基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频方法与装置

1.本发明属于激光应用技术领域，特别是涉及基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频方法与装置。


背景技术：

2.随着高端精密制造技术的发展，超精密测量技术对测量精度、测量速度与测量环境提出了更高的要求，发展方向趋于高效性、大尺度、高精度等等。目前，激光干涉测量技术已成为超精密研究中的关键核心技术，而激光波长是干涉测量的基准，将直接影响测量的结果，因此如何提高波长的精度是需要解决的问题。当面向宽温域条件，激光波长的稳频技术具有更大的挑战性，这严重限制了激光干涉仪的测量环境，且不便于现场的测量实验。为了提高激光管干涉仪的抗干扰性能，必须进一步对宽温域条件下激光稳频技术展开研究。
3.激光稳频技术主要包括兰姆凹陷激光稳频技术、饱和吸收激光稳频技术、双纵模激光稳频技术等。所谓兰姆凹陷稳频技术，是利用“兰姆凹陷”功率特性进行激光稳频控制，即非均匀加宽气体激光器的输出功率在增益曲线中心频率处会出现功率下降的现象，从而出现一个功率极小值形成功率曲线的凹陷，当激光频率偏离中心频率时，激光器的输出功率会逐渐增加，从而实现激光频率的稳定。然而，兰姆凹陷稳频技术无法直接应用于激光干涉测量系统中。对于饱和吸收激光稳频技术，以应用广泛的碘分子吸收激光稳频方法为例，其目前的应用主要针对计量标准机构中，虽然稳频准确度高达10-11
，但是内部压电陶瓷器件对振动敏感，受限于隔振且温控的实验环境下。对于宽温域条件下，碘稳频激光器亦无法应用于激光干涉装置当中。
4.双纵模稳频技术目前应用广泛，其利用根据激光腔长的变化，两个纵模分量的频率与功率进行相应变化的功率特性，以功率差为零的基准点进行稳频控制。1972年，学者r.balhorn与h.kunzman首次提出基于放电电流控制的双纵模激光稳频方案(balhorn r,kunzmann h,lebowsky f.frequency stabilization ofinternal-mirror helium-neon lasers.appl opt.1972apr 1；11(4):742-4.)，通过放电电流的大小调节激光管内增益气体的稳定，进而实现稳频控制。然而该方法对增益曲线中心频率影响很大，且稳频准确度仅达到10-7
。2009年，哈尔滨工业大学学者提出基于热电制冷器的双纵模激光器复合稳频方法与装置(中国专利：cn101615757b)，该方法利用热电制冷器作为激光管温度控制的执行器件，通过控制热电制冷器电流的大小与方向调节激光管温度，并以激光器双纵模功率之差作为反馈信号，进而实现稳频。然而，该方法由于tec的结构限制，只能安装于激光管的单侧，这影响到二者的热传递性能，这将导致激光器在宽温域条件下的抗干扰性能严重受限，激光器频率稳定性无法得到保证。
5.双纵模激光器热稳频方法作为另一种稳频方法，通过调节附着在激光管表面的加热薄膜驱动电压从而控制加热量，进而实现调节激光管的温度与稳频控制的目的。1985年，学者katuo seta初次提出利用薄膜加热器的热调制稳频的方法，并提高激光管短期的频率
稳定性。基于激光热稳频方法，哈尔滨工业大学提出了基于温度自感知柔性薄膜加热器的激光稳频方法与装置(中国专利cn111092362b：基于温度自感知柔性薄膜加热器的激光稳频方法与装置)实现了6
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10-9
的高频率复现性，可高效采集实时温度数据并有效地克服了热迟滞效应。然而，该种方法的有效工作温度仅局限于室温小范围温度，无法解决宽温域中温度大幅变化导致激光频率的温漂问题。
6.除此之外，风冷稳频法与水冷稳频法亦可用于激光腔长的调节。国内gd公司研发的mopa脉冲光纤激光器，是一种脉宽可调的高功率光纤激光器，其利用风冷稳频方式。但由于风冷调节方式的激光器在宽温域条件中抗干扰性能较差，难以实现长期高频率稳定度。对于水冷稳频方式，该技术具有散热功率大，振动特性小，热污染小等综合优势，国外zygo公司研发的水冷散热型稳频激光器zygo7714具有高稳频性能，但其水冷结构复杂，整体系统设计成本较大，对于宽温域条件下保持水温恒定于温度20～25℃以及流速可控的需求难以实现。
