雙縱模He-Ne激光器的熱穩(wěn)頻技術(shù)研究

陳正超，李華豐，朱國(guó)勤

（中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所 計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095）

雙縱模He-Ne激光器的熱穩(wěn)頻技術(shù)研究

陳正超，李華豐，朱國(guó)勤

（中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所 計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095）

介紹了雙縱模He-Ne激光器的熱穩(wěn)頻技術(shù)原理，設(shè)計(jì)了熱穩(wěn)頻控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本熱穩(wěn)頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了將兩個(gè)縱模頻率穩(wěn)定在增益曲線中心頻率對(duì)稱位置和不對(duì)稱位置上。根據(jù)拍頻結(jié)果可知，當(dāng)穩(wěn)定在對(duì)稱位置上時(shí)，激光器的頻率穩(wěn)定度達(dá)10－10量級(jí)；當(dāng)穩(wěn)定在不對(duì)稱位置上、維持頻率穩(wěn)定度10－10量級(jí)時(shí)，激光器輸出單縱模的功率最高達(dá)總功率的80%。

He-Ne激光器；熱穩(wěn)頻；非對(duì)稱穩(wěn)頻

0 引言

He-Ne激光器的穩(wěn)頻方法主要有：飽和吸收穩(wěn)頻法、塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻法、蘭姆凹陷穩(wěn)頻法和雙縱模熱穩(wěn)頻法等［1］。其中，雙縱模熱穩(wěn)頻法是He-Ne激光器穩(wěn)頻技術(shù)的研究熱點(diǎn)。熱穩(wěn)頻方法是通過(guò)直接控制放電管中等離子體的溫度來(lái)調(diào)節(jié)激光器的腔長(zhǎng)，進(jìn)而穩(wěn)定激光器輸出的光頻［1－3］。熱穩(wěn)頻方法既不需要在激光器上安裝PZT（壓電晶體），也無(wú)需外加磁場(chǎng)，激光器諧振腔對(duì)材料的熱膨脹系數(shù)要求較小，且實(shí)現(xiàn)無(wú)調(diào)制輸出，因此熱穩(wěn)頻激光器的成本低于蘭姆凹陷穩(wěn)頻和塞曼穩(wěn)頻激光器。采用雙縱模熱穩(wěn)頻的He-Ne激光器諧振腔內(nèi)存在兩個(gè)縱模同時(shí)振蕩，可輸出頻差在500 MHz以上的雙頻激光，這能滿足激光干涉測(cè)量中對(duì)高速測(cè)量的要求；同時(shí)，也可以利用偏振器件濾除一個(gè)縱模，使激光器輸出單頻穩(wěn)頻激光，以滿足對(duì)激光的單色性要求高的干涉和計(jì)量等領(lǐng)域的需求［4］，但此時(shí)激光器的輸出功率僅為總功率的一半。

本文介紹一種雙縱模He-Ne激光器的熱穩(wěn)頻控制系統(tǒng)。根據(jù)需要，該系統(tǒng)可以將激光器的兩個(gè)縱模頻率穩(wěn)定在增益曲線中心頻率νc的對(duì)稱位置上，實(shí)現(xiàn)雙縱模穩(wěn)頻輸出；同時(shí)也可以將兩個(gè)縱模頻率穩(wěn)定在增益曲線中心頻率νc的不對(duì)稱位置上，使其中一個(gè)縱模的功率遠(yuǎn)大于另一個(gè)縱模的功率，利用偏振器件將較小功率的縱模濾除，提高單個(gè)縱模的輸出功率，從而實(shí)現(xiàn)基于雙縱模穩(wěn)頻的單頻輸出He-Ne激光器。

1 理論分析

He-Ne激光器在振蕩輸出激光時(shí)，輸出縱模數(shù)與諧振腔長(zhǎng)度有關(guān)。受激輻射的He-Ne激光縱模（對(duì)應(yīng)某一確定的共振頻率）一定是偏振光；同時(shí)，相鄰縱模的偏振方向不是任意的，而是相互垂直的［5］。其中，縱模頻率計(jì)算公式［6－7］為

式中：c為光在真空中的傳播速度；n為諧振腔內(nèi)的折射率；L為諧振腔的幾何長(zhǎng)度；q為諧振腔內(nèi)的縱模序數(shù)。對(duì) （1）式進(jìn)行微分有［1，7］

由式 （2）可知，頻率穩(wěn)定度由腔長(zhǎng)L的變化和折射率n的變化共同來(lái)決定。穩(wěn)頻技術(shù)的實(shí)質(zhì)是保持諧振腔光學(xué)長(zhǎng)度和腔內(nèi)折射率的穩(wěn)定性。對(duì)于內(nèi)腔式He-Ne激光器，激光器中使用的工作物質(zhì)是氣體，氣體的折射率雖然受放電參量等因素的影響，但在電流穩(wěn)定的情況下變化不大，對(duì)頻率穩(wěn)定的影響很小［8］。因此，內(nèi)腔式He-Ne激光器的頻率穩(wěn)定性主要是通過(guò)控制激光諧振腔的腔長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

