長(zhǎng)春理工大學(xué) 激光器件與技術(shù)第五章-2講

第5章

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穩(wěn)頻技術(shù)§5.4飽和吸收穩(wěn)頻一.概述：蘭姆凹陷穩(wěn)頻、塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻等，提高頻率的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性的關(guān)鍵是如何選擇一個(gè)穩(wěn)定的和盡可能窄的參考頻率。它們都是利用激光本身的原子躍遷中心頻率作為參考點(diǎn)，但原子躍遷的中心頻率易受放電條件等影響而發(fā)生變化，所以其穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性受到局限！蘭姆凹陷穩(wěn)頻：穩(wěn)定度10-9，復(fù)現(xiàn)性10-7；塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻：穩(wěn)定度10-10，復(fù)現(xiàn)性10-7。

為了提高頻率的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性，通常采用外界參考頻率標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行穩(wěn)頻。例如：飽和吸收穩(wěn)頻（反蘭姆凹陷穩(wěn)頻）?！?.4飽和吸收穩(wěn)頻二.飽和吸收穩(wěn)頻在諧振腔中放入一個(gè)充有低氣壓氣體原子的吸收管，它有和激光振蕩頻率配合很好的吸收線，吸收管氣壓很低，故碰撞加寬很小，可忽略不計(jì)，同時(shí)吸收管一般沒有放電作用，故譜線中心頻率比較穩(wěn)定。這樣，在吸收線中心處形成一個(gè)位置穩(wěn)定且寬度很窄的凹陷，以此作為穩(wěn)頻的參考點(diǎn)，可使其頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性精度得到很大的提高?！?.4飽和吸收穩(wěn)頻1.反蘭姆凹陷：由于激光器中多了一個(gè)吸收管，激光器的輸出功率-頻率曲線在吸收物質(zhì)原子譜線中心v’0附近出現(xiàn)一個(gè)尖峰，稱為反蘭姆凹陷。它比蘭姆凹陷寬度更窄，斜率更大，所以能到更好的穩(wěn)頻效果。對(duì)于v=v0的光，其正向傳播和反向傳播的兩列行波光強(qiáng)均被吸收管中速度為0的分子吸收，即兩列光強(qiáng)作用于同一群分子上，故吸收容易達(dá)到飽和；而對(duì)于v≠v0的光，則正向傳播和反向傳播的兩列行波光強(qiáng)分別被縱向速度為+V及-V的兩群分子所吸收，所以吸收不容易達(dá)到飽和，在吸收線的v0處出現(xiàn)吸收凹陷。意味著吸收最小，故激光器輸出功率在v0處出現(xiàn)一個(gè)尖峰?！?.4飽和吸收穩(wěn)頻2.反蘭姆凹陷穩(wěn)頻工作過程：穩(wěn)頻時(shí)，以v0為標(biāo)準(zhǔn)頻率，在v0處輸出的光強(qiáng)為I0。當(dāng)頻率偏離v0時(shí)，輸出的光強(qiáng)得到誤差信號(hào)，通過電路系統(tǒng)的處理，改變壓電陶瓷上加的直流電壓控制腔長(zhǎng)L使v→v0。蘭姆凹陷穩(wěn)頻：穩(wěn)定度10-9，復(fù)現(xiàn)性10-7；塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻：穩(wěn)定度10-10，復(fù)現(xiàn)性10-7。反蘭姆凹陷穩(wěn)頻：穩(wěn)定度10-13，復(fù)現(xiàn)性10-12?！?.4飽和吸收穩(wěn)頻目前多采用分子氣體來作為飽和吸收穩(wěn)頻的氣體。分子氣體的吸收線作為參考標(biāo)準(zhǔn)頻率，如下優(yōu)點(diǎn)：分子的振動(dòng)躍遷壽命比Ne原子的壽命長(zhǎng)，可達(dá)到10-2~10-3量級(jí)，因此分子譜線的自然寬度比原子譜線窄得多。分子吸收線產(chǎn)生于基態(tài)與振動(dòng)能級(jí)間的躍遷，吸收管不需要放電激勵(lì)即有很強(qiáng)的吸收，因而避免了放電的擾動(dòng)。吸收管氣壓較低，由分子碰撞引起的譜線加寬非常小，其反蘭姆凹陷的寬度只有105Hz以下極窄的譜線。分子的基態(tài)偶極距為零，所以斯塔克效應(yīng)和塞曼效應(yīng)都很小，由此而產(chǎn)生的頻移和加寬可忽略不計(jì)?！?.4飽和吸收穩(wěn)頻飽和吸收穩(wěn)頻激光器的頻率穩(wěn)定度最終取決于吸收譜線的頻率穩(wěn)定性，也和譜線的寬度以及信噪比有關(guān)，所以選擇理想的吸收介質(zhì)十分重要，滿足：吸收譜線與激光增益譜線的頻率基本上相符；吸收系數(shù)要大，低能級(jí)最好是基態(tài)；激發(fā)態(tài)壽命較長(zhǎng)，譜線自然寬度??；氣壓低，譜線碰撞加寬、頻移??；分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，盡可能沒有固有電矩和磁矩，以減少碰撞、斯塔克和塞曼頻移與加寬?！?.4飽和吸收穩(wěn)頻蘭姆凹陷穩(wěn)頻和反蘭姆凹陷穩(wěn)頻蘭姆凹陷穩(wěn)頻的實(shí)質(zhì)是：以譜線的中心頻率υ0作為參考標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)激光振蕩頻率偏離υ0時(shí)，即輸出一誤差信號(hào)→通過伺服系統(tǒng)鑒別出頻率偏移的大小和方向，輸出一直流電壓調(diào)節(jié)壓電陶瓷的伸縮來控制腔長(zhǎng)→把激光振蕩頻率自動(dòng)的鎖定在蘭姆凹陷中心處。反蘭姆凹陷穩(wěn)頻是在諧振腔中放入一個(gè)充有一個(gè)低壓氣體原子（或分子）的吸收管，它有和激光振蕩頻率配合很好的吸收線，而且由于吸收管氣壓很低，故碰撞加寬很小，可以忽略不計(jì)，吸收線中心頻率的壓力位移也很小。吸收管一般沒有放電作用，故譜線中心頻率比較穩(wěn)定。吸收線在中心處的凹陷，意味著吸收最小，故激光器輸出功率(光強(qiáng))在υ0處出現(xiàn)一個(gè)尖峰,通常稱為反蘭姆凹陷，反蘭姆凹陷可以作為一個(gè)很好的穩(wěn)頻參考點(diǎn)。蘭姆凹陷穩(wěn)頻是利用激光本身的原子躍遷中心頻率作為參考點(diǎn)，而原子躍遷的中心頻率易受放電條件等影響而發(fā)生變化，所以其穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性就受到局限。反蘭姆凹陷穩(wěn)頻是采用外界參考頻率標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行穩(wěn)頻，提高了頻率的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性。