7.在软件方面，稳频算法也是稳频过程的关键部分。传统的模拟pid控制由于结构复杂、算法移植性差、模拟电路本身的漂移特性以及抗干扰能力弱等缺点已经被数字pid控制算法取代。目前pfc、smith-pi等预测算法应用于稳频控制中，并在速度与抗干扰性能等方面具有很大优势。然而，目前采用的光功率平衡法并不能解决稳频温度点的温漂问题。针对宽温域条件的稳频算法，需在双纵模热稳频方法的基础上，提出新的非平衡功率稳频方案，基于温度轨迹预热与合理的目标预热温度点的选择，进而实现高精度稳频。
8.由上述分析可知，现有的双纵模he-ne激光器无法同时满足高频率准确度和宽工作温度域的双重需求。当温度范围达到-20～40℃的极端温度时，激光器所属的测量装置甚至无法正常工作。以绝对重力仪为例，需要面对大量野外测量实验，而激光干涉仪作为绝对重力仪的长度测量基准，有必要对激光干涉仪的高抗干扰性能方法展开研究，从而解决实际应用中的实验问题。


技术实现要素：

9.本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频方法与装置。
10.本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频装置，所述激光稳频装置包括激光器电源1、激光管2、消偏振分光棱镜3、光隔离器4、偏振分光棱镜5、测温电路和稳频电路；所述激光器电源1连接于所述激光管2两端以提供电能，所述激光管2两侧均设有透光孔，所述消偏振分光棱镜3位于任意一侧的透光孔方向上，所述激光管2、消偏振分光棱镜3、光隔离器4依次单向连接，所述激光管2输出激光经所述消偏振分光棱镜3分光，透射光通过所述光隔离器4输出稳频激光，反射光通过所述偏振分光棱镜5再次分光；所述测温电路包括腔内测温电路9和环境测温电路13，所述腔内测温电路9采集所述激光管2的温度，所述环境测温电路13用于采集激光器壳体14所处的外部环境温度；所述稳频电路包括光电探测器6、i/v转换电路7、a/d转换器8、d/a转换器10、薄膜驱动电路11、加热薄膜12和微处理器15；所述光电探测器6、i/v转换电路7、a/d转换器8、微处理器15依次单向连接，所述微处理器15、d/a转换器10、薄膜驱动电路11、加热薄膜12依次单向连接。
11.进一步地，所述激光器电源1，用于为激光管2提供电能；
12.所述激光管2，为双纵模激光管，用于向所述消偏振分光棱镜3输出双模态激光；
13.所述消偏振分光棱镜3，用于激光光束的分光，且透射光占用更大的分光比例以保证激光输出光功率，部分反射光传输至所述偏振分光棱镜5；
14.所述光隔离器4，利用法拉第效应，用于通过正向传输的激光，隔离反向传输的激光以防止激光回返光影响稳频精度；
15.所述偏振分光棱镜5，用于分离双纵模激光，分成两束偏振方向互为正交的水平偏振光与竖直偏振光；
16.所述光电探测器6，用于将光信号转换为电信号，用于读取所述偏振分光棱镜5输出的一对正交偏振光信号并转换为电信号输出至i/v转换电路7；
17.所述i/v转换电路7，用于转换所述光电探测器6输出的两路电流信号为电压信号，并输出至所述a/d转换器8；
18.所述a/d转换器8，用于采集所述i/v转换电路7输出的两路光模拟信号并转换为数字信号；
19.所述腔内测温电路9，利用高精度温度传感器实时读取激光管2的温度值，温度数据传输至所述微处理器15；
20.所述d/a转换器10，用于转换所述微处理器15输出的稳频控制数字信号为模拟信号并传输至所述薄膜驱动电路11；
21.所述薄膜驱动电路11，用于依据稳频控制模拟信号输出加热薄膜12的驱动信号；
22.所述加热薄膜12，作为温度执行器件，用于根据所述薄膜驱动电路11输出的驱动信号，实现对所述激光管2的加热；
23.所述环境测温电路13，利用高精度温度传感器实时读取环境温度值，温度传感器安装在所述激光器壳体14上；
24.所述激光器壳体14，用于隔绝外界环境，并装配所述光学器件与电学器件。
25.进一步地，所述i/v转换电路7通过所述微处理器15调控增益大小，为增益可调的i/v转换电路。
26.本发明提出基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频方法，所述方法应用所述的基于分区间预热非平衡功率锁定的激光稳频装置实现，所述方法包括：
27.步骤1：首先进行温度区间划分实验；
28.步骤2：建立激光频率f随环境温度ta的变化模型f(ta)；
29.步骤3：测定激光频率相对双纵模光功率偏差信号的灵敏度k；
30.步骤4：开启激光器电源1，由环境测温电路13测得环境温度ta，由腔内测温电路9采集激光管2实际温度t
