4.2激光器的稳频
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激光稳频(讲稿)讲解
●激光新技术： 引力辐射相干探测、激光冷却、
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。
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
4.第四章激光的基本技术讲解
第4章激光的基本技术激光器发明以来各种新型激光器一直是研究的重点。
为将激光器发出的高亮度、高相干性、方向性好的辐射转化为可供实用的光能，激光技术也得到了极大的发展。
这些技术可以改变激光辐射的特性，以满足各种实际应用的需要。
其中有的技术直接对激光器谐振腔的输出特性产生作用，如选模技术、稳频技术、调Q技术和锁模技术等；有的则独立应用于谐振腔外，如光束变换技术、调制技术和偏转技术等。
在使用激光作为光源时，这些技术必不可少，至少要使用其中一项，常常是诸项并用。
本章讨论激光工程中一些主要的单元技术。
因为激光技术涉及的内容十分广泛，这里只给出基本概念和基本方法。
4.1激光器输出的选模激光器输出的选模技术就是激光器选频技术。
前几章中已经讨论过激光谐振腔的谐振频率。
大多数激光器为了得到较大的输出能量使用较长的激光谐振腔，这就使得激光器的输出TEM模)与高阶模相比，具有亮度高、发散角小、径向光强分布是多模的。
然而，基横模(00均匀、振荡频率单一等特点，具有最佳的时间和空间相干性。
因此，单一基横模运转的激光器是一种理想的相干光源，对于激光干涉计量、激光测距、激光加工、光谱分析、全息摄影和激光在信息技术中的应用等都十分重要。
为了满足这些使用要求，必须采用种种限制激光振荡模的措施，抑制多模激光器中大多数谐振频率的工作，利用所谓模式选择技术，获得单模单频激光输出。
激光器输出的选模（选频）技术分为两个部分，一部分是对于激光纵模的选取，另一部分是对激光横模的选取。
前者对激光的输出频率影响较大，能够大大提高激光的相干性，常常也叫做激光的选频技术；而后者主要影响激光输出的光强均匀性，提高激光的亮度，一般称为选模技术。
4.1.1 激光单纵模的选取1．均匀增宽型谱线的纵模竞争前面已经指出，对于均匀增宽型的介质来说，每个发光粒子对形成整个光谱线型都有相同的贡献。
当强度很大的光通过均匀增宽型增益介质时，由于受激辐射，使粒子数密度反转分布值下降，于是光增益系数也相应下降，但是光谱的线型并不会改变。
c4.3激光束的变换
0
0
R R
S
S
图（4-16）高斯光束通过薄透镜的变换 2 2 1 1 1 2 R s[1 ( 0 ) 2 ] 0 2 2 s R R f 1 ( ) R 02 2 R s[1 ( ) ] s 2 R s 1 ( 0 ) s 2 R 2 0 s 2 1 ( ) 2 0 1 ( 2 ) 0
0
图(4-20) 倒装望远镜系统压缩光束发散角
M’是高斯光束通过透镜系统后光 束发散角的压缩比。M是倒置望 远镜对普通光线的倾角压缩倍数。 由于f2＞f1，所以M＞1。 又由于 ＞0，因此有M’ M ＞1
f1 f2 2 f1 2 0 2 f 2 f1 0 f2 M M f 2 f1 0 0 2 0 M 0 2
2 0 2 2 1 ( ) R
2
f 0
1.高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦
0
f 即缩短 f 和加大 都可以缩小聚焦点光斑尺寸。
前一种方法就是要采用焦距小的透镜 后一种方法又有两种途径：一种是通过加大s来加大；另一种办法 就是加大入射光的发散角从而加大 ，加大入射光的发散角又可以有 两种做法 ，如图4-18和图4-19
图4-18 用凹透镜增大ω后获得微小的ω’0
图4-19 用两个凸透镜聚焦
2 2 0
1.高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形
f 0 1 ( s 2 ) 2 0 02 s
2 0 1 ( 0 ) 2 s s 2 ( 2 ) 1 0