由式 （1）可知，諧振腔內(nèi)的縱模間隔與腔長(zhǎng)有關(guān)，因此雙縱模熱穩(wěn)頻方法對(duì)He-Ne激光器的腔長(zhǎng)有特定的要求，必須保證諧振腔內(nèi)同時(shí)存在2到3個(gè)縱模。一般He-Ne激光器的譜線為非均勻加寬型，其多普勒線寬為1500 MHz［9］。當(dāng)諧振腔的腔長(zhǎng)滿足條件100 mm＜L＜300 mm時(shí)，諧振腔內(nèi)存在2個(gè)縱模同時(shí)振蕩的可能性。

當(dāng)雙縱模激光器的兩個(gè)縱模穩(wěn)定在增益曲線中心頻率的對(duì)稱位置上時(shí)，兩個(gè)縱模的光功率相等；由于模式競(jìng)爭(zhēng)使兩個(gè)縱模偏離增益曲線中心頻率的對(duì)稱位置時(shí)，兩個(gè)縱模的光功率不再相等。激光器工作時(shí)，由于模式競(jìng)爭(zhēng)，在不加控制的情況下只有一個(gè)模式占主導(dǎo)地位，但不久又被相鄰的模式所取代，通過(guò)精確控制諧振腔的長(zhǎng)度，使腔長(zhǎng)的變化總是有利于模式競(jìng)爭(zhēng)中處于弱勢(shì)的那個(gè)縱模，使雙縱模對(duì)稱于中心頻率，并且穩(wěn)定在對(duì)稱點(diǎn)上，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻激光的輸出。

如圖1所示，激光器增益曲線上，只存在兩個(gè)縱模νq和νq＋1的振蕩，通過(guò)控制腔長(zhǎng)，使νq在ν′q～ν″q的范圍內(nèi)振蕩，νq＋1在ν′q＋1～ν″q＋1的范圍內(nèi)振蕩，從而實(shí)現(xiàn)雙縱模熱穩(wěn)頻，此時(shí)兩個(gè)縱模的功率相等，且νq和νq＋1對(duì)稱于中心頻率νc。

同時(shí)，也可以調(diào)整兩個(gè)縱模輸出功率的差值關(guān)系，使其不為零，則激光器的兩個(gè)縱模將穩(wěn)定在不對(duì)稱于增益曲線中心頻率νc的位置上，如圖2所示。

2 穩(wěn)頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙縱模He-Ne激光器熱穩(wěn)頻方案整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。整體方案由兩部分組成：縱模分離光路和穩(wěn)頻控制硬件電路。縱模分離光路由BS（分光棱鏡）、PBS（偏振分光棱鏡）和反射鏡組成，主要用于將雙縱模He-Ne激光器的兩個(gè)縱模分離，以便于利用PIN光電二極管分別對(duì)兩個(gè)縱模的光功率進(jìn)行采集。光路中的BS的分光比為9∶1，可將激光器輸出的光分成兩束，功率較大的透射光束作為激光器的輸出光，而功率較小反射光束用于穩(wěn)頻。

硬件控制電路是穩(wěn)頻系統(tǒng)的核心，主要實(shí)現(xiàn)激光器縱模功率和激光管管壁溫度的采集，并通過(guò)PID控制算法，及脈寬調(diào)制技術(shù)完成激光器的穩(wěn)頻控制。硬件控制電路是以單片機(jī)為核心的數(shù)字控制器，主要包括單片機(jī)及其外圍電路、傳感器測(cè)量電路、A／D轉(zhuǎn)換芯片和PWM控制信號(hào)輸出及三極管開關(guān)電路。

