第二章第三节激光器的稳频案例
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激光器的稳频
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 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 稳定度 程度。 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 激光器在一次连续工作时间内的频率漂移与振 频率稳定度 荡频率之比 S = ∆ ν
ν
频率复现性——激光器在不同地点、时间、环境下使用时频率 激光器在不同地点、时间、 频率复现性 激光器在不同地点 的相对变化量 R = δ ν
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。
激光稳频(讲稿)
1）、激光位相调制光谱
激光位相调制过程如图：
RF
Ein
EOM
Eout
it
入射光波场为： E in E0 e 出射光场为：
c .c .
c .c.
外加调制电场为： Emod Em sin m t
Eout E0e
i [t ]
根据电光效应理论，用折射率椭球 方程计算位相延迟，将Eout记为E：
J 1 A1e
]
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 2kE J 0 J 1 A0 {[ A1 cos( 0 1 )
2 0
A1 cos( 1 0 )] cos m t [ A1 sin( 0 1 ) A1 sin( 1 0 )] sin m t }
●装置
PZT
激光器 振荡器
反馈控制
光电接收
选频放大 相敏检波
2、塞曼效应（吸收）稳频法 ●原理 I
左旋光 右旋光
纵向塞曼效应
0
吸收
左旋光
右旋光
0
吸收线的塞曼分裂
●装置
PZT
激光器
电光晶体
矩形波发生器
吸收
光电接收
调谐放大器
直流放大器
相敏检波器
3、无源腔稳频法 ●原理：以外界无源腔谐振频率作为参考
一个通道输入探测到的透射信号可得调制光谱线另一通道输入探测到的反射信号取不同的相移可分别得到色散型谱线或吸收型仔细调节光路和相移得到稳定对称线型完好的色散型谱线然后以伺服系统取代扫描电源调节伺服系统输出直流电平当调到色散谱线中心零点即获得共振透射时闭上环路
激光稳频技术
第二章 激光谐振腔技术选模及稳频技术
从波动光学观点来看，由于腔反射镜面几何尺寸是入其他光 学元件，还应当考虑其边缘或孔径的衍射引起的损耗。通常将这类损耗称 为衍射损耗，其大小与腔的菲涅耳数、腔的几何参数以及横模阶数等有关。
激光谐振腔设计基础
光学谐振腔的损耗
t L' c
I 0e
t
R
τR称为腔的时间常数，是描述光腔性质的重要参数，当t =τR时，
I(t ) I 0 / e
激光谐振腔设计基础
光学谐振腔的损耗
τR的物理意义
经过τR时间后，腔内光强衰减为初始值的1/e。δ愈大，τR愈小，说明腔的损 耗愈大，腔内光强衰减得愈快。 可以将τR解释为“光子在腔内的平均寿命”。设t时刻腔内光子数密度为N，N 与光强I(t)的关系为:
激光腔模式及选模技术
激光腔模式
由于腔内电磁场的本征态由Maxwell方程组和腔的边界条件决定,因 此不同类型和结构的谐振腔的模式也将各不相同。一旦给定了腔的 具体结构,其中振荡模的特征也就随之确定下来。光学谐振腔理论 就是研究腔模式的基本特征,以及模与腔结构之间的具体依赖关系。 原则上说．只要知道了腔的参数，就可以唯一地确定模的上述 特征。 腔内电磁场的空间分布可分解为沿传播方向(腔轴线方向)的分布和在 垂直于传播方向的横截面内的分布。其中，腔模沿腔轴线方向的稳定 场分布称为谐振腔的纵模，在垂直于腔轴的横截面内的稳定场分布称 为谐振腔的横模
c c 2nL 2 L '
激光腔模式及选模技术
激光腔模式
（2）横模 这种稳态场经一次往返后，唯一可能的变化仅是，镜面上各点场的振幅按 同样的比例衰减，各点的相位发生同样大小的滞后。 镜面上各点场的振幅按同样的比例衰减,各点的相位发生同样大小的滞后。 这种在腔反射镜面上形成的经过一次往返传播后能自再现的稳定场分布称 为自现模或横模。 对于两个镜面完全相同的对称腔来说，这种稳定场分布经单程传播后即可 实现自再现。 综上所述，激光的横模，实际上就是谐振腔所允许的(也就是在腔内往返 传播,能保持相对稳定不变的)光场的各种横向稳定分布。
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。
第二章第三节激光器的稳频
激光器频率的不稳定因素
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、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 振腔裸露于大气部分的折射率。以上因素使腔长L及折射率 市都在一定范围ΔL，Δη内变化，因此频率νq也在Δν范围内 漂移。Δν可表示为：
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这时工作频率为f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,因而激光 器继续工作于νo.如果 激光频率ν大于ν。,则 激光输出功率的调制 频率为f,相位与调制电 压相同。于是光电接 收器输出一频率为f的 信号,经选频放大器放 大后送入相敏检波器 。相敏检波器输出一 个负的直流电压。
唐山师范学院物理系
左图给出充普通氛气与 单一同位素Ne20的氦氖 激光器的输出功率曲线, 普通氖气包含Ne20及 Ne22两种同位素,二者谱 线中心频率之差为：
图8.2.3输出功率曲线圃 (a)单一同位素Ne20 (b)普通氖气。
22 20 890 MHz
