激光器的稳频
激光稳频(讲稿)讲解
原子俘获
二、影响激光频率稳定的因素
激光频率由谐振腔振荡频率c和 原子跃迁谱线频率m共同决定:
m
m
c
c
1
m
1
c
c 和 m分别是谐振腔线宽和 跃迁谱线线宽。
通常 c << m
c ( m c ) c m
第二项很小，所以： c 激光频率由谐振腔决定：
q c
2nL
腔长L或折射率n发生变化，多会导 致激光频率变化：
L n Ln
影响激光频率稳定的因素：
外部因素：温度、大气变化、机械 振动、 磁场
内部因素：工作气压、放电电流、 自发辐射无规噪声
三、激光稳频技术
●被动稳频法：
针对上述诸因素，采取恒温、膨胀系 数匹配、防振、密封、隔离、稳定电源 等措施，使激光稳频。
F-P腔镜反射率为R，腔长为d，折 射率n，当调制光束垂直入射时，反射 传递函数：
i 2nd
f r R( 1 e c )
i 2nd
(1 Re c )
反射传递函数改写成：
f r Aei
得F-P腔反射光场：
E E0[J 0 A0e i(t 0 ) J1 A1e i[( m )t 1 ] J1 A1e i[( m ] )t 1 ] c.c.
探测器上边带与载波外差拍频得到 频率为m的光电流信号为：
i 2kE02J0J1 A0{[ A1 cos(0 1 ) A1 cos(1 0 )]cosmt [ A1 sin(0 1 ) A1 sin(1 0 )]sinmt}
利用位相检测可分别探测到上式中 的二项，当F-P腔长或激光频率扫描时， 对应第一项和第二项分别得到吸收型谱 线和色散型谱线。
4.5 激光器的频率牵引与频率稳定-20200506
光介质被激活后的频率变为多少？(不考虑模式竞争)
c
L
c
L c
c
1
2 c
c 2L
0.04 3108 2 3.14 0.5 1.6
2.4MHz
H
c H
2.4 10
0.24
q
0 q
q 0
qHale Waihona Puke 00 q1
0.24 5 108 6 108 1 0.24
5.8 108 MHz
三、频率稳定
激光器中Δv与v的比值很小，即单色性很好。
0左
q右 q左
0 q
振荡模谱
q
0 q
2
q左 q右
ln 2 c D
1
I q Is
( q
0 )
2
ln 2 c D
1
I Is
0
加上纵向磁场时，激光器产生左旋圆偏振及右旋圆偏振的双频激光，频差 v约为塞曼分裂值v0 千分之几。
16
双频激光器稳频的方法之一：测出二圆偏振光输出功率差 值，作为鉴频的误差信号，通过伺服控制系统控制激光器
设表观中心频率在0~0+d0范围内的反转集居数密度为
n0 g%D ( 0, 0 )d 0 , 这部分反转粒子对折射率变化的贡献为：
c( 0 ) 2 H
A21v2n0g%D ( 0 , 0 )
4
2
2 0
H
(
0 )2
H
2
2
H
2
2
1
I Is
d 0
均匀加宽按洛伦兹线型，非均匀加宽按多普勒加宽计算
D
D
如果工作物质具有非均匀加宽线型，即 H D, 1
激光稳频技术
所示的饱和吸收谱，分别对应 Fg=4Fe=3,4 和 Fg=3Fe=3,4。在图中发现，不同的共振
频率对应的谱线强度不同，这主要是由于原子在不同的能级之间跃迁时有不同的跃迁几
率造成的结果。同理，扫描 852.3nm 的激光器频率得到如图 3.5 所示 Cs 原子 D2 线饱和
吸收谱，a 图和 b 图分别对应 Fg=4Fe=3,4,5 和 Fg=3Fe=2,3,4 跃迁。在图中不仅包含
mg
me q
Fe ,me
me
Fg
Fe
Fg ,mg
Fe
Fe Fg 1me mg 1
（3-1）
dQme Fe
dt
s Fe ,me 2 (P Q ) Q Fg ,mg q
