專(zhuān)利名稱：基于熱電致冷器的雙縱模激光器穩(wěn)頻方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于熱電致冷器的雙縱模激光器穩(wěn)頻方法與裝置。
背景技術(shù)：
激光的特點(diǎn)之一是單色性好，其自發(fā)輻射噪聲引起的激光線寬極限很小，但由于各種不穩(wěn)定因素的影響，自由運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器光頻率漂移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線寬極限。在精密干涉測(cè)量、光頻標(biāo)、光通信及精密光譜研究等應(yīng)用領(lǐng)域中，激光作為長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)要求光頻率(波長(zhǎng))具有很好的穩(wěn)定性。
根據(jù)執(zhí)行器的不同，激光穩(wěn)頻方法主要可分為壓電陶瓷穩(wěn)頻法、電熱絲穩(wěn)頻法、放電電流穩(wěn)頻法和風(fēng)冷穩(wěn)頻法等。壓電陶瓷穩(wěn)頻法采用壓電晶體控制腔長(zhǎng)，其在美國(guó)勞倫斯實(shí)驗(yàn)室的大型超精密金剛石車(chē)床激光外差干涉測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用中頻率不確定度可高達(dá)10-9，但工藝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，壓電材料蠕變大且使用周期短。電熱絲穩(wěn)頻法控制纏繞在激光管外或管內(nèi)的電熱絲的電流大小，調(diào)節(jié)激光管溫度和諧振腔腔長(zhǎng)來(lái)穩(wěn)定激光器輸出光頻率，美國(guó)惠普公司利用該方法獲得10-8的頻率穩(wěn)定度，但這種方法既要求系統(tǒng)具有良好的散熱條件，又要防止熱交換過(guò)快帶來(lái)的溫度不穩(wěn)定，因而其熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難，且由于熱調(diào)諧的容性滯后，該方法不能用于鎖定反饋信號(hào)為極值(如塞曼效應(yīng)頻差峰值)的穩(wěn)頻系統(tǒng)中。放電電流穩(wěn)頻法類(lèi)似于電熱絲穩(wěn)頻法，通過(guò)調(diào)節(jié)激光管放電電流，改變激光管溫度和諧振腔腔長(zhǎng)來(lái)穩(wěn)定激光器輸出光頻率，但改變放電電流將影響光強(qiáng)、光頻差等反饋信號(hào)的大小和增益曲線的中心頻率點(diǎn)位置，因此其頻率穩(wěn)定性一般不高于10-7。風(fēng)冷穩(wěn)頻法可以主動(dòng)降低激光管溫度，散熱條件好，但其溫升只能由激光管自身發(fā)熱引起，熱控制曲線的對(duì)稱性設(shè)計(jì)困難，且由于氣流流動(dòng)容易帶來(lái)震動(dòng)，影響穩(wěn)頻效果。
此外，在穩(wěn)頻過(guò)程中激光器達(dá)到熱平衡狀態(tài)是穩(wěn)頻的重要條件之一，上述穩(wěn)頻方法都對(duì)電熱絲加恒電壓進(jìn)行預(yù)熱，特別是電熱絲穩(wěn)頻法中為避免熱飽和一般設(shè)定激光管預(yù)熱目標(biāo)溫度為固定值且大于激光管自然運(yùn)轉(zhuǎn)熱平衡溫度，因而在不同的外界環(huán)境下預(yù)熱效果和預(yù)熱時(shí)間相差較大，甚至預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1小時(shí)以上也難以達(dá)到穩(wěn)頻要求，影響了這些方法在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述已有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提出了一種基于熱電致冷器的雙縱模激光器穩(wěn)頻方法。該方法對(duì)熱電致冷器加反向電流對(duì)激光管預(yù)熱至其自然運(yùn)轉(zhuǎn)熱平衡溫，再通過(guò)控制熱電致冷器電流的大小和方向改變激光器諧振腔腔長(zhǎng)來(lái)控制激光器輸出雙縱模光功率之差為零，此時(shí)兩縱模光頻率均得到穩(wěn)定。
