第一章激光原理与技术
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L 5 106 L
不加任何稳频措施，单纵模氦氖激光器的频率稳定性为
D 1500106 6 3 10 4.7 1014
腔长变化引起频率漂移已超出增益曲线范围
在精密干涉计量、光频标、激光陀螺及精密光谱研究等应 用领域中，需采用稳频技术以改善激光器的频率稳定性。
频率变化
引起变化的原因
温度：任何材料的物体的线性尺寸都会随温度而变化
l / l T
同时，温度变化会引起介质折射率的变化 温度变化源于环境温度的起伏和激光管的发热 振动：引起腔镜位臵变化、激光管变形，使腔长发 生变化
例：一个管壁材料为硬玻璃的内腔式氦氖激光器，当温
度漂移±1˚C时，由于腔长变化引起频率变化为
缺点：
中心频率易受放电条件、压力位移等因素的影响，对中 心频率的改变，无控制作用；而且线宽较宽，限制了频 率稳定度的提高。 激光器输出激光的光强和频率均有微小的音频调制。 采用兰姆下陷法， 632.8nm He-Ne 激光的频率稳定度可 达10-9，再现度只有10-7。
2. 饱和吸收法 原理:
2、磁致旋光效应
——感应圆双折射
磁致旋光效应（法拉第效应）：在强磁场的作用下，本来 不具有旋光效应的物质产生了旋光性质。
特点：法拉第效应的旋光方向
决定于外加磁场方向，与光的 传播方向无关，即法拉第效应 不具有可逆性，而自然旋光效 应是可逆的。 P
晶体外加电场后新的折射率椭球
x2 y 2 z 2 2 41 yzEx 2 41 xzEy 2 63 xyEz 1 no 2 no 2 ne 2
x
沿z轴加电压，晶体主轴x、y、z变为 x’、y’、z，即坐标系沿z轴转45º
KDP
1 3 ' nx no no 63 EZ 2
双频激光器：由塞曼效应制成的激光器。 激光器产生频率较低的右旋圆偏 光和频率较高的左旋圆偏光
增益
纵向塞曼效应
频差 2.2MHz( H 0.03T ) 频率 稳频方法 测出二圆偏振光输出功率之差值，以此作为鉴频误差 信号，再通过伺服控制系统控制激光器腔长。
结构示意图
稳频性能 频率稳定性可达10-10～ 10-11 ，频率复现性为10-7～ 10-8 。 优点 由双频激光器构成的干涉仪具有较强的抗干扰能力，可用 于工业中的精密计量。
1 3 n 'y no no 63 EZ 2
沿x方向振动的线偏振光通过长度为L的晶体产生的相位差为
2
' (n'y nx )L
2
3 no 63 EZ L
2
3 no 63V
一般把引起π相位差的电压 称为半波电压，Vπ或者Vλ/2表示
3 V / (2no 63 )
两互相垂直的线偏光
Ex a cos t Ey a cos t
经过λ/4波片之后，变为左旋圆偏光和右旋圆偏光
左旋和右旋圆偏光的振动方程可以表示为
a E cos t / 2 1 y' 2 a E1x' cos t 2
1.兰姆(Lamb)下陷法
Lamb下陷： 由于增益介质的增益饱和，在 激光器的输出功率 P 和频率 v 的 关系曲线上，在中心频率 v0 处 输出功率出现凹陷的现象 稳频原理： 利用激光器的输出功率 P 和频率 v 的关系曲线上的凹陷反 应，在凹陷处输出功率随频率变化比较敏感，使激光器 的频率起伏值 Δv 转换成输出功率的起伏值 ΔP，从而获得 误差信号 , 用此误差信号反馈控制谐振腔的长度，使激光 器输出频率趋近中心频率v0
4. 双纵模稳频
当激光频率调谐到距中心偏离约500 MHz 时, 激光出现偏振方向相互垂 直的双纵模振荡，经偏振分光器分离, 分别由性能相同的光电接收器检 测, 转换成电压信号。在内腔激光器的玻璃外壳上绕以细金属丝,通电后 可使激光管加热, 激光管受温度变化而改变腔长。当通过金属丝加热使 激光频率调谐时, 一束平行偏振光的功率增强, 另一束垂直偏振光的功率 相应减弱。用两束激光的功率相等作为参考点, 来控制激光的腔长, 使腔 长保持在双纵模功率相等的状态。
由于外电场的作用，折射率椭球系数随之发生线性变化，变化量可定义为
3 1 2 ij E j n i j 1
用张量形式表示
