双纵模He-Ne激光器的热稳频技术研究

陈正超，李华丰，朱国勤

（中航工业北京长城计量测试技术研究所 计量与校准技术重点实验室，北京100095）

双纵模He-Ne激光器的热稳频技术研究

陈正超，李华丰，朱国勤

（中航工业北京长城计量测试技术研究所 计量与校准技术重点实验室，北京100095）

介绍了双纵模He-Ne激光器的热稳频技术原理，设计了热稳频控制系统，并进行了相关的实验。根据实验结果可知，本热稳频系统实现了将两个纵模频率稳定在增益曲线中心频率对称位置和不对称位置上。根据拍频结果可知，当稳定在对称位置上时，激光器的频率稳定度达10－10量级；当稳定在不对称位置上、维持频率稳定度10－10量级时，激光器输出单纵模的功率最高达总功率的80%。

He-Ne激光器；热稳频；非对称稳频

0 引言

He-Ne激光器的稳频方法主要有：饱和吸收稳频法、塞曼效应稳频法、兰姆凹陷稳频法和双纵模热稳频法等［1］。其中，双纵模热稳频法是He-Ne激光器稳频技术的研究热点。热稳频方法是通过直接控制放电管中等离子体的温度来调节激光器的腔长，进而稳定激光器输出的光频［1－3］。热稳频方法既不需要在激光器上安装PZT（压电晶体），也无需外加磁场，激光器谐振腔对材料的热膨胀系数要求较小，且实现无调制输出，因此热稳频激光器的成本低于兰姆凹陷稳频和塞曼稳频激光器。采用双纵模热稳频的He-Ne激光器谐振腔内存在两个纵模同时振荡，可输出频差在500 MHz以上的双频激光，这能满足激光干涉测量中对高速测量的要求；同时，也可以利用偏振器件滤除一个纵模，使激光器输出单频稳频激光，以满足对激光的单色性要求高的干涉和计量等领域的需求［4］，但此时激光器的输出功率仅为总功率的一半。

本文介绍一种双纵模He-Ne激光器的热稳频控制系统。根据需要，该系统可以将激光器的两个纵模频率稳定在增益曲线中心频率νc的对称位置上，实现双纵模稳频输出；同时也可以将两个纵模频率稳定在增益曲线中心频率νc的不对称位置上，使其中一个纵模的功率远大于另一个纵模的功率，利用偏振器件将较小功率的纵模滤除，提高单个纵模的输出功率，从而实现基于双纵模稳频的单频输出He-Ne激光器。

1 理论分析

He-Ne激光器在振荡输出激光时，输出纵模数与谐振腔长度有关。受激辐射的He-Ne激光纵模（对应某一确定的共振频率）一定是偏振光；同时，相邻纵模的偏振方向不是任意的，而是相互垂直的［5］。其中，纵模频率计算公式［6－7］为

式中：c为光在真空中的传播速度；n为谐振腔内的折射率；L为谐振腔的几何长度；q为谐振腔内的纵模序数。对 （1）式进行微分有［1，7］

由式 （2）可知，频率稳定度由腔长L的变化和折射率n的变化共同来决定。稳频技术的实质是保持谐振腔光学长度和腔内折射率的稳定性。对于内腔式He-Ne激光器，激光器中使用的工作物质是气体，气体的折射率虽然受放电参量等因素的影响，但在电流稳定的情况下变化不大，对频率稳定的影响很小［8］。因此，内腔式He-Ne激光器的频率稳定性主要是通过控制激光谐振腔的腔长来实现的。

由式 （1）可知，谐振腔内的纵模间隔与腔长有关，因此双纵模热稳频方法对He-Ne激光器的腔长有特定的要求，必须保证谐振腔内同时存在2到3个纵模。一般He-Ne激光器的谱线为非均匀加宽型，其多普勒线宽为1500 MHz［9］。当谐振腔的腔长满足条件100 mm＜L＜300 mm时，谐振腔内存在2个纵模同时振荡的可能性。