mg q Fg
me 1
me
Fe ,me
me
Fe
Fg ,mg
Fe
Fg Fg 1,Fg mg me 1
（3-2）
s
s0
45
45
6 s g 3 ( f3 g3 ) g3
45 2
f 3
6
s
28
21
( f3 g3 ) g1 g2
6
g 3
45 2
45
45
45
10 s
g 4
45
2
( f4
g4 ) g4
f 4
10
45
s 2
( f4
g4)
21 45 g 2
24 45 g3
10 45 g 4
15 s g 5 ( f5 g5 ) g5
3-2 .16
.14
.12 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
兰姆凹陷稳频原理
兰姆凹陷稳频原理
兰姆凹陷稳频原理是基于多谱勒加宽的单纵模气体激光器中的一种现象。
在单纵模气体激光器中，输出功率随纵模频率向中心频率的靠近而增大。
然而，当纵模频率接近中心频率时，由于增益曲线上两个烧孔重叠，能够受激辐射的粒子数减小，导致光强反而下降，在中心频率处出现凹陷，这就是所谓的兰姆凹陷。
这一输出特性在稳频技术中很有用。
兰姆凹陷原理可以被用来稳定激光器的频率，因为当激光器的频率处于兰姆凹陷区域时，其输出功率更稳定，变化较小。
因此，通过调整激光器的参数，使其工作在兰姆凹陷区域，可以实现频率的稳定输出。
以上内容仅供参考，建议查阅兰姆凹陷稳频原理的相关文献或咨询物理学专家以获取更准确和深入的信息。
激光器功率不稳定的原因
激光器功率不稳定的原因激光器功率不稳定是激光器应用中常见的技术问题，其主要原因包括以下几个方面：1.激光器器件老化激光器器件老化是导致激光器功率不稳定的主要原因之一。
激光器器件老化会导致激光器输出功率不稳定，特别是在激光器使用时间长、频繁开关等情况下容易出现。
这是因为激光器器件在长时间工作中会产生热量，导致器件老化，从而影响激光器的功率稳定性。
2.激光器光路不稳定激光器光路不稳定也是造成激光器功率不稳定的原因之一。
激光器光路不稳定主要表现为激光器输出功率随着环境温度、机械振动等因素的变化而变化。
这是因为激光器光路的稳定性是激光器输出功率稳定性的重要保证，如果激光器光路不稳定，就会导致激光器输出功率不稳定。
3.激光器泵浦源问题激光器泵浦源的问题也是造成激光器功率不稳定的原因之一。
激光器泵浦源主要负责激发激光器材料中的激发态粒子，从而实现激光器的放大和输出。
如果激光器泵浦源出现问题，就会导致激光器输出功率不稳定，甚至无法正常工作。
4.激光器驱动电源问题激光器驱动电源的问题也是造成激光器功率不稳定的原因之一。
激光器驱动电源主要负责为激光器提供稳定的电源，从而保证激光器的正常工作。
如果激光器驱动电源出现问题，就会导致激光器输出功率不稳定，甚至无法正常工作。
为了解决激光器功率不稳定的问题，可以采取以下措施：1.定期维护和更换激光器器件定期维护和更换激光器器件可以有效避免激光器器件老化问题，从而保证激光器的输出功率稳定性。
2.优化激光器光路设计优化激光器光路设计可以有效提高激光器光路的稳定性，从而保证激光器的输出功率稳定性。
3.选择优质的激光器泵浦源和驱动电源选择优质的激光器泵浦源和驱动电源可以保证激光器的工作稳定性，从而保证激光器的输出功率稳定性。
激光器功率不稳定是激光器应用中常见的技术问题，需要采取有效的措施来解决。
通过定期维护和更换激光器器件、优化激光器光路设计以及选择优质的激光器泵浦源和驱动电源等措施，可以有效提高激光器的输出功率稳定性，保证激光器的正常工作。
第11讲 激光的稳频技术
1