1 n2 1 1 2 n 2 11 1 21 2 n 3 31 1 2 41 n 4 51 1 61 n 2 5 1 2 n 6
自然双折射
光在各向异性介质（晶体）中传播时产生的双折射现 象，由晶体结构自身的各向异性决定，也称固有双折 射。
感应双折射
当晶体受到应力、电场、磁场 等外界作用，其结构 发生变化时，将会使光在其中的传播规律发生变化， 既光通过这种有外加电场、超声场或磁场的晶体时， 将产生与外场有关的双折射现象，可以根据人们的意 志加以控制，在光电子技术中得到了广泛的应用。
利用外界频率标准进行高稳定度的稳频方法
方法:
在一外腔管中放入激光管的同时再装一吸收管
装臵示意图
PD 激光管 吸收管
振荡器
选频放大
相敏检波
直流放大
增益、吸收曲线
吸收介质对不同频率的光吸收 是非线性的，对于吸收曲线中 心频率的光，吸收易饱和，而 对于吸收曲线非中心频率的光， 吸收不饱和。对于吸收介质吸 收曲线的中心频率，腔的损耗 最小，输出功率最高，出现反 兰姆下陷。
三、 声光调制
声光效应
超声波在声光介质中传播时，介质密度呈现疏密的交替变化，导致折 射率大小的交替变化，此时介质可等效为一块相位光栅，引起入射光 波衍射。
分类：喇曼-耐斯声光衍射&&布拉格声光衍射
布拉格衍射
ຫໍສະໝຸດ Baidu
衍射条件
2s sin B
四、 磁光调制
旋光：当一束线偏振光通过某种物质时，光矢量方向会随着
a E cos t / 2 ' 2y 2 a E2 x' cos t 2
合成光强
a a cos t / 2 cos t / 2 2 2 a a 2 sin t / 2 / 2 sin / 2 2 sin / 2 cos t / 2 2 2 E y' E1 y' E2 y' Ex' E1x' E2 x' a a cos t cos t 2 2 a 2 cos / 2 cos t / 2 2
优点:
反兰姆凹陷的宽度比兰姆凹陷的宽度更窄，峰的位臵 更稳定，下陷的斜率也更大。 频率稳定性可达 10-11 ～10-13; 国际上明确规定甲烷和碘吸 收稳频的氦氖激光波长可作为长度副基准和复现米定义。
3. 塞曼(Zeeman)效应法
塞曼效应:原子能级在磁场作用下发生分裂的现象
特点： 由塞曼效应而分裂的两条谱线，不仅在频率上有差别， 而且偏振态也不同。
稳频性能
在1 个月内的短期频率复现性可达1×10-9 优点 • 采用商品型内腔型激光器, 简易可行; •采用容易制作的激光电源和稳频器, 使整个装臵小型化, 便于搬运和配用; •频率稳定度和复现性达到了用于精密测量范畴的技术 指标, 可以作为精密长度测量和精密波长测量的激光二 级频标。 用于长度精密测量的稳频激光器, 对频率复现性要求 为优于3 ×10 - 8
二、稳频方法
（一）被动稳频 措施
1)控制温度：如T 0.01o C, 一般Sv 108。 2)采用正负线膨胀系数的材料组合 Sv 108
3)防振、密封
（二）主动稳频 基本原理
采用电子伺服控制激光频率，当激光频率偏离标准频率时， 鉴频器给出误差信号控制腔长，使激光频率自动回到标准 频率上。
12 22 31 42 52 62
13 23 E 33 x E 43 y E 53 z 63
对于KDP晶体
0 0 0 0 0 0 0 0 0 ij 0 0 41 0 41 0 0 0 63
§1.6 激光调制技术
一、激光调制的基本概念
激光调制可分为: 内调制和外调制
内调制 ：在激光振荡过程中加载调制信号，即以调制
信号的规律去改变激光振荡的参数，从向改变激光的输 出特性。
外调制：指在激光形成以后，再用调制信号对激光进
行调制，它不改变激光器的参数，们是改变已经输出的 激光参数(如强度、频率、位相等)。
鉴频方法：谐振腔镜在音频激励信号下振动
P
A处，与激励信号，同频反相 B处，同频同相 V0处，2倍频
输出功率变化的规律不仅反映了激光器工作频率偏离中 心频率的大小，而且反映了激光器工作频率偏离标准频 率的方向，可作为差值信号。
稳频装臵示意图
特点：
兰姆下陷稳频以激光工作物质原子谱线本身的中心频率 为标准频率。
R v / v
——同一激光器在不同时间、不同地点、不同条件下频率的重复性
频率漂移远大于线宽极限!!!
