[发明专利]基于碘稳频参考的双纵模热电致冷偏频锁定方法与装置

说明书

技术领域

本发明属于激光应用技术领域，特别是一种基于碘稳频参考的双纵模热电致冷偏频锁定方法与装置。

背景技术

激光干涉测量技术因具有非接触、精度高、量程大、可溯源、可多通道分光测量等特点，广泛应用于超精密加工、测量装备业中，激光真空波长准确度(激光频率稳定度)决定了干涉测量系统所能达到的最高相对测量不确定度，已成为快速超精密激光干涉测量技术的核心问题之一，在国防装备、微电子制造业发展对超精密加工需求的推动作用下，激光干涉测量技术相对测量准确度需求即将突破10^-8，相应地对干涉光源的频率准确度提出了10^-8～10^-9要求，特别在超精密加工装备中常需对多个空间自由度进行多维同步测量，这种多维测量需求将导致干涉测量系统的总激光功率消耗增加到5mW以上，这就要求同时采用3台以上的稳频激光器进行组合测量。然而即使对于同一厂家同一型号批次的稳频激光器，其输出光频率的一致性也仅能达到1×10^-7。这必将带来的波长基准、波长漂移和空间坐标不一致的问题，从而影响整个多维激光干涉系统的综合测量精度。因此需提高单个稳频激光器的稳频精度、抗干扰能力、输出光功率和多个稳频激光器的波长一致性是激光应用技术领域迫切需要解决的问题。

目前激光干涉仪中采用光源主要有纵向塞曼稳频激光器，双纵模稳频激光器，碘稳频激光器，其激光稳频方法根据腔长调节执行器的不同，主要可分为压电陶瓷稳频法、电热丝稳频法、放电电流稳频法和风冷稳频法等。

碘稳频激光器输出光中心频率的相对准确度高达到10^-11～10^-12，且多台同类激光器中心频率一致性可达10^-11，然而，腔内调制的碘稳频激光器输出光为调频激光，其光波频率的调制深度为几MHz，因此总体上激光相对频率准确度为10^-8。此外，该类碘稳频激光器的输出功率只有几十μW，采用压电陶瓷作为腔长调节器件，工艺结构复杂，价格昂贵，压电材料蠕变大且使用周期短，预热时间长、抗振性能较差。

为了克服碘稳频氦氖激光器输出激光频率带有调制、光功率偏小的缺点，美国Lawrence Livemore实验室的R.R.Donaldson等研制了偏频锁定的633nm氦氖激光器(R.R.Donaldson，S.R.Paterson.Design and Construction of aLarge，Vertical-axis Diamond Turning Machine.Proc.Of SPIE.1983，(433)：62～67)。该激光器的特点是将一台自由运转的激光器高精度跟踪另一台碘稳频激光器，并偏离碘稳频激光器一固定的频率值，从而既保持了碘稳频激光器中心频率相对准确度高的优点，又可以输出频率无调制的大功率激光，其相对频率准确度达到10^-9，输出功率达到15mW。然而，该类激光器采用外腔式谐振腔结构和压电陶瓷调节元件，除去预热时间长、抗振特性差的不足外，整个激光器装置体积十分庞大。目前，该类激光器仅用于个别专用的大型超精密加工设备中，且需要采取额外的防振措施。

激光干涉仪中采用的其他主要光源为塞曼型稳频激光器和双纵模激光器，塞曼型双频激光器具有较好的稳频特性和可靠性，但双频激光的获得需附加磁场，制造工艺复杂，成本较高，加之其频差小于3MHz，故其测量速度受到限制，不能适应现在高速测量的场合，双纵模热稳频方法成本低，稳频装置简单，又可达到与传统塞曼型稳频激光器同一量级的稳频精度，因而得到了广泛的应用。

针对双纵模激光器稳频问题，Balhorn等提出了通过调整激光管放电电流来控制谐振腔长度的双纵模激光器稳频方法(R.Balhorn，H.Kunzmann，F.Lebowsky.Frequency Stabilization of Internal-Mirror Helium-Neon Lasers.Applied Optics，1972，11(4)：742～746)。该方法具有热惯性小、调节效率高的优点，但是激光器增益曲线的中心频率容易受到放电电流变化的影响而改变，其相对频率准确度不超过10^-7。