專利名稱：雙縱模激光電磁感應(yīng)加熱的穩(wěn)頻裝置及其穩(wěn)頻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙縱模激光電磁感應(yīng)加熱的穩(wěn)頻裝置及其穩(wěn)頻方法，屬于激光應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
激光廣泛的用于精密計(jì)量測試。但是，自由運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器由于溫度變化、氣流擾動，其波長是不穩(wěn)定的。不能直接作為測量的標(biāo)準(zhǔn)使用，要作為長度標(biāo)準(zhǔn)就要求激光頻率(波長)具有很高的穩(wěn)定性。
目前激光穩(wěn)頻方法常見的有蘭姆下陷法、塞曼效應(yīng)法、熱穩(wěn)頻法、拍頻穩(wěn)頻法等多種。用蘭姆下陷法進(jìn)行穩(wěn)頻，其頻率穩(wěn)定度可達(dá)10-9，但其頻率復(fù)現(xiàn)性較差為10-7。這種方法用壓電晶體控制腔長，價格昂貴，壓電材料疊層壽命不夠長(激光穩(wěn)頻技術(shù)的新發(fā)展，王世華、周肇飛、遲桂純，成都科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1995年4期P69～P74)。用塞曼效應(yīng)法進(jìn)行穩(wěn)頻其頻率穩(wěn)定度、頻率復(fù)現(xiàn)性與蘭姆下陷法相當(dāng)，不足之處是價格昂貴、達(dá)到頻率穩(wěn)定所需時間較長(633nm氦氖激光的縱向塞曼拍頻曲線及穩(wěn)頻的原理和實(shí)驗(yàn)，王楚，光學(xué)學(xué)報(bào)，1984.4(9)，P808～P813)。一般熱穩(wěn)頻分為調(diào)整放電電流穩(wěn)頻法和外加熱穩(wěn)頻法，針對以前生產(chǎn)的背包式He-Ne激光器其穩(wěn)頻效果較好(He-Ne激光器的雙縱模熱穩(wěn)頻系統(tǒng)，周肇飛，儀器儀表學(xué)報(bào)，1988.9(4)，P375～P380)。近年來流行同軸式He-Ne激光管，管頸采用與玻璃焊接性能好的可伐合金，使用壽命提高，但對熱穩(wěn)頻技術(shù)來說、諧振腔的力學(xué)約束條件復(fù)雜了，散熱效果也不好導(dǎo)致已有熱穩(wěn)頻方法無論是控制放電電流還是通過外部加熱調(diào)整激光管腔長，調(diào)整能力都較弱、變化速度慢、容易失穩(wěn)(跑模)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種雙縱模激光電磁感應(yīng)加熱的穩(wěn)頻裝置及其穩(wěn)頻方法，其特點(diǎn)是利用He-Ne金屬管頸的特點(diǎn)，通過電磁感應(yīng)加熱方式，環(huán)繞在激光管兩端或一端的激勵線圈中通過高頻電流，使線圈周圍產(chǎn)生磁場，磁場在激光器兩端金屬封裝頭管壁產(chǎn)生渦流發(fā)熱，由于溫度變化而產(chǎn)生熱脹冷縮，改變激光管腔長，達(dá)到穩(wěn)頻目的。
本發(fā)明的目的由以下技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)He-Ne激光管發(fā)出的激光經(jīng)相互垂直以布儒斯特角放置的玻片，將偏振方向正交的兩個縱模的激光分別反射一部分到光電池上，兩只光電池是極性反向聯(lián)接的，光電池輸出電壓反映了兩縱模光強(qiáng)的差異。放大器放大A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，單片機(jī)處理產(chǎn)生脈寬調(diào)制(PWM)信號驅(qū)動驅(qū)動器，通過D/A轉(zhuǎn)換器、經(jīng)功率放大電路，控制外圍高頻脈沖發(fā)生電路，使電磁感應(yīng)加熱線圈通過高頻交變電流產(chǎn)生高頻交變磁場，導(dǎo)致He-Ne激光管兩端的金屬管壁產(chǎn)生渦流發(fā)熱，激光管伸長，從而調(diào)整激光器諧振腔長度，達(dá)到穩(wěn)頻的目的。
電磁感應(yīng)加熱線圈的繞制采用線圈軸在圓周方向上環(huán)繞激光管金屬管頸，通過周向磁場使激光器兩端金屬封裝頭產(chǎn)生渦流而發(fā)熱，避免了線圈軸線與管軸同向時產(chǎn)生的軸向磁場對激光偏振態(tài)的影響。
He-Ne激光管采用雙端的管頸電磁感應(yīng)加熱線圈加熱或者一端的管頸電磁感應(yīng)加熱線圈加熱。