0
R R
S
S
图（4-16）高斯光束通过薄透镜的变换 2 2 1 1 1 2 R s[1 ( 0 ) 2 ] 0 2 2 s R R f 1 ( ) R 02 2 R s[1 ( ) ] s 2 R s 1 ( 0 ) s 2 R 2 0 s 2 1 ( ) 2 0 1 ( 2 ) 0
0
图(4-20) 倒装望远镜系统压缩光束发散角
M’是高斯光束通过透镜系统后光 束发散角的压缩比。M是倒置望 远镜对普通光线的倾角压缩倍数。 由于f2＞f1，所以M＞1。 又由于 ＞0，因此有M’ M ＞1
f1 f2 2 f1 2 0 2 f 2 f1 0 f2 M M f 2 f1 0 0 2 0 M 0 2
2 0 2 2 1 ( ) R
2
f 0
1.高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦
0
f 即缩短 f 和加大 都可以缩小聚焦点光斑尺寸。
前一种方法就是要采用焦距小的透镜 后一种方法又有两种途径：一种是通过加大s来加大；另一种办法 就是加大入射光的发散角从而加大 ，加大入射光的发散角又可以有 两种做法 ，如图4-18和图4-19
图4-18 用凹透镜增大ω后获得微小的ω’0
图4-19 用两个凸透镜聚焦
2 2 0
1.高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形
f 0 1 ( s 2 ) 2 0 02 s
2 0 1 ( 0 ) 2 s s 2 ( 2 ) 1 0
激光器的稳频ppt课件
4.2.2 稳频方法概述
被动式稳频: 利用热膨胀系数低的材料制作谐振腔的间隔器；或用膨胀系数为 负值的材料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合，以便热膨 胀互相抵消，实现稳频。这种办法一般用于工程上稳频精度要求 不高的情况。
主动式稳频： 把单频激光器的频率与某个稳定的参考频率相比较，当振荡频率 偏离参考频率时，鉴别器就产生一个正比于偏离量的误差信号。 ➢ 把激光器中原子跃迁的中心频率做为参考频率，把激光频率锁定 到跃迁的中心频率上，如兰姆凹陷法、塞曼效应法。 ➢ 把振荡频率锁定在外界的参考频率上，例如用分子或原子的吸收 线作为参考频率，是目前水平最高的一种稳频方法。选取的吸收 物质的吸收频率必须与激光频率相重合。如饱和吸收法。
L
温度变化：一般选用热膨胀系数小的材料做为谐振腔
机械振动：采取减震措施
折射率变化的影响
内腔激光器: 温度T、气压P、湿度h的变化很小，可以忽略
外腔和半外腔激光器: 腔的一部分处于大气之中，温度T、
气压P、湿度h的变化较放电管内显著。应尽量减小暴露于
大气的部分，同时还要屏蔽通风以减小T 、 P、 h的脉动
4.2.4 饱和吸收法稳频
饱和吸收法稳频的示意装置如图4-12所示。
图4-12 饱和吸收法稳频的装置示意图
图4-13 吸收介质的吸收曲线
吸收管内充特定的气体，此气体在激光谐振频率处应有一个强吸收线。
与激光输出功率曲线的兰姆凹陷相似，在吸收介质的吸收曲线上也有一
个吸收凹陷，如图4-13所示。（原因：在中心频率处只有沿激光管轴方
二、氖的不同同位素的原子谱线中心有 一定频差。充普通氖气(包含Ne20及Ne22 两种同位素)的氦氖激光器兰姆凹陷曲线 不对称且不够尖锐，输出频率就不能准 确地调到凹陷的中心频率。因此，稳频 激光器都是采用单一氖的同位素来制造 的，且对同位素的纯度有较高要求。
00.序再版说明前言目录(第二版)
序1960年发明激光到现在已经有近50年了。
这期间年来激光的理论与应用研究有了极大的发展，而且对人类社会产生了深刻的影响。
作为光的受激辐射，激光是一种极好的光源，它首先在测量领域得到了广泛的应用。
物理学中最基本的量值——米，改为激光在真空中的波长来定义，使有效数字提高到九位。
激光用来测长、测距、测速、测角、测量各种可以转换为光的物理量，发展出一个专门的学科——激光测量学，还使光学测量方法走出实验室成为工程测量的常规手段。
