雙閉環(huán)蘭姆凹陷激光穩(wěn)頻方法

李華豐，朱振宇，王霽，李強(qiáng)，高珊

(中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

氣體激光器的蘭姆凹陷現(xiàn)象，是當(dāng)激光器的輸出頻率與工作物質(zhì)的中心頻率重合時(shí)，由于燒孔效應(yīng)而出現(xiàn)的激光器輸出功率達(dá)到某一極小值的現(xiàn)象，該頻率點(diǎn)稱為激光器的蘭姆凹陷點(diǎn)［1］。

氣體激光器的蘭姆凹陷穩(wěn)頻技術(shù)以工作物質(zhì)的原子躍遷譜線中心頻率ν0作為參考標(biāo)準(zhǔn)頻率［2］，以蘭姆凹陷現(xiàn)象為控制依據(jù)，利用壓電陶瓷調(diào)節(jié)激光諧振腔腔長(zhǎng)，使激光器始終工作在其蘭姆凹陷點(diǎn)，從而保持激光器輸出波長(zhǎng)穩(wěn)定的激光穩(wěn)頻技術(shù)。

蘭姆凹陷穩(wěn)頻激光器以原子躍遷譜線頻率為參考頻率，波長(zhǎng)長(zhǎng)期穩(wěn)定度高、復(fù)現(xiàn)性好、互換性高;以壓電陶瓷調(diào)節(jié)激光諧振腔長(zhǎng)，響應(yīng)速度快，跟蹤迅速。這些優(yōu)勢(shì)使蘭姆凹陷穩(wěn)頻技術(shù)在激光干涉測(cè)量等科學(xué)研究領(lǐng)域受到青睞。

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，環(huán)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(dǎo)致激光器腔長(zhǎng)的熱膨脹變化幅度超出壓電陶瓷的調(diào)整范圍，從而發(fā)生穩(wěn)頻激光器失鎖的現(xiàn)象。這反映出蘭姆凹陷穩(wěn)頻激光器環(huán)境適應(yīng)性較差的弱點(diǎn)，這一弱點(diǎn)限制了蘭姆凹陷穩(wěn)頻技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

1 環(huán)境溫度變化對(duì)激光器的影響

從激光器的發(fā)熱與散熱角度分析，激光器處于一種熱平衡狀態(tài)。

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

式中:Q為熱流量;α為導(dǎo)熱系數(shù);F為散熱面積;Δt為激光管與環(huán)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(fā)出外，其他部分均以熱量形式散失，當(dāng)達(dá)到平衡狀態(tài)后，激光器的發(fā)熱功率與管壁的對(duì)流散熱功率一致，可以認(rèn)為激光器的熱流量Q不變。

在通常工作條件下，環(huán)境空間尺寸遠(yuǎn)大于激光器尺寸，激光器無強(qiáng)制制冷措施，可以看作工作于大空間自然對(duì)流換熱模式，假設(shè)空氣溫度均勻、激光器管壁各部分溫度一致，當(dāng)激光器水平放置時(shí)，根據(jù)自然對(duì)流換熱理論，在20℃附近時(shí)，有

式中:l為激光器長(zhǎng)度。

將公式 (2)代入公式 (1)中整理得

選用長(zhǎng)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(yàn)對(duì)象，將參數(shù)代入公式 (3)，有

激光器輸入功率基本都用于發(fā)熱，Q≈8 W，則有

式中:T管為激光器管壁溫度，℃;T環(huán)境為環(huán)境溫度，℃。

可知管壁溫度T管與環(huán)境溫度T環(huán)境呈線性關(guān)系，即隨著環(huán)境溫度變化，激光器管壁溫度也線性變化。

圖1是實(shí)驗(yàn)用的氦氖激光器管壁溫度隨環(huán)境溫度變化的理論計(jì)算曲線和實(shí)測(cè)曲線。

圖1 激光器管壁溫度隨環(huán)境溫度變化曲線

從曲線可以看出，試驗(yàn)用的激光器管壁溫度的理論分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，偏差主要是由于理論推導(dǎo)過程中忽略了激光器端面散熱、空氣導(dǎo)熱參數(shù)隨溫度變化而變化等因素造成的。

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

其他散熱形式的激光器與之類似，也存在環(huán)境溫度變化導(dǎo)致激光器諧振腔長(zhǎng)變化較大的現(xiàn)象。

要實(shí)現(xiàn)蘭姆凹陷穩(wěn)頻氦氖激光器的波形掃描與穩(wěn)定鎖頻，必須保證壓電陶瓷有至少1個(gè)激光波長(zhǎng)的調(diào)整余量 (約0.63 μm)，因此激光器管壁腔長(zhǎng)變化應(yīng)小于0.4 μm，對(duì)于上述試驗(yàn)用的激光器，其管壁溫度變化應(yīng)小于3℃。

2 雙閉環(huán)蘭姆凹陷激光穩(wěn)頻方法

從前面的分析可知，要提高蘭姆凹陷穩(wěn)頻激光器的環(huán)境適應(yīng)能力，需要補(bǔ)償環(huán)境溫度變化造成的激光器諧振腔長(zhǎng)變化。

圖2是采用雙閉環(huán)控制方式實(shí)現(xiàn)激光器諧振腔長(zhǎng)補(bǔ)償?shù)脑砜驁D。在傳統(tǒng)蘭姆凹陷穩(wěn)頻激光器基礎(chǔ)上，增加了激光器管壁溫度檢測(cè)與控制系統(tǒng)，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(huán)實(shí)現(xiàn)激光器管壁溫度的穩(wěn)定，即實(shí)現(xiàn)激光器管壁長(zhǎng)度基本不變。環(huán)境溫度的殘余影響以及由于其他因素導(dǎo)致的激光器諧振腔長(zhǎng)變化，則通過蘭姆凹陷控制環(huán)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷管實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。

