激光器的穩(wěn)頻激光原理課件

4.2激光器的穩(wěn)頻在精密干涉測量、光頻標、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線型寬度內(nèi)移動的現(xiàn)象。穩(wěn)頻目的：使頻率本身穩(wěn)定，即不隨時間、地點變化。用頻率的穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)性這兩個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、時間、環(huán)境下使用時頻率的相對變化量目前,

穩(wěn)定度已達到10-9～10-13而復(fù)現(xiàn)性在10-7～10-12.實際應(yīng)用中,要求穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)性都能在10-8以上.4.2激光器的穩(wěn)頻在精密干涉測量、光頻標、光通信、激光4.2.1影響頻率穩(wěn)定的因素對共焦腔的TEM00模來說，諧振頻率的公式可以簡化為：腔長的改變:環(huán)境溫度的起伏、激光管的發(fā)熱及機械振動都會引起諧振腔。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、濕度變化都會影響激光工作物質(zhì)及諧振腔裸露于大氣部分的。一個管壁材料為硬玻璃的內(nèi)腔式氦氖激光器,當溫度漂移±1℃時,由于腔長變化引起的頻率漂移已超出增益曲線范圍。

腔長變化、折射率變化都是影響頻率穩(wěn)定的因素當L的變化為L，的變化為時，引起的頻率相對變化為：4.2.1影響頻率穩(wěn)定的因素對共焦腔的TEM00模來說，諧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發(fā)熱，都會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。1.溫度變化的影響△T為溫度的變化量；α為諧振腔間隔材料的線跳?，F(xiàn)象現(xiàn)象：均勻加寬激光器點燃時,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→腔長變大→光頻向低頻漂移(2)由于模式競爭（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

模代替跳模現(xiàn)象現(xiàn)象：均勻加寬激光器點燃時,輸出激光的頻率在中心頻率00000000000000000000000000000000000000規(guī)律(2)腔長每伸長,產(chǎn)生一次跳變證(1)輸出光頻在至范圍內(nèi)變化規(guī)律(2)腔長每伸長,產(chǎn)生一次跳變證(1)輸出光頻2.大氣變化的影響

對于外腔式激光器，設(shè)諧振腔長為L，放電管長度為L0，則暴露在大氣中部分的相對長度為(L-L0)/L，大氣的溫度、氣壓、濕度的變化都會引起大氣折射率的變化，從而導致激光振蕩頻率的變動。

設(shè)環(huán)境溫度T=200C，氣壓p=1.013×105Pa，濕度H=1.133kPa,則大氣對633nm波長光的折射率變化系數(shù)分別為2.大氣變化的影響對于外腔式激光器，設(shè)諧振腔則引起激光波長的變動分別為式中，t為測量時間，對示波器t=3~5s，對記錄t≤1min。又設(shè)測量中溫度、氣壓及濕度的時間變化率分別為則引起激光波長的變動分別為機械振動也是導致光腔諧振頻率變化的重要因素。如建筑物的振動、車輛的通行、聲響等都會引起腔的支架振動,使腔的光學長度改變,導致振蕩頻率的漂移；3.機械振動的影響對于L=100cm的光腔，當機械振動引起10-6cm的腔長改變時，頻率將有1×10-8的變化。因此，要克服機械振動的影響，穩(wěn)頻激光器必須采取良好的防震措施。機械振動也是導致光腔諧振頻率變化的重要因素。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)可能引起腔長的變化，如1.15mm波長的He-Ne激光器，僅由于地磁場效應(yīng)可以產(chǎn)生140kHz的頻移。因而地磁場效應(yīng)和周圍電子儀器的散磁場對于高穩(wěn)定激光器影響必須加以考慮。4.磁場的影響綜上所述，環(huán)境溫度的變化、機械振動等外界干擾對激光頻率穩(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。為了減小溫度影響，激光諧振腔間隔器多采用殷鋼圖