• 激光的特点之一是单色性好,即其线宽Δν与频率 ν的比值Δν/ν很小。但由于各种不稳定因素的 影响,实际激光频率的漂移远远大于线宽极限。在 精密干涉测量、光频标、光通信、激光陀螺及精 密光谱研究等应用领域中,要求激光器所发出的激 光有较高的频率稳定性. • 频率漂移——激光器通过选模获得单频率振荡后, 由于内部和外界条件的变化,谐振频率仍然在整个 线型宽度内移动的现象。 • 稳频目的：使频率本身稳定，即不随时间、地点 变化。
例如，相应外界因素的 影响，激光器的振荡中 心频率分别处在 vA、v0、 vB处，由于相应 vA处的 功率调谐曲线的斜率是 负值，所得到的输出功 率的变化与调制信号同 频、反相；
12
假如由于某种原因(例如温度升高)使L伸长，引起 ν0 ， ν与 激光频率由 偏至 的位相正好相反 ν P A
假如由于某种原因(例如温度降低)使L缩短，引起激光 频率由 ν偏至 ， νB 与 ν P 的位相正好相同 0
3
2.2.1影响频率稳定的因素
• 由激光原理知道，激光器的工作频率为 ν q c • 相应频率的变化，可以表示为
ν L ( ) ν L
2L
• 显然，各种能使腔长L、折射率n发生变化的 因素，都将引起工作频率的不稳定。
4
1．引起腔长变化的主要因素是：
• 温度将通过支持反射镜的支架材料的热膨胀，使腔长变化，
影响长期稳定度； • 外界的机械振动会引起谐振腔支架的振动，导致腔长变化， 引起频率不稳定。
例如，一个腔长 L＝150mm的 He-Ne 激光器，振动引起的腔长变 化 ΔL ＝1μm时，将使稳定度为6.6×10-6。若要达到1×l0-8的稳定度，
必须保证ΔL＜1.5nm(原子的线度是0.1nm)；
4.2激光器的稳频
图4-12 饱和吸收法稳频的装置示意图
率比较稳定。 率比较稳定。所以在吸收线中心处形成一 个位置稳定且宽度很窄的凹陷， 个位置稳定且宽度很窄的凹陷，以此作为 稳频的参考点， 稳频的参考点，可使其频率稳定性和复现 性精度得到很大的提高。 性精度得到很大的提高。
R=
δν
ν
目前, 稳定度已达到 已达到10 复现性在 目前 稳定度已达到10-9～10-13而复现性在10-7～10-12. 实际应用中,要求稳定度和复现性都能在10 以上. 实际应用中 要求稳定度和复现性都能在10-8以上. 要求稳定度 都能在
激光器功率的稳定性检测与调整技巧
激光器功率的稳定性检测与调整技巧激光器功率的稳定性是激光器性能的重要指标之一，对于保证激光器的正常运行以及提高实验和生产效率至关重要。
本文将介绍激光器功率稳定性的检测方法和调整技巧，帮助读者更好地掌握和应用。
首先，我们需要了解激光器功率稳定性的定义。
激光器功率的稳定性是指在一定的工作条件下，激光器输出的功率是否能够保持在一个相对恒定的水平。
通常用“功率波动率”来表示激光器功率稳定性，即单位时间内功率的相对变化范围。
为了准确地检测激光器功率的稳定性，我们可以采取以下方法：首先，可以使用功率稳定性测试仪进行检测。
功率稳定性测试仪通常具有高精度的功率测量功能，能够实时监测激光器的输出功率，并计算出功率波动率。
通过连续采样和统计处理，可以得出稳定性的准确数值。
在测试过程中，要注意排除外界因素的干扰，比如温度的变化、光路的松动等。
此外，还要保证测试仪器的精度和稳定性，以保证检测结果的准确性。
其次，可以利用功率控制系统进行检测。
功率控制系统是一种通过反馈调节激光器的工作参数以实现功率稳定的方法。
该系统一般由光电检测器、反馈控制器和激光器组成。
光电检测器负责测量输出功率，并将测量结果传输给反馈控制器。
反馈控制器根据测量结果调整激光器的参数，以保持功率的稳定。
