本發(fā)明涉及一種雙頻激光器輸出頻差的穩(wěn)頻裝置，尤其涉及一種同時穩(wěn)定與調(diào)制雙頻激光器輸出頻差的裝置及方法。

背景技術(shù)：

雙頻激光器作為雙頻激光干涉儀的核心模塊，其頻差大小是決定雙頻激光干涉儀的測量速度的重要因素。雙頻激光器的頻率穩(wěn)定度曾是考核雙頻激光器工作性能的唯一指標(biāo)，但隨著多種測量需求的產(chǎn)生，雙頻激光器的頻差穩(wěn)定性指標(biāo)也引起了廣泛的重視。特別是對于波長合成測量以及高速震動測量領(lǐng)域，雙頻激光器的頻差穩(wěn)定性直接決定了測量的精度。所以對于雙頻激光器輸出頻差的穩(wěn)定性必須進(jìn)行精確的控制。對于雙頻激光干涉儀，對輸出頻差大小的調(diào)制直接提高其測量速度和儀器性能。

目前，控制雙頻激光器的穩(wěn)定輸出頻差方法主要是對雙頻激光器進(jìn)行穩(wěn)頻，如等光強(qiáng)法等，通過控制雙頻激光器頻率的穩(wěn)定來實(shí)現(xiàn)頻差的穩(wěn)定。

然而，傳統(tǒng)的穩(wěn)頻方法結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要將激光器與溫控部件均勻連接在一起，并且需要復(fù)雜的電路配合程序進(jìn)行激光器的精確溫度控制來實(shí)現(xiàn)頻率的穩(wěn)定。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

綜上所述，確有必要提供一種能夠精確控制與調(diào)制雙頻激光器輸出頻差的裝置及方法。

一種雙頻激光器輸出頻差的穩(wěn)頻裝置，其中，所述雙頻激光器輸出頻差的穩(wěn)頻裝置包括：

磁場施加模塊，用于產(chǎn)生與雙頻激光器輸出的雙頻激光垂直的磁場，所述雙頻激光器設(shè)置于所述磁場中；

穩(wěn)頻模塊，包括壓電陶瓷，所述壓電陶瓷設(shè)置于雙頻激光器的輸出腔鏡上，用于調(diào)整雙頻激光器輸出的雙頻激光的頻差值；

偏振片，設(shè)置于所述雙頻激光器輸出的雙頻激光的光路上形成雙頻拍頻光；

光電探測器，設(shè)置于偏振片出射的雙頻拍頻光的光路上，用于接收雙頻拍頻光，并將光信號轉(zhuǎn)化為電信號；

信號處理模塊，與光電探測器電連接以采集光電探測器的電信號，將電信號轉(zhuǎn)換為頻差信號；

壓電陶瓷驅(qū)動模塊，與壓電陶瓷電連接，用于控制壓電陶瓷的位移量以調(diào)制施加在輸出腔鏡上的應(yīng)力大小；

數(shù)據(jù)處理模塊，與所述信號處理模塊及壓電陶瓷驅(qū)動模塊電連接，用于根據(jù)信號處理模塊獲得的頻差信號，通過壓電陶瓷驅(qū)動模塊驅(qū)動壓電陶瓷，以調(diào)整施加在輸出腔鏡上的應(yīng)力大小。

在其中一個實(shí)施例中，所述雙頻激光器輸出的兩束雙頻激光的雙頻分量偏振態(tài)方向相互垂直，且其中一個分量的偏振方向與輸出腔鏡的主應(yīng)力方向相同，另一個分量的偏振方向與主應(yīng)力方向垂直。

在其中一個實(shí)施例中，所述磁場施加模塊包括兩個磁條間隔且相對設(shè)置于雙頻激光器的兩側(cè)，用于形成垂直于雙頻激光方向的磁場。

在其中一個實(shí)施例中，所述壓電陶瓷設(shè)置于輸出腔鏡的邊緣，且使所述壓電陶瓷的位移方向平行于輸出腔鏡的主應(yīng)力方向。

在其中一個實(shí)施例中，所述壓電陶瓷沿平行于輸出腔鏡的主應(yīng)力方向?qū)敵銮荤R施加壓力。

在其中一個實(shí)施例中，所述壓電陶瓷設(shè)置于所述輸出腔鏡的邊緣，用于向所述輸出腔鏡施加壓力以調(diào)整雙頻激光器輸出的雙頻激光的頻差值。

在其中一個實(shí)施例中，所述穩(wěn)頻模塊還包括緊固裝置，所述緊固裝置設(shè)置于所述輸出腔鏡邊緣，用于將所述壓電陶瓷卡設(shè)在所述輸出腔鏡上。