上述的目的通過(guò)以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)基于熱電致冷器的雙縱模激光器穩(wěn)頻方法，該方法包括以下步驟(1)測(cè)量激光器所處的環(huán)境溫度T0，根據(jù)環(huán)境溫度T0確定雙縱模激光器激光管自然開(kāi)機(jī)狀態(tài)下的熱平衡溫度Tset；(2)開(kāi)啟激光器電源，并實(shí)時(shí)測(cè)量激光管的當(dāng)前溫度Treal，對(duì)熱電致冷器加反向電流I并根據(jù)當(dāng)前溫度Treal和熱平衡溫度Tset之差不斷調(diào)整反向電流I值大小，加熱激光管，使其溫度趨近熱平衡溫度Tset。同時(shí)分別測(cè)量激光器偏振方向相互垂直的m階和m+1階縱模的光功率Pm和Pm+1，并求出兩功率之差ΔP；(3)激光管溫度達(dá)到熱平衡溫度Tset，根據(jù)兩功率之差ΔP的正、負(fù)對(duì)熱電致冷器施加正、反向電流，控制其對(duì)激光管制冷、加熱，改變激光管的溫度、諧振腔長(zhǎng)度和激光縱模頻率，使得兩縱模激光頻率關(guān)于增益曲線中心頻率對(duì)稱，光功率差ΔP趨近于零；(4)光功率差ΔP＝0時(shí)，則熱電致冷器電流I＝0，兩縱模光頻率穩(wěn)定的對(duì)稱分布于增益曲線中心頻率兩側(cè)，兩縱模光頻率都得到穩(wěn)定。
基于熱電致冷器的雙縱模激光器穩(wěn)頻裝置，其組成包括高壓電源、溫度傳感器、散熱器、偏振分光器、光電探測(cè)器、前置放大器、后置放大器、低通濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器、D/A轉(zhuǎn)換器、濾波電感，本發(fā)明還包括實(shí)現(xiàn)He-Ne激光管與工作環(huán)境之間以散熱器為媒介的熱交換、以實(shí)現(xiàn)預(yù)熱和穩(wěn)頻兩個(gè)控制過(guò)程的熱電致冷器及其控制器，以及降低所述的He-Ne激光管與工作環(huán)境之間熱交換的隔熱層。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是在激光器開(kāi)機(jī)前先測(cè)量激光器環(huán)境溫度，根據(jù)環(huán)境溫度確定預(yù)熱目標(biāo)溫度值，并以預(yù)熱目標(biāo)溫度為參考信號(hào)，激光管1溫度為反饋信號(hào)，兩者之差為偏差信號(hào)，熱電致冷器6為執(zhí)行元件，激光管1為控制對(duì)象，構(gòu)成用于激光管預(yù)熱的溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)。預(yù)熱目標(biāo)溫度隨初始環(huán)境溫度變化而調(diào)節(jié)，且在預(yù)熱過(guò)程中預(yù)熱電流隨著偏差信號(hào)的變化不斷變化而不是保持恒值，有利于減小環(huán)境溫度的影響，快速有效的達(dá)到預(yù)熱目的，這是區(qū)別現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之一；結(jié)合偏振分光器12，光電探測(cè)器13、14分別采集兩縱模光功率，在激光管1達(dá)到熱平衡后，以零值為輸入，兩功率之差為電壓形式的反饋信號(hào)，熱電致冷器6為可實(shí)行加熱、致冷的執(zhí)行元件，諧振腔腔長(zhǎng)為控制對(duì)象，構(gòu)成零定值的激光功率差控制系統(tǒng)，間接穩(wěn)定激光器輸出光頻。