激光用于加工，始于激光打孔，很快就推广到切割、焊接、热处理、表面改性与强化，乃至激光快速成型、激光清洗和激光微加工，已经成为高科技产业不可缺少的加工方法。
激光医学近三十年来的发展和推广，给广大人民群众带来了福祉。
而激光在信息产业中的大量应用更是信息时代到来的主要原动力之一。
可以毫不夸张的说，现代社会的方方面面已经与激光的应用密不可分。
鉴于激光在现代科学技术中的如此重要作用，激光原理和它的各种应用技术已成为各行各业的技术人员都必须掌握的一门高新技术。
我国的重点高等院校从二十世纪七十年代就开设激光的理论与应用的课程，并开办了若干以激光器制造和应用为培养目标的理工科专业。
改革开放以来，推广到一般院校，目前国内高等院校不开设激光原理与应用课程的已很难找到。
各重点高校编写的涉及激光原理、技术和应用的有关教材，林林总总不下数十种。
但是其中多数激光原理的教材涉及到过多的物理原理，超越了大学普通物理的内容，教材只针对重点高校的要求，并不适于培养工程应用型人材的一般院校。
相对适用的流传较广的清华大学丁俊华先生的《激光原理和应用》是二十世纪八十年代初的讲稿，因为激光技术的快速发展，需要补充修订。
本书编者在多年为普通高校本科生讲授这门课程的基础上，重新编写《激光原理和应用》就是为了一般高等院校学生掌握应用激光技术的教学需要。
该书的特点在于着重阐明受激辐射的物理概念以及激光输出特性与激光器的参数之间的关系，以掌握激光器的选择和使用为主要目的。
第11讲 激光的稳频技术
4.2 激光器的稳频
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)；
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
4.2.3 兰姆凹陷法稳频
——利用原子谱线中心频率作为鉴频器进行稳频
• 稳频原理： 1.蓝姆凹陷：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。
2.结构和原理： ①单纵模激光器。其中一块反射镜固定在
压电陶瓷上，利用压电陶瓷的伸缩来调 整腔长L。 ②光探测器。利用光电转换装置，将光信 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 图4-8 兰姆凹陷法稳频激光器的基本结构 加到压电陶瓷上，以改变腔长。
➢假如由于某种原因(例如温度升高)使L伸 长，引起激光频率由 ν0偏至 ν，A 与P 的ν位相 正好相反,相敏整流器输出一个正的直流电 压,经放大后加在压电陶瓷的外表面,它使压 电陶瓷伸长,腔长缩短,于是频率vA 被拉回到 v0
前
图4-10 稳频原理
uO
1 2
Ei ER
cos 2
f1
f2 t
1
2
位素Ne20或Ne22，二者混合将观察不到兰姆凹陷）。
(3)兰姆凹陷稳频是以原子跃迁谱线中心频
率υ0作为参考标准的。（激光频率的漂移是通
过输出功率的变化来显示的，如果光强本身有起伏, 特别是光强的起伏频率接近于选频频率,则无法实现 稳频,因此,激光器的激励电源是稳压和稳流的。）
兰姆凹陷稳频激光器 结构简单，且能达到 10-9 的长期稳定性， 对于一般的测量精度 已是足够了。
4.2.4 饱和吸收法稳频
一、饱和吸收稳频——即在谐振腔中放入一个充有低气压气体原子(或分子) 的吸收管,它有和激光振荡频率配合很好的吸收线。
如图4—12所示,在外腔激光器的腔内置一吸收管,吸收管内的特定气体在激光振荡频 率处有强吸收峰。
图4-12 饱和吸收法稳频的装置示意图