tube
作为预热之前的激光管2起始温度值；根据步骤1温度区间的划分结果，可得环境温度ta所在的温度区间对应的目标预热温度点tn以及稳频频率值fn；根据激光管2变化一个模式对应的温度变化值δtmod，得到加热至tn需要的模式变化量n；由所述加热薄膜12加热激光管2，通过平衡式光电探测器6检测模式变化值达到n时，即t
tube
达到目标预热温度点tn，完成预热过程；
31.步骤5：针对激光稳频微调阶段，两个纵模光频率分别为v、v＇，经光电探测器6测得光功率并由i/v转换电路7转换为电压信号v、v＇；根据激光频率随环境温度的变化模型f
(ta)以及激光频率相对双纵模光功率偏差信号灵敏度k，微处理器15利用外部环境温度ta通过程序计算出误差信号偏移量δv并进行补偿温漂，非平衡功率稳频方法在不同环境温度下以误差信号δv作为稳频基准修正值，从而进一步保证激光频率稳定性。
32.进一步地，所述步骤1具体为：
33.在-20～40℃宽温域条件中，根据激光管2在不同初始温度ta下的稳频温度范围，选定可达到相同稳频温度点的多个工作环境温度区间；划分温度区间为[-20，x1]，[x1，x2]，[x2，x3]，
…
，[x
n-1，40]；合理选定各个区间的目标预热温度点tn以及测定相应稳频的频率值fn。
[0034]
进一步地，所述不同初始温度ta下的稳频温度范围为[ta+25℃，ta+40℃]。
[0035]
进一步地，所述步骤2具体为：
[0036]
在-20～40℃温度区间中，选定不同温度点t1，t2，t3……
，分别利用平衡功率稳频下的纵模进行拍频实验，记录拍频实验结果的激光中心频率值f1，f2，f3……
，对所得实验数据处理得到激光频率f随环境温度ta的变化模型f(ta)。
[0037]
进一步地，所述步骤3具体为：
[0038]
光功率偏差信号由光电探测器6获得，并由i/v转换电路7转换为电压误差信号δv，在-20～40℃宽温域内的多个温度下，由偏差信号多次变化一定量值，观测相应的激光频率变化量，由数据得到灵敏度
[0039]
本发明提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频方法的步骤。
[0040]
本发明提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频方法的步骤。
[0041]
本发明的主要优点及有益效果是：
[0042]
本发明设计了一种基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频方法与装置，是针对-20～40℃宽温域条件下的激光稳频方法。提出分区间预热非平衡功率锁定稳频方法：通过环境温度分区间的方式使得激光器在多个小温度范围内稳频至单温度点，并结合非平衡功率锁定方案，建立激光频率随环境温度的变化模型f(ta)，测定激光频率变化量相对双纵模光功率偏差信号变化量的灵敏度k，从而修正稳频基准点，补偿激光频率随温度的漂移。本发明基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频方法有效解决宽温域条件下的激光稳频问题，激光器工作温度范围至-20～40℃，稳频装置的频率相对准确度优于1.0
×
10-8
。
附图说明
[0043]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0044]
图1为基于分区间预热非平衡功率锁定的激光稳频装置原理示意图；
[0045]
图2为激光稳频装置与碘稳频激光器拍频实验装置示意图；
[0046]
图3为预热温度范围与激光器初始工作温度关系示意图；
[0047]
图4为激光器拍频频率随环境温度的漂移f(ta)曲线图；
[0048]
图5为不同方案的稳频效果数据对比示意图。
具体实施方式
[0049]
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0050]
