專利名稱：雙同位素塞曼激光器及其穩(wěn)頻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬激光器穩(wěn)頻技術(shù)。
塞曼激光測(cè)量系統(tǒng)已在微細(xì)加工設(shè)備幾何量和形狀誤差等精密測(cè)量中獲得了廣泛的應(yīng)用，縱向穩(wěn)頻塞曼激光器是塞曼激光測(cè)量系統(tǒng)的核心部件。為滿足測(cè)量系統(tǒng)的要求，縱向穩(wěn)頻塞曼激光器應(yīng)滿足下列要求頻率穩(wěn)定度和波長(zhǎng)復(fù)現(xiàn)性優(yōu)于10-8量級(jí)，拍頻值達(dá)1.5MHz左右，拍頻波動(dòng)量小于10KHz。
1967年，L.S.Culter發(fā)明了拍頻極值化穩(wěn)頻縱向單同位素塞曼激光器，其基本原理是，在磁通密度一定的情況下，塞曼激光器的拍頻值隨激光器腔調(diào)諧而變化，相應(yīng)于譜線中心處拍頻取得極值。用電子伺服系統(tǒng)將塞曼激光器的拍頻值穩(wěn)定在極值點(diǎn)上，就可使光頻穩(wěn)定在譜線中心。

圖1是該單同位素塞曼激光器的拍頻曲線，從圖1中曲線趨勢(shì)可看出，當(dāng)拍頻極值達(dá)到0.8MHz時(shí)，拍頻曲線趨于平緩，當(dāng)拍頻極值達(dá)到1.0MHz左右時(shí)，拍頻曲線出現(xiàn)兩個(gè)極小峰和一個(gè)極大峰，且曲線更為平緩。曲線平緩意味著穩(wěn)頻精度下降甚至穩(wěn)頻失敗，因此該發(fā)明所能得到的拍頻值不超過0.8MHz，和實(shí)際需要相差甚遠(yuǎn)。
T.Baer在1980年，中國計(jì)量科學(xué)研究院在1984年，Mark.A.Zumberge在1985年依相同的原理相繼研制成功各自的穩(wěn)頻縱向單同位素塞曼激光器，拍頻值均未超過0.8MHz.L.S.Culter的這項(xiàng)發(fā)明經(jīng)過了20多年的歷史，并不斷有人對(duì)其改進(jìn)，卻一直未能應(yīng)用于塞曼激光測(cè)量系統(tǒng)，原因就在于拍頻值太低。
為了提高拍頻值，中國計(jì)量科學(xué)院時(shí)頻處對(duì)單同位素塞曼激光器拍頻曲線做了詳盡的研究，結(jié)果證明拍頻極值化穩(wěn)頻塞曼激光器的拍頻值難以提高到實(shí)用的大小，從而放棄了這一方法，提出了一種拍頻鎖定穩(wěn)頻方法，參考圖2，這種方法是利用伺服系統(tǒng)將拍頻值鎖定在外界參考信號(hào)△fo上，從而使拍頻值從△f1提高到△fo。這種方法的一個(gè)致命缺點(diǎn)是當(dāng)磁通密度或Q值發(fā)生變化時(shí)，將引起拍頻曲線的縱向漂移及形狀變化，導(dǎo)致光頻從UA漂至UB，使得頻率長(zhǎng)期穩(wěn)定度和波長(zhǎng)復(fù)現(xiàn)性下降。
本發(fā)明的目的是為了克服上述各種穩(wěn)頻塞曼激光器的缺點(diǎn)，提供一種實(shí)用的拍頻極值化穩(wěn)頻塞曼激光器，提高塞曼激光器的拍頻值，以滿足精密測(cè)量的實(shí)際要求。
本發(fā)明提供一種新型拍頻極值化穩(wěn)頻縱向塞曼激光器，由內(nèi)充He-Ne混合氣體的全內(nèi)腔激光諧振腔[6]、加在其一端外殼上的壓電陶瓷[7]、繞在腔外的熱調(diào)節(jié)線圈[9]及外加縱向磁場(chǎng)組成，其特征在于諧振腔內(nèi)Ne氣為Ne20、Ne22雙同位素混合氣體。本發(fā)明設(shè)計(jì)出一種拍頻極值化穩(wěn)頻方法，其特征在于采用He-Ne雙同位素塞曼激光器、分光鏡[10]、偏振分光棱鏡[11]、接收器[12]、可逆計(jì)數(shù)器[13]、D/A轉(zhuǎn)換電路[14]、時(shí)鐘電路[15]、PZT伺服電路[16]和熱伺服電路[17]構(gòu)成。
經(jīng)典理論和半經(jīng)典理論的計(jì)算結(jié)果表明，拍頻曲線的形狀及拍頻極值不僅與磁通密度的大小有關(guān)，還與激光器增益介質(zhì)的增益曲線寬度有關(guān)，在相同的磁通密度條件下，增益曲線寬度越大，拍頻極值越大，而提高增益曲線寬度的有效方法就是用雙同位素Ne20、Ne22增益介質(zhì)代替單同位素增益介質(zhì)。上述計(jì)算結(jié)果得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，圖3是本發(fā)明提供的雙同位素增益介質(zhì)塞曼激光器的拍頻曲線，這一組曲線與圖1單同位素增益介質(zhì)塞曼激光器的拍頻曲線形狀恰好相反，在相同磁通密度下，譜線中心處拍頻值比圖1有顯著提高。由圖3可見，雙同位素增益介質(zhì)塞曼激光器的拍頻曲線有一部分是具有尖銳凸峰的上凸曲線，拍頻極大值可達(dá)1.2～1.6MHz。采用雙同位素增益介質(zhì)激光器代替單同位素增益介質(zhì)激光器，拍頻極值化穩(wěn)頻塞曼激光器拍頻值能達(dá)到實(shí)用要求的大小，這就解決了拍頻極值化穩(wěn)頻塞曼激光器自發(fā)明20多年來一直未能解決的問題。