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零点几伏)的交流讯号，称为“搜索讯号” 的正弦调制信号， 零点几伏)的交流讯号，称为“搜索讯号”]的正弦调制信号，一路加到压电 陶瓷环上对腔长进行调制，使腔长产生频率为f 振幅为∆ 的调制 的调制、 陶瓷环上对腔长进行调制，使腔长产生频率为 、振幅为∆L的调制、相应的 和激光输出功率P 幅度为∆ 的调制 的调制； 产生激光振荡频率 v 的变量 ∆v 和激光输出功率 幅度为∆P的调制；另一路 加到相敏整流器上做为参考信号。 加到相敏整流器上做为参考信号。 选频放大器——对输入的波形信号进行选颇放大。它有自己的中心频率， ——对输入的波形信号进行选颇放大 2、选频放大器——对输入的波形信号进行选颇放大。它有自己的中心频率， 只对频率为f 的信号进行放大并输入到相敏整流器上 到相敏整流器上。 只对频率为 的信号进行放大并输入到相敏整流器上。 相敏整流器——对选颇放大后的信号电压与振荡器发出的正弦参考信号电压 对选颇放大后的信号电压与振荡器发出的正弦参考信号电压 3、相敏整流器 对选颇放大后的信号电压与 进行相位比较，如果相位相同，则输出负直流电压，如果相位相反， 进行相位比较，如果相位相同，则输出负直流电压，如果相位相反，则输出正直 流电压， 流电压，
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
4.2.1 影响频率稳定的因素
对共焦腔的TEM00模来说，谐振频率的公式可以简化为： 模来说，谐振频率的公式可以简化为： 对共焦腔的
ν = q⋅
c 2 µL
环境温度的起伏、 环境温度的起伏、激光管的发热及机械振动都会引起谐振 腔几何长度的改变。温度的变化、 腔几何长度的改变。温度的变化、介质中反转粒子数的起伏以 及大气的气压、 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 于大气部分的折射率。以上因素使腔长L及折射率市都在一定 于大气部分的折射率。以上因素使腔长 及折射率市都在一定 范围内变化, 的变化为∆ 范围内变化,当L的变化为∆L，µ的变化为∆µ时，引起的频率相 的变化为 ， 的变化为∆ 对变化为： 对变化为： ∆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 1℃时 由于腔长变化引起的频率漂移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
前
图4-10 稳频原理
四、 稳频精度 工作波长为633nm和1.15μm的He-Ne激光器, 工作波长为633nm和1.15μm的He-Ne激光器,频率稳定度可达 633nm 激光器 量级,复现度优于5 10-9～10-10量级,复现度优于5×10-8
4.2.4 饱和吸收法稳频
从兰姆凹陷稳频方法可知， 从兰姆凹陷稳频方法可知，提高频率的稳定性和复现性的关键是如何选 择一个稳定的和尽可能窄的参考频率。 择一个稳定的和尽可能窄的参考频率。上述稳频方法是利用激光本身的原子 跃迁中心频率作为参考点， 跃迁中心频率作为参考点，而原子跃迁的中心频率易受放电条件等影响而发 生变化，所以其稳定性和复现性就受到局限。 生变化，所以其稳定性和复现性就受到局限。为了提高频率的稳定性和复现 性，通常采用外界参考频率标准进行稳频。 通常采用外界参考频率标准进行稳频。 即在谐振腔中放入一个充有低气压气体原子(或分子 一、饱和吸收稳频——即在谐振腔中放入一个充有低气压气体原子 或分子 饱和吸收稳频 即在谐振腔中放入一个充有低气压气体原子 或分子) 的吸收管,它有和激光振荡频率配合很好的吸收线。 的吸收管 它有和激光振荡频率配合很好的吸收线。 它有和激光振荡频率配合很好的吸收线 由于吸收管气压很低，故碰撞加宽很小， 由于吸收管气压很低，故碰撞加宽很小， 可以忽略不计， 可以忽略不计，吸收谱线主要是多普勒加 宽。吸收线中心频率的压力位移也很小， 吸收线中心频率的压力位移也很小， 吸收管一般没有放电作用， 吸收管一般没有放电作用，故谱线中心频
前
图4-10 稳频原理
3.在中心频率附近 3.在中心频率附近ν0 ，不论是ν 小于ν0 其结果都是使输出功率P增 还是大于ν0 ，其结果都是使输出功率 增 而且此时∆ 将以频率 变化. 将以频率2 加，而且此时∆P将以频率2f 变化.这时工 作频率为f 的选频放大器输出为零,没有附 作频率为 的选频放大器输出为零 没有附 加的电压输送到压电陶瓷上 压电陶瓷上, 加的电压输送到压电陶瓷上,腔长也就不 被调整, 被调整,于是激光器的输出频率就被锁定 处了. 在ν0 处了.