利用功率控制系统进行检测时，需要正确设置控制参数，并根据实际需要进行调整。
接下来，我们将介绍一些调整技巧，以提高激光器功率的稳定性。
首先，调整激光器的温度。
激光器的温度对功率的稳定性有很大的影响。
温度过高或过低都会导致功率的波动。
因此，在使用过程中，要确保激光器的温度稳定，并根据需要进行合适的调整。
可以通过控制激光器周围的温度环境或者使用温度控制装置来实现温度的稳定。
其次，注意光学系统的稳定。
光学系统是激光器输出功率稳定性的关键因素之一。
光路的松动、污染和退化都会导致功率的波动。
因此，在使用过程中，要保持光学系统的稳定和清洁，并定期检查和维护。
此外，还要注意光路的校准，确保各个光学元件的位置和焦距正确，以减小光学系统对功率的影响。
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2 稳频方法概述
稳频的实质： 不变。 稳频的实质：保持μ、L不变。 不变 一. 被动式稳频
利用热膨胀系数低的材料制做谐振腔的间隔器；或用膨胀系数为 利用热膨胀系数低的材料制做谐振腔的间隔器； 热膨胀系数低的材料制做谐振腔的间隔器 负值的材料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合。 负值的材料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合。
图所示的是一台CO 激光器的防震 恒温装置 防震、 装置。 图所示的是一台CO2激光器的防震、恒温装置。它采用了恒温 措施，温度可恒定在35±0.030C。为了防震，在所有部件之间都 措施，温度可恒定在35± 为了防震， 35 置有海绵垫，并将整个装置放在坚固稳定的防震台上； 置有海绵垫，并将整个装置放在坚固稳定的防震台上；还采用了 稳压稳流电源。 稳压稳流电源。
βT = µ ( ) = −9.3 ×10 / C
1 −7 0
dµ dT
β p = µ ( ) = 5 ×10 / Pa
1 −5
dµ dp
β H = µ ( ) = −8 ×10 / Pa
1 −6
dµ dH
又设测量中温度、 又设测量中温度、气压及湿度的时间变化率分别为
dT dt dp dt dH dt
兰姆凹陷法稳频激光器的基本结构
当压电陶瓷外表面加正电压、内表面加负电压时压电陶瓷伸长, 当压电陶瓷外表面加正电压、内表面加负电压时压电陶瓷伸长, 反之则缩短,因而可利用压电陶瓷的伸缩来控制腔长。 反之则缩短,因而可利用压电陶瓷的伸缩来控制腔长。
二.腔长自动补偿系统的方框图
前
兰姆凹陷法稳频方框图
选频放大器只是对某一特定频率信号进行有选择性的放大 选频放大器只是对某一特定频率信号进行有选择性的放大 与输出。 与输出。相敏检波器的作用是将选频放大后的信号电压与参考 信号电压进行相位比较。当选频放大信号为零时， 信号电压进行相位比较。当选频放大信号为零时，相敏输出为 当选频放大信号和参考信号同相位时 同相位时， 零；当选频放大信号和参考信号同相位时，相敏输出的直流电 压为负，反之则为正。 压为负，反之则为正。振荡器除供给相敏检波器以参考信号电 压外， 约为l 压外，还给出一个频率为 f [(约为lkHz)、幅度很小(只有零点 ) 幅度很小( 几伏)的交流讯号，称为“搜索讯号” 几伏)的交流讯号，称为“搜索讯号”]的正弦调制信号加到压 电陶瓷环上对腔长进行调制。 电陶瓷环上对腔长进行调制。
激光器的稳频