一、频率变化原因
激光频率
c q q 2 nL
c l n q 2nL l n
l n l n
旋光现象是一种特殊的双折射现象——圆双折射
上述旋光效应是旋光介质固有的性质，称为自然圆双折射
琼斯矩阵
左旋圆偏光和右旋圆偏光
1 E1 i
1 E2 i
经过不同相位延迟
1 E1 i
1 E2 ei i
合成光强
i /2 2 cos e i 1 1 1 e 2 E E1 E2 ei i i i i ie 2sin ei /2 2
二、电光调制
(一)电光调制原理 电光效应：某些材料在外加电场的作用下，其折射率发生变化
在晶体未加外电场时，主轴坐标系中，折射率椭球如下：
x2 y 2 z 2 2 2 1 2 nx ny nz
当晶体加电场后，折射率椭球发生变形，形式如下：
1 2 1 2 1 2 1 1 1 2 x 2 y 2 z 2 2 yz 2 2 xz 2 2 xy 1 n 1 n 2 n 3 n 4 n 5 n 6
激光测量技术
Laser Measurement Technology
§1.5 激光的稳频技术
稳频的必要性：
在精密计量中，通常以波长为基准， 测量精度很大程度 上决定于波长的精确程度。
要求
激光器输出单频的同时，频率变动尽可能小
表示频率变动的两个物理量
频率稳定度 频率再现性
Sv v / v
传播距离而逐渐转动。 1、固有旋光现象
石英晶体
光轴
旋光现象的规律：
l
物质的旋光本领
例：胆甾相液晶的α约为18000º /mm
唯象解释：将入射线偏光看成是左旋、右旋圆偏光的合成，
左旋、右旋圆偏光在物质内部的折射率不同，因而从物质中出 射时获得的位相差不等。
旋光现象与双折射现象的对比
双折射现象是指在各向异性介质中的二正交线偏振光的传 播速度不同；旋光现象是指在旋光介质中的二反向旋转的 圆偏振光的传播速度不同。
不加任何稳频措施，单纵模氦氖激光器的频率稳定性为
D 1500106 6 3 10 4.7 1014
腔长变化引起频率漂移已超出增益曲线范围
在精密干涉计量、光频标、激光陀螺及精密光谱研究等应 用领域中，需采用稳频技术以改善激光器的频率稳定性。
频率变化
引起变化的原因
温度：任何材料的物体的线性尺寸都会随温度而变化
l / l T
同时，温度变化会引起介质折射率的变化 温度变化源于环境温度的起伏和激光管的发热 振动：引起腔镜位臵变化、激光管变形，使腔长发 生变化
例：一个管壁材料为硬玻璃的内腔式氦氖激光器，当温
度漂移±1˚C时，由于腔长变化引起频率变化为
缺点：
中心频率易受放电条件、压力位移等因素的影响，对中 心频率的改变，无控制作用；而且线宽较宽，限制了频 率稳定度的提高。 激光器输出激光的光强和频率均有微小的音频调制。 采用兰姆下陷法， 632.8nm He-Ne 激光的频率稳定度可 达10-9，再现度只有10-7。
2. 饱和吸收法 原理:
2、磁致旋光效应
——感应圆双折射
磁致旋光效应（法拉第效应）：在强磁场的作用下，本来 不具有旋光效应的物质产生了旋光性质。
特点：法拉第效应的旋光方向
决定于外加磁场方向，与光的 传播方向无关，即法拉第效应 不具有可逆性，而自然旋光效 应是可逆的。 P
晶体外加电场后新的折射率椭球
x2 y 2 z 2 2 41 yzEx 2 41 xzEy 2 63 xyEz 1 no 2 no 2 ne 2
x
沿z轴加电压，晶体主轴x、y、z变为 x’、y’、z，即坐标系沿z轴转45º
KDP
1 3 ' nx no no 63 EZ 2
双频激光器：由塞曼效应制成的激光器。 激光器产生频率较低的右旋圆偏 光和频率较高的左旋圆偏光
增益
纵向塞曼效应
频差 2.2MHz( H 0.03T ) 频率 稳频方法 测出二圆偏振光输出功率之差值，以此作为鉴频误差 信号，再通过伺服控制系统控制激光器腔长。
结构示意图
稳频性能 频率稳定性可达10-10～ 10-11 ，频率复现性为10-7～ 10-8 。 优点 由双频激光器构成的干涉仪具有较强的抗干扰能力，可用 于工业中的精密计量。