针对现有宽温域激光器稳频方法的欠缺，本发明提出了基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频方法与装置。本发明涉及激光稳频技术研究领域，可在激光干涉测量等领域中拓展应用范围。基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频方法，提出并结合了分区间预热方案与非平衡功率锁定方案，通过温度区间划分实验使得激光器在多个小温度范围内稳频至单温度点，从而使激光器快速、准确地工作在预设温度上，实现快速预热；通过非平衡功率锁定方案，建立激光频率随环境温度的变化模型f(ta)，并测定激光频率变化量相对双纵模光功率偏差信号变化量的灵敏度k，以补偿频率随温度的漂移。本发明所述方法的稳频温度范围至-20～40℃，相对稳频准确度优于1.0
×
10-8
。
[0051]
结合图1-图5，根据图1所示的基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频装置原理示意图，本发明提出基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频装置，所述激光稳频装置包括激光器电源1、激光管2、消偏振分光棱镜3、光隔离器4、偏振分光棱镜5、测温电路和稳频电路；所述激光器电源1连接于所述激光管2两端以提供电能，所述激光管2两侧均设有透光孔，所述消偏振分光棱镜3位于任意一侧的透光孔方向上，所述激光管2、消偏振分光棱镜3、光隔离器4依次单向连接，所述激光管2输出激光经所述消偏振分光棱镜3分光，透射光通过所述光隔离器4输出稳频激光，反射光通过所述偏振分光棱镜5再次分光；所述测温电路包括腔内测温电路9和环境测温电路13，所述腔内测温电路9采集所述激光管2的温度，所述环境测温电路13用于采集激光器壳体14所处的外部环境温度；所述稳频电路包括光电探测器6、i/v转换电路7、a/d转换器8、d/a转换器10、薄膜驱动电路11、加热薄膜12和微处理器15；所述光电探测器6、i/v转换电路7、a/d转换器8、微处理器15依次单向连接，所述微处理器15、d/a转换器10、薄膜驱动电路11、加热薄膜12依次单向连接。
[0052]
所述激光器电源1，用于为激光管2提供电能；
[0053]
所述激光管2，为双纵模激光管，用于向所述消偏振分光棱镜3输出双模态激光；
[0054]
所述消偏振分光棱镜3，用于激光光束的分光，且透射光占用更大的分光比例以保证激光输出光功率，部分反射光传输至所述偏振分光棱镜5；
[0055]
所述光隔离器4，利用法拉第效应，用于通过正向传输的激光，隔离反向传输的激光以防止激光回返光影响稳频精度；
[0056]
所述偏振分光棱镜5，用于分离双纵模激光，分成两束偏振方向互为正交的水平偏振光与竖直偏振光；
[0057]
所述光电探测器6，用于将光信号转换为电信号，用于读取所述偏振分光棱镜5输出的一对正交偏振光信号并转换为电信号输出至i/v转换电路7；
[0058]
所述i/v转换电路7，用于转换所述光电探测器6输出的两路电流信号为电压信号，并输出至所述a/d转换器8；
[0059]
所述a/d转换器8，用于采集所述i/v转换电路7输出的两路光模拟信号并转换为数字信号；
[0060]
所述腔内测温电路9，利用高精度温度传感器实时读取激光管2的温度值，温度数据传输至所述微处理器15；
[0061]
所述d/a转换器10，用于转换所述微处理器15输出的稳频控制数字信号为模拟信号并传输至所述薄膜驱动电路11；
[0062]
所述薄膜驱动电路11，用于依据稳频控制模拟信号输出加热薄膜12的驱动信号；
[0063]
所述加热薄膜12，作为温度执行器件，用于根据所述薄膜驱动电路11输出的驱动信号，实现对所述激光管2的加热；
[0064]
所述环境测温电路13，利用高精度温度传感器实时读取环境温度值，温度传感器安装在所述激光器壳体14上；
[0065]
所述激光器壳体14，用于隔绝外界环境，并装配所述光学器件与电学器件。
[0066]
所述的基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频装置中采用所述i/v转换电路7通过所述微处理器15调控增益大小，为增益可调的i/v转换电路。
[0067]
图2为基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频装置与碘稳频激光器拍频实验装置示意图。根据图2所示，碘稳频激光器16输出稳频激光经反射镜17反射，与通过光隔离器4输出的测试稳频激光在偏振分光棱镜18处合光，然后利用起偏器19起偏拍频干涉，经过拍频实验装置中的光电探测器20接收，利用频率计21对光电探测器20的输出信号进行频率计数，最后送到上位机pc端口22进行数据处理，得到被测激光器的频率准确度。
[0068]