一種利用上述任意一項(xiàng)所述的雙頻激光器輸出頻差的穩(wěn)頻裝置進(jìn)行穩(wěn)頻的方法，其中，所述方法包括：

向雙頻激光器施加磁場，且磁場方向與雙頻激光器主應(yīng)力方向一致；

調(diào)整壓電陶瓷的位置，使壓電陶瓷的位移方向與雙頻激光器主應(yīng)力方向一致；

旋轉(zhuǎn)偏振片的偏振方向，使雙頻激光的兩個分量形成穩(wěn)定的拍頻光，調(diào)整偏振片的偏振方向，使拍頻光的幅值最大；

利用光電探測器探測拍頻光，并將拍頻光轉(zhuǎn)換為電信號；

通過信號處理模塊，用于采集光電探測器的電信號，將其轉(zhuǎn)換為頻差值；

通過數(shù)據(jù)采集模塊采集頻差值，與所需的頻差值做比較獲得差值，根據(jù)差值調(diào)整壓電陶瓷的位移量，使雙頻激光器輸出的雙頻激光的頻差值達(dá)到所需的頻差值。

在其中一個實(shí)施例中，所述數(shù)據(jù)處理模塊的輸出值u(t)與雙頻激光器實(shí)際輸出的頻差與所需的頻差值之間的差e(t)的關(guān)系為：

其中K_p為比例參數(shù)，K_i為積分參數(shù)，K_d為微分參數(shù)，t為系統(tǒng)時間。

上述實(shí)施例提供的雙頻激光器輸出頻差的穩(wěn)頻裝置及方法，可以穩(wěn)定雙頻激光器的輸出頻差。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，適用范圍廣，性價比高，具有廣闊的應(yīng)用前景。

另外，將雙頻激光器的頻差為上述穩(wěn)頻裝置的直接控制量，能夠?qū)崿F(xiàn)頻差的直接控制和調(diào)制輸出，從而能夠滿足精確控制的要求

附圖說明

圖1為實(shí)施例所述的雙頻激光器輸出頻差的穩(wěn)頻裝置；

圖2為圖1所述的雙頻激光器輸出頻差的穩(wěn)頻裝置中穩(wěn)頻模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為雙頻激光模組輸出頻差變化和壓電陶瓷位移變化量的線性關(guān)系曲線；

圖4為頻差穩(wěn)定與調(diào)制性能曲線的示意圖；

圖5為本發(fā)明提供的對雙頻激光器輸出頻差的穩(wěn)頻裝置進(jìn)行穩(wěn)頻的方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的描述，為了方便描述，本發(fā)明首先描述所述雙頻激光器輸出頻差的穩(wěn)頻裝置。

請參閱圖1，雙頻激光器輸出頻差的穩(wěn)頻裝置100用于對雙頻激光器1輸出的雙頻激光進(jìn)行穩(wěn)頻，所述雙頻激光器1包括輸出腔鏡11，用于連續(xù)輸出雙頻激光。所述雙頻激光器輸出頻差的穩(wěn)頻裝置100包括磁場施加模塊2，用于產(chǎn)生與輸出激光垂直的磁場，所述雙頻激光器1設(shè)置于所述磁場中；穩(wěn)頻模塊3，設(shè)置于雙頻激光器1的輸出腔鏡11上，用于調(diào)整雙頻激光器1輸出的雙頻激光的頻差值；偏振片4，設(shè)置于所述雙頻激光器1輸出的雙頻激光的光路上以形成雙頻拍頻光；光電探測器5，設(shè)置于從偏振片4出射的激光光路上，用于接收雙頻拍頻光，并將光信號轉(zhuǎn)化為電信號；信號處理模塊6，用于采集光電探測器5的電信號，并將其轉(zhuǎn)換為頻差信號；壓電陶瓷驅(qū)動模塊7，與穩(wěn)頻模塊3相連，以驅(qū)動穩(wěn)頻模塊3調(diào)制施加在雙頻激光器1輸出腔鏡11上的應(yīng)力大小；數(shù)據(jù)處理模塊8，與所述信號處理模塊6及壓電陶瓷驅(qū)動模塊7電連接，以根據(jù)信號處理模塊6獲得的電信號，通過壓電陶瓷驅(qū)動模塊7對穩(wěn)頻模塊3進(jìn)行調(diào)制，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定及調(diào)制頻差輸出。