1 3 n 'y no no 63 EZ 2
沿x方向振动的线偏振光通过长度为L的晶体产生的相位差为
2
' (n'y nx )L
2
3 no 63 EZ L
2
3 no 63V
一般把引起π相位差的电压 称为半波电压，Vπ或者Vλ/2表示
3 V / (2no 63 )
两互相垂直的线偏光
Ex a cos t Ey a cos t
经过λ/4波片之后，变为左旋圆偏光和右旋圆偏光
左旋和右旋圆偏光的振动方程可以表示为
a E cos t / 2 1 y' 2 a E1x' cos t 2
1.兰姆(Lamb)下陷法
Lamb下陷： 由于增益介质的增益饱和，在 激光器的输出功率 P 和频率 v 的 关系曲线上，在中心频率 v0 处 输出功率出现凹陷的现象 稳频原理： 利用激光器的输出功率 P 和频率 v 的关系曲线上的凹陷反 应，在凹陷处输出功率随频率变化比较敏感，使激光器 的频率起伏值 Δv 转换成输出功率的起伏值 ΔP，从而获得 误差信号 , 用此误差信号反馈控制谐振腔的长度，使激光 器输出频率趋近中心频率v0
4. 双纵模稳频
当激光频率调谐到距中心偏离约500 MHz 时, 激光出现偏振方向相互垂 直的双纵模振荡，经偏振分光器分离, 分别由性能相同的光电接收器检 测, 转换成电压信号。在内腔激光器的玻璃外壳上绕以细金属丝,通电后 可使激光管加热, 激光管受温度变化而改变腔长。当通过金属丝加热使 激光频率调谐时, 一束平行偏振光的功率增强, 另一束垂直偏振光的功率 相应减弱。用两束激光的功率相等作为参考点, 来控制激光的腔长, 使腔 长保持在双纵模功率相等的状态。
由于外电场的作用，折射率椭球系数随之发生线性变化，变化量可定义为
3 1 2 ij E j n i j 1
用张量形式表示
1 n2 1 1 2 n 2 11 1 21 2 n 3 31 1 2 41 n 4 51 1 61 n 2 5 1 2 n 6
自然双折射
光在各向异性介质（晶体）中传播时产生的双折射现 象，由晶体结构自身的各向异性决定，也称固有双折 射。
感应双折射
当晶体受到应力、电场、磁场 等外界作用，其结构 发生变化时，将会使光在其中的传播规律发生变化， 既光通过这种有外加电场、超声场或磁场的晶体时， 将产生与外场有关的双折射现象，可以根据人们的意 志加以控制，在光电子技术中得到了广泛的应用。
利用外界频率标准进行高稳定度的稳频方法
方法:
在一外腔管中放入激光管的同时再装一吸收管
装臵示意图
PD 激光管 吸收管
振荡器
选频放大
相敏检波
直流放大
增益、吸收曲线
吸收介质对不同频率的光吸收 是非线性的，对于吸收曲线中 心频率的光，吸收易饱和，而 对于吸收曲线非中心频率的光， 吸收不饱和。对于吸收介质吸 收曲线的中心频率，腔的损耗 最小，输出功率最高，出现反 兰姆下陷。
三、 声光调制
声光效应
超声波在声光介质中传播时，介质密度呈现疏密的交替变化，导致折 射率大小的交替变化，此时介质可等效为一块相位光栅，引起入射光 波衍射。
分类：喇曼-耐斯声光衍射&&布拉格声光衍射
布拉格衍射
ຫໍສະໝຸດ Baidu
衍射条件
2s sin B
四、 磁光调制
旋光：当一束线偏振光通过某种物质时，光矢量方向会随着
a E cos t / 2 ' 2y 2 a E2 x' cos t 2
合成光强
a a cos t / 2 cos t / 2 2 2 a a 2 sin t / 2 / 2 sin / 2 2 sin / 2 cos t / 2 2 2 E y' E1 y' E2 y' Ex' E1x' E2 x' a a cos t cos t 2 2 a 2 cos / 2 cos t / 2 2
优点:
反兰姆凹陷的宽度比兰姆凹陷的宽度更窄，峰的位臵 更稳定，下陷的斜率也更大。 频率稳定性可达 10-11 ～10-13; 国际上明确规定甲烷和碘吸 收稳频的氦氖激光波长可作为长度副基准和复现米定义。