本發(fā)明利用熱電致冷器的加熱、致冷效應(yīng)來(lái)減小、增加腔長(zhǎng)，通過(guò)雙向跟蹤特性高效率地穩(wěn)定激光器輸出光頻率，這是區(qū)別現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之二；采用熱電致冷器6穩(wěn)頻的穩(wěn)頻裝置具有獨(dú)特的熱交換結(jié)構(gòu)，利用隔熱層9大大降低激光管1與外界的自由熱交換，同時(shí)以鋁導(dǎo)熱層4為熱交換介質(zhì)，用熱電致冷器6實(shí)現(xiàn)受控的激光管1與外界熱交換，使被穩(wěn)頻環(huán)節(jié)處于相對(duì)穩(wěn)定的熱環(huán)境中，有利于提高穩(wěn)頻的抗干擾能力，這是區(qū)別現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之三；采用上述技術(shù)后，穩(wěn)頻裝置具有如下顯著特點(diǎn)1)在環(huán)境溫度不同的情況下，預(yù)熱時(shí)間和預(yù)熱效果的一致性比較好，使用本發(fā)明預(yù)熱方法的穩(wěn)頻裝置可適用于較多的工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，避免了現(xiàn)有穩(wěn)頻裝置隨著環(huán)境溫度不同出現(xiàn)的預(yù)熱時(shí)間加長(zhǎng)，預(yù)熱效果不理想等缺點(diǎn)；2)熱電致冷器的致冷和加熱雙重功能，可保證激光器的溫度和頻率處于雙向(升高、降低)完全受控狀態(tài)下，避免了原熱穩(wěn)頻裝置因設(shè)計(jì)不足出現(xiàn)的熱飽和熱功率不足而進(jìn)一步引起的光頻單向漂移甚至跳模問(wèn)題。
3)隔熱器件大大降低了激光管與外界的自由熱交換、熱電致冷器實(shí)現(xiàn)受控的激光管與外界熱交換，這種機(jī)構(gòu)避免了原穩(wěn)頻裝置的光頻穩(wěn)定性易受外界環(huán)境溫度、氣流速度變化影響的缺點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明裝置的原理示意2為本發(fā)明裝置熱電致冷器安裝的結(jié)構(gòu)示意3為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意4為本發(fā)明的預(yù)熱過(guò)程中溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)示意5為本發(fā)明的穩(wěn)頻過(guò)程中功率差閉環(huán)控制系統(tǒng)示意6為本發(fā)明中熱電致冷器電流方向與熱交換方向的相互關(guān)系示意7為本發(fā)明實(shí)施例在不同初始環(huán)境下的預(yù)熱溫度數(shù)據(jù)曲線圖8實(shí)施例所用He-Ne激光管1在預(yù)熱過(guò)程中雙縱模光功率變化數(shù)據(jù)曲線圖中，1He-Ne激光管、2高壓電源、3和5和7硅膠導(dǎo)熱層、4鋁導(dǎo)熱層、5熱電致冷器、8散熱器、9隔熱層、10溫度傳感器、11環(huán)境溫度傳感器、12偏振分光器、13和14光電探測(cè)器、15和16前置放大器、17和18后置放大器、19和20低通濾波器、21和22A/D轉(zhuǎn)換器、23微處理器、24D/A轉(zhuǎn)換器、25熱電致冷控制器、26和27濾波電感、28預(yù)熱狀態(tài)燈、29穩(wěn)頻狀態(tài)燈本發(fā)明的
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種基于熱電致冷器的雙縱模激光器穩(wěn)頻方法，該方法包括以下步驟(1)測(cè)量激光器所處的環(huán)境溫度T0，根據(jù)環(huán)境溫度T0確定雙縱模激光器激光管在該環(huán)境溫度下自然開(kāi)機(jī)后的熱平衡溫度Tset。
