42激光器的穩(wěn)頻-激光原理課件

4.2激光器的穩(wěn)頻在精密干涉測(cè)量、光頻標(biāo)、光通信、激光陀螺及精密光譜研究等應(yīng)用領(lǐng)域中,要求激光器所發(fā)出的激光有較高的頻率穩(wěn)定性.頻率漂移——激光器通過選模獲得單頻率振蕩后,由于內(nèi)部和外界條件的變化,諧振頻率仍然在整個(gè)線型寬度內(nèi)移動(dòng)的現(xiàn)象。穩(wěn)頻目的：使頻率本身穩(wěn)定，即不隨時(shí)間、地點(diǎn)變化。用頻率的穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)性這兩個(gè)物理量來表示激光頻率穩(wěn)定的程度。頻率穩(wěn)定度——激光器在一次連續(xù)工作時(shí)間內(nèi)的頻率漂移與振蕩頻率之比頻率復(fù)現(xiàn)性——激光器在不同地點(diǎn)、時(shí)間、環(huán)境下使用時(shí)頻率的相對(duì)變化量目前,

穩(wěn)定度已達(dá)到10-9～10-13而復(fù)現(xiàn)性在10-7～10-12.實(shí)際應(yīng)用中,要求穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)性都能在10-8以上.4.2.1影響頻率穩(wěn)定的因素對(duì)共焦腔的TEM00模來說，諧振頻率的公式可以簡(jiǎn)化為：腔長(zhǎng)的改變:環(huán)境溫度的起伏、激光管的發(fā)熱及機(jī)械振動(dòng)都會(huì)引起諧振腔。折射率的改變：溫度的變化、介質(zhì)中反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的起伏以及大氣的氣壓、濕度變化都會(huì)影響激光工作物質(zhì)及諧振腔裸露于大氣部分的。一個(gè)管壁材料為硬玻璃的內(nèi)腔式氦氖激光器,當(dāng)溫度漂移±1℃時(shí),由于腔長(zhǎng)變化引起的頻率漂移已超出增益曲線范圍。

腔長(zhǎng)變化、折射率變化都是影響頻率穩(wěn)定的因素當(dāng)L的變化為L(zhǎng)，的變化為時(shí)，引起的頻率相對(duì)變化為：1.溫度變化的影響

環(huán)境溫度的起伏或者是激光管工作時(shí)發(fā)熱，都會(huì)使腔材料隨著溫度的改變而伸縮，以致引起頻率的漂移，即

△T為溫度的變化量；α為諧振腔間隔材料的線膨脹系數(shù)，硬質(zhì)玻璃α=10-5/0C，石英玻璃α=6×10-7/0C，殷鋼α=9×10-7/0C。一般難以獲得優(yōu)于10-8的頻率穩(wěn)定度。跳?，F(xiàn)象現(xiàn)象：均勻加寬激光器點(diǎn)燃時(shí),輸出激光的頻率在中心頻率附近產(chǎn)生周期性變化t解釋(1)溫度升高→腔長(zhǎng)變大→光頻向低頻漂移(2)由于模式競(jìng)爭(zhēng)（均勻加寬介質(zhì)的自選模作用）,光頻漂移到n0-1/2Dnq處被n0+1/2Dnq

模代替0000000000000000000規(guī)律(2)腔長(zhǎng)每伸長(zhǎng),產(chǎn)生一次跳變證(1)輸出光頻在至范圍內(nèi)變化2.大氣變化的影響

對(duì)于外腔式激光器，設(shè)諧振腔長(zhǎng)為L(zhǎng)，放電管長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，則暴露在大氣中部分的相對(duì)長(zhǎng)度為(L-L0)/L，大氣的溫度、氣壓、濕度的變化都會(huì)引起大氣折射率的變化，從而導(dǎo)致激光振蕩頻率的變動(dòng)。