雙縱模激光電磁感應(yīng)加熱的穩(wěn)頻裝置的穩(wěn)頻方法為1、激光管與該系統(tǒng)上電后，以布儒斯特角放置的玻片將偏振方向正交的兩個縱模的激光分別反射一部分到光電池，反射光強(qiáng)的差異控制電磁感應(yīng)加熱線圈，根據(jù)腔長與諧振頻率公式Vc＝qc/2nl，Vc為頻率，q為縱模序數(shù)，c為光速，n為折射率，l為腔長，當(dāng)腔長l發(fā)生變化時，頻率也會發(fā)生相應(yīng)變化，通過對高頻交變電流大小、變化頻率和占空比從而控制激光管頸的溫度；2、經(jīng)過5～10分鐘加熱后，系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，激光管腔長處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時以布儒斯特角放置的玻片反射到光電池上的激光強(qiáng)度達(dá)到相等；3、當(dāng)光電池上接收到激光的強(qiáng)度在1分鐘內(nèi)無變化，則狀態(tài)顯示發(fā)光二極管或串行通訊接口發(fā)出穩(wěn)頻完成信號。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1、直接在激光管金屬管壁上產(chǎn)生渦流，通過渦流產(chǎn)生熱量，克服了間接方式加熱，熱效率低、加熱速度慢，散熱也慢、系統(tǒng)響應(yīng)速度低等缺點(diǎn)。
2、采用縱向扁平線圈繞制方法，利用周向磁場使激光器兩端金屬封裝頭產(chǎn)生渦流而發(fā)熱，避免了線圈軸線與管軸同向時產(chǎn)生的軸向磁場對激光偏振態(tài)的影響。
3、加熱線圈與金屬管壁之間無接觸，避免了傳統(tǒng)電熱絲加熱等方式由于接觸給激光管腔長帶來的影響。同時也避免了加熱器本身發(fā)熱、散熱都慢對激光管控制能力遲鈍的缺點(diǎn)。
四

圖1為雙縱模激光電磁感應(yīng)加熱穩(wěn)頻裝置的原理框圖。
圖2為雙縱模激光電磁感應(yīng)加熱穩(wěn)頻裝置的電路原理圖。
1激光管；2、3玻片；4、5光電池；6、7電磁感應(yīng)線圈圖3為電磁感應(yīng)加熱線圈繞制圖。
采用縱向扁平線圈繞制方法，利用線圈周向磁場使He-Ne激光器兩端金屬封裝管產(chǎn)生渦流而發(fā)熱，避免了橫向繞制線圈，磁場影響激光器發(fā)出激光的偏振態(tài)，其中虛線部分代表磁力線。
圖4為雙縱模激光電磁感應(yīng)加熱穩(wěn)頻裝置光強(qiáng)接收、信號放大以及A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖。
8差動放大器；9A/D轉(zhuǎn)換器圖5為雙縱模激光電磁感應(yīng)加熱穩(wěn)頻裝置單片機(jī)電路、狀態(tài)顯示以及通訊電路原理圖。
10單片機(jī)；17、18狀態(tài)顯示發(fā)光二極管；19串行通訊接口圖6為雙縱模激光電磁感應(yīng)加熱穩(wěn)頻裝置控制部分電路原理圖。
11D/A轉(zhuǎn)換器；12電壓跟隨器；13功率調(diào)整三極管；14、15驅(qū)動及電平變換器；16橋式功率輸出圖7為雙縱模激光電磁感應(yīng)加熱穩(wěn)頻裝置穩(wěn)壓電源電路原理圖。
20穩(wěn)壓電源五具體實(shí)施方式
下面通過實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行具體描述，有必要在此指出的是本實(shí)施例只用于對發(fā)明作進(jìn)一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員可以根據(jù)上述本發(fā)明的內(nèi)容作出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。
實(shí)施例雙縱模激光電磁感應(yīng)加熱穩(wěn)頻裝置及其穩(wěn)頻方法如圖1～7所示。
He-Ne激光管發(fā)出的激光經(jīng)相互垂直的以布儒斯特角旋轉(zhuǎn)的玻片2、3將偏振方向正交的兩個模式的激光分別反射一部分到光電池4和5，兩只光電池的極性是反向連接的。如果激光器發(fā)出的激光中有一個模減弱，則接收該模光信號的光電管輸出電壓下降。光電池產(chǎn)生的差動電信號送入差動放大器8(AD623)、A/D轉(zhuǎn)換電路9(AD7705)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入單片機(jī)10(ATMEGA8)進(jìn)行計(jì)算、處理，然后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換電路11(MAX5154)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)電壓跟隨器12(LM358)功率調(diào)節(jié)三極管13(3AG33)放大后控制加在橋式功率輸出16上電路上電壓高低。