附圖簡(jiǎn)要說明圖1為已有技術(shù)中的單同位素塞曼激光器拍頻曲線。
圖2為拍頻鎖定法穩(wěn)頻點(diǎn)及其漂移。
圖3為本發(fā)明提供的雙同位素塞曼激光器拍頻曲線。
圖4為本發(fā)明提供的拍頻極值化穩(wěn)頻方法實(shí)施方案框圖。
本發(fā)明提供的雙同位素穩(wěn)頻塞曼激光器的最佳實(shí)施例是諧振腔長(zhǎng)在150mm以內(nèi)，以保證激光單模運(yùn)行。為保證增益曲線及拍頻曲線的對(duì)稱性，Ne20氣體的可用比例范圍為占Ne氣體的(53±5)%，雙同位素的最佳混合比例為Ne20∶Ne22＝53∶47，為充氣控制方便，亦可采用等比例混合，即Ne20∶Ne22＝1∶1。
本發(fā)明提供的拍頻極值化穩(wěn)頻方法實(shí)施方案如圖4所示，這一方法的關(guān)鍵在于取得拍頻曲線的一階導(dǎo)數(shù)。其工作原理敘述如下時(shí)鐘電路[15]輸出30Hz標(biāo)準(zhǔn)方波，用于控制可逆計(jì)數(shù)器[13]的加減和D/A轉(zhuǎn)換電路[14]的采樣，以及激光頻率的調(diào)制。用兩對(duì)半圓硬質(zhì)玻璃環(huán)[8]將壓電陶瓷[7]固定在激光諧振腔[6]的外殼上，30Hz方波經(jīng)PZT伺服電路[16]放大加到壓電陶瓷上，伸縮諧振腔以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光頻率的調(diào)制，在方波的低電平期間，計(jì)數(shù)器加計(jì)數(shù);在方波的高電平期間，計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)。經(jīng)過一個(gè)周期后，計(jì)數(shù)器中的余數(shù)與拍頻曲線上某點(diǎn)的一階導(dǎo)數(shù)成正比，若拍頻取得極值，則此時(shí)一階導(dǎo)數(shù)為零，計(jì)數(shù)器中余數(shù)亦為零。D/A轉(zhuǎn)換電路[14]依計(jì)數(shù)器中余數(shù)的正負(fù)將其轉(zhuǎn)換為負(fù)正的模擬量，P2T伺服電路[16]和熱伺服電路[17]將此模擬量放大，輸出至壓電陶瓷[7]和加熱線圈[9]，縮短或伸長(zhǎng)激光諧振腔直至計(jì)數(shù)器中余數(shù)為零，拍頻取得極值，光頻穩(wěn)定在譜線中心。
由該實(shí)施例組成的雙同位素穩(wěn)頻塞曼激光器，其拍頻值達(dá)到1.5MHz，拍頻穩(wěn)定度達(dá)10-3，頻率穩(wěn)定度達(dá)2×10-8，波長(zhǎng)復(fù)現(xiàn)性達(dá)3×10-8(3σ)，滿足了實(shí)際精密測(cè)量的要求。其特點(diǎn)是頻率穩(wěn)定度和波長(zhǎng)復(fù)現(xiàn)性不受磁通密度和Q值等因素變化的影響，誤差因素少，易達(dá)到較高精度。
權(quán)利要求
1.一種He-Ne縱向塞曼激光器，由內(nèi)充Ne-He混合氣體的全內(nèi)腔激光諧振腔[6]、加在其一端外殼上的電壓陶瓷[7]、繞在腔外的熱調(diào)節(jié)線圈[9]及外加縱向磁場(chǎng)組成，其特征在于諧振腔內(nèi)Ne氣為Ne20、Ne22雙同位素混合氣體。
2.如權(quán)利要求1所說的塞曼激光器，其特征在于所充的雙同位素氣體Ne20的充氣比例可用范圍為(53±5)%，
3.如權(quán)利要求2，其特征在于所充雙同位素氣體比例為Ne20∶Ne22＝53∶47。
4.如權(quán)利要求2所說的塞曼激光器，其特征在于所充雙同位素氣體比例為Ne20∶Ne22＝1∶1。
5.一種拍頻極值化穩(wěn)頻方法，其特征在于采用He-Ne雙同位素塞曼激光器、分光鏡[10]、偏振分光棱鏡[11]、接收器[12]、可逆計(jì)數(shù)器[13]、D/A轉(zhuǎn)換電路[14]、時(shí)鐘電路[15]、PZT伺服電路[16]和熱伺服電路[17]構(gòu)成。
全文摘要
一種雙同位素塞曼激光器及其穩(wěn)頻方法，屬激光器穩(wěn)頻技術(shù)。本發(fā)明采用雙同位素增益介質(zhì)塞曼激光器，使譜線中心拍頻值提高，所得拍頻極大化穩(wěn)頻塞曼激光器拍頻值可達(dá)1.2～1.5MHz，其它指標(biāo)亦滿足塞曼激光測(cè)量系統(tǒng)的要求。本發(fā)明可用于超精加工設(shè)備和微細(xì)加工設(shè)備等工作臺(tái)的定位控制、以及一般幾何量的精密測(cè)量。
文檔編號(hào)H01S3/134GK1041068SQ8810644
公開日1990年4月4日 申請(qǐng)日期1988年9月8日 優(yōu)先權(quán)日1988年9月8日
發(fā)明者沈釗, 邵學(xué), 余興龍, 殷純永 申請(qǐng)人:清華大學(xué)