本发明提出基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频方法，所述方法应用所述的基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频装置实现，根据所述激光管2的稳频温度与环境温度之差可达到40℃，面对-20～40℃的宽温域环境，激光器无法实现单温度点稳频。对此，提出分区间预热和非平衡功率锁定稳频相结合的方法：通过环境温度分区间使得激光器在多个小温度范围内稳频至单温度点，然后通过非平衡功率锁定方案，以补偿激光频率随温度的漂移。所述方法包括：
[0069]
步骤1：首先进行温度区间划分实验；
[0070]
所述步骤1具体为：
[0071]
在-20～40℃宽温域条件中，根据激光管2在不同初始温度ta下的稳频温度范围，所述稳频温度范围为[ta+25℃，ta+40℃]。选定可达到相同稳频温度点的多个工作环境温度区间；该区间的划分需考虑加热功率、导热结构的热阻、环境温度以及激光管2极限工作温度的综合限制；划分n个温度区间为[-20，x1]，[x1，x2]，[x2，x3]，
…
，[x
n-1，40]；合理选定各个区间的目标预热温度点tn以及测定相应稳频的频率值fn。
[0072]
步骤2：建立激光频率f随环境温度ta的变化模型f(ta)；
[0073]
所述步骤2具体为：
[0074]
在-20～40℃温度区间中，选定不同温度点t1，t2，t3……
，分别利用平衡功率稳频下的纵模进行拍频实验(拍频基准为碘稳频激光器)，记录拍频实验结果的激光中心频率值f1，f2，f3……
，对所得实验数据处理得到激光频率f随环境温度ta的变化模型f(ta)。
[0075]
步骤3：测定激光频率相对双纵模光功率偏差信号的灵敏度k；
[0076]
所述步骤3具体为：
[0077]
光功率偏差信号由光电探测器6获得，并由i/v转换电路7转换为电压误差信号δv，在-20～40℃宽温域内的多个温度下，由偏差信号多次变化一定量值，观测相应的激光频率变化量，由数据得到灵敏度
[0078]
步骤4：开启激光器电源1，由环境测温电路13测得环境温度ta，由腔内测温电路9采集激光管2实际温度t
tube
作为预热之前的激光管2起始温度值；根据步骤1温度区间的划分结果，可得环境温度ta所在的温度区间对应的目标预热温度点tn以及稳频频率值fn；根据激光管2变化一个模式对应的温度变化值δtmod，得到加热至tn需要的模式变化量n；由所述加热薄膜12加热激光管2，通过光电探测器6检测模式变化值达到n时，即t
tube
达到目标预热温度点tn，完成预热过程；
[0079]
步骤5：针对激光稳频微调阶段，两个纵模光频率分别为v、v＇，经光电探测器6测得光功率并由i/v转换电路7转换为电压信号v、v＇；根据激光频率随环境温度的变化模型f(ta)以及激光频率相对双纵模光功率偏差信号灵敏度k，微处理器15利用外部环境温度ta通过程序计算出误差信号偏移量δv并进行补偿温漂，非平衡功率稳频方法在不同环境温度下以误差信号δv作为稳频基准修正值，从而进一步保证激光频率稳定性。
[0080]
针对宽温域-20～40℃条件下激光频率温漂的问题，建立激光频率随环境温度的变化模型f(ta)，并测定激光频率变化量相对双纵模光功率偏差信号变化量的灵敏度k，不同温度下通过改变误差信号偏移量δv，修正激光器稳频基准点。所述基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频方法有效稳频的环境温度至-20～40℃，所述稳频装置的频率相对准确度优于1.0
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[0081]
图3为稳频温度范围与激光器初始工作温度关系示意图。在20～30℃的温度范围内，环境温度与稳频温度温差可达到40℃，所以当环境温度超过30℃，激光管会出现70℃以上的超过安全工作温度的高温。因此，在-20～40℃宽温域的环境条件下激光管不能设置为稳频至单温度点，而在小温度范围内可以实现单温度点稳频，基于所述稳频温度与环境温度的变化关系，由此可以进行工作温度区间划分，进行激光管区间式预热稳频。如图3所示，根据工作温度分段设定方案划分温度区间为[-20，-5]、[-5，5]、[5，15]、[15，30]、[30，40]，一共5个区间。各个温度区间内预热目标温度分别为20℃，35℃，45℃，54℃，66℃。此温度区间的划分方式可根据所用激光管的极限工作温度条件以及环境要求进行设计。