圖3為雙閉環(huán)蘭姆凹陷穩(wěn)頻激光器控制系統(tǒng)框圖，其包括兩個(gè)閉環(huán)控制回路，分別實(shí)現(xiàn)蘭姆凹陷穩(wěn)頻控制與激光器管壁溫度控制。

圖2 雙閉環(huán)蘭姆凹陷穩(wěn)頻激光器原理框圖

蘭姆凹陷穩(wěn)頻控制回路，通過控制壓電陶瓷管的驅(qū)動(dòng)電壓實(shí)現(xiàn)激光器諧振腔長(zhǎng)的調(diào)整，并在其上附加一載波，實(shí)現(xiàn)激光器諧振腔長(zhǎng)的微小調(diào)制，諧振腔長(zhǎng)調(diào)制導(dǎo)致激光器輸出功率存在微小的交流波動(dòng)，通過交流檢波與相敏檢測(cè)可以得到功率波動(dòng)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(shè)定為零，可以使激光器工作于蘭姆凹陷點(diǎn)上［1］。

圖3 雙閉環(huán)蘭姆凹陷穩(wěn)頻激光器控制系統(tǒng)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(jiān)測(cè)管壁溫度，并通過調(diào)節(jié)加熱層的驅(qū)動(dòng)電流實(shí)現(xiàn)管壁溫度的穩(wěn)定，以抵消環(huán)境溫度變化對(duì)管壁溫度的影響。

由圖3可以看出，激光器諧振腔長(zhǎng)由兩個(gè)控制回路聯(lián)合調(diào)節(jié)，其中環(huán)境溫度對(duì)諧振腔長(zhǎng)的影響主要由管壁溫度控制回路補(bǔ)償，而其他因素造成的激光器失穩(wěn)則由蘭姆凹陷穩(wěn)頻控制回路補(bǔ)償。

由圖2所示的原理框圖可知，雙閉環(huán)蘭姆凹陷穩(wěn)頻激光器系統(tǒng)中的散熱是通過自然對(duì)流散熱實(shí)現(xiàn)的，無強(qiáng)制制冷措施，即系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)主動(dòng)降溫，因此要實(shí)現(xiàn)激光器管壁溫度控制回路的正常工作，需要使管壁溫度設(shè)定值高于自然對(duì)流散熱狀態(tài)下的最高工作溫度。

圖4 雙閉環(huán)激光器管壁溫度與溫度環(huán)境關(guān)系

圖4為雙閉環(huán)蘭姆凹陷穩(wěn)頻激光器的激光器管壁溫度與環(huán)境溫度關(guān)系曲線。從實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出，管壁溫度變化可以控制在0.6℃范圍內(nèi)，系統(tǒng)有效補(bǔ)償了環(huán)境溫度變化對(duì)激光器管壁溫度的影響，即可以保持激光器管壁長(zhǎng)度相對(duì)穩(wěn)定。

3 試驗(yàn)結(jié)果

雙閉環(huán)蘭姆凹陷穩(wěn)頻激光器與0.633 μm波長(zhǎng)副基準(zhǔn)裝置進(jìn)行拍頻試驗(yàn)，試驗(yàn)持續(xù)9 h，期間被測(cè)激光器的工作環(huán)境從10℃勻速升至40℃再降至10℃，依據(jù)JJG353-2006《633 nm穩(wěn)頻激光器檢定規(guī)程》，得到的9 h頻率穩(wěn)定度曲線如圖5所示。

圖5 頻率穩(wěn)定度曲線

從圖5可以看出，雙閉環(huán)蘭姆凹陷穩(wěn)頻激光器在環(huán)境溫度變化較大情況下，9 h頻率穩(wěn)定度達(dá)到2×10-9，完全可以滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)激光干涉儀光源頻率穩(wěn)定度的要求。

4 結(jié)論

雙閉環(huán)蘭姆凹陷激光穩(wěn)頻方法在傳統(tǒng)蘭姆凹陷激光穩(wěn)頻方法的基礎(chǔ)上，增加了溫度控制環(huán)節(jié)，通過調(diào)解激光器管壁溫度抵消環(huán)境溫度變化對(duì)激光器諧振腔長(zhǎng)的影響，使穩(wěn)頻激光器可以在環(huán)境溫度波動(dòng)較大的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)正常使用。

雙閉環(huán)蘭姆凹陷激光穩(wěn)頻方法不僅提高了蘭姆凹陷穩(wěn)頻激光器的環(huán)境適應(yīng)能力，而且由于激光器的工作氣體溫度相對(duì)穩(wěn)定，其吸收光譜變化也比較小［5］，利于提高激光器的波長(zhǎng)穩(wěn)定度。同時(shí)，由于對(duì)壓電陶瓷調(diào)整范圍的要求減小，激光器中可以選用長(zhǎng)度較短的壓電陶瓷管，這對(duì)提高激光器的諧振腔質(zhì)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(wěn)頻技術(shù)研究［J］.激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2011，48(8):081401.

［2］北京交通大學(xué).穩(wěn)頻技術(shù)［EB/OL］.［2013-12-20］.http://wenku.baidu.com/view/5f7708fc4693daef5ef73de8.html.

［3］蘇亞欣 .傳熱學(xué) ［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2009.

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

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