雙閉環蘭姆凹陷激光穩頻方法

李華豐，朱振宇，王霽，李強，高珊

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

0 引言

氣體激光器的蘭姆凹陷現象，是當激光器的輸出頻率與工作物質的中心頻率重合時，由于燒孔效應而出現的激光器輸出功率達到某一極小值的現象，該頻率點稱為激光器的蘭姆凹陷點［1］。

氣體激光器的蘭姆凹陷穩頻技術以工作物質的原子躍遷譜線中心頻率ν0作為參考標準頻率［2］，以蘭姆凹陷現象為控制依據，利用壓電陶瓷調節激光諧振腔腔長，使激光器始終工作在其蘭姆凹陷點，從而保持激光器輸出波長穩定的激光穩頻技術。

蘭姆凹陷穩頻激光器以原子躍遷譜線頻率為參考頻率，波長長期穩定度高、復現性好、互換性高;以壓電陶瓷調節激光諧振腔長，響應速度快，跟蹤迅速。這些優勢使蘭姆凹陷穩頻技術在激光干涉測量等科學研究領域受到青睞。

在工業現場環境中，環境溫度變化較大，通常在15～35℃間，引起激光器外腔溫度變化，往往導致激光器腔長的熱膨脹變化幅度超出壓電陶瓷的調整范圍，從而發生穩頻激光器失鎖的現象。這反映出蘭姆凹陷穩頻激光器環境適應性較差的弱點，這一弱點限制了蘭姆凹陷穩頻技術在工業生產中的應用。

1 環境溫度變化對激光器的影響

從激光器的發熱與散熱角度分析，激光器處于一種熱平衡狀態。

以裸露于空氣中的氦氖激光器為例進行分析，激光器管壁與空氣的換熱形式主要是對流換熱［3］。根據牛頓冷卻公式，有

式中:Q為熱流量;α為導熱系數;F為散熱面積;Δt為激光管與環境溫度差。

在工作過程中激光器的工作電流保持不變，所消耗功率除極少部分以激光形式發出外，其他部分均以熱量形式散失，當達到平衡狀態后，激光器的發熱功率與管壁的對流散熱功率一致，可以認為激光器的熱流量Q不變。

在通常工作條件下，環境空間尺寸遠大于激光器尺寸，激光器無強制制冷措施，可以看作工作于大空間自然對流換熱模式，假設空氣溫度均勻、激光器管壁各部分溫度一致，當激光器水平放置時，根據自然對流換熱理論，在20℃附近時，有

式中:l為激光器長度。

將公式 (2)代入公式 (1)中整理得

選用長度200 mm，直徑5.4 cm，輸入功率8 W的蘭姆凹陷氦氖激光器作為試驗對象，將參數代入公式 (3)，有

激光器輸入功率基本都用于發熱，Q≈8 W，則有

式中:T管為激光器管壁溫度，℃;T環境為環境溫度，℃。

可知管壁溫度T管與環境溫度T環境呈線性關系，即隨著環境溫度變化，激光器管壁溫度也線性變化。

圖1是實驗用的氦氖激光器管壁溫度隨環境溫度變化的理論計算曲線和實測曲線。

圖1 激光器管壁溫度隨環境溫度變化曲線

從曲線可以看出，試驗用的激光器管壁溫度的理論分析結果與實測結果基本一致，偏差主要是由于理論推導過程中忽略了激光器端面散熱、空氣導熱參數隨溫度變化而變化等因素造成的。

從圖1可以得到:當環境溫度從10℃變化到40℃時，氦氖激光器管壁溫度變化約為30℃，對于試驗中用到的由石英玻璃制作的腔長200 mm的激光器，由于管壁溫度變化造成的腔長變化約為3 μm［4］，而通常蘭姆凹陷穩頻激光器中壓電陶瓷的腔長調整范圍約1 μm，由于環境溫度變化造成的激光諧振腔長變化超出了壓電陶瓷的調整范圍，這就是基于蘭姆凹陷穩頻的氦氖激光器環境適應性差的原因。

其他散熱形式的激光器與之類似，也存在環境溫度變化導致激光器諧振腔長變化較大的現象。

要實現蘭姆凹陷穩頻氦氖激光器的波形掃描與穩定鎖頻，必須保證壓電陶瓷有至少1個激光波長的調整余量 (約0.63 μm)，因此激光器管壁腔長變化應小于0.4 μm，對于上述試驗用的激光器，其管壁溫度變化應小于3℃。