3. 塞曼(Zeeman)效应法
塞曼效应:原子能级在磁场作用下发生分裂的现象
特点： 由塞曼效应而分裂的两条谱线，不仅在频率上有差别， 而且偏振态也不同。
稳频性能
在1 个月内的短期频率复现性可达1×10-9 优点 • 采用商品型内腔型激光器, 简易可行; •采用容易制作的激光电源和稳频器, 使整个装臵小型化, 便于搬运和配用; •频率稳定度和复现性达到了用于精密测量范畴的技术 指标, 可以作为精密长度测量和精密波长测量的激光二 级频标。 用于长度精密测量的稳频激光器, 对频率复现性要求 为优于3 ×10 - 8
二、稳频方法
（一）被动稳频 措施
1)控制温度：如T 0.01o C, 一般Sv 108。 2)采用正负线膨胀系数的材料组合 Sv 108
3)防振、密封
（二）主动稳频 基本原理
采用电子伺服控制激光频率，当激光频率偏离标准频率时， 鉴频器给出误差信号控制腔长，使激光频率自动回到标准 频率上。
12 22 31 42 52 62
13 23 E 33 x E 43 y E 53 z 63
对于KDP晶体
0 0 0 0 0 0 0 0 0 ij 0 0 41 0 41 0 0 0 63
§1.6 激光调制技术
一、激光调制的基本概念
激光调制可分为: 内调制和外调制
内调制 ：在激光振荡过程中加载调制信号，即以调制
信号的规律去改变激光振荡的参数，从向改变激光的输 出特性。
外调制：指在激光形成以后，再用调制信号对激光进
行调制，它不改变激光器的参数，们是改变已经输出的 激光参数(如强度、频率、位相等)。
鉴频方法：谐振腔镜在音频激励信号下振动
P
A处，与激励信号，同频反相 B处，同频同相 V0处，2倍频
输出功率变化的规律不仅反映了激光器工作频率偏离中 心频率的大小，而且反映了激光器工作频率偏离标准频 率的方向，可作为差值信号。
稳频装臵示意图
特点：
兰姆下陷稳频以激光工作物质原子谱线本身的中心频率 为标准频率。
R v / v
——同一激光器在不同时间、不同地点、不同条件下频率的重复性
频率漂移远大于线宽极限!!!
一、频率变化原因
激光频率
c q q 2 nL
c l n q 2nL l n
l n l n
旋光现象是一种特殊的双折射现象——圆双折射
上述旋光效应是旋光介质固有的性质，称为自然圆双折射
琼斯矩阵
左旋圆偏光和右旋圆偏光
1 E1 i
1 E2 i
经过不同相位延迟
1 E1 i
1 E2 ei i
合成光强
i /2 2 cos e i 1 1 1 e 2 E E1 E2 ei i i i i ie 2sin ei /2 2
二、电光调制
(一)电光调制原理 电光效应：某些材料在外加电场的作用下，其折射率发生变化
在晶体未加外电场时，主轴坐标系中，折射率椭球如下：
x2 y 2 z 2 2 2 1 2 nx ny nz
当晶体加电场后，折射率椭球发生变形，形式如下：
1 2 1 2 1 2 1 1 1 2 x 2 y 2 z 2 2 yz 2 2 xz 2 2 xy 1 n 1 n 2 n 3 n 4 n 5 n 6
激光测量技术
Laser Measurement Technology
§1.5 激光的稳频技术
稳频的必要性：
在精密计量中，通常以波长为基准， 测量精度很大程度 上决定于波长的精确程度。
要求
激光器输出单频的同时，频率变动尽可能小
表示频率变动的两个物理量
频率稳定度 频率再现性
Sv v / v
传播距离而逐渐转动。 1、固有旋光现象
石英晶体
光轴
旋光现象的规律：
l
物质的旋光本领
例：胆甾相液晶的α约为18000º /mm
唯象解释：将入射线偏光看成是左旋、右旋圆偏光的合成，
左旋、右旋圆偏光在物质内部的折射率不同，因而从物质中出 射时获得的位相差不等。
旋光现象与双折射现象的对比
双折射现象是指在各向异性介质中的二正交线偏振光的传 播速度不同；旋光现象是指在旋光介质中的二反向旋转的 圆偏振光的传播速度不同。