当双纵模激光器的两个纵模稳定在增益曲线中心频率的对称位置上时，两个纵模的光功率相等；由于模式竞争使两个纵模偏离增益曲线中心频率的对称位置时，两个纵模的光功率不再相等。激光器工作时，由于模式竞争，在不加控制的情况下只有一个模式占主导地位，但不久又被相邻的模式所取代，通过精确控制谐振腔的长度，使腔长的变化总是有利于模式竞争中处于弱势的那个纵模，使双纵模对称于中心频率，并且稳定在对称点上，从而实现稳频激光的输出。

如图1所示，激光器增益曲线上，只存在两个纵模νq和νq＋1的振荡，通过控制腔长，使νq在ν′q～ν″q的范围内振荡，νq＋1在ν′q＋1～ν″q＋1的范围内振荡，从而实现双纵模热稳频，此时两个纵模的功率相等，且νq和νq＋1对称于中心频率νc。

同时，也可以调整两个纵模输出功率的差值关系，使其不为零，则激光器的两个纵模将稳定在不对称于增益曲线中心频率νc的位置上，如图2所示。

2 稳频系统结构设计

双纵模He-Ne激光器热稳频方案整体结构如图3所示。整体方案由两部分组成：纵模分离光路和稳频控制硬件电路。纵模分离光路由BS（分光棱镜）、PBS（偏振分光棱镜）和反射镜组成，主要用于将双纵模He-Ne激光器的两个纵模分离，以便于利用PIN光电二极管分别对两个纵模的光功率进行采集。光路中的BS的分光比为9∶1，可将激光器输出的光分成两束，功率较大的透射光束作为激光器的输出光，而功率较小反射光束用于稳频。

硬件控制电路是稳频系统的核心，主要实现激光器纵模功率和激光管管壁温度的采集，并通过PID控制算法，及脉宽调制技术完成激光器的稳频控制。硬件控制电路是以单片机为核心的数字控制器，主要包括单片机及其外围电路、传感器测量电路、A／D转换芯片和PWM控制信号输出及三极管开关电路。

当激光纵模处于增益曲线中心获得单模输出时，该纵模的功率即为激光器的输出功率，约为1 mW；当双纵模对称于中心频率时，则每个纵模的输出功率为0.5 mW。由此可以粗略估算出两个纵模的功率之差与稳频后频率复现性的量级。以纵模功率与频率近似呈线性关系来估算，可以得出500μW／514 MHz，即约为1μW／MHz。由于氦氖激光器的增益曲线为高斯曲线，在功率稳定点处曲线的斜率更大，可达2μW／MHz的量级。当频率复现性为10－8量级时，频率变化为±5 MHz。因此当频率复现性优于10－8量级时，功率变化应小于10μW，相当于一个纵模功率的2%。若需要得到更高的复现性，则需要将纵模功率的变化范围限定在更小的范围内。由上述可知，为了达到预定的频率复现性，激光器纵模功率探测电路的分辨力应优于纵模功率的2%。本系统中，光电检测电路的A／D有效分辨力为16位，单个纵模功率的相对分辨力优于0.1%。为了精确控制控制温度，PWM加热电路的驱动电压应有足够的精度，本系统的驱动电压的误差约为20 mV。

3 稳频实验结果及分析

本热稳频控制实验包括将两个纵模稳定在增益曲线中心频率对称位置和不对称位置两部分。由图1可知，当纵模频率稳定在对称位置时，增益曲线上对应的两个点的斜率大小相等，方向相反；由图2可知，当频率稳定在不对称位置上时，增益曲线上对应的两个点的斜率方向相反，但大小不再相等。通过热稳频控制实验，本文将分析频率稳定在不同点上时，激光器的频率稳定性的变化情况。

激光器频率稳定在光功率信号差值e不同点的稳频控制误差曲线如图4所示，参数如表1所示。图5为光功率信号差值e和其波动范围Δe的关系，由图5可知，随着e的增大，其波动范围也将增大，这将影响激光器的频率稳定度。