(2)開(kāi)啟激光器高壓電源1，并實(shí)時(shí)測(cè)量激光管的當(dāng)前溫度Treal，對(duì)熱電致冷器加反向電流I并根據(jù)當(dāng)前溫度Treal和熱平衡溫度Tset之差不斷調(diào)整反向電流I值大小，加熱激光管1，使其溫度趨近熱平衡溫度Tset。同時(shí)分別測(cè)量激光器偏振方向相互垂直的m階和m+1階縱模的光功率Pm和Pm+1，并求出兩功率之差ΔP。
(3)激光管1溫度達(dá)到熱平衡溫度Tset，根據(jù)兩功率之差ΔP的正、負(fù)對(duì)熱電致冷器6施加正、反向電流，控制其對(duì)激光管1制冷、加熱，改變激光管1的溫度、諧振腔長(zhǎng)度和激光縱模頻率，使得兩縱模激光頻率關(guān)于增益曲線中心頻率對(duì)稱，光功率差ΔP趨近于零。
(4)光功率差ΔP＝0時(shí)，則熱電致冷器6電流I＝0，兩縱模光頻率穩(wěn)定的對(duì)稱分布于增益曲線中心頻率兩側(cè)，兩縱模光頻率都得到穩(wěn)定。
一種基于熱電致冷器的雙縱模激光器穩(wěn)頻裝置，主要由He-Ne激光管1、高壓電源2、硅膠導(dǎo)熱層3和5和7、鋁導(dǎo)熱層4、熱電致冷器6、散熱器8、隔熱層9、溫度傳感器10、環(huán)境溫度傳感器11、偏振分光器12、光電探測(cè)器13和14、前置放大器15和16、后置放大器17和18、低通濾波器19和20、A/D轉(zhuǎn)換器21和22、微處理器23、D/A轉(zhuǎn)換器24、熱電致冷控制器25、濾波電感26和27、預(yù)熱狀態(tài)燈28、穩(wěn)頻狀態(tài)燈29構(gòu)成。整個(gè)裝置利用熱電致冷器6實(shí)現(xiàn)He-Ne激光管1與工作環(huán)境之間以散熱器8為媒介的熱交換，實(shí)現(xiàn)預(yù)熱和穩(wěn)頻兩個(gè)控制過(guò)程。
本發(fā)明的基于熱電致冷器的雙縱模激光器穩(wěn)頻裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說(shuō)明如下本發(fā)明的基于熱電致冷器的雙縱模激光器穩(wěn)頻裝置一實(shí)施例，結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括He-Ne激光管1、高壓電源2、硅膠導(dǎo)熱層3和5和7、鋁導(dǎo)熱層4、熱電致冷器6、散熱器8、隔熱層9、溫度傳感器10、環(huán)境溫度傳感器11、偏振分光器12、光電探測(cè)器13和14、前置放大器15和16、后置放大器17和18、低通濾波器19和20、A/D轉(zhuǎn)換器21和22、微處理器23、D/A轉(zhuǎn)換器24、熱電致冷控制器25、濾波電感26和27、預(yù)熱狀態(tài)燈28、穩(wěn)頻狀態(tài)燈29。
實(shí)施例裝置開(kāi)始工作時(shí)，微處理器23(ATML89C52)驅(qū)動(dòng)預(yù)熱狀態(tài)燈28(LED)，顯示裝置進(jìn)入預(yù)熱狀態(tài)；微處理器23根據(jù)環(huán)境溫度傳感器11(DS18B20)測(cè)得的環(huán)境溫度設(shè)定熱平衡溫度，開(kāi)啟高壓電源2點(diǎn)亮He-Ne激光管1；在預(yù)熱控制中，微處理器23以熱平衡溫度為輸入信號(hào)，溫度傳感器10(HTS206)測(cè)得的激光管溫度為輸出信號(hào)和反饋信號(hào)，根據(jù)MPC這一適用于滯后系統(tǒng)的控制算法，輸出數(shù)字信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器24(AD420)數(shù)模轉(zhuǎn)換得到模擬電壓，將此模擬電壓送到功率放大熱電致冷控制器25(MAX1968)得到PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，以控制通過(guò)熱電致冷器6(杭州建華TEC1-3503T125)的反向電流I大小，對(duì)導(dǎo)熱層3、4、5和He-Ne激光管1加熱；串接在電流回路中的大功率電感26、27濾除PWM信號(hào)中的高頻交流電流以獲得較好的控制效果。