設(shè)環(huán)境溫度T=200C，氣壓p=1.013×105Pa，濕度H=1.133kPa,則大氣對(duì)633nm波長(zhǎng)光的折射率變化系數(shù)分別為則引起激光波長(zhǎng)的變動(dòng)分別為式中，t為測(cè)量時(shí)間，對(duì)示波器t=3~5s，對(duì)記錄t≤1min。又設(shè)測(cè)量中溫度、氣壓及濕度的時(shí)間變化率分別為機(jī)械振動(dòng)也是導(dǎo)致光腔諧振頻率變化的重要因素。如建筑物的振動(dòng)、車輛的通行、聲響等都會(huì)引起腔的支架振動(dòng),使腔的光學(xué)長(zhǎng)度改變,導(dǎo)致振蕩頻率的漂移；3.機(jī)械振動(dòng)的影響對(duì)于L=100cm的光腔，當(dāng)機(jī)械振動(dòng)引起10-6cm的腔長(zhǎng)改變時(shí)，頻率將有1×10-8的變化。因此，要克服機(jī)械振動(dòng)的影響，穩(wěn)頻激光器必須采取良好的防震措施。為了減小溫度影響，激光諧振腔間隔器多采用殷鋼材料制成，但殷鋼的磁致伸縮性質(zhì)可能引起腔長(zhǎng)的變化，如1.15mm波長(zhǎng)的He-Ne激光器，僅由于地磁場(chǎng)效應(yīng)可以產(chǎn)生140kHz的頻移。因而地磁場(chǎng)效應(yīng)和周圍電子儀器的散磁場(chǎng)對(duì)于高穩(wěn)定激光器影響必須加以考慮。4.磁場(chǎng)的影響綜上所述，環(huán)境溫度的變化、機(jī)械振動(dòng)等外界干擾對(duì)激光頻率穩(wěn)定性影響很大，因而自然聯(lián)想到，最直接的穩(wěn)頻辦法就是恒溫、防震、密封隔聲、穩(wěn)定電源等。圖

單頻CO2激光器防震、恒溫裝置1.激光器2.減震器3.石英玻璃管4.鉛筒(外繞加熱絲)圖所示的是一臺(tái)CO2激光器的防震、恒溫裝置。它采用了恒溫措施，溫度可恒定在35±0.030C。為了防震，在所有部件之間都置有海綿墊，并將整個(gè)裝置放在堅(jiān)固穩(wěn)定的防震臺(tái)上；還采用了穩(wěn)壓穩(wěn)流電源。實(shí)驗(yàn)證明，采用恒溫度、防震裝置后,CO2激光器的長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度可達(dá)到10-7量級(jí)。但要提高到量級(jí)10-8以上，單靠這種被動(dòng)式穩(wěn)頻方法就很難達(dá)到了，必須采用伺服（隨動(dòng)，servo)控制系統(tǒng)對(duì)激光器進(jìn)行自動(dòng)控制穩(wěn)頻，即主動(dòng)穩(wěn)頻的方法。4.2.2穩(wěn)頻方法概述穩(wěn)頻的實(shí)質(zhì)：保持m、L不變。一.被動(dòng)式穩(wěn)頻利用熱膨脹系數(shù)低的材料制做諧振腔的間隔器；或用膨脹系數(shù)為負(fù)值的材料和膨脹系數(shù)為正值的材料按一定長(zhǎng)度配合穩(wěn)頻的原理:采用負(fù)反饋電路控制穩(wěn)頻技術(shù)。選取一個(gè)穩(wěn)定的參考標(biāo)準(zhǔn)頻率，當(dāng)外界影響使激光頻率偏離標(biāo)準(zhǔn)頻率時(shí)，鑒頻器給出誤差訊號(hào),通過負(fù)反饋電路去控制腔長(zhǎng)，使激光頻率自動(dòng)回到標(biāo)準(zhǔn)頻率上。二.主動(dòng)式穩(wěn)頻把激光器中原子躍遷的中心頻率做為參考頻率，把激光頻率鎖定到躍遷的中心頻率上，如蘭姆凹陷法。把振蕩頻率鎖定在外界的參考頻率上，例如用分子或原子的吸收線作為參考頻率，選取的吸收物質(zhì)的吸收頻率必須與激光頻率相重合。如飽和吸收法。2.鑒頻器：是穩(wěn)頻的關(guān)鍵部件。①任務(wù)：a.提供標(biāo)準(zhǔn)頻率。b.頻率鑒別：當(dāng)激光器振蕩頻率偏離標(biāo)準(zhǔn)頻率時(shí)，能夠鑒別出來。②對(duì)鑒頻器的要求：a.中心頻率要穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)頻率不能有漂移。b.靈敏度要高，微小變化能鑒別。③鑒頻器的類型：以原子譜線本身作為鑒頻器；以外界標(biāo)準(zhǔn)頻率做鑒頻器4.2.3蘭姆凹陷法穩(wěn)頻一、利用原子譜線中心頻率作為鑒別器進(jìn)行穩(wěn)頻1.蘭姆凹陷：對(duì)非均勻加寬激光介質(zhì)，激光器輸出的功率在中心頻率處最小。2.結(jié)構(gòu)和原理：①單縱模激光器。其中一塊反射鏡固定在壓電陶瓷上，利用壓電陶瓷的伸縮來調(diào)整腔長(zhǎng)L。②光電接收器。利用光電轉(zhuǎn)換裝置，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)——作為電路的信號(hào)。③電路系統(tǒng)。將誤差訊號(hào)轉(zhuǎn)成一直流電壓加到壓電陶瓷上，以改變腔長(zhǎng)。圖4-8蘭姆凹陷法穩(wěn)頻激光器的基本結(jié)構(gòu)當(dāng)壓電陶瓷外表面加正電壓、內(nèi)表面加負(fù)電壓時(shí)壓電陶瓷伸長(zhǎng),反之則縮短,因而可利用壓電陶瓷的伸縮來控制腔長(zhǎng)。二.腔長(zhǎng)自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)(伺服系統(tǒng))的方框圖及主要功能前圖4-8蘭姆凹陷法穩(wěn)頻激光器的基本結(jié)構(gòu)1.