同時，計(jì)算機(jī)輸出一路PWM(脈寬調(diào)制)信號，控制驅(qū)動電路14(IR2110)，15(IR2110)控制橋式功率輸出電路16驅(qū)動激勵線圈6、7，在線圈上形成高頻交變電場，從而在線圈周圍形成高頻交變磁場，使位于線圈產(chǎn)生磁場范圍內(nèi)的激光管金屬產(chǎn)生渦流發(fā)熱，并使諧振腔的長度向著有利于減弱的那個模的方向變化，這樣便可使兩個相鄰的模同時并存，并保持強(qiáng)度不變，從而達(dá)到穩(wěn)頻目的。
圖2中的線圈6、7與激光管1的金屬管壁無接觸，不會對激光管壁的發(fā)熱以及熱膨脹造成影響。對于不同腔長和不同管徑的激光管，可采用兩端或一端加上電磁感應(yīng)線圈，進(jìn)行穩(wěn)頻，此兩種方法都可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻的目的，他們各有各的優(yōu)點(diǎn)。單端加入電磁感應(yīng)線圈使線路簡單，但對于管徑較粗的激光管需要較大功率，從預(yù)熱到頻率穩(wěn)定所需要的時間的較長。雙端加入電磁感應(yīng)線圈使線路較為復(fù)雜，但對于管徑較粗的激光管而言從預(yù)熱到頻率穩(wěn)定的時間較短。
圖3是電磁感應(yīng)加熱線圈的繞制采用線圈軸在圓周方向上環(huán)繞激光管金屬管頸，通過周向磁場使激光器兩端金屬封裝頭產(chǎn)生渦流而發(fā)熱，避免了線圈軸線與管軸同向時產(chǎn)生的軸向磁場對激光偏振態(tài)的影響。
圖4是穩(wěn)頻系統(tǒng)的偏振光信號采集及信號放大、A/D轉(zhuǎn)換部分。由玻片2、3反射的光線入射到光電池4、5上，產(chǎn)生的模擬信號經(jīng)儀表放大器8放大后輸入A/D轉(zhuǎn)換器9轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入單片機(jī)進(jìn)行處理。
圖5是穩(wěn)頻系統(tǒng)的單片機(jī)控制電路及狀態(tài)顯示電路、串行通訊接口電路。單片機(jī)10處理完成后的系統(tǒng)信息通過狀態(tài)顯示發(fā)光二極管18、19顯示，也可通過串行通訊接口電路20上傳到上位機(jī)處理。單片機(jī)根據(jù)接收到的A/D轉(zhuǎn)換器輸出信號輸出控制信號。
圖6是穩(wěn)頻系統(tǒng)的加熱穩(wěn)頻裝置控制電路。D/A轉(zhuǎn)換器將單片機(jī)輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號輸入到功率放大電路控制橋式功率電路，最后控制加在線圈上的電壓，驅(qū)動及電平變換器控制橋式功率輸出電路，控制加在線圈上的的脈沖寬度和頻率。
圖7是穩(wěn)頻系統(tǒng)的供電部分。220V交流電通過二極管橋式整流，電容濾波，三端穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓后輸出穩(wěn)定的直流電壓。其中一路為5V，是給整個系統(tǒng)供電，另外一路為24V，是給圖1中驅(qū)動及電平變換器14、15的輸出端以及橋式功率輸出16供電。
雙縱模激光電磁感應(yīng)加熱的穩(wěn)頻方法為激光管與該系統(tǒng)上電后，以布儒斯特角放置的玻片2、3，將偏振方向正交的兩個縱模的激光分別反射一部分到光電池4、5。根據(jù)反射光強(qiáng)的差異控制電磁感應(yīng)加熱線圈6、7上通過高頻交變電流大小、變化頻率、占空比等，從而控制激光管頸的溫度。
經(jīng)過5～10分鐘加熱后，系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，激光管腔長處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時以布儒斯特角放置的玻片2、3反射到光電池4、5上的激光強(qiáng)度達(dá)到相等。
當(dāng)光電池4、5上接收到激光的強(qiáng)度在1分鐘內(nèi)無變化，則通過狀態(tài)顯示發(fā)光二極管17、18或串行通訊接口19發(fā)出穩(wěn)頻完成信號。
權(quán)利要求