[0082]
图4为激光器拍频频率随环境温度的漂移f(ta)曲线图。实验中所采用的激光器相关数据为波长633nm，激光管长150mm。宽温域内选取不同温度点下利用平衡功率稳频方案对激光器进行稳频控制，并对其中一个纵模与碘稳频激光器进行了拍频实验，得出激光频率随温度的变化模型为：
[0083]
f＝f
f-189.49+0.24ta
[0084]ff
——碘稳频f峰频率；
[0085]
ta——环境温度值。
[0086]
由激光频率随温度的变化模型得出激光频率随温度以0.24mhz/℃的速率漂移。下一步需要测定激光频率变化量随双纵模光功率偏差信号变化量的灵敏度k。不同温度点下观测误差电压信号δv每变化10mv，激光频率相对于平衡功率稳频控制下的输出频率的变化量δf，对所得数据进行数据平均处理得到微处理器利用所述模型进行程序编写，通过稳频算法输出补偿电压值，驱动加热薄膜器以控制激光腔长度，进而修正稳频基准点。
[0087]
图5为不同方案的稳频效果数据对比示意图。在-20～40℃的宽温域条件下，分别采用平衡功率稳频方法、分区间预热稳频方法以及本发明提出的分区间预热非平衡功率稳频方法进行拍频实验(拍频基准为碘稳频激光器)，由激光拍频实验数据图可得：平衡功率稳频方法在-20～40℃条件下最大频差达到16.29mhz，频率相对准确度约为3.44
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；分区间预热稳频方案通过划分[-20，-5]、[-5，5]、[5，15]、[15，30]、[30，40]，5个温度区间内预热目标温度分别为20℃、35℃、45℃、54℃、66℃，在相应预热目标温度点下激光器与碘稳频激光器的拍频实验的f峰中心频率数据结果分别为187.0mhz，184mhz，182.0mhz，180mhz，177.2mhz，该方案各温度区间的频率漂移不超过3mhz；对于本发明提出的分区间预热非平衡功率稳频方法，提出并结合分区间预热方法与非平衡功率锁定稳频方法，进一步通过非平衡功率稳频方案修正宽温域内温度变化下的激光稳频基准点，最终的频率准确度优于1.0
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10-8
。本发明的分区间预热非平衡功率稳频方法有效地改善了激光器在宽温域范围内的频率准确度。
[0088]
本发明提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频方法的步骤。
[0089]
本发明提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频方法的步骤。
[0090]
本技术实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(read only memory，rom)、可编程只读存储器(programmable rom，prom)、可擦除可编程只读存储器(erasable prom，eprom)、电可擦除可编程只读存储器(electrically eprom，eeprom)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(random access memory，ram)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的ram可用，例如静态随机存取存储器(static ram，sram)、动态随机存取存储器(dynamic ram，dram)、同步动态随机存取存储器(synchronous dram，sdram)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(double data rate sdram，ddr sdram)、增强型同步动态随机存取存储器(enhanced sdram，esdram)、同步连接动态随机存取存储器(synchlink dram，sldram)和直接内存总线随机存取存储器(direct rambus ram，drram)。应注意，本发明描述的方法的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合
类型的存储器。