飽和吸收穩(wěn)頻小結(jié)飽和吸收穩(wěn)頻法的穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于蘭姆凹陷穩(wěn)頻法和塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻法。作為飽和吸收穩(wěn)頻激光器，其頻率穩(wěn)定度最終取決于吸收譜線的頻率穩(wěn)定性，譜線的寬度以及信噪比，基于此，請(qǐng)簡(jiǎn)要回答理想的吸收介質(zhì)應(yīng)具備哪些條件？比較蘭姆凹陷穩(wěn)頻與反蘭姆凹陷穩(wěn)頻的異同點(diǎn)?！?.5其他穩(wěn)頻激光器He-Ne激光器激光原子譜線本身、外界飽和吸收譜線CO2激光器的穩(wěn)頻熒光穩(wěn)頻法脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的穩(wěn)頻共焦干涉儀法半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)頻共焦干涉儀法、Cs原子飽和吸收§5.5其他穩(wěn)頻激光器脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的穩(wěn)頻固體脈沖激光器單模運(yùn)轉(zhuǎn)存在困難：固體激光器增益帶寬較寬；脈沖激光器增益太高；不穩(wěn)定因素：抽運(yùn)源大電流工作時(shí)輸出功率、波長(zhǎng)存在變化；激光介質(zhì)溫度變化激烈；消除空間燒空注入鎖頻被動(dòng)穩(wěn)頻做到最佳的基礎(chǔ)上開展主動(dòng)穩(wěn)頻！§5.5其他穩(wěn)頻激光器在腔外放置一個(gè)無源共焦干涉儀。F-P干涉儀的透過率隨光頻率的變化發(fā)生變化；激光頻率的變化會(huì)引起透過F-P干涉儀光功率的變化。F-P干涉儀主動(dòng)穩(wěn)頻：采用一種特殊的搜索電路以保證每一個(gè)光脈沖的頻率都能對(duì)準(zhǔn)共焦干涉儀的透射峰值。具體操作：在光脈沖出現(xiàn)的瞬間，搜索電路開始工作，用一個(gè)掃描電壓改變腔長(zhǎng)，當(dāng)光電檢測(cè)器接收到F-P干涉儀的共振信號(hào)，搜索電路就會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成補(bǔ)償信號(hào)電壓，其補(bǔ)償量的大小是預(yù)先經(jīng)過測(cè)定的，以保證脈沖激光器頻率在整個(gè)脈沖周期內(nèi)對(duì)準(zhǔn)F-P的中心。激光頻率的起伏可能仍然較大，在前述操作基礎(chǔ)上，再加一套快速鎖定系統(tǒng)，該系統(tǒng)能比較檢測(cè)器1和檢測(cè)器2上的激光功率大小，并通過比較光脈沖功率和F-P干涉儀透射的功率得到一個(gè)誤差信號(hào)，再經(jīng)過鎖定環(huán)路伺服系統(tǒng)改變激光器的光學(xué)長(zhǎng)度，使振蕩的光頻率穩(wěn)定在F-P腔透射曲線的最大斜率處，構(gòu)成快速穩(wěn)頻環(huán)路?！?.5頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性的測(cè)量激光頻率極高，欲直接測(cè)量頻率的穩(wěn)定度是很困難的。常利用拍頻的方法進(jìn)行相對(duì)測(cè)量，類似于電子技術(shù)中的差頻技術(shù)，將兩列光波進(jìn)行混頻，所得差頻信號(hào)為無線電射頻信號(hào)，利用頻譜分析儀及頻率計(jì)均可對(duì)此拍頻信號(hào)產(chǎn)生響應(yīng)。激光的相干性好，當(dāng)兩束光疊加在一起時(shí)，初相位的差值是暫時(shí)穩(wěn)定的或緩慢變化的，因而會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。兩束光波之間的可相干性，為測(cè)量光波頻率穩(wěn)定性提供了一種方法-拍頻測(cè)量法?！?.5頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性的測(cè)量設(shè)頻率相差很小的兩束光波，瞬時(shí)頻率分別為v1(t)和v2(t)，其光場(chǎng)分別為：拍頻原理：(2)(1)當(dāng)這兩束光垂直入射到光電探測(cè)器上時(shí)，其輸出的合成振動(dòng)正比于光強(qiáng)，即輸出的光電流為：(3)余弦函數(shù)平方的平均值等于1/2和頻項(xiàng)，頻率很高，現(xiàn)有光探測(cè)器無法響應(yīng)，其平均值為零。差頻項(xiàng)，相對(duì)于光頻來說要緩慢很多?！?.5頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性的測(cè)量當(dāng)差頻信號(hào)低于光電探測(cè)器的截止頻率時(shí)，即有光電流輸出：可見：差頻信號(hào)電流的頻率(v1-v2)隨兩束光的頻率v1、v2成比例變化。若激光器1相對(duì)于激光器2的頻率穩(wěn)定性很高，可認(rèn)為v1≈v0作為參考頻率，拍頻Δv=v1-v2=v0-v2，因此拍頻頻率值的變化主要是由激光器2的頻率漂移的作用引起的。激光器2相對(duì)于激光器1的頻率穩(wěn)定性為Δv/v0。(4)§5.5頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性的測(cè)量拍頻法的原理示意圖兩信號(hào)的差頻vB具有較低的數(shù)值，用計(jì)數(shù)器測(cè)定其M個(gè)周期的長(zhǎng)度為τ，由τ的起伏可計(jì)得兩信號(hào)源的穩(wěn)定度。當(dāng)作為參考信號(hào)的激光器1的穩(wěn)定度高于被測(cè)信號(hào)的激光器2一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，可認(rèn)為測(cè)得的結(jié)果全由被測(cè)信號(hào)的激光器2產(chǎn)生?！?.5頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性的測(cè)量?jī)尚盘?hào)的差頻表示為：(5)υB的周期τ=M·T1M個(gè)周期考慮到頻率的不穩(wěn)定性T1=T0+ΔT1υB=υB0+ΔυBτ