所述雙頻激光器1為雙頻激光器，用于連續(xù)輸出雙頻激光形成激光光路，所述兩束雙頻激光的雙頻分量偏振態(tài)方向相互垂直，且其中一個分量的偏振方向與雙頻激光器1中的主應(yīng)力方向相同，也即與輸出腔鏡11的主應(yīng)力方向相同，另一個分量的偏振方向與主應(yīng)力方向垂直，其輸出頻差為需要穩(wěn)定與調(diào)制的變量。本實(shí)施例中，所述激光模塊1為氦氖雙頻激光器，且主應(yīng)力方向?yàn)樨Q直方向。

所述磁場施加模塊2可包括磁場強(qiáng)度固定的磁條對，所述磁條對包括兩個磁條間隔且相對設(shè)置于雙頻激光器1的兩側(cè)，用于形成垂直于雙頻激光方向的磁場，以產(chǎn)生橫向塞曼效應(yīng)。通過橫向塞曼效應(yīng)和應(yīng)力雙折射效應(yīng)的共同作用，雙頻激光器1輸出具有兩個頻率分量的激光。在本實(shí)施例中，磁場的方向與雙頻激光器1的主應(yīng)力方向平行，均為豎直方向。

所述穩(wěn)頻模塊3包括壓電陶瓷32，設(shè)置于所述雙頻激光器1的輸出腔鏡11上，用于調(diào)制頻差輸出。具體的，所述壓電陶瓷32設(shè)置于所述輸出腔鏡11的邊緣。所述壓電陶瓷32用于沿垂直于輸出的雙頻激光的方向移動，以對輸出腔鏡11施加壓力，所述壓電陶瓷32的位移方向即為向輸出腔鏡11施加壓力的方向。進(jìn)一步，所述壓電陶瓷32的位移方向與雙頻激光器1的主應(yīng)力方向平行，即壓電陶瓷32的位移方向沿著輸出腔鏡11的主應(yīng)力方向，為豎直方向。所述壓電陶瓷32用于沿平行于輸出腔鏡11的主應(yīng)力方向?qū)λ鲚敵銮荤R11施加壓力。在本實(shí)施例中，壓電陶瓷的位移伸長量為2μm。

另外，請一并參閱圖2，所述穩(wěn)頻模塊3還可包括緊固裝置，所述緊固裝置設(shè)置于輸出腔鏡上，用于對壓電陶瓷32進(jìn)行固定。具體的，所述緊固裝置可包括緊固螺釘31，所述緊固螺釘31用于將壓電陶瓷32卡設(shè)在所述輸出腔鏡11上，以使壓電陶瓷32對輸出腔鏡11施加壓力。進(jìn)一步，所述穩(wěn)頻模塊3還包括連接緊固螺釘31及壓電陶瓷32的緊固框33。本實(shí)施例中，所述緊固螺釘31與壓電陶瓷32相對設(shè)置于所述輸出腔鏡11邊緣，并且通過緊固框33將壓電陶瓷32固定在輸出腔鏡11上。可以理解，所述緊固螺釘31與壓電陶瓷32相對設(shè)置僅為具體的實(shí)施例，還可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇，只要將壓電陶瓷32固定在輸出腔鏡11邊緣即可。

所述偏振片4，設(shè)置于所述雙頻激光器1輸出的雙頻激光的光路上。具體的，所述偏振片4設(shè)置于從輸出腔鏡11輸出的雙頻激光的光路上。所述偏振片4具有預(yù)定的偏振方向，通過旋轉(zhuǎn)特定的角度，形成輸出雙頻分量的拍頻光。在本實(shí)施例中，偏振片消光比為500:1。

所述光電探測器5，設(shè)置于偏振片4后，用于接收雙頻拍頻光，并將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。在本實(shí)施例中，光電探測器為響應(yīng)頻率為10MHz的PIN光電探測器。