[0091]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机指令时，全部或部分地产生按照本技术实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(digital subscriber line，dsl))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，高密度数字视频光盘(digital video disc，dvd))、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disc，ssd))等。
[0092]
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。结合本技术实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
[0093]
应注意，本技术实施例中的处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本技术实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本技术实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
[0094]
以上对本发明所提出的基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频方法与装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频装置，其特征在于：所述激光稳频装置包括激光器电源(1)、激光管(2)、消偏振分光棱镜(3)、光隔离器(4)、偏振分光棱镜(5)、测温电路和稳频电路；所述激光器电源(1)连接于所述激光管(2)两端以提供电能，所述激光管(2)两侧均设有透光孔，所述消偏振分光棱镜(3)位于任意一侧的透光孔方向上，所述激光管(2)、消偏振分光棱镜(3)、光隔离器(4)依次单向连接，所述激光管(2)输出激光经所述消偏振分光棱镜(3)分光，透射光通过所述光隔离器(4)输出稳频激光，反射光通过所述偏振分光棱镜(5)再次分光；所述测温电路包括腔内测温电路(9)和环境测温电路(13)，所述腔内测温电路(9)采集所述激光管(2)的温度，所述环境测温电路(13)用于采集激光器壳体(14)所处的外部环境温度；所述稳频电路包括光电探测器(6)、i/v转换电路(7)、a/d转换器(8)、d/a转换器(10)、薄膜驱动电路(11)、加热薄膜(12)和微处理器(15)；所述光电探测器(6)、i/v转换电路(7)、a/d转换器(8)、微处理器(15)依次单向连接，所述微处理器(15)、d/a转换器(10)、薄膜驱动电路(11)、加热薄膜(12)依次单向连接。2.根据权利要求1所述的激光稳频装置，其特征在于：所述激光器电源(1)，用于为激光管(2)提供电能；所述激光管(2)，为双纵模激光管，用于向所述消偏振分光棱镜(3)输出双模态激光；所述消偏振分光棱镜(3)，用于激光光束的分光，且透射光占用更大的分光比例以保证激光输出光功率，部分反射光传输至所述偏振分光棱镜(5)；所述光隔离器(4)，利用法拉第效应，用于通过正向传输的激光，隔离反向传输的激光以防止激光回返光影响稳频精度；所述偏振分光棱镜(5)，用于分离双纵模激光，分成两束偏振方向互为正交的水平偏振光与竖直偏振光；所述光电探测器(6)，用于将光信号转换为电信号，用于读取所述偏振分光棱镜(5)输出的一对正交偏振光信号并转换为电信号输出至i/v转换电路(7)；所述i/v转换电路(7)，用于转换所述光电探测器(6)输出的两路电流信号为电压信号，并输出至所述a/d转换器(8)；所述a/d转换器(8)，用于采集所述i/v转换电路(7)输出的两路光模拟信号并转换为数字信号；所述腔内测温电路(9)，利用高精度温度传感器实时读取激光管(2)的温度值，温度数据传输至所述微处理器(15)；所述d/a转换器(10)，用于转换所述微处理器(15)输出的稳频控制数字信号为模拟信号并传输至所述薄膜驱动电路(11)；所述薄膜驱动电路(11)，用于依据稳频控制模拟信号输出加热薄膜(12)的驱动信号；所述加热薄膜(12)，作为温度执行器件，用于根据所述薄膜驱动电路(11)输出的驱动信号，实现对所述激光管(2)的加热；所述环境测温电路(13)，利用高精度温度传感器实时读取环境温度值，温度传感器安装在所述激光器壳体(14)上；所述激光器壳体(14)，用于隔绝外界环境，并装配所述光学器件与电学器件。3.根据权利要求2所述的激光稳频装置，其特征在于：所述i/v转换电路(7)通过所述微处理器(15)调控增益大小，为增益可调的i/v转换电路。