在壓電陶瓷上需加一直流電壓：使初始頻率為0L0

2、頻率振蕩器——振蕩器給出一個(gè)頻率為

f

[(約為lkHz)、幅度很小(只有零點(diǎn)幾伏)的交流訊號(hào)，稱為“搜索訊號(hào)”]的正弦調(diào)制信號(hào).一路加到壓電陶瓷環(huán)上對(duì)腔長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)制：腔長(zhǎng)的伸縮頻率為f

、伸縮幅為L(zhǎng)

——>

激光振蕩頻率

v的變量

v和激光輸出功率P幅度為P；另一路加到相敏整流器上做為參考信號(hào)。二.腔長(zhǎng)自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的方框圖及主要功能前3、選頻放大器——對(duì)輸入的波形信號(hào)進(jìn)行選頗放大。它有自己的中心頻率，只對(duì)頻率為f

的信號(hào)進(jìn)行放大并輸入到相敏整流器上。4、相敏整流器——對(duì)選頗放大后的信號(hào)電壓與振蕩器發(fā)出的正弦參考信號(hào)電壓進(jìn)行相位比較:

相位相同，則輸出負(fù)直流電壓.相位相反，則輸出正直流電壓.圖4-10穩(wěn)頻原理三.穩(wěn)頻原理前1.假如由于某種原因(例如溫度降低)使L縮短，引起激光頻率由n0

偏至nB

(nB>n0)。nB附近以頻率f作振動(dòng)，相應(yīng)的產(chǎn)生激光振蕩頻率的變量為n

。也就導(dǎo)致輸出功率P

的幅度有了DP的調(diào)制。這時(shí)Dn與DP的位相正好相同

。光電接收器輸出一個(gè)頻率為f

的信號(hào),經(jīng)前置放大,選頻放大后送入相敏整流器,相敏整流器輸出一個(gè)負(fù)的直流電壓,經(jīng)放大后加在壓電陶瓷的內(nèi)表面,它使壓電陶瓷縮短,腔長(zhǎng)伸長(zhǎng),于是頻率vB

被拉回到v0圖4-10穩(wěn)頻原理前2.假如由于某種原因(例如溫度升高)使L伸長(zhǎng)，引起激光頻率由n0

偏至nA(nA<n0)Dn與DP的位相正好相反,相敏整流器輸出一個(gè)正的直流電壓,經(jīng)放大后加在壓電陶瓷的內(nèi)表面,它使壓電陶瓷伸長(zhǎng),腔長(zhǎng)縮短,于是頻率vA