所述信號處理模塊6，用于采集光電探測器的電信號，將其轉(zhuǎn)換為頻差信號。在本實(shí)施例中，信號處理模塊為頻率計，頻率采集分辨率為1Hz。

所述壓電陶瓷驅(qū)動模塊7，與穩(wěn)頻模塊3中的壓電陶瓷32相連，用于控制壓電陶瓷32的伸縮量來調(diào)制施加在雙頻激光器1輸出腔鏡11上的應(yīng)力大小。壓電陶瓷驅(qū)動模塊7將信號處理模塊6輸出的信號進(jìn)行放大，施加在壓電陶瓷32上。壓電陶瓷32的伸長量與壓電陶瓷驅(qū)動模塊7施加的放大后的信號成正比。在本實(shí)施例中，驅(qū)動模塊的放大倍數(shù)為100倍。

所述數(shù)據(jù)處理模塊8，與所述信號處理模塊6和所述壓電陶瓷驅(qū)動模塊7相連，用于根據(jù)信號處理模塊6獲得的頻差信號，控制壓電陶瓷驅(qū)動模塊7以調(diào)整施加在雙頻激光器1輸出腔鏡11上的應(yīng)力大小。具體的，所述數(shù)據(jù)處理模塊8可通過比例微分積分程序控制壓電陶瓷驅(qū)動模塊7，調(diào)整施加在輸出腔鏡11的應(yīng)力的大小，以實(shí)現(xiàn)頻差大小的調(diào)整。

請一并參閱圖3及圖4，具體的，所述數(shù)據(jù)處理模塊8包括系統(tǒng)控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊(圖中未示)，該數(shù)據(jù)采集模塊從所述信號處理模塊6中采集測量雙頻激光的頻差大小，作為比例積分微分控制程序的輸入量，與設(shè)定的需求的頻差值相比較，獲得差值。數(shù)據(jù)處理模塊8根據(jù)該差值獲得所需調(diào)整的壓電陶瓷32的應(yīng)力大小及對應(yīng)的位移量，該系統(tǒng)控制模塊根據(jù)所述差值輸出調(diào)制信號至所述壓電陶瓷驅(qū)動模塊7，調(diào)整壓電陶瓷32的位移，以調(diào)整施加在輸出腔鏡11的應(yīng)力大小，以使輸出的雙頻激光的頻差達(dá)到所需的頻差值。由此可見，所述穩(wěn)頻模塊3可根據(jù)光電探測器5探測的雙頻拍頻光的頻差值與實(shí)際設(shè)定所需的頻差值之間的差值，實(shí)時的進(jìn)行調(diào)整，使雙頻激光器1輸出的雙頻激光的頻差值穩(wěn)定的所需的頻差值。在本實(shí)例中，比例積分微分控制程序基于LabVIEW程序平臺運(yùn)行。

請一并參閱圖5，本發(fā)明進(jìn)一步提供雙頻激光器輸出頻差的穩(wěn)頻裝置100進(jìn)行穩(wěn)頻的方法，具體包括以下步驟：

步驟S11，啟動所述雙頻激光器1連續(xù)輸出激光，模式為雙頻，出射光的雙頻分量偏振態(tài)方向相互垂直，且其中一個分量偏振方向與雙頻激光器1主應(yīng)力方向一致；

步驟S12，在雙頻激光器1輸出的激光的光路上施加磁場，且磁場方向與雙頻激光器1中輸出腔鏡11的主應(yīng)力方向一致；

步驟S13，調(diào)整壓電陶瓷32的位移方向，使壓電陶瓷32的位移方向與雙頻激光器1的輸出腔鏡11的主應(yīng)力方向平行；

步驟S14，旋轉(zhuǎn)偏振片4的偏振方向，使雙頻激光的兩個分量形成穩(wěn)定的拍頻光，調(diào)整偏振片4的偏振方向，使拍頻光的幅值最大；

步驟S15，使用PIN光電探測器5探測拍頻的頻差信號，由光電探測器5將光信號轉(zhuǎn)換為電信號；

步驟S16，利用信號處理模塊6采集電信號并轉(zhuǎn)換為頻差值；

步驟S17，數(shù)據(jù)處理模塊8獲取信號處理模塊6的頻差值，與所需的頻差值做比較獲得差值，并控制壓電陶瓷32的位移量，對雙頻激光器1的輸出頻差的穩(wěn)定與調(diào)制。

在所述步驟S11中，所述的雙頻激光器1，其輸出腔鏡11中含有內(nèi)部的應(yīng)力，由于應(yīng)力產(chǎn)生的雙折射效應(yīng)，此時位于雙折射兩個方向的激光分量在輸出腔鏡11上的光程具有由雙折射調(diào)制的光程差，該雙頻激光器1的輸出頻率分裂為兩個頻率分量，即具有輸出雙頻激光的能力。