激光的特点之一是单色性好,即其线宽Δν与频率ν 激光的特点之一是单色性好,即其线宽Δν与频率ν的比 Δν与频率 Δν/ν很小 但由于各种不稳定因素的影响, 很小。 值Δν/ν很小。但由于各种不稳定因素的影响,实际激光频率 的漂移远远大于线宽极限。在精密干涉测量、光频标、光通信、 的漂移远远大于线宽极限。在精密干涉测量、光频标、光通信、 激光陀螺及精密光谱研究等应用领域中, 激光陀螺及精密光谱研究等应用领域中,要求激光器所发出的 激光有较高的频率稳定性. 激光有较高的频率稳定性. 频率漂移——激光器通过选模获得单频率振荡后, 频率漂移——激光器通过选模获得单频率振荡后,由于内部和外 激光器通过选模获得单频率振荡后 界条件的变化,谐振频率仍然在整个线型宽度内移动的现象。 界条件的变化,谐振频率仍然在整个线型宽度内移动的现象。 稳频目的：使频率本身稳定，即不随时间、地点变化。 稳频目的：使频率本身稳定，即不随时间、地点变化。
稳频原理示意图。 三. 稳频原理示意图。 假如由于某种原因(例如温度降低) 假如由于某种原因(例如温度降低) 缩短， 使L缩短，引起激光频率由 ν 0 偏至 ， 缩短 ∆P ∆ν 与νB 的位相正好相同 ,于是光电接 收器输出一个频率为f 的信号,经前置 收器输出一个频率为 的信号 经前置 放大,选频放大后送入相敏整流器 选频放大后送入相敏整流器,相 放大 选频放大后送入相敏整流器 相 负的直流电压,经 敏整流器输出一个负的直流电压 敏整流器输出一个负的直流电压 经 放大后加在压电陶瓷的外表面 压电陶瓷的外表面, 放大后加在压电陶瓷的外表面,它使 压电陶瓷缩短,腔长伸长,于是频率v 压电陶瓷缩短,腔长伸长,于是频率 B 被拉回到v 被拉回到 0
1.温度变化的影响 温度变化的影响 环境温度的起伏或者是激光管工作时发热， 环境温度的起伏或者是激光管工作时发热，都会使腔材料随 着温度的改变而伸缩 以致引起频率的漂移， 改变而伸缩， 着温度的改变而伸缩，以致引起频率的漂移，即
α∆T = ∆LL = ∆ν ν
式中， 为温度的变化量； 为谐振腔间隔材料的线膨胀系数 为谐振腔间隔材料的线膨胀系数， 式中，△T为温度的变化量；α为谐振腔间隔材料的线膨胀系数， 为温度的变化量 硬质玻璃α=10-5/0C，石英玻璃 硬质玻璃 ，石英玻璃α=6×10-7/0C，殷钢 × ，殷钢α=9×10-7/0C。 × 。 一般难以获得优于10 的频率稳定度。 一般难以获得优于 -8的频率稳定度。 2.大气变化的影响 大气变化的影响 对于外腔式激光器，设谐振腔长为L，放电管长度为L 对于外腔式激光器，设谐振腔长为 ，放电管长度为 0，则 暴露在大气中部分的相对长度为(L- L0)/L，大气的温度、气压、 暴露在大气中部分的相对长度为 ，大气的温度、气压、 湿度的变化都会引起大气折射率的变化， 湿度的变化都会引起大气折射率的变化，从而导致激光振荡频率 的变动。设环境温度T=200C，气压 的变动。设环境温度 ，气压p=1.013×105Pa，湿度 × ， H=1.133kPa,则大气对 则大气对633nm波长光的折射率变化系数分别为 波长光的折射率变化系数分别为 则大气对 波长光的
单频CO2激光器防震、恒温装置 激光器防震、 单频 激光器防震 1.激光器 2.减震器 3.石英玻璃管 4.铅筒 外绕加热丝 激光器 铅筒(外绕加热丝 减震器 石英玻璃管 铅筒 外绕加热丝)
实验证明，采用恒温度、防震装置后 实验证明，采用恒温度、防震装置后, CO2激光器的长期频 率稳定度可达到10 量级。但要提高到量级10 以上， 率稳定度可达到 -7量级。但要提高到量级 -8以上，单靠这种被 动式稳频方法就很难达到了， 随动， 动式稳频方法就很难达到了，必须采用 伺服 （随动，servo)控制 控制 系统对激光器进行自动控制稳频，即主动稳频的方法。 系统对激光器进行自动控制稳频，即主动稳频的方法。