被拉回到v0圖4-10穩(wěn)頻原理前3.在中心頻率附近0

，不論是

小于0還是大于0

，其結(jié)果都是使輸出功率P增加，而且此時(shí)P將以頻率2f

變化.工作頻率為f的選頻放大器輸出為零,沒有附加的電壓輸送到壓電陶瓷上,腔長(zhǎng)也就不被調(diào)整,于是激光器的輸出頻率就被鎖定在0

處了.(1)穩(wěn)頻激光器不僅要求是單橫模，而且還要求必須是單縱模。(2)根據(jù)以上討論可見，頻率穩(wěn)定性與蘭姆凹陷中心兩側(cè)的斜率有關(guān)，斜率越大，誤差信號(hào)就越小，因而靈敏度高，穩(wěn)定性就越好。（一般要求蘭姆凹陷的深度為輸出功率的1/8）(3)蘭姆凹陷線型的對(duì)稱性也影響頻率的穩(wěn)定性。（氖的不同同位素的原子譜線中心有一定頻差。充普通氖氣的氦氖激光器蘭姆凹陷曲線不對(duì)稱且不夠尖銳,制作單頻穩(wěn)頻激光器時(shí)應(yīng)充以單一同位素Ne20或Ne22）。(4)蘭姆凹陷穩(wěn)頻是以原子躍遷譜線中心頻率v0作為參考標(biāo)準(zhǔn)的。（如果光強(qiáng)本身有起伏,特別是光強(qiáng)的起伏頻率接近于選頻頻率,則無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻,因此,激光器的激勵(lì)電源是穩(wěn)壓和穩(wěn)流的。）四、應(yīng)用蘭姆凹陷穩(wěn)頻時(shí)應(yīng)注意的問題圖(4-11)不同同位素對(duì)蘭姆凹陷的影響缺點(diǎn)蘭姆凹陷穩(wěn)頻采用的參考頻率是激光器原子譜線的中心頻率,隨激光器放電條件而改變,不可避免地會(huì)出現(xiàn)頻率漂移,所以頻率復(fù)現(xiàn)度不高.僅達(dá)到10-8.4.2.4飽和吸收法穩(wěn)頻從蘭姆凹陷穩(wěn)頻方法可知，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。穩(wěn)頻方法是利用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。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。一、飽和吸收穩(wěn)頻——即在諧振腔中放入一個(gè)充有低氣壓氣體原子(或分子)的吸收管,它有和激光振蕩頻率配合很好的吸收線。吸收譜線主要是多普勒加寬。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。圖4-12飽和吸收法穩(wěn)頻的裝置示意圖設(shè)吸收管內(nèi)物質(zhì)的吸收系數(shù)為A(v),當(dāng)入射光足夠強(qiáng)時(shí),由于下能級(jí)粒子數(shù)的減少和上能級(jí)粒子數(shù)的增加,A(v)將隨入射光強(qiáng)之增加而減小,

吸收飽和現(xiàn)象。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υz=0的分子所吸收，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；對(duì)于v≠

v0的光，則正向傳播和反向傳播的兩列光強(qiáng)分別被縱向速度為+υz及-υz的兩群(少于υz=0）分子所吸收，所以吸收不易達(dá)到飽和，在吸收線的v0處出現(xiàn)吸收凹陷圖4-13吸收介質(zhì)的吸收曲線圖4-12飽和吸收法穩(wěn)頻的裝置示意圖二.與激光輸出功率曲線的蘭姆凹陷相似，在吸收介質(zhì)的吸收曲線上也有一個(gè)吸收凹陷圖4-13吸收介質(zhì)的吸收曲線在諧振腔中放置吸收管時(shí)諧振腔的單程損耗為式中δ為未放置吸收管時(shí)諧振腔的單程損耗;L‘為吸收管長(zhǎng)度。由于A(ν0)——ν0曲線的尖銳凹陷,激光器輸出功率在ν0處出現(xiàn)一個(gè)尖銳的尖峰,稱為反蘭姆凹陷,如圖(b)所示。利用反蘭姆凹陷,可使激光器的頻率穩(wěn)定在ν0,其穩(wěn)頻系統(tǒng)與蘭姆凹陷法類似。通常利用分子的基態(tài)與振轉(zhuǎn)能級(jí)間的飽和吸收進(jìn)行穩(wěn)頻。由于其吸收