4.基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频方法，其特征在于：所述方法应用权利要求1-3任一项所述的激光稳频装置实现，所述方法包括：步骤1：首先进行温度区间划分实验；步骤2：建立激光频率f随环境温度t
a
的变化模型f(t
a
)；步骤3：测定激光频率相对双纵模光功率偏差信号的灵敏度k；步骤4：开启激光器电源(1)，由环境测温电路(13)测得环境温度t
a
，由腔内测温电路(9)采集激光管(2)实际温度t
tube
作为预热之前的激光管(2)起始温度值；根据步骤1温度区间的划分结果，可得环境温度t
a
所在的温度区间对应的目标预热温度点t
n
以及稳频频率值f
n
；根据激光管(2)变化一个模式对应的温度变化值δt
mod
，得到加热至t
n
需要的模式变化量n；由所述加热薄膜(12)加热激光管(2)，通过光电探测器(6)检测模式变化值达到n时，即t
tube
达到目标预热温度点t
n
，完成预热过程；步骤5：针对激光稳频微调阶段，两个纵模光频率分别为v、v＇，经光电探测器(6)测得光功率并由i/v转换电路(7)转换为电压信号v、v＇；根据激光频率随环境温度的变化模型f(t
a
)以及激光频率相对双纵模光功率偏差信号灵敏度k，微处理器(15)利用外部环境温度t
a
通过程序计算出误差信号偏移量δv并进行补偿温漂，非平衡功率稳频方法在不同环境温度下以误差信号δv作为稳频基准修正值，从而进一步保证激光频率稳定性。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤1具体为：在-20～40℃宽温域条件中，根据激光管(2)在不同初始温度t
a
下的稳频温度范围，选定可达到相同稳频温度点的多个工作环境温度区间；划分温度区间为[-20，x1]，[x1，x2]，[x2，x3]，
…
，[x
n-1，40]；合理选定各个区间的目标预热温度点t
n
以及测定相应稳频的频率值f
n
。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述不同初始温度t
a
下的稳频温度范围为[t
a
+25℃，t
a
+40℃]。7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤2具体为：在-20～40℃温度区间中，选定不同温度点t1，t2，t3……
，分别利用平衡功率稳频下的纵模进行拍频实验，记录拍频实验结果的激光中心频率值f1，f2，f3……
，对所得实验数据处理得到激光频率f随环境温度t
a
的变化模型f(t
a
)。8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤3具体为：光功率偏差信号由光电探测器(6)获得，并由i/v转换电路(7)转换为电压误差信号δv，在-20～40℃宽温域内的多个温度下，由偏差信号多次变化一定量值，观测相应的激光频率变化量，由数据得到灵敏度9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求4-8任一项所述方法的步骤。10.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求4-8任一项所述方法的步骤。

技术总结
本发明提出基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频方法与装置。涉及激光干涉测量领域。本发明针对宽温域环境下的激光器稳频问题，提出并结合分区间预热方法与非平衡功率锁定稳频方法，通过环境温度分区间划分，使激光器在所设定的温度范围内稳频至单温度点，利用非平衡功率锁定方案，通过实验建立激光频率模型以修正稳频基准点，补偿激光频率随温度的漂移。本发明方法及装置的有效工作环境温度范围达到-20～40℃，激光频率相对准确度优于1.0


技术研发人员：杨宏兴 王彦 李芳妃 骆文瑞 胡鹏程
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.04.06
技术公布日：2023/7/21