c 2 µL 环境温度的起伏、激光管的发热及机械振动都会引起谐振腔 环境温度的起伏、激光管的发热及机械振动都会引起谐振腔 以及大 几何长度的改变。温度的变化、介质中反转集居数的起伏以及 几何长度的改变。温度的变化、介质中反转集居数的起伏以及大 气的气压、湿度变化都会影响激光工作物质及谐振腔裸露于大气 气的气压、湿度变化都会影响激光工作物质及谐振腔裸露于大气 部分的折射率 以上因素使腔长L及折射率都在一定范围内变化 折射率。 及折射率都在一定范围内变化, 部分的折射率。以上因素使腔长 及折射率都在一定范围内变化, 的变化为∆ 引起的频率相对变化为： 当L的变化为∆L，µ的变化为∆µ时，引起的频率相对变化为： 的变化为 ， 的变化为∆
3 兰姆凹陷法稳频—利用原子谱线中心频率为鉴别器进行稳频 兰姆凹陷法稳频
一、稳频原理： 稳频原理 兰姆凹陷：对非均匀加宽激光介质， 1. 兰姆凹陷：对非均匀加宽激光介质， 激光器输出的功率在中心频率处最小。 激光器输出的功率在中心频率处最小。 2.结构和原理： 2.结构和原理： 结构和原理 ①单纵模激光器。其中一块反射镜固定在 单纵模激光器。 压电陶瓷上， 压电陶瓷上，利用压电陶瓷的伸缩来调 整腔长L 整腔长L。 ②光探测器。利用光电转换装置，将光信 光探测器。利用光电转换装置， 号转变为电信号——作为电路的信号。 作为电路的信号。 号转变为电信号 作为电路的信号 ③电路系统。将误差讯号转成一直流电压 电路系统。 加到压电陶瓷上，以改变腔长。 加到压电陶瓷上，以改变腔长。
∆ν ∆L ∆µ = −( + ) ν L µ
一个管壁材料为硬玻璃的内腔式氦氖激光器, 一个管壁材料为硬玻璃的内腔式氦氖激光器,当温度漂移 硬玻璃的内腔式氦氖激光器 1℃时 由于腔长变化引起的频率漂移已超出增益曲线范围 已超出增益曲线范围。 ±1℃时,由于腔长变化引起的频率漂移已超出增益曲线范围。 腔长变化、折射率变化都是影响频率稳定的因素 腔长变化、折射率变化都是影响频率稳定的因素
−9
∆ λ (τ )
λ
H
= ± 4 . 8 × 10
τ
式中， 为测量时间 对示波器τ=3~5s，对XY记录 为测量时间， 记录τ≤1min。 式中，τ为测量时间，对示波器 ， 记录
3.机械振动的影响 机械振动的影响 机械振动也是导致光腔谐振频率变化的重要因素。 机械振动也是导致光腔谐振频率变化的重要因素。如建筑物 的振动、车辆的通行、声响等都会引起腔的支架振动, 的振动、车辆的通行、声响等都会引起腔的支架振动 使腔的光 学长度改变, 导致振荡频率的漂移； 学长度改变 导致振荡频率的漂移； 对于L=100cm的光腔，当机械振动引起10-6cm的腔长改变时， 的光腔，当机械振动引起 的腔长改变时， 对于 的光腔 的腔长改变时 频率将有1× 的变化。因此，要克服机械振动的影响， 频率将有 ×10-8的变化。因此，要克服机械振动的影响，稳频激 光器必须采取良好的防震措施。 光器必须采取良好的防震措施。
2.鉴频器：是稳频的关键部件。 2.鉴频器：是稳频的关键部件。 鉴频器
①任务：a.提供标准频率。b.频率鉴别：当激光器振荡频率偏离标准 任务：a.提供标准频率。b.频率鉴别： 提供标准频率 频率鉴别 频率时，能够鉴别出来。 频率时，能够鉴别出来。 对鉴频器的要求：a.中心频率要稳定 标准频率不能有漂移。b.灵 中心频率要稳定， ②对鉴频器的要求：a.中心频率要稳定，标准频率不能有漂移。b.灵 敏度要高，微小变化能鉴别。 敏度要高，微小变化能鉴别。 鉴频器的类型：以原子谱线本身作为鉴频器； ③ 鉴频器的类型：以原子谱线本身作为鉴频器；以外界标准频率做鉴 频器。 频器。