激光原理：第七章第二節(jié) 穩(wěn)頻技術(shù)

本科生《激光原理》課程

第七章

激光特性的控制與改善常用的激光技術(shù)

第一節(jié)

模式選擇技術(shù)

第二節(jié)

穩(wěn)頻技術(shù)

第三節(jié)

激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)

第四節(jié)

激光放大技術(shù)

第五節(jié)

激光束變換

第六節(jié)

調(diào)Q技術(shù)

第七節(jié)

鎖模技術(shù)光譜學(xué)窄線寬激光器光電對(duì)抗激光陀螺自由空間光通信精密測(cè)量激光雷達(dá)第二節(jié)穩(wěn)頻技術(shù)第二節(jié)穩(wěn)頻技術(shù)1頻率的穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)性2影響頻率穩(wěn)定的因素3穩(wěn)頻方法

被動(dòng)穩(wěn)頻主動(dòng)穩(wěn)頻以觀測(cè)取樣時(shí)間與探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系判定t為觀測(cè)時(shí)間t0為響應(yīng)時(shí)間1.頻率的穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)性1.1頻率穩(wěn)定性(S)1.2頻率穩(wěn)定度1.2.1短期頻率穩(wěn)定度1.2.2長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度1.3頻率的復(fù)現(xiàn)性第二節(jié)穩(wěn)頻技術(shù)通常指激光器在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在一定的時(shí)間間隔內(nèi)平均頻率()與該時(shí)間內(nèi)頻率的變化量()之比。S的倒數(shù)稱為穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定性表征頻率穩(wěn)定的程度dn為同一臺(tái)激光器不同時(shí)間、環(huán)境條件下頻率的變化量時(shí)間，n為頻率的平均值第二節(jié)穩(wěn)頻技術(shù)2.影響頻率穩(wěn)定的因素2.1影響頻率穩(wěn)定的因素激光振蕩頻率可表示為原子躍遷譜線頻率υm，光學(xué)諧振腔諧振頻率υc，原子躍遷譜線的寬度為Δυm，諧振腔的譜線寬度為Δυc說(shuō)明：

1）激光器的振蕩頻率是由原子躍遷譜線及諧振腔的諧振頻率共同決定的，二者的變化均會(huì)引起激光頻率的不穩(wěn)定；2）原子躍遷譜線頻率變化微小，一般情況下不予考慮，所以諧振腔的頻率變化被認(rèn)為是諧振腔諧振頻率的變化。多普勒線寬Δυm一般不小于108~109Hz，Δυc約為106~107Hz量級(jí)第二節(jié)穩(wěn)頻技術(shù)2.影響頻率穩(wěn)定的因素2.1影響頻率穩(wěn)定的因素2.2頻率穩(wěn)定的實(shí)質(zhì)

溫度機(jī)械振動(dòng)大氣變化和電磁場(chǎng)影響；外部環(huán)境因素放電氣壓變化放電電流變化自發(fā)輻射造成的無(wú)規(guī)噪聲。內(nèi)部因素激光諧振腔光程長(zhǎng)度的穩(wěn)定第二節(jié)穩(wěn)頻技術(shù)3.穩(wěn)頻技術(shù)依照有無(wú)頻率標(biāo)準(zhǔn)分為被動(dòng)穩(wěn)頻和主動(dòng)穩(wěn)頻3.1被動(dòng)穩(wěn)頻技術(shù)3.1.1被動(dòng)穩(wěn)頻技術(shù)

就是盡量不增加激光器附加元件的情況下，采用一定的措施，減小或者消除環(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)定性的影響，實(shí)現(xiàn)激光頻率的穩(wěn)定。3.1.2被動(dòng)穩(wěn)頻的主要方法

恒溫、防震、密封隔聲、穩(wěn)定電源；

利用膨脹系數(shù)低的材料制作諧振腔的間隔器；

熱處理；

構(gòu)建外腔等。第二節(jié)穩(wěn)頻技術(shù)3.1.3外腔穩(wěn)頻激光器的輸出光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡后照射在閃耀光柵上，調(diào)節(jié)閃耀光柵的轉(zhuǎn)角，讓一級(jí)衍射光反饋至光纖端面，零級(jí)光輸出。微調(diào)閃耀光柵的轉(zhuǎn)角能使回到有源區(qū)反饋光的中心波長(zhǎng)發(fā)生變化，從而改變激光器的諧振波長(zhǎng)。在這種結(jié)構(gòu)中，閃耀光柵既是色散選頻元件，同時(shí)也是反射鏡和輸出鏡。其中w為束腰半徑，f為準(zhǔn)直透鏡焦距。在Littman結(jié)構(gòu)中，光入射光柵的角度較大，光斑覆蓋的光柵條紋較多，從而得到較Littrow結(jié)構(gòu)更窄的線寬。在相同的工作條件下，其輸出功率比Littrow結(jié)構(gòu)要小。