在達(dá)到熱平衡溫度后，微處理器23關(guān)斷預(yù)熱狀態(tài)燈28(LED)，驅(qū)動(dòng)穩(wěn)頻狀態(tài)燈29(LED)，微處理器23切換整個(gè)裝置開(kāi)始穩(wěn)頻控制He-Ne激光管1發(fā)出的雙縱模光根據(jù)其偏振特性被偏振分光器12(PBS)分光并分別為光電探測(cè)器(PN)13、14轉(zhuǎn)換成兩個(gè)代表功率大小的電流信號(hào)；此兩電流信號(hào)經(jīng)前置放大器(TLC2652)15和16，后置放大器(OP07)17和18，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器(AD976)21和22采集為數(shù)字量輸入微處理器23，求出兩縱模光功率之差；以零值為輸入量，光功率差作為反饋信號(hào)，微處理器23根據(jù)MPC這一適用于滯后系統(tǒng)的控制算法，輸出數(shù)字信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器24數(shù)模轉(zhuǎn)換得到模擬電壓，將此模擬電壓送到熱電致冷控制器25得到PWM脈寬調(diào)制信號(hào)以控制通過(guò)熱電致冷器6的電流大小和方向，對(duì)導(dǎo)熱層3、4、5和He-Ne激光管1加熱或者致冷，改變激光管的溫度、諧振腔長(zhǎng)度和激光縱模頻率，使得兩縱模激光頻率關(guān)于增益曲線中心頻率對(duì)稱，光功率差趨近于零。當(dāng)光功率差穩(wěn)定于零值附近時(shí)，微處理器23關(guān)斷穩(wěn)頻狀態(tài)燈29(LED)，表明穩(wěn)頻工作完成。
圖2給出了本發(fā)明裝置中He-Ne激光管1安裝示意圖。目前He-Ne激光管一般為圓形，而熱電致冷器一般為平板形，為實(shí)現(xiàn)兩者之間的熱交換，本發(fā)明設(shè)計(jì)了形狀如圖所示的鋁導(dǎo)熱層4，而硅膠導(dǎo)熱層3、5、7主要是為導(dǎo)熱填充物，提高He-Ne激光管1和鋁導(dǎo)熱層4之間，鋁導(dǎo)熱層4和熱電致冷器6之間，熱電致冷器6和散熱器8之間的熱傳導(dǎo)性能。
圖6說(shuō)明了實(shí)施例中熱電致冷器6電流方向與熱能方向相互關(guān)系。
實(shí)施例中熱電致冷器6是應(yīng)用半導(dǎo)體材料顯著的帕爾帖效應(yīng)和其它有關(guān)熱電效應(yīng)而設(shè)計(jì)制造的半導(dǎo)體組件，據(jù)有體積小，壽命長(zhǎng)，無(wú)噪聲振動(dòng)和無(wú)任何污染等優(yōu)點(diǎn)，原理是當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)成電偶對(duì)時(shí)，在這個(gè)電路中接通直流電流后，就能發(fā)生能量的轉(zhuǎn)移電流由N型元件流向P型元件，接頭吸收熱量，成為冷端；電流由P型元件流向N型元件，接頭釋放熱量。成為熱端。熱能方向由電流的方向決定，吸收熱量和放出熱量的大小由電流大小決定。
當(dāng)實(shí)施例中熱電致冷器6的正電極端輸入電流時(shí)，熱能從He-Ne激光管1輸出，依次經(jīng)硅導(dǎo)熱層3，鋁導(dǎo)熱層4，硅膠導(dǎo)熱層5，熱電致冷器6，硅膠導(dǎo)熱層7，到達(dá)散熱器8，散熱器8有較大面積，因此熱量很容易通過(guò)空氣對(duì)流和輻射的形式散到空氣中；當(dāng)實(shí)施例中熱電致冷器6的負(fù)電極端輸入電流時(shí)，散熱器8通過(guò)空氣對(duì)流和輻射的形式從空氣中吸收熱能，依次經(jīng)硅膠導(dǎo)熱層7，熱電致冷器6，硅膠導(dǎo)熱層5，鋁導(dǎo)熱層4，硅膠導(dǎo)熱層3，到達(dá)He-Ne激光管1。