進(jìn)一步，所述雙頻激光器1的的主應(yīng)力方向可通過以下方式獲得：加入偏振方向已知的偏振片4與光電探測器5，通過旋轉(zhuǎn)偏振片，在不同旋轉(zhuǎn)角度下采集光強(qiáng)的變化，確定雙頻激光器1的主應(yīng)力方向。

根據(jù)彈性光學(xué)，所述激光模塊的激光輸出位置(位于輸出腔鏡11的中點(diǎn)位置)雙頻分量的光程差為：

其中，δ為雙頻分量的光程差，λ為激光的出射波長，D為輸出腔鏡11的直徑，f₀為輸出腔鏡11光學(xué)材料(玻璃)的條紋值，其定義為當(dāng)激光通過一英寸厚度的該材料時，能使激光產(chǎn)生的兩個雙頻分量之間光程差相差一個激光波長的、施加在垂直激光傳播方向上的材料的應(yīng)力大??；F為施加在輸出腔鏡11的應(yīng)力的大小，包括由于材料加工過程中內(nèi)部的應(yīng)力以及外部施加的力。該應(yīng)力方向始終與激光傳播方向垂直。

由于應(yīng)力雙折射效應(yīng)，在輸出腔鏡11中雙頻分量存在光程差，其輸出頻差的大小為：

其中，ν為激光模塊的出光頻率，L為雙頻激光器的腔長，從公式知，當(dāng)激光模塊的參數(shù)固定時，雙頻激光器的頻差大小Δν與施加在輸出腔鏡11上的應(yīng)力F成線性關(guān)系。

在步驟S12中，可通過在雙頻激光器1的兩側(cè)加入磁條對的方式施加磁場，且磁場方向與雙頻激光器1主應(yīng)力方向一致。

可以理解，所述磁場的施加方式不限，還可以采取其他形式形成所述磁場。

在步驟S13中，進(jìn)一步，還可包括旋轉(zhuǎn)雙頻激光器1及磁場的步驟，使雙頻激光器1的主應(yīng)力方向垂直于豎直方向的步驟，從而能夠方便調(diào)節(jié)緊固螺釘31和加力的壓電陶瓷32。

在步驟S17中，數(shù)據(jù)處理模塊8通過讀取信號處理模塊6的頻差數(shù)據(jù)，作為比例積分微分控制程序的被控制量，通過程序計算，得到相應(yīng)的調(diào)制信號，通過相連的壓電陶瓷驅(qū)動模塊7控制壓電陶瓷32的位移量，從而實(shí)現(xiàn)雙頻激光器1的輸出頻差的穩(wěn)定與調(diào)制。

具體的，數(shù)據(jù)處理模塊8的數(shù)據(jù)采集模塊讀取信號處理模塊6的頻差數(shù)據(jù)，作為比例積分微分控制程序的被控制量，比例積分微分控制的表達(dá)式為：

其中u(t)為比例微分積分程序計算的相應(yīng)調(diào)制信號，為數(shù)據(jù)處理模塊8的輸出值，并通過相連的壓電陶瓷驅(qū)動模塊7控制壓電陶瓷32的伸縮量，K_p為比例參數(shù)，K_i為積分參數(shù)，K_d為微分參數(shù)，t為系統(tǒng)時間，e(t)為控制參量(即雙頻激光器實(shí)際輸出的頻差)與設(shè)定的頻差值之間的差。比例積分微分控制程序的參數(shù)K_p、K_i、K_d，可以由圖3(a)及圖3(b)中的雙頻激光器輸出頻差變化和壓電陶瓷位移變化量的線性關(guān)系曲線得到。

本發(fā)明施例提供的雙頻激光器輸出頻差的穩(wěn)頻裝置和方法，可以同時穩(wěn)定和調(diào)制雙頻激光器的輸出頻差。另外，通過數(shù)據(jù)處理模塊中的比例積分微分控制程序，可以精確的控制雙頻激光器輸出頻差的大小。同時，通過壓電陶瓷的加力裝置，可以在一定范圍內(nèi)調(diào)制雙頻激光器的頻差大小。本發(fā)明的雙頻激光器輸出頻差的穩(wěn)頻裝置和方法裝置結(jié)構(gòu)簡單，適用范圍廣，性價比高；另，可以在一定范圍內(nèi)增加雙頻激光器輸出的頻差大小，可以顯著提高雙頻激光干涉儀的測量速度。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。