因此,充普通氖气的氦氖激光器兰姆凹陷曲线不对称且 不够尖锐,制作单频稳频激光器时应充以单一同位素 Ne20或Ne22。兰姆凹陷法稳频可获得优于10-9的频率稳 定性。由于谱线中心频率ν。随激光器放电条件而改变, 频率复现性仅达10-7~10-8。此外,这种激光器的输出激 光的光强和频率均有微小的音频调制。
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朗领域中，需要频率稳定的激光 。
当谐振腔内折射率均匀时，单纵模单横模激光器的纵模频
率νq为：
q
q
c
2L
可见，实际激光器谐振腔的腔长L及腔内介质的折射率可
半导体制冷式氦氖激光器稳频技术的研究优秀毕业论文
工学硕士学位论文半导体制冷式氦氖激光器稳频技术的研究杨家慧哈尔滨工业大学2007年7月国内图书分类号：TH741国际图书分类号：621.3工学硕士学位论文半导体制冷式氦氖激光器稳频技术的研究硕士研究生：杨家慧导师：吴丽莹教授申请学位：工学硕士学科、专业：仪器科学与技术所在单位：自动化测试与控制系答辩日期：2007年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index: TH741U.D.C.: 621.3Dissertation for the Doctoral Degree in EngineeringRESEARCH ON FREQUENCY STABILIZED TECHNOLOGY OF HE-NE LASER WITH THERMOELECTRICCOOLERCandidate：Yang JiahuiSupervisor：Professor Wu LiyingAcademic Degree Applied for：Master of EngineeringSpecialty：Instrument Science and Technology Affiliation：Department of Automatic Testing andControlDate of Defence：July, 2007Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘 要在精密计量中，通常采用激光的波长作为长度基准。
但自由运转的氦氖激光器，光频率（波长）稳定度仅为10-6，无法满足超精密测量的要求。
激光稳频技术的应用就是为了得到波长高稳定的相干激光光源，从而提高测量精度，严格控制产品质量。
基于横向塞曼效应的稳频激光器，频率稳定度高，抗干扰能力强，输出功率大，差拍信号频率低、易于接收和处理，可直接输出相干性和偏振度都很好的线偏振光，便于测量偏振、双折射等物理量。
激光器件与技术教学大纲
《激光器件与技术》课程教学大纲课程代码：090641003课程英文名称：Laser Devices and Technology课程总学时：48 讲课：48 实验：0 上机：0适用专业：光电信息科学与工程大纲编写（修订）时间：2017.10一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标激光器件与技术是光电信息科学与工程专业的一门专业必修课，通过本课程的学习，可以使学生了解和掌握激光器件的基本原理和基本技术。
熟悉一些典型的激光器的工作原理，同时将介绍目前激光技术领域中一些比较先进的技术，为学生将来从事激光技术等相关领域的工作打下坚实的基础。
（二）知识、能力及技能方面的基本要求1.知识方面的基本要求：通过本科程的学习，使学生掌握：典型激光器件的结构、工作原理及输出特性；调Q技术的基本原理和器件的分类；超短脉冲技术的基本原理和分类。
2.能力方面的基本要求：通过本科程的学习，培养学生：几种典型激光器件的调试使用和初步设计能力、激光器特性的控制与改善的初步设计能力。
3.技能方面的基本要求：通过本课程的学习，使学生获得：各类典型激光器件的调试和使用技能、激光技术的基本设计能力。
（三）实施说明这个教学大纲是根据光电信息科学与工程专业的特点和学科内容要求而编写的，在执行本大纲时应注意以下几点：1．教学方法：课堂讲授中要重点对基本概念、基本方法和解题思路的讲解；采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，培养学生的自学能力；增加讨论课，调动学生学习的主观能动性；注意培养学生提高利用标准、规范及手册等技术资料的能力。
讲课要联系实际并注重培养学生的创新能力。
2．教学手段：本课程属于专业基础课，在教学中采用电子教案及多媒体教学系统等先进教学手段，以确保在有限的学时内，全面、高质量地完成课程教学任务。
（四）对先修课的要求本课程的教学必须在完成先修课程之后进行。
本课程主要的先修课程有激光原理、高等数学光电子学、半导体物理等。
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兰姆凹陷稳频的基本原理 为了改善频率稳定性,希望微弱 的频率漂移就能产生足以将频 率拉回ν。的误差信号,这就要 求兰姆凹陷窄而深。要使频率 稳定性优于4×10-9,凹陷深度应 达1/8(在左图中ΔP/P。为凹陷 深度)。由激光器的半经典理论 可知,兰姆凹陷的深度和激发参 量gml/δ成正比,所以使激光器工 作于最佳电流并降低损耗可以 增加凹陷深度。
L L
土1℃时，由于腔长变化引起的频率漂移已超出增益曲线 范围。因此，在不加任何稳频措施时，单纵模氦氖激光器 的频率稳定性为 6
150010 6 3 10 4.7 1014
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因而在计量等技术应用中，必须采用稳 频技术以改善激光器的频率稳定性。 通常所说的频率稳定特性包含着频率稳 定性及频率复现性两个方面。频率稳定性描 述激光频率在参考标准频率 s附近的漂移 ，而频率复现性则是指参考标准频率 s本 身的变化。
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兰姆凹陷稳频的基本原理