圖7給出了本發(fā)明裝置實(shí)施例在不同初始環(huán)境下的預(yù)熱溫度數(shù)據(jù)曲線，從曲線變化趨勢(shì)可以得出在不同的初始溫度環(huán)境下，激光器預(yù)熱曲線變化趨勢(shì)基本一致，在15分鐘左右溫度上升至距目標(biāo)溫度0.1℃之內(nèi)，且溫度變化率很小，基本達(dá)到熱平衡。說(shuō)明裝置在不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)過(guò)時(shí)間基本一致的預(yù)熱，都能獲得熱平衡，提供較好的穩(wěn)頻條件。
圖8給出了本發(fā)明裝置實(shí)施例所采用的He-Ne激光管1雙縱模光功率變化數(shù)據(jù)。
實(shí)施例所采用諧振腔長(zhǎng)度l為150mm的633nm同軸式內(nèi)腔He-Ne激光管，根據(jù)諧振腔選模理論，其模間距與光速c和諧振腔長(zhǎng)度有關(guān)fm+1-fm=c2l≈1GHz---(1)]]>而增益寬度為1.2～1.5GHz，因此在激光器自然運(yùn)轉(zhuǎn)的大部分時(shí)刻，激光器可保持兩個(gè)縱模同時(shí)振蕩，又由于模式競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系兩縱模為相互垂直的偏振光，且功率較大的優(yōu)勢(shì)振蕩模偏振方向總是出現(xiàn)在激光管諧振腔的損耗較小的固定徑向上，并隨著增益的變化兩模的偏振方向突然互換，出現(xiàn)跳?，F(xiàn)象。但這種“跳?！爆F(xiàn)象隨著各種激光器氣體成分，諧振腔損耗和雙折射特性的不同而不同，如果跳?，F(xiàn)象在功率相等點(diǎn)出現(xiàn)，則此點(diǎn)不能穩(wěn)定控制。從圖3中可見(jiàn)，本實(shí)施例采用的激光管的“跳模”并不出現(xiàn)在兩縱模功率相等的時(shí)刻，因此激光管可通過(guò)控制穩(wěn)定在兩縱模功率相等，頻率相對(duì)增益曲線中心頻率對(duì)稱分布的狀態(tài)。
以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作了說(shuō)明，但是依照法律規(guī)定這些說(shuō)明不會(huì)限制本發(fā)明的權(quán)利保護(hù)范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍由隨附的權(quán)利要求書(shū)限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基礎(chǔ)上進(jìn)行的、該領(lǐng)域技術(shù)人員能夠根據(jù)已有知識(shí)做出的改動(dòng)都是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于熱電致冷器的雙縱模激光器穩(wěn)頻方法，其特征是該方法包括以下步驟(1)測(cè)量激光器所處的環(huán)境溫度T0，根據(jù)環(huán)境溫度T0確定雙縱模激光器激光管自然開(kāi)機(jī)狀態(tài)下的熱平衡溫度Tset；(2)開(kāi)啟激光器電源，并實(shí)時(shí)測(cè)量激光管的當(dāng)前溫度Treal，對(duì)熱電致冷器加反向電流I并根據(jù)當(dāng)前溫度Treal和熱平衡溫度Tset之差不斷調(diào)整反向電流I值大小，加熱激光管，使其溫度趨近熱平衡溫度Tset。同時(shí)分別測(cè)量激光器偏振方向相互垂直的m階和m+1階縱模的光功率Pm和Pm+1，并求出兩功率之差ΔP；(3)激光管溫度達(dá)到熱平衡溫度Tset，根據(jù)兩功率之差ΔP的正、負(fù)對(duì)熱電致冷器施加正、反向電流，控制其對(duì)激光管制冷、加熱，改變激光管的溫度、諧振腔長(zhǎng)度和激光縱模頻率，使得兩縱模激光頻率關(guān)于增益曲線中心頻率對(duì)稱，光功率差ΔP趨近于零；(4)光功率差ΔP＝0時(shí)，則熱電致冷器電流I＝0，兩縱模光頻率穩(wěn)定的對(duì)稱分布于增益曲線中心頻率兩側(cè)，兩縱模光頻率都得到穩(wěn)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱電致冷器的雙縱模激光器穩(wěn)頻方