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，并將整個裝置放在堅固穩(wěn)定的防震臺上；還采用了穩(wěn)壓穩(wěn)流電源。圖單頻CO2激光器防震、恒溫裝置圖所示的是一臺C實驗證明，采用恒溫度、防震裝置后,CO2激光器的長期頻率穩(wěn)定度可達到10-7量級。但要提高到量級10-8以上，單靠這種被動式穩(wěn)頻方法就很難達到了，必須采用伺服（隨動，servo)控制系統(tǒng)對激光器進行自動控制穩(wěn)頻，即主動穩(wěn)頻的方法。實驗證明，采用恒溫度、防震裝置后,CO24.2.2穩(wěn)頻方法概述穩(wěn)頻的實質(zhì)：保持m、L不變。一.被動式穩(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)為負值的材料和膨脹系數(shù)為正值的材料按一定長度配合穩(wěn)頻的原理:采用負反饋電路控制穩(wěn)頻技術(shù)。選取一個穩(wěn)定的參考標準頻率，當外界影響使激光頻率偏離標準頻率時，鑒頻器給出誤差訊號,通過負反饋電路去控制腔長，使激光頻率自動回到標準頻率上。二.主動式穩(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。4.2.2穩(wěn)頻方法概述穩(wěn)頻的實質(zhì)：保持m、L不變。一.2.鑒頻器：是穩(wěn)頻的關(guān)鍵部件。①任務(wù)：a.提供標準頻率。b.頻率鑒別：當激光器振蕩頻率偏離標準頻率時，能夠鑒別出來。②對鑒頻器的要求：a.中心頻率要穩(wěn)定，標準頻率不能有漂移。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；以外界標準頻率做鑒頻器2.鑒頻器：是穩(wěn)頻的關(guān)鍵部件。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行穩(wěn)頻1.蘭姆凹陷：對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L。②光電接收器。利用光電轉(zhuǎn)換裝置，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴鳛殡娐返男盘?。③電路系統(tǒng)。將誤差訊號轉(zhuǎn)成一直流電壓加到壓電陶瓷上，以改變腔長。圖4-8蘭姆凹陷法穩(wěn)頻激光器的基本結(jié)構(gòu)當壓電陶瓷外表面加正電壓、內(nèi)表面加負電壓時壓電陶瓷伸長,反之則縮短,因而可利用壓電陶瓷的伸縮來控制腔長。4.2.3蘭姆凹陷法穩(wěn)頻1.蘭姆凹陷：對非均勻加寬激光介質(zhì)二.腔長自動補償系統(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——振蕩器給出一個頻率為

f

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

、伸縮幅為L

——>

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。二.腔長自動補償系統(tǒng)(伺服系統(tǒng))的方框圖及主要功能前圖4-8二.腔長自動補償系統(tǒng)的方框圖及主要功能前3、選頻放大器——對輸入的波形信號進行選頗放大。它有自己的中心頻率，只對頻率為f

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

相位相同，則輸出負直流電壓.相位相反，則輸出正直流電壓.二.腔長自動補償系統(tǒng)的方框圖及主要功能前3、選頻放大器——對圖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，相應(yīng)的產(chǎn)生激光振蕩頻率的變量為n

。也就導致輸出功率P

的幅度有了DP的調(diào)制。這時Dn與DP的位相正好相同

。光電接收器輸出一個頻率為f

的信號,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負的直流電壓,經(jīng)放大后加在壓電陶瓷的內(nèi)表面,它使壓電陶瓷縮短,腔長伸長,于是頻率vB

被拉回到v0圖4-10穩(wěn)頻原理三.穩(wěn)頻原理前1.假如由于某種原因(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，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,腔長縮短,于是頻率vA

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.圖4-10穩(wěn)頻原理前3.在中心頻率附近0，不論是小(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稱且不夠尖銳,制作單頻穩(wěn)頻激光器時應(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作為參考標準的。（如果光強本身有起伏,特別是光強的起伏頻率接近于選頻頻率,則無法實現(xiàn)穩(wěn)頻,因此,激光器的激勵電源是穩(wěn)壓和穩(wěn)流的。）四、應(yīng)用蘭姆凹陷穩(wěn)頻時應(yīng)注意的問題圖(4-11)不同同位素對蘭姆凹陷的影響缺點蘭姆凹陷穩(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,不可避免地會出現(xiàn)頻率漂移,所以頻率復(fù)現(xiàn)度不高.僅達到10-8.(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。四4.2.4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，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準進行穩(wěn)頻。一、飽和吸收穩(wěn)頻——即在諧振腔中放入一個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位置穩(wěn)定且寬度很窄的凹陷，以此作為穩(wěn)頻的參考點，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，提高頻率的設(shè)吸收管內(nèi)物質(zhì)的吸收系數(shù)為A(v),當入射光足夠強時,由于下能級粒子數(shù)的減少和上能級粒子數(shù)的增加,A(v)將隨入射光強之增加而減小,

吸收飽和現(xiàn)象。對于v=v0的光，其正向傳播和反向傳播的兩列行波光強均被υz=0的分子所吸收，即兩列光強作用于同一群分子上，故吸收容易達到飽和；對于v≠

v0的光，則正向傳播和反向傳播的兩列光強分別被縱向速度為+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)頻的裝置示意圖設(shè)吸收管內(nèi)物質(zhì)的吸收系數(shù)為A(v