如果相互匹配的另一塊閃耀光柵來(lái)代替Littman結(jié)構(gòu)中的反射鏡，就構(gòu)成了雙光柵型的外腔結(jié)構(gòu)。第二節(jié)穩(wěn)頻技術(shù)3.2主動(dòng)穩(wěn)頻技術(shù)主動(dòng)穩(wěn)頻技術(shù)就是選取一個(gè)穩(wěn)定的參考標(biāo)準(zhǔn)頻率，當(dāng)外界條件變化使激光頻率偏離此標(biāo)準(zhǔn)頻率時(shí)，利用鑒頻裝置檢測(cè)誤差信號(hào)，再通過反饋控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)激光器諧振腔的腔長(zhǎng)，將激光頻率恢復(fù)到特定的標(biāo)準(zhǔn)頻率上，最后達(dá)到穩(wěn)頻的目的。

穩(wěn)頻激光的頻率穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)性，最終取決于參考頻率的穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)性，電子伺服系統(tǒng)工作狀態(tài)的好壞，也直接影響激光頻率的穩(wěn)定性。激光主動(dòng)穩(wěn)頻系統(tǒng)原理圖第二節(jié)穩(wěn)頻技術(shù)主動(dòng)穩(wěn)頻蘭姆凹陷穩(wěn)頻Zeeman效應(yīng)穩(wěn)頻分子飽和吸收穩(wěn)頻偏頻鎖定技術(shù)相位調(diào)制光外差穩(wěn)頻以原子或分子的躍遷譜線中心頻率作為參考標(biāo)準(zhǔn)以諧振腔共振頻率作為參考標(biāo)準(zhǔn)對(duì)參考標(biāo)準(zhǔn)頻率的要求：(1)譜線中心頻率的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性要好；(2)線寬要窄；(3)有足夠的信噪比；(4)譜線頻率要與受控激光器頻率匹配，即參考譜線的頻率應(yīng)落在受控激光器增益曲線的峰值附近。第二節(jié)穩(wěn)頻技術(shù)3.2.1蘭姆凹陷穩(wěn)頻蘭姆凹陷穩(wěn)頻法是以增益曲線中心頻率υ0作為參考標(biāo)準(zhǔn)頻率，通過電子伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷環(huán)來(lái)控制激光器腔長(zhǎng)，可使頻率穩(wěn)定于υ0處。第二節(jié)穩(wěn)頻技術(shù)蘭姆凹陷穩(wěn)頻的實(shí)質(zhì)：

經(jīng)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)，即輸出一誤差信息通過伺服系統(tǒng)鑒別出頻率偏離的大小和方向，輸出一直流電壓調(diào)節(jié)壓電陶瓷的伸縮來(lái)控制腔長(zhǎng)把激光振蕩頻率自動(dòng)地鎖定在蘭姆凹陷中心處。應(yīng)用蘭姆凹陷穩(wěn)頻時(shí)應(yīng)注意的問題：(1)穩(wěn)頻激光器要求是單橫模，而且必須是單縱模；(2)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)就越大，因而靈敏度高，穩(wěn)定性就越好。(3)蘭姆凹陷線型的對(duì)稱性也影響頻率的穩(wěn)定性。一.塞曼效應(yīng)第二節(jié)穩(wěn)頻技術(shù)3.2.2塞曼穩(wěn)頻塞曼效應(yīng)

一個(gè)發(fā)光的原子系統(tǒng)置于(強(qiáng))磁場(chǎng)中時(shí)，其原子譜線在磁場(chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生分裂，這種現(xiàn)象稱為塞曼效應(yīng)。

在光束方向施加縱向磁場(chǎng)，則沿磁場(chǎng)方向觀察：一條譜線對(duì)稱地分裂成兩條譜線，一條是左旋圓偏振光，其頻率高于未加磁場(chǎng)時(shí)的譜線，為υ0+Δυ；另一條是右旋圓偏振光，頻率低于未加磁場(chǎng)時(shí)的譜線，為υ0–Δυ這兩條譜線的頻率差為：g是朗道因子；μβ是玻爾磁子；h為普朗克常量；H是磁場(chǎng)強(qiáng)度。塞曼效應(yīng)無(wú)磁場(chǎng)沿平行磁場(chǎng)B方向上觀測(cè)沿垂直磁場(chǎng)B方向上觀測(cè)⊥B

∥B

π

⊥B

第二節(jié)穩(wěn)頻技術(shù)因?yàn)棣訪＜υ0L，所以ΔnL＜0，故υL＞υo，即左旋光的頻率比未加磁場(chǎng)時(shí)的振蕩頻率增高了，就是υL–υo=(-ΔnL/

no)υLυo-υR=(ΔnR/no)

υR

因?yàn)棣訰＞υ0R，所以ΔnR＞0，故υR＜υo，即右旋光的頻率比未加磁場(chǎng)時(shí)的振蕩頻率降低了，就是

塞曼穩(wěn)頻原理第二節(jié)穩(wěn)頻技術(shù)3.2.3飽和吸收穩(wěn)頻將激光管和吸收管串聯(lián)，放到外腔型諧振腔中，后者對(duì)激光震蕩頻率處有強(qiáng)吸收峰。另外，吸收管中氣體的氣壓很低(1Pa左右)，因而，受氣壓及放電條件的變化的影響小。