當(dāng)激光縱模處于增益曲線中心獲得單模輸出時(shí)，該縱模的功率即為激光器的輸出功率，約為1 mW；當(dāng)雙縱模對(duì)稱于中心頻率時(shí)，則每個(gè)縱模的輸出功率為0.5 mW。由此可以粗略估算出兩個(gè)縱模的功率之差與穩(wěn)頻后頻率復(fù)現(xiàn)性的量級(jí)。以縱模功率與頻率近似呈線性關(guān)系來(lái)估算，可以得出500μW／514 MHz，即約為1μW／MHz。由于氦氖激光器的增益曲線為高斯曲線，在功率穩(wěn)定點(diǎn)處曲線的斜率更大，可達(dá)2μW／MHz的量級(jí)。當(dāng)頻率復(fù)現(xiàn)性為10－8量級(jí)時(shí)，頻率變化為±5 MHz。因此當(dāng)頻率復(fù)現(xiàn)性優(yōu)于10－8量級(jí)時(shí)，功率變化應(yīng)小于10μW，相當(dāng)于一個(gè)縱模功率的2%。若需要得到更高的復(fù)現(xiàn)性，則需要將縱模功率的變化范圍限定在更小的范圍內(nèi)。由上述可知，為了達(dá)到預(yù)定的頻率復(fù)現(xiàn)性，激光器縱模功率探測(cè)電路的分辨力應(yīng)優(yōu)于縱模功率的2%。本系統(tǒng)中，光電檢測(cè)電路的A／D有效分辨力為16位，單個(gè)縱模功率的相對(duì)分辨力優(yōu)于0.1%。為了精確控制控制溫度，PWM加熱電路的驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)有足夠的精度，本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電壓的誤差約為20 mV。

3 穩(wěn)頻實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本熱穩(wěn)頻控制實(shí)驗(yàn)包括將兩個(gè)縱模穩(wěn)定在增益曲線中心頻率對(duì)稱位置和不對(duì)稱位置兩部分。由圖1可知，當(dāng)縱模頻率穩(wěn)定在對(duì)稱位置時(shí)，增益曲線上對(duì)應(yīng)的兩個(gè)點(diǎn)的斜率大小相等，方向相反；由圖2可知，當(dāng)頻率穩(wěn)定在不對(duì)稱位置上時(shí)，增益曲線上對(duì)應(yīng)的兩個(gè)點(diǎn)的斜率方向相反，但大小不再相等。通過(guò)熱穩(wěn)頻控制實(shí)驗(yàn)，本文將分析頻率穩(wěn)定在不同點(diǎn)上時(shí)，激光器的頻率穩(wěn)定性的變化情況。

激光器頻率穩(wěn)定在光功率信號(hào)差值e不同點(diǎn)的穩(wěn)頻控制誤差曲線如圖4所示，參數(shù)如表1所示。圖5為光功率信號(hào)差值e和其波動(dòng)范圍Δe的關(guān)系，由圖5可知，隨著e的增大，其波動(dòng)范圍也將增大，這將影響激光器的頻率穩(wěn)定度。

為了精確測(cè)量本熱穩(wěn)頻激光器的頻率穩(wěn)定度及分析功率信號(hào)差值e的變化對(duì)頻率穩(wěn)定度的影響，本文將通過(guò)拍頻實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量縱模功率信號(hào)差值不同時(shí)激光器的頻率穩(wěn)定度，參考的穩(wěn)頻激光器為本所的國(guó)家激光頻率副基準(zhǔn)。拍頻實(shí)驗(yàn)中將測(cè)量功率信號(hào)差值為e＝0 V，e＝2 V和e＝2.7 V時(shí)激光器的頻率穩(wěn)定度。拍頻實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6和表2所示。圖6所示為激光器頻率穩(wěn)定在不同位置時(shí)，積分時(shí)間 （取樣時(shí)間）和被測(cè)激光器的阿倫方差關(guān)系曲線；表2為圖6中對(duì)應(yīng)取樣時(shí)間在0.1，1，10 s和100 s點(diǎn)上時(shí)，穩(wěn)頻激光器的頻率穩(wěn)定度、不確定度數(shù)值以及拍頻測(cè)量時(shí)間和功率較大的縱模頻率占總功率的百分比η。

由圖6可知，和未加穩(wěn)頻控制相比，加入穩(wěn)頻控制后，激光器的頻率穩(wěn)定度和不確定度均得到提高。當(dāng)兩個(gè)縱模穩(wěn)定在對(duì)稱位置時(shí)，此時(shí)光功率信號(hào)差值e＝0 V，拍頻曲線如圖6中所示，取樣時(shí)間在0.1 s≤τ≤100 s范圍內(nèi)時(shí)激光器的頻率穩(wěn)定度均能達(dá)到10－10量級(jí)，此時(shí)單個(gè)縱模的功率為50%；當(dāng)兩個(gè)縱模穩(wěn)定在不對(duì)稱位置且信號(hào)差值e＝2 V時(shí)，拍頻曲線如圖6所示，取樣時(shí)間在0.1 s≤τ≤100 s范圍內(nèi)時(shí)頻率穩(wěn)定度均能達(dá)到10－10量級(jí)，此時(shí)功率較大的縱模的功率可達(dá)83%。通過(guò)和e＝0 V時(shí)的拍頻曲線比較可知，此時(shí)功率信號(hào)差值增大到2 V時(shí)對(duì)頻率穩(wěn)定性影響較小。當(dāng)功率信號(hào)差值e＝2.7 V時(shí)，拍頻曲線如圖6所示，與e＝0 V和e＝2 V時(shí)相比，在取樣時(shí)間0.1 s≤τ≤100 s范圍內(nèi)，頻率穩(wěn)定度變化較大，說(shuō)明功率信號(hào)差值的繼續(xù)增大對(duì)頻率穩(wěn)定性產(chǎn)生了明顯的影響，但仍然能得到10－9量級(jí)的穩(wěn)定度，此時(shí)較大縱模的功率約為92%～95%。