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 因而可利用压电陶瓷的伸缩来控制腔长。 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及主要功能
前
1、频率振荡器——振荡器给出一个频率为 f [(约为lkHz)、幅度很小(只有 频率振荡器—— ——振荡器给出一个频率为 约为l ) 幅度很小(
三 稳频原理
1.假如由于某种原因(例如温度降低) 1.假如由于某种原因(例如温度降低)使L缩 假如由于某种原因 缩 ∆ 短，引起激光频率由 ν0 偏至 νB ，P与 ∆ν 的位 相正好相同 ,于是光电接收器输出一个频率 的信号,经前置放大 经前置放大,选频放大后送入相敏 为f 的信号 经前置放大 选频放大后送入相敏 整流器,相敏整流器输出一个负的直流电压 相敏整流器输出一个负的直流电压, 整流器 相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, 经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 被拉回到v 陶瓷缩短,腔长伸长,于是频率 B 被拉回到 0 2.假如由于某种原因(例如温度升高) 2.假如由于某种原因(例如温度升高)使L伸 假如由于某种原因 伸 ∆ 长，引起激光频率由 ν0 偏至νA ，P与 ∆ν 的 位相正好相反, 位相正好相反,相敏整流器输出一个正的直 流电压,经放大后加在压电陶瓷的外表面, 经放大后加在压电陶瓷的外表面 流电压 经放大后加在压电陶瓷的外表面,它 使压电陶瓷伸长,腔长缩短,于是频率v 使压电陶瓷伸长,腔长缩短,于是频率 A 被 拉回到v 拉回到 0
4.2.2 稳频方法概述
稳频的一般原理： 稳频的一般原理： 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； 利用热膨胀系数低的材料制做谐振腔的间隔器；或用膨胀系数为负值的材 料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合
二.主动式稳频
1.稳频的原理:采用负反馈电路控制稳频技术。选取一个稳定的参考标 1.稳频的原理:采用负反馈电路控制稳频技术。 稳频的原理 准频率，当外界影响使激光频率偏离标准频率时， 准频率，当外界影响使激光频率偏离标准频率时，鉴频器给出误差讯 通过负反馈电路去控制腔长，使激光频率自动回到标准频率上。 号,通过负反馈电路去控制腔长，使激光频率自动回到标准频率上。 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 任务：a.提供标准频率 b.频率鉴别 提供标准频率。 频率鉴别： 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 标准频率时，能够鉴别出来。 标准频率时，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。 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。 灵敏度要高，微小变化能鉴别。 鉴频器的类型： ③ 鉴频器的类型：以原子谱线本身作为鉴频器和以外界标准频率 做鉴频器
4.2.3 兰姆凹陷法稳频 一、利用原子谱线中心频率作为鉴别器进行稳频
1.蓝姆凹陷：对非均匀加宽激光介质， 1.蓝姆凹陷：对非均匀加宽激光介质，激 蓝姆凹陷 光器输出的功率在中心频率处最小。 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 单纵模激光器。 ①单纵模激光器。其中一块反射镜固定在 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。 光电接收器。利用光电转换装置， ②光电接收器。利用光电转换装置，将光 信号转变为电信号——作为电路的信号。 作为电路的信号。 信号转变为电信号 作为电路的信号 电路系统。 ③电路系统。将误差讯号转成一直流电压 图4-8 加到压电陶瓷上，以改变腔长。 加到压电陶瓷上，以改变腔长。
