穩(wěn)頻氦氖激光器——單頻/雙頻

昊量光電新推出頻率穩(wěn)定度達10-11量級的穩(wěn)頻氦氖激光器，測量精度可達每米0.01nm。頻率穩(wěn)定氦氖激光器在長度溯源體系中占據(jù)重要地位，是納米級到亞納米級長度計量和精密干涉測量的工具，是廣泛用作高精度測量系統(tǒng)的激光光源，如智能手機和汽車相機的鏡頭計量、半導(dǎo)體晶圓的平整度測量以及玻璃基板的雙折射評估，目前交付量已超過2000臺。提供三種產(chǎn)品型號，分別針對不同的應(yīng)用和所需的穩(wěn)定性。穩(wěn)頻氦氖激光器——單頻/雙頻

高頻率穩(wěn)定度氦氖激光器YS-307

YS-307 利用頻率牽引效應(yīng)，實現(xiàn)了 10-11 量級的超高頻率穩(wěn)定性，并具有 3 mW 的單模輸出功率。其高輸出功率使其非常適合多軸和高速干涉測量。此外，通過在氖增益曲線中心進行模式鎖定，該系統(tǒng)確保了重啟后出色的頻率重復(fù)性。

雙頻塞曼穩(wěn)頻激光器

一種橫向塞曼激光器，它能穩(wěn)定由橫向磁場產(chǎn)生的兩個正交頻率分量之間的頻率差。其正交雙頻輸出可以直接應(yīng)用于外差干涉儀，無需任何額外的器件。

雙模穩(wěn)頻激光器QS

QS型號能夠穩(wěn)定兩種振蕩模式之間的功率比，并可提供單?；螂p模運行模式。它適用于各種需要納米級精度的應(yīng)用。

頻率穩(wěn)定模式

什么是頻率牽引效應(yīng)？

高頻率穩(wěn)定度氦氖激光器YS-307 利用激光增益介質(zhì)異常色散引起的頻率牽引效應(yīng)實現(xiàn)頻率穩(wěn)定。

由于控制信號位于頻域，且振蕩模式可穩(wěn)定在 Ne 增益曲線的中心，因此基于頻率牽引的穩(wěn)定方法可實現(xiàn)：

• 在寬廣的平均時間范圍（1 秒至 1000 秒）內(nèi)實現(xiàn) 10?11 的頻率穩(wěn)定性

• 3 mW 單模輸出

• ±300 kHz 可復(fù)位性（斷電重啟后頻率可重復(fù)性）

頻率牽引效應(yīng)原理

頻率牽引現(xiàn)象是指當氖增益曲線內(nèi)的振蕩模式從腔體相位條件模式位置νm略微向增益曲線中心移動時，實際振蕩頻率ν（圖1(a)）發(fā)生改變。

牽引量ν ? νm取決于氖增益曲線的形狀，并隨模式位置νm的變化而變化（圖1(b)）。當存在多個縱模時，模式間的拍頻會隨其振蕩位置的變化而變化。我們將這種變化提取為控制信號并進行穩(wěn)定化處理。

利用頻率牽引效應(yīng)進行穩(wěn)定（YS-307）

頻率穩(wěn)定控制概述

• 頻率牽引產(chǎn)生的多模間拍頻變化被提取出來，并用作控制信號。

• 后向光束中的P偏振光和S偏振光經(jīng)偏振器（PL1）合束后，耦合到光纖中，并由控制器內(nèi)部的雪崩光電二極管（APD）檢測。

• APD將頻率牽引引起的波動轉(zhuǎn)換為控制信號頻率fb的變化。

• 使用頻率差檢測器將fb與晶體振蕩器參考頻率fref進行比較，并控制激光管的加熱器電流，使(fb ? fref = 0)，從而穩(wěn)定頻率。

為了在單模操作中獲得至大功率，將振蕩模式位置設(shè)置在Ne增益曲線的中心（可通過fref配置）。

與偏振強度穩(wěn)定相比的優(yōu)勢

• 無需頻率調(diào)制即可將模式位置穩(wěn)定在氖增益曲線的中心

• 由于控制量為頻率，因此對腔鏡或探測器上的污染引起的變化具有魯棒性

• 控制信號的數(shù)字處理降低了模擬元件對溫度相關(guān)漂移的敏感性

支撐穩(wěn)定性的技術(shù)（YS-307）

考慮溫度影響的鎖定點設(shè)置

Ne增益曲線的形狀隨環(huán)境溫度而變化，從而影響模式位置與控制信號之間的關(guān)系。在YS-307中，參考可追溯性系統(tǒng)中用作二級長度標準的碘穩(wěn)定激光器，我們選擇一個對環(huán)境溫度敏感度至小的鎖定點，定義為（fb ? fref = 0）（圖3）。

兩階段穩(wěn)定化，對環(huán)境溫度變化具有較強的魯棒性

YS-307 結(jié)合了 (1) 傳統(tǒng)的比例控制和 (2) 專有的零收斂累積積分控制。這種兩級控制方案能夠保持 (fb ? fref = 0)，不受環(huán)境溫度變化的影響（圖 4(a)）。而僅使用比例控制時，fb ? fref 會隨溫度變化（圖 4(b)）。兩級控制設(shè)計有效緩解了這種影響。

采用雙加熱器架構(gòu)，拓寬工作溫度范圍

YS-307采用兩個加熱器（主加熱器和副加熱器）來控制腔體長度。主加熱器用于穩(wěn)定腔體長度；副加熱器用于補償環(huán)境溫度漂移。這種雙加熱器設(shè)計擴大了兩級控制的有效工作范圍。我們的測量結(jié)果證實，在25°C的初始條件下，其工作溫度可在±20°C范圍內(nèi)正常工作。

在較寬的平均時間范圍內(nèi)保持穩(wěn)定性10-11 

憑借這些穩(wěn)定技術(shù)，YS-307 在 1 秒到 1000 秒的平均時間內(nèi)實現(xiàn)了 10-11 的穩(wěn)定性。圖 5 將穩(wěn)定性與采用偏振強度穩(wěn)定技術(shù)的產(chǎn)品（我們的 QS 系列）進行了比較。

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