對(duì)于上述拍頻實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，當(dāng)功率信號(hào)差值e＞2 V（對(duì)應(yīng)功率較大的縱模頻率占總功率的百分比η＞83%）時(shí)，頻率穩(wěn)定性下降明顯，這可能是由于隨著兩個(gè)縱模的光功率差值增大，增益曲線上兩個(gè)縱模頻率所對(duì)應(yīng)點(diǎn)的變化差異引起的，如圖2所示，這個(gè)問題將在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行討論。

4 小結(jié)

通過(guò)本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析可知：

1）該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了雙縱模的對(duì)稱穩(wěn)頻，和未加控制時(shí)相比，加入穩(wěn)頻控制系統(tǒng)后，激光器的頻率穩(wěn)定度明顯提高，取樣時(shí)間間隔為0.1 s≤τ≤100 s時(shí)，激光器的穩(wěn)頻穩(wěn)定度均為10－10量級(jí)。

2）當(dāng)激光器的兩個(gè)縱模頻率穩(wěn)定在不對(duì)稱于增益曲線中心頻率的位置上，且頻率穩(wěn)定度在0.1 s≤τ≤100 s的取樣時(shí)間間隔內(nèi)維持10－10量級(jí)時(shí)，本系統(tǒng)得到了單個(gè)縱模功率達(dá)總功率80%的穩(wěn)頻激光。

［1］鐘亮，黃偉.He-Ne激光穩(wěn)頻技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.機(jī)械，2006，33（9）：25－27.

［2］TaeBong Eom，HyunSeung Choi，and SunKyu Lee.Frequency stabilization of an internalmirror He-Ne laser by digital control［J］.Rev.Sci.Instrum，2002，73（1）：221－224.

［3］Jin Qian，Zhongyou Liu，Chunying Shi，etal.Frequency stabilization of internal-mirror He-Ne lasers by air cooling［J］.APPLIED OPTICS，2012，51（25）：6084－6088.

［4］趙綏堂，游大江.He-Ne多縱模激光器改為單縱模激光器工作時(shí)其物理機(jī)制的研討［J］.激光與紅外，1987（5）：27－30.

［5］白燕羽，朱璐萊，呂小強(qiáng)，等.智能雙縱模激光穩(wěn)頻系統(tǒng)的研究［J］.中國(guó)測(cè)試，2012，38（1）：110－112.

［6］王麗霞.基于縱模拍頻控制的激光穩(wěn)頻技術(shù)［D］.上海：華東師范大學(xué)，2007.

［7］梁晶，龍興武.雙縱模He-Ne激光器的拍頻穩(wěn)定度分析［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29（5）：1301－1304.

［8］愈寬新，江鐵良，趙啟大.激光原理與激光技術(shù) ［M］.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

［9］喻洪平，吳斌，莫莉.基于He-Ne雙頻激光干涉的大尺寸精密檢測(cè)技術(shù)［J］.工具技術(shù)，2009，43（6）：119－120.

Reach on Thermal Frequency Stabilization Technology of Double Longitudinal M ode He-Ne Laser

CHEN Zhengchao，LIHuafeng，ZHU Guoqin
（Changcheng Institute of Metrology＆Measurement，Beijing 100095，China）

The principle of thermal frequency stabilization technology of double-longitudinal-mode He-Ne laser is introduced and the control system is designed in this paper.Related experimentswere carried on.According to the experiments，the twomodes of frequency can be stabilized on symmetric and asymmetric positions of the gain curve.According to the beat frequency tests，when the twomodes are stabilized on symmetric position，the frequency stability of He-Ne laser is on themagnitude of10－10；and when the twomodes are stabilized on asymmetric position and the frequency stabilitymaintains on themagnitude of 10－10，the biggest power of single longitudinalmode is 80%of the total power.

He-Ne laser；thermal frequency stabilization；asymmetric frequency stabilization

TB939：TN248.2

B

1674－5795（2014）01－0031－04

10.11823／j.issn.1674－5795.2014.01.09

2013－11－19；收修改稿日期：2013－12－30

國(guó)家“十二五”技術(shù)基礎(chǔ)計(jì)量科研項(xiàng)目（J052011A002）作者簡(jiǎn)介：陳正超 （1987－），男，碩士研究生，主要從事自動(dòng)控制研究工作；李華豐，男，高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制。