2 雙閉環蘭姆凹陷激光穩頻方法

從前面的分析可知，要提高蘭姆凹陷穩頻激光器的環境適應能力，需要補償環境溫度變化造成的激光器諧振腔長變化。

圖2是采用雙閉環控制方式實現激光器諧振腔長補償的原理框圖。在傳統蘭姆凹陷穩頻激光器基礎上，增加了激光器管壁溫度檢測與控制系統，在激光器管壁外包裹了電加熱層，并粘貼溫度傳感器，通過溫度控制環實現激光器管壁溫度的穩定，即實現激光器管壁長度基本不變。環境溫度的殘余影響以及由于其他因素導致的激光器諧振腔長變化，則通過蘭姆凹陷控制環驅動壓電陶瓷管實現補償。

圖3為雙閉環蘭姆凹陷穩頻激光器控制系統框圖，其包括兩個閉環控制回路，分別實現蘭姆凹陷穩頻控制與激光器管壁溫度控制。

圖2 雙閉環蘭姆凹陷穩頻激光器原理框圖

蘭姆凹陷穩頻控制回路，通過控制壓電陶瓷管的驅動電壓實現激光器諧振腔長的調整，并在其上附加一載波，實現激光器諧振腔長的微小調制，諧振腔長調制導致激光器輸出功率存在微小的交流波動，通過交流檢波與相敏檢測可以得到功率波動的相位信息，該相位信息代表了激光器在蘭姆凹陷波形上的位置，通過將相位期望值設定為零，可以使激光器工作于蘭姆凹陷點上［1］。

圖3 雙閉環蘭姆凹陷穩頻激光器控制系統框圖

激光器管壁溫度控制回路通過粘貼在激光器管壁上的溫度傳感器監測管壁溫度，并通過調節加熱層的驅動電流實現管壁溫度的穩定，以抵消環境溫度變化對管壁溫度的影響。

由圖3可以看出，激光器諧振腔長由兩個控制回路聯合調節，其中環境溫度對諧振腔長的影響主要由管壁溫度控制回路補償，而其他因素造成的激光器失穩則由蘭姆凹陷穩頻控制回路補償。

由圖2所示的原理框圖可知，雙閉環蘭姆凹陷穩頻激光器系統中的散熱是通過自然對流散熱實現的，無強制制冷措施，即系統無法實現主動降溫，因此要實現激光器管壁溫度控制回路的正常工作，需要使管壁溫度設定值高于自然對流散熱狀態下的最高工作溫度。

圖4 雙閉環激光器管壁溫度與溫度環境關系

圖4為雙閉環蘭姆凹陷穩頻激光器的激光器管壁溫度與環境溫度關系曲線。從實測結果可以看出，管壁溫度變化可以控制在0.6℃范圍內，系統有效補償了環境溫度變化對激光器管壁溫度的影響，即可以保持激光器管壁長度相對穩定。

3 試驗結果

雙閉環蘭姆凹陷穩頻激光器與0.633 μm波長副基準裝置進行拍頻試驗，試驗持續9 h，期間被測激光器的工作環境從10℃勻速升至40℃再降至10℃，依據JJG353-2006《633 nm穩頻激光器檢定規程》，得到的9 h頻率穩定度曲線如圖5所示。

圖5 頻率穩定度曲線

從圖5可以看出，雙閉環蘭姆凹陷穩頻激光器在環境溫度變化較大情況下，9 h頻率穩定度達到2×10-9，完全可以滿足工業現場對激光干涉儀光源頻率穩定度的要求。

4 結論

雙閉環蘭姆凹陷激光穩頻方法在傳統蘭姆凹陷激光穩頻方法的基礎上，增加了溫度控制環節，通過調解激光器管壁溫度抵消環境溫度變化對激光器諧振腔長的影響，使穩頻激光器可以在環境溫度波動較大的工業現場正常使用。

雙閉環蘭姆凹陷激光穩頻方法不僅提高了蘭姆凹陷穩頻激光器的環境適應能力，而且由于激光器的工作氣體溫度相對穩定，其吸收光譜變化也比較小［5］，利于提高激光器的波長穩定度。同時，由于對壓電陶瓷調整范圍的要求減小，激光器中可以選用長度較短的壓電陶瓷管，這對提高激光器的諧振腔質量、降低加工難度非常有利。

［1］苑丹丹，胡姝玲，劉宏海，等.激光器穩頻技術研究［J］.激光與光電子學進展，2011，48(8):081401.

［2］北京交通大學.穩頻技術［EB/OL］.［2013-12-20］.http://wenku.baidu.com/view/5f7708fc4693daef5ef73de8.html.

［3］蘇亞欣 .傳熱學 ［M］.武漢:華中科技大學出版社，2009.

［4］維基百科學.熱膨脹系數 ［EB/OL］.［2014-01-22］.http://zh.wikipedia.org/zh-cn/熱膨脹系數.html.

［5］馬維光，尹王保，黃濤，等.氣體峰值吸收系數隨壓強變化關系的理論分析 ［J］.光譜學與光譜分析，2004，24(2):135-137.