法，其特征是預(yù)熱前測(cè)量了環(huán)境溫度，并據(jù)此確定了預(yù)熱目標(biāo)溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于熱電致冷器的雙縱模激光器穩(wěn)頻方法，其特征是預(yù)熱目標(biāo)溫度等于He-Ne激光管自然開(kāi)機(jī)狀態(tài)下的熱平衡溫度，而不要求高于He-Ne激光管自然開(kāi)機(jī)的熱平衡溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于熱電致冷器的雙縱模激光器穩(wěn)頻方法，其特征是預(yù)熱過(guò)程中熱電制冷器電流不是恒定值，而是根據(jù)當(dāng)前溫度Treal和熱平衡溫度Tset之差不斷調(diào)整；調(diào)整方法可依據(jù)PID算法，也可以是MPC算法，PFC算法等適用于熱滯后系統(tǒng)的控制算法。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于熱電致冷器的雙縱模激光器穩(wěn)頻方法，其特征是預(yù)熱過(guò)程中采用了熱電致冷器對(duì)He-Ne激光管加熱。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于熱電致冷器的雙縱模激光器穩(wěn)頻方法，其特征在于預(yù)熱后的穩(wěn)頻階段采用了熱電致冷器對(duì)He-Ne激光管進(jìn)行致冷和預(yù)熱以控制腔長(zhǎng)。
7.一種基于熱電致冷器的雙縱模激光器穩(wěn)頻裝置，其組成包括高壓電源、溫度傳感器、散熱器、偏振分光器、光電探測(cè)器、前置放大器、后置放大器、低通濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器、D/A轉(zhuǎn)換器、濾波電感，其特征是本發(fā)明還包括實(shí)現(xiàn)He-Ne激光管與工作環(huán)境之間以散熱器為媒介的熱交換、以實(shí)現(xiàn)預(yù)熱和穩(wěn)頻兩個(gè)控制過(guò)程的熱電致冷器及其控制器，以及降低所述的He-Ne激光管與工作環(huán)境之間熱交換的隔熱層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于熱電致冷器的雙縱模激光器穩(wěn)頻裝置，其特征是在所述的He-Ne激光管和鋁導(dǎo)熱層之間具有高效導(dǎo)熱的硅膠導(dǎo)熱層，在所述的鋁導(dǎo)熱層和熱電致冷器之間具有高效導(dǎo)熱的硅膠導(dǎo)熱層，在所述的散熱器和熱電致冷器之間具有高效導(dǎo)熱的硅膠導(dǎo)熱層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于熱電致冷器的雙縱模激光器穩(wěn)頻裝置，其特征是在所述的鋁導(dǎo)熱層中嵌入了對(duì)鋁導(dǎo)熱層的溫度進(jìn)行監(jiān)控的溫度傳感器。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的基于熱電致冷器的雙縱模激光器穩(wěn)頻裝置，其特征是其組成還包括采用了作為激光管與外界熱交換導(dǎo)體、降低了激光管與外界環(huán)境自由熱交換的整個(gè)導(dǎo)熱層結(jié)構(gòu)。
全文摘要
基于熱電致冷器的雙縱模激光器穩(wěn)頻方法與裝置，激光穩(wěn)頻方法主要是壓電陶瓷穩(wěn)頻法等。本發(fā)明的方法包括以下步驟測(cè)量激光器所處的環(huán)境溫度T
文檔編號(hào)H01S3/13GK1983747SQ20061001014
公開(kāi)日2007年6月20日 申請(qǐng)日期2006年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月12日
發(fā)明者譚久彬, 胡鵬程, 龐鴻光, 路偉 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)