[发明专利]基于圆偏振光干涉的双纵模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，主要涉及一种基于圆偏振光干涉的双纵模偏频锁定方法与装置。

背景技术

由于精密加工技术的发展，对测量系统提出了更高的要求，要求测量系统不仅要有很高测量精度，而且要满足测量高速运动机械的要求。

激光干涉技术以其高灵敏度，高精度及非接触等特点在精密和超精密加工、微电子装备、纳米技术等尖端工业装备和国防装备领域占据着越来越重要的应用地位，并得到广泛应用。但由于各种不稳定因素的影响，自由运转的激光器光频率漂移远远大于线宽极限，其相对频率准确度仅为10^-5～10^-6。随着科学技术的不断发展，超精密测量与加工工业对激光器的频率精度提出越来越高的要求，当前超精密加工一般要求激光的频率相对准确度达到10^-7～10^-8，有的特殊场合，如光刻机和大型天文望远镜加工等，甚至要求激光的频率相对准确度达到10^-9，为了满足这样的精度要求，需要对自由运转的激光器采取稳频控制措施，以提高其相对频率准确度。

偏频锁定技术是实现两支以上的激光器输出频率相对稳定的最简单和最经济的方法。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 a Large，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，因此不能应用在超精密测量和加工的现场应用中。

双纵模激光器是当前广泛应用于激光干涉测量系统的激光光源之一。将偏频锁定方法应用于双纵模激光器稳频技术中，能够很好地提高双纵模激光器稳频精。哈尔滨工业大学提出了基于碘稳频的参考光的双纵模热电制冷偏频锁定方法(专利200910072523.6：基于碘稳频的参考光的双纵模热电制冷偏频锁定方法和装置)。该发明缩短了预热时间，提高了激光管的寿命，可将激光器的频率一致性从10^-8提高到10^-9。但是由于该系统使用线偏振光干涉，偏振片透光率会影响光信号信噪比，影响激光器的稳频效果；并且在保偏光纤合束器耦合过程中，需要附加调节装置和设备且调节过程复杂。

综上所述，在传统的双纵模偏频锁定方法中，双纵模激光器输出端利用偏振片与参考激光束进行混频。虽然频率一致性能够提高到10^-9，但是，系统受线偏振光的干涉衬比度和偏振片的透光率的限制，光电探测器接收的光混频信号的强度很难提高，导致光拍频信号信噪比的提高较困难，限制了偏频锁定的频率精度的提高，并且保偏光纤耦合过程非常复杂，不利于超精密测量和加工的现场应用。

发明内容

针对上述现有激光器的基于线偏振光干涉进行偏频锁定方法的缺陷，本发明提出了一种基于圆偏振光干涉的双纵模激光器偏频锁定方法与装置，利用圆偏振光干涉的特性，提高干涉衬比度，达到提高稳频装置中光电探测器接收到的拍频光信号信噪比的目的。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种基于圆偏振光干涉的双纵模偏频锁定方法，该方法步骤如下：

(1)参考激光器输出光的中心频率为v_ro，并将频率v_ro作为双纵模激光器偏频锁定的频率基准；

(2)双纵模激光器输出光包括偏振方向相互正交的两个纵模光，两纵模光的频率分别为v₁和v₂；

(3)参考激光器输出作为频率基准的线偏振光v_ro，经过λ/4波片后，线偏振光变为圆偏振光；

(4)双纵模激光器输出两个偏振方向相互正交的线偏振光，经过λ/4波片后，转变成两个旋向相反的圆偏振光；