激光管(2)，为双纵模激光管，用于向所述消偏振分光棱镜(3)输出双模态激光；所述消偏振分光棱镜(3)，用于激光光束的分光，且透射光占用更大的分光比例以保证激光输出光功率，部分反射光传输至所述偏振分光棱镜(5)；所述光隔离器(4)，利用法拉第效应，用于通过正向传输的激光，隔离反向传输的激光以防止激光回返光影响稳频精度；所述偏振分光棱镜(5)，用于分离双纵模激光，分成两束偏振方向互为正交的水平偏振光与竖直偏振光；所述光电探测器(6)，用于将光信号转换为电信号，用于读取所述偏振分光棱镜(5)输出的一对正交偏振光信号并转换为电信号输出至I/V转换电路(7)；所述I/V转换电路(7)，用于转换所述光电探测器(6)输出的两路电流信号为电压信号，并输出至所述A/D转换器(8)；所述A/D转换器(8)，用于采集所述I/V转换电路(7)输出的两路光模拟信号并转换为数字信号；所述腔内测温电路(9)，利用高精度温度传感器实时读取激光管(2)的温度值，温度数据传输至所述微处理器(15)；所述D/A转换器(10)，用于转换所述微处理器(15)输出的稳频控制数字信号为模拟信号并传输至所述薄膜驱动电路(11)；所述薄膜驱动电路(11)，用于依据稳频控制模拟信号输出加热薄膜(12)的驱动信号；所述加热薄膜(12)，作为温度执行器件，用于根据所述薄膜驱动电路(11)输出的驱动信号，实现对所述激光管(2)的加热；所述环境测温电路(13)，利用高精度温度传感器实时读取环境温度值，温度传感器安装在所述激光器壳体(14)上；所述激光器壳体(14)，用于隔绝外界环境，并装配所述光学器件与电学器件。3.根据权利要求2所述的激光稳频装置，其特征在于：所述I/V转换电路(7)通过所述微处理器(15)调控增益大小，为增益可调的I/V转换电路。
4.基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频方法，其特征在于：所述方法应用权利要求1
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3任一项所述的激光稳频装置实现，所述方法包括：步骤1：首先进行温度区间划分实验；步骤2：建立激光频率f随环境温度T
a
的变化模型f(T
a
)；步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨宏兴，王彦，李芳妃，骆文瑞，胡鹏程，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：