4.2 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的比值Δν/ν 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 Δν与频率 很小。但由于各种不稳定因素的影响,实际激光频率的漂移 频率的漂移远远大于线宽极 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 在精密干涉测量、光频标、光通信、 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. 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 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 的变化,谐振频率仍然在整个线型宽度内移动的现象。 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。 稳频目的 用频率的稳定度和复现性这两个物理量来表示激光频率稳定的程度。 用频率的稳定度和复现性这两个物理量来表示激光频率稳定的程度。 稳定度 这两个物理量来表示激光频率稳定的程度 频率稳定度——激光器在一次连续工作时间内的频率漂移与振荡频率之比 激光器在一次连续工作时间内的频率漂移与振荡频率之比 频率稳定度 ∆ν S= ν 频率复现性——激光器在不同地点、时间、环境下使用时频率的相对变化量 激光器在不同地点、 频率复现性 激光器在不同地点 时间、
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
4.2.1 影响频率稳定的因素
对共焦腔的TEM00模来说，谐振频率的公式可以简化为： 模来说，谐振频率的公式可以简化为： 对共焦腔的
ν = q⋅
c 2 µL
环境温度的起伏、 环境温度的起伏、激光管的发热及机械振动都会引起谐振 腔几何长度的改变。温度的变化、 腔几何长度的改变。温度的变化、介质中反转粒子数的起伏以 及大气的气压、 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 于大气部分的折射率。以上因素使腔长L及折射率市都在一定 于大气部分的折射率。以上因素使腔长 及折射率市都在一定 范围内变化, 的变化为∆ 范围内变化,当L的变化为∆L，µ的变化为∆µ时，引起的频率相 的变化为 ， 的变化为∆ 对变化为： 对变化为： ∆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 1℃时 由于腔长变化引起的频率漂移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
前
图4-10 稳频原理
四、 稳频精度 工作波长为633nm和1.15μm的He-Ne激光器, 工作波长为633nm和1.15μm的He-Ne激光器,频率稳定度可达 633nm 激光器 量级,复现度优于5 10-9～10-10量级,复现度优于5×10-8
4.2.4 饱和吸收法稳频
从兰姆凹陷稳频方法可知， 从兰姆凹陷稳频方法可知，提高频率的稳定性和复现性的关键是如何选 择一个稳定的和尽可能窄的参考频率。 择一个稳定的和尽可能窄的参考频率。上述稳频方法是利用激光本身的原子 跃迁中心频率作为参考点， 跃迁中心频率作为参考点，而原子跃迁的中心频率易受放电条件等影响而发 生变化，所以其稳定性和复现性就受到局限。 生变化，所以其稳定性和复现性就受到局限。为了提高频率的稳定性和复现 性，通常采用外界参考频率标准进行稳频。 通常采用外界参考频率标准进行稳频。 即在谐振腔中放入一个充有低气压气体原子(或分子 一、饱和吸收稳频——即在谐振腔中放入一个充有低气压气体原子 或分子 饱和吸收稳频 即在谐振腔中放入一个充有低气压气体原子 或分子) 的吸收管,它有和激光振荡频率配合很好的吸收线。 的吸收管 它有和激光振荡频率配合很好的吸收线。 它有和激光振荡频率配合很好的吸收线 由于吸收管气压很低，故碰撞加宽很小， 由于吸收管气压很低，故碰撞加宽很小， 可以忽略不计， 可以忽略不计，吸收谱线主要是多普勒加 宽。吸收线中心频率的压力位移也很小， 吸收线中心频率的压力位移也很小， 吸收管一般没有放电作用， 吸收管一般没有放电作用，故谱线中心频
前
图4-10 稳频原理
3.在中心频率附近 3.在中心频率附近ν0 ，不论是ν 小于ν0 其结果都是使输出功率P增 还是大于ν0 ，其结果都是使输出功率 增 而且此时∆ 将以频率 变化. 将以频率2 加，而且此时∆P将以频率2f 变化.这时工 作频率为f 的选频放大器输出为零,没有附 作频率为 的选频放大器输出为零 没有附 加的电压输送到压电陶瓷上 压电陶瓷上, 加的电压输送到压电陶瓷上,腔长也就不 被调整, 被调整,于是激光器的输出频率就被锁定 处了. 在ν0 处了.