=τ

0+Δτ相應(yīng)于T0=τ

0/MΔT1

=Δτ/MΔT1/T1=ΔυB/

υBΔυB≈ΔT1/T02=MΔT/

τ

02根據(jù)誤差理論因此，在t時(shí)刻，τ

取樣長(zhǎng)度下的頻率相對(duì)起伏為ΔυB/υB

=MΔT/υ0

τ

02(6)§5.5頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性的測(cè)量拍頻法測(cè)量激光器輸出頻率穩(wěn)定性的實(shí)例可直接進(jìn)行觀察直接讀取拍頻的頻率值§5.5頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性的測(cè)量對(duì)于同一批型號(hào)的He-Ne激光器，取其中一臺(tái)激光器的輸出頻率作為參考頻率，記作SL1，則SL2為各待測(cè)的激光器。在相同的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，先后測(cè)得其中一臺(tái)激光器相對(duì)于SL1的拍頻頻率，分別記作Δυ1、Δυ2、…ΔυN，N為取樣測(cè)量的次數(shù)。由于頻率起伏是隨機(jī)的，所以頻率穩(wěn)定度常采用統(tǒng)計(jì)的阿倫方差進(jìn)行處理。激光頻率偏差的雙取樣阿倫方差為

則激光頻率穩(wěn)定度的雙取樣阿倫方差為υ2i、υ2i-1為取樣平均時(shí)間τ內(nèi)連續(xù)測(cè)量?jī)蓚€(gè)相鄰的差頻信號(hào)的頻率。假定每一臺(tái)激光器對(duì)差頻頻率起伏具有相同的作用因子。激光的平均頻率(7)(8)頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性的測(cè)量小結(jié)激光頻率極高，欲直接測(cè)量頻率的穩(wěn)定度是很困難的。所以常利用拍頻的方法進(jìn)行測(cè)量，采用頻