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。于是激光 频率ν被拉回到ν。，如果 激光频率ν小于ν。，则输 出功率的调制相位与调制 电压相位相差π相敏检波 器输出一正的直流电压， 它使压电陶瓷伸长，于是 激光频率ν增加并回到ν。。
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率νq为：
当谐振腔内折射率均匀时，单纵模单横模激光器的纵模频
q q
c 2L
可见，实际激光器谐振腔的腔长L及腔内介质的折射率可
能随着激光器工作条件的变化而改变，并导致振荡频率的 不稳定。
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激光器频率的不稳定因素
环境温度的起伏、激光管的发热及机械振动都会引起谐振
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兰姆凹陷稳频的基本原理
凹陷宽度δν则正比于Δv, 因而正比于气压,故降低 气压可使凹陷变窄,但气 压过低会使激光器功率降 低,甚至使激光不能产生。 为了提高稳频系统对 微弱信号响应的灵敏度， 从而改善激光频率稳定度， 要求兰姆凹陷要窄而深。 稳频的气体激光器应具有 大的激发参量G0l/和较 低的充气气压。
兰姆凹陷稳频的基本原理
这时工作频率为f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,因而激光 器继续工作于νo.如果 激光频率ν大于ν。,则 激光输出功率的调制 频率为f,相位与调制电 压相同。于是光电接 收器输出一频率为f的 信号,经选频放大器放 大后送入相敏检波器 。相敏检波器输出一 个负的直流电压。
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第三节激光器的稳频
教学要求：
理解激光器的频率漂移等概念； 掌握兰姆凹陷稳频原理与结构 。
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主要内容
一、激光器的频率漂移 二、激光器频率的不稳定因素 三、兰姆凹陷法稳频的光器的频率漂移
选模可使激光器实现单频振荡。但激光器各 种内部或外部条件的变化等不稳定因素会导致单模 激光器的谐振频率通常在整个增益频宽范围内波动 。该现象称为激光器的频率漂移。 为了避免激光频率随时间的漂移而影响激光 器的单色性，人们发展了多种激光稳频技术，以满 足精密干涉计量、光频标、光通信、光陀螺及精密 光谱研究等对激光器频率稳定的要求。
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二、激光器频率的不稳定因素
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。自发辐射噪声引起的激光线宽极限确实很小， 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朗领域中，需要频率稳定的激光 。
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左图给出充普通氛气与 单一同位素Ne20的氦氖 激光器的输出功率曲线, 普通氖气包含Ne20及 Ne22两种同位素,二者谱 线中心频率之差为：
图8.2.3输出功率曲线圃 (a)单一同位素Ne20 (b)普通氖气。
22 20 890MHz
因此,充普通氖气的氦氖激光器兰姆凹陷曲线不对称且 不够尖锐,制作单频稳频激光器时应充以单一同位素 Ne20或Ne22。兰姆凹陷法稳频可获得优于10-9的频率稳 定性。由于谱线中心频率ν。随激光器放电条件而改变, 频率复现性仅达10-7~10-8。此外,这种激光器的输出激 光的光强和频率均有微小的音频调制。
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兰姆凹陷稳频的基本原理 左图表示兰姆凹陷稳 频的基本原理。在压电 陶瓷上加上一个直流偏 压和一个频率为f的音频 调制电压,前者控制激光 工作频率ν,后者使其低 频调制。如果激光频率 ν=ν。,则调制电压使激 光频率在ν。附近变化, 因而输出功率P以频率2f 作周期性变化。
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腔几何长度的改变。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 振腔裸露于大气部分的折射率。以上因素使腔长L及折射率 市都在一定范围ΔL，Δη内变化，因此频率νq也在Δν范围内 漂移。Δν可表示为：
其中，负号表示当腔长或折射率增大时，振荡频率减小。 一个管壁材料为硬玻璃的内腔式氦氖激光器，当温度漂移
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作业
给出兰姆凹陷稳频的装置图，并说明稳频原理。
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人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
为了改善频率稳定性通常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。这里将介绍兰姆凹陷 稳频的原理。
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三、兰姆凹陷法稳频的结构及原理
兰姆凹陷法以增益曲 线中心频率ν。为参考标 准频率，电子伺服系统通 过压电陶瓷控制激光器的 腔长，使频率稳定于0。 下图兰姆下陷稳频系统示 意图。单纵模激光器安装 在殷钢或石英制成的谐振 腔间隔器上，其中一块反 射镜贴在压电陶瓷环上， 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。