为了精确测量本热稳频激光器的频率稳定度及分析功率信号差值e的变化对频率稳定度的影响，本文将通过拍频实验来测量纵模功率信号差值不同时激光器的频率稳定度，参考的稳频激光器为本所的国家激光频率副基准。拍频实验中将测量功率信号差值为e＝0 V，e＝2 V和e＝2.7 V时激光器的频率稳定度。拍频实验结果如图6和表2所示。图6所示为激光器频率稳定在不同位置时，积分时间 （取样时间）和被测激光器的阿伦方差关系曲线；表2为图6中对应取样时间在0.1，1，10 s和100 s点上时，稳频激光器的频率稳定度、不确定度数值以及拍频测量时间和功率较大的纵模频率占总功率的百分比η。

由图6可知，和未加稳频控制相比，加入稳频控制后，激光器的频率稳定度和不确定度均得到提高。当两个纵模稳定在对称位置时，此时光功率信号差值e＝0 V，拍频曲线如图6中所示，取样时间在0.1 s≤τ≤100 s范围内时激光器的频率稳定度均能达到10－10量级，此时单个纵模的功率为50%；当两个纵模稳定在不对称位置且信号差值e＝2 V时，拍频曲线如图6所示，取样时间在0.1 s≤τ≤100 s范围内时频率稳定度均能达到10－10量级，此时功率较大的纵模的功率可达83%。通过和e＝0 V时的拍频曲线比较可知，此时功率信号差值增大到2 V时对频率稳定性影响较小。当功率信号差值e＝2.7 V时，拍频曲线如图6所示，与e＝0 V和e＝2 V时相比，在取样时间0.1 s≤τ≤100 s范围内，频率稳定度变化较大，说明功率信号差值的继续增大对频率稳定性产生了明显的影响，但仍然能得到10－9量级的稳定度，此时较大纵模的功率约为92%～95%。

对于上述拍频实验数据中，当功率信号差值e＞2 V（对应功率较大的纵模频率占总功率的百分比η＞83%）时，频率稳定性下降明显，这可能是由于随着两个纵模的光功率差值增大，增益曲线上两个纵模频率所对应点的变化差异引起的，如图2所示，这个问题将在进一步的实验中进行讨论。

4 小结

通过本文的实验结果及分析可知：

1）该系统实现了双纵模的对称稳频，和未加控制时相比，加入稳频控制系统后，激光器的频率稳定度明显提高，取样时间间隔为0.1 s≤τ≤100 s时，激光器的稳频稳定度均为10－10量级。

2）当激光器的两个纵模频率稳定在不对称于增益曲线中心频率的位置上，且频率稳定度在0.1 s≤τ≤100 s的取样时间间隔内维持10－10量级时，本系统得到了单个纵模功率达总功率80%的稳频激光。

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［3］Jin Qian，Zhongyou Liu，Chunying Shi，etal.Frequency stabilization of internal-mirror He-Ne lasers by air cooling［J］.APPLIED OPTICS，2012，51（25）：6084－6088.

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Reach on Thermal Frequency Stabilization Technology of Double Longitudinal M ode He-Ne Laser

CHEN Zhengchao，LIHuafeng，ZHU Guoqin
（Changcheng Institute of Metrology＆Measurement，Beijing 100095，China）

The principle of thermal frequency stabilization technology of double-longitudinal-mode He-Ne laser is introduced and the control system is designed in this paper.Related experimentswere carried on.According to the experiments，the twomodes of frequency can be stabilized on symmetric and asymmetric positions of the gain curve.According to the beat frequency tests，when the twomodes are stabilized on symmetric position，the frequency stability of He-Ne laser is on themagnitude of10－10；and when the twomodes are stabilized on asymmetric position and the frequency stabilitymaintains on themagnitude of 10－10，the biggest power of single longitudinalmode is 80%of the total power.

He-Ne laser；thermal frequency stabilization；asymmetric frequency stabilization

TB939：TN248.2

B

1674－5795（2014）01－0031－04

10.11823／j.issn.1674－5795.2014.01.09

2013－11－19；收修改稿日期：2013－12－30

国家“十二五”技术基础计量科研项目（J052011A002）作者简介：陈正超 （1987－），男，硕士研究生，主要从事自动控制研究工作；李华丰，男，高级工程师，硕士，主要研究方向为自动控制。