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 因而可利用压电陶瓷的伸缩来控制腔长。 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及主要功能
前
1、频率振荡器——振荡器给出一个频率为 f [(约为lkHz)、幅度很小(只有 频率振荡器—— ——振荡器给出一个频率为 约为l ) 幅度很小(
三 稳频原理
1.假如由于某种原因(例如温度降低) 1.假如由于某种原因(例如温度降低)使L缩 假如由于某种原因 缩 ∆ 短，引起激光频率由 ν0 偏至 νB ，P与 ∆ν 的位 相正好相同 ,于是光电接收器输出一个频率 的信号,经前置放大 经前置放大,选频放大后送入相敏 为f 的信号 经前置放大 选频放大后送入相敏 整流器,相敏整流器输出一个负的直流电压 相敏整流器输出一个负的直流电压, 整流器 相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, 经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 被拉回到v 陶瓷缩短,腔长伸长,于是频率 B 被拉回到 0 2.假如由于某种原因(例如温度升高) 2.假如由于某种原因(例如温度升高)使L伸 假如由于某种原因 伸 ∆ 长，引起激光频率由 ν0 偏至νA ，P与 ∆ν 的 位相正好相反, 位相正好相反,相敏整流器输出一个正的直 流电压,经放大后加在压电陶瓷的外表面, 经放大后加在压电陶瓷的外表面 流电压 经放大后加在压电陶瓷的外表面,它 使压电陶瓷伸长,腔长缩短,于是频率v 使压电陶瓷伸长,腔长缩短,于是频率 A 被 拉回到v 拉回到 0
4.2.2 稳频方法概述
稳频的一般原理： 稳频的一般原理： 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； 利用热膨胀系数低的材料制做谐振腔的间隔器；或用膨胀系数为负值的材 料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合
二.主动式稳频
1.稳频的原理:采用负反馈电路控制稳频技术。选取一个稳定的参考标 1.稳频的原理:采用负反馈电路控制稳频技术。 稳频的原理 准频率，当外界影响使激光频率偏离标准频率时， 准频率，当外界影响使激光频率偏离标准频率时，鉴频器给出误差讯 通过负反馈电路去控制腔长，使激光频率自动回到标准频率上。 号,通过负反馈电路去控制腔长，使激光频率自动回到标准频率上。 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 任务：a.提供标准频率 b.频率鉴别 提供标准频率。 频率鉴别： 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 标准频率时，能够鉴别出来。 标准频率时，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。 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。 灵敏度要高，微小变化能鉴别。 鉴频器的类型： ③ 鉴频器的类型：以原子谱线本身作为鉴频器和以外界标准频率 做鉴频器
4.2.3 兰姆凹陷法稳频 一、利用原子谱线中心频率作为鉴别器进行稳频
1.蓝姆凹陷：对非均匀加宽激光介质， 1.蓝姆凹陷：对非均匀加宽激光介质，激 蓝姆凹陷 光器输出的功率在中心频率处最小。 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 单纵模激光器。 ①单纵模激光器。其中一块反射镜固定在 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。 光电接收器。利用光电转换装置， ②光电接收器。利用光电转换装置，将光 信号转变为电信号——作为电路的信号。 作为电路的信号。 信号转变为电信号 作为电路的信号 电路系统。 ③电路系统。将误差讯号转成一直流电压 图4-8 加到压电陶瓷上，以改变腔长。 加到压电陶瓷上，以改变腔长。
4.2 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的比值Δν/ν 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 Δν与频率 很小。但由于各种不稳定因素的影响,实际激光频率的漂移 频率的漂移远远大于线宽极 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 在精密干涉测量、光频标、光通信、 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. 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 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 的变化,谐振频率仍然在整个线型宽度内移动的现象。 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。 稳频目的 用频率的稳定度和复现性这两个物理量来表示激光频率稳定的程度。 用频率的稳定度和复现性这两个物理量来表示激光频率稳定的程度。 稳定度 这两个物理量来表示激光频率稳定的程度 频率稳定度——激光器在一次连续工作时间内的频率漂移与振荡频率之比 激光器在一次连续工作时间内的频率漂移与振荡频率之比 频率稳定度 ∆ν S= ν 频率复现性——激光器在不同地点、时间、环境下使用时频率的相对变化量 激光器在不同地点、 频率复现性 激光器在不同地点 时间、