1.雙縱模激光電磁感應(yīng)加熱的穩(wěn)頻裝置，其特征在于He-Ne激光管(1)發(fā)出的激光經(jīng)相互垂直以布儒斯特角放置的玻片(2)(3)，將偏振方向正交的兩個縱模的激光分別反射一部分到光電池(4)、(5)，兩只光電池極性反向聯(lián)接，光電池輸出電壓代表了兩縱模光強(qiáng)的差異，經(jīng)差動放大器(8)放大、A/D轉(zhuǎn)換器(9)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號、單片機(jī)(10)處理產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號連接驅(qū)動器(14)(15)，通過D/A轉(zhuǎn)換器(11)輸出模擬信號經(jīng)功率放大電路(12、13)，控制外圍高頻脈沖發(fā)生電路(16)，使電磁感應(yīng)加熱線圈(6、7)通過高頻交變電流產(chǎn)生高頻交變磁場，導(dǎo)致He-Ne激光管兩端的金屬管壁產(chǎn)生渦流發(fā)熱，激光管伸長，從而調(diào)整激光管諧振腔長，達(dá)到穩(wěn)頻的目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述雙縱模激光電磁感應(yīng)加熱的穩(wěn)頻裝置，其特征在于電磁感應(yīng)加熱線圈的繞制采用線圈軸在圓周方向上環(huán)繞激光管金屬管頸，通過周向磁場使激光器兩端金屬封裝頭產(chǎn)生渦流而發(fā)熱，避免了線圈軸線與管軸同向時產(chǎn)生的軸向磁場對激光偏振態(tài)的影響。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙縱模激光電磁感應(yīng)加熱的穩(wěn)頻裝置，其特征在于He-Ne激光管采用雙端的管頸電磁感應(yīng)加熱線圈加熱或者一端的管頸電磁感應(yīng)加熱線圈加熱。
4.根據(jù)權(quán)利要求1～3之一所述的雙縱模激光電磁感應(yīng)加熱的穩(wěn)頻裝置的穩(wěn)頻方法，其特征在于(1)激光管(1)與該系統(tǒng)上電后，布儒斯特角放置的玻片(2)(3)將偏振方向正交的兩個縱模的激光分別反射一部分到光電池(4)、(5)，反射光強(qiáng)的差異控制電磁感應(yīng)加熱線圈(6)(7)，根據(jù)腔長與諧振頻率公式Vc＝qc/2nl，Vc為頻率，q為縱模序數(shù)，c為光速，n為折射率，l為腔長，當(dāng)腔長l發(fā)生變化時，頻率也會發(fā)生相應(yīng)變化，通過對高頻交變電流大小、變化頻率和占空比從而控制激光管頸的溫度；(2)經(jīng)過5～10分鐘加熱后，系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，激光管腔長處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時以布儒斯特角放置的玻片(2)(3)反射到光電池(4)、(5)上的激光強(qiáng)度達(dá)到相等；(3)當(dāng)光電池(4)、(5)接收到激光的強(qiáng)度在1分鐘內(nèi)無變化，則狀態(tài)顯示發(fā)光二極管(17、18)或串行通訊接口(19)發(fā)出穩(wěn)頻完成信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙縱模激光電磁感應(yīng)加熱的穩(wěn)頻裝置及其穩(wěn)頻方法，該裝置通過He－Ne激光管(1)發(fā)出的激光經(jīng)相互垂直以布儒斯特角放置的玻璃片(2)、(3)，將偏振方向正交的兩個模式的激光分別反射一部分到光電池(4)、(5)，兩只光電池是極性反向聯(lián)接的，光電池輸出電壓代表了兩個縱模光強(qiáng)的差異，經(jīng)差動放大器(8)放大、A/D轉(zhuǎn)換器(9)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，單片機(jī)(10)處理產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，連接驅(qū)動器(14)(15)通過D/A轉(zhuǎn)換器(11)輸出模擬信號，經(jīng)功率放大電路(12)(13)控制外圍高頻脈沖發(fā)生電路(16)，使電磁感應(yīng)線圈(6)、(7)通過高頻交變電流產(chǎn)生高頻交變磁場，導(dǎo)致He－Ne激光管兩端的金屬管頸產(chǎn)生渦流發(fā)熱，調(diào)整激光管諧振腔長度，達(dá)到穩(wěn)頻的目的。
文檔編號H05B6/02GK1665081SQ200510020110
公開日2005年9月7日 申請日期2005年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月6日
發(fā)明者周肇飛, 黃偉, 張濤 申請人:四川大學(xué)