1、7.2 7.2 稳频技术稳频技术7.2.1 7.2.1 激光器的稳频激光器的稳频7.2.2 7.2.2 影响频率稳定的因素影响频率稳定的因素7.2.3 7.2.3 稳频方法概述稳频方法概述7.2.4 7.2.4 兰姆凹陷法稳频兰姆凹陷法稳频7.2.5 7.2.5 饱和吸收法稳频饱和吸收法稳频7.2.1 7.2.1 激光器的稳频激光器的稳频 激光的特点之一是单色性好激光的特点之一是单色性好, ,即其线宽即其线宽与频率与频率的比值的比值/很小。但由于各种不稳定因素的影响很小。但由于各种不稳定因素的影响, ,实际激光实际激光频率的漂移频率的漂移远远大于线宽极远远大于线宽极限。在精密干涉测量、光频标、
2、光通信、激光陀螺及精密光谱研究等应用限。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用领域中领域中, ,要求激光器所发出的激光有较高的频率稳定性要求激光器所发出的激光有较高的频率稳定性. .频率漂移频率漂移激光器通过选模获得单频率振荡后激光器通过选模获得单频率振荡后, ,由于内部和外界条件由于内部和外界条件的变化的变化, ,谐振频率仍然在整个线型宽度内移动的现象。谐振频率仍然在整个线型宽度内移动的现象。v稳频目的：稳频目的：使频率本身稳定，即不随时间、地点变化。使频率本身稳定，即不随时间、地点变化。用频率的用频率的稳定度稳定度和和复现性复现性这两个物理量来表示激光频率稳定的程度。
3、这两个物理量来表示激光频率稳定的程度。频率稳定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荡频率之比激光器在一次连续工作时间内的频率漂移与振荡频率之比 S频率复现性频率复现性激光器在不同地点、时间、环境下使用时频率的相对变化量激光器在不同地点、时间、环境下使用时频率的相对变化量 R目前, 稳定度已达到10-910-13而复现性在10-710-12.实际应用中,要求稳定度和复现性都能在10-8以上.7.2.2 7.2.2 影响频率稳定的因素影响频率稳定的因素对共焦腔的对共焦腔的TEM00模来说，谐振频率的公式可以简化为：模来说，谐振频率的公式可以简化为：nLcq2 环境温度的起伏、激光管
4、的发热及机械振动都会引起谐振腔几何长度环境温度的起伏、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。以上因素使腔长腔长L及折射率市都在一定范围内变化及折射率市都在一定范围内变化, ,当当L的变化为的变化为 L，n的变化为的变化为 n n时，时，引起的频率相对变化为：引起的频率相对变化为：)(nnLL 一个管壁材料为硬玻璃的内腔式氦氖激光器一个管壁材料为硬
5、玻璃的内腔式氦氖激光器, ,当温度漂移当温度漂移11时时, ,由于由于腔长变化引起的频率漂移已超出增益曲线范围。腔长变化引起的频率漂移已超出增益曲线范围。 腔长变化、腔长变化、折射率变化都是折射率变化都是影响影响频率稳定的因素频率稳定的因素1. 温度变化的影响温度变化的影响 环境温度的起伏或者是激光管工作时发热，都会使腔材料随着温度的改环境温度的起伏或者是激光管工作时发热，都会使腔材料随着温度的改变而伸缩，以致引起频率的漂移，即变而伸缩，以致引起频率的漂移，即 式中，式中，T为温度的变化量；为温度的变化量；为谐振腔间隔材料的线膨胀系数，硬质玻璃为谐振腔间隔材料的线膨胀系数，硬质玻璃=10-5/
6、0C，石英玻璃石英玻璃=610-7/0C，殷钢殷钢=910-7/0C。一般难以获得优于一般难以获得优于10-8的频率稳定度。的频率稳定度。LLT2.大气变化的影响大气变化的影响 对于外腔式激光器，设谐振腔长为对于外腔式激光器，设谐振腔长为L，放电管长度为放电管长度为L0，则暴露在大气中部分则暴露在大气中部分的相对长度为的相对长度为(L- L0)/L，大气的温度、气压、湿度的变化都会引起大气折射率的大气的温度、气压、湿度的变化都会引起大气折射率的变化，从而导致激光振荡频率的变动。变化，从而导致激光振荡频率的变动。PaPapCdHdHdpddTdT/108)(/105)(/103 . 9)(615
7、1071hPahPaCdtdHdtdpdtdT/6 .656,/3 .133min,/01.00又设测量中温度、气压及湿度的时间变化率分别为又设测量中温度、气压及湿度的时间变化率分别为设环境温度设环境温度T=200C，气压，气压p=1.013105Pa，湿度，湿度H=1.133kPa,则则大气对大气对633nm波长光的折射率变化系数分别为波长光的折射率变化系数分别为则则引起激光波长的变动分别为引起激光波长的变动分别为 9)(9)(9)(108 .4106103 .9dtdHHHdtdpppdtdTTT式中，式中，为测量时间，对示波器为测量时间，对示波器=35s，对对XY记录记录1min。 机械
8、振动也是导致光腔谐振频率变化的重要因素。如建筑物机械振动也是导致光腔谐振频率变化的重要因素。如建筑物的振动、车辆的通行、声响等都会引起腔的支架振动的振动、车辆的通行、声响等都会引起腔的支架振动, 使腔的光使腔的光学长度改变学长度改变, 导致振荡频率的漂移；导致振荡频率的漂移；3. 机械振动的影响机械振动的影响 对于对于L=100cm的光腔，当机械振动引起的光腔，当机械振动引起10-6cm的腔长改变时，的腔长改变时，频率将有频率将有110-8的变化。因此，要克服机械振动的影响，稳频激的变化。因此，要克服机械振动的影响，稳频激光器必须采取良好的防震措施。光器必须采取良好的防震措施。 为了减小温度影
9、响，激光谐振腔间隔器多采用殷钢材料制成，为了减小温度影响，激光谐振腔间隔器多采用殷钢材料制成，但殷钢的磁致伸缩性质可能引起腔长的变化，如但殷钢的磁致伸缩性质可能引起腔长的变化，如1.15m波长的波长的He-Ne激光器，仅由于地磁场效应可以产生激光器，仅由于地磁场效应可以产生140kHz的频移。因而的频移。因而地磁场效应和周围电子仪器的散磁场对于高稳定激光器影响必须地磁场效应和周围电子仪器的散磁场对于高稳定激光器影响必须加以考虑。加以考虑。4.磁场的影响磁场的影响 综上所述，环境温度的变化、机械振动等外界干扰对激光频综上所述，环境温度的变化、机械振动等外界干扰对激光频率稳定性影响很大，因而自然联
10、想到，最直接的稳频办法就是恒率稳定性影响很大，因而自然联想到，最直接的稳频办法就是恒温、防震、密封隔声、稳定电源等。温、防震、密封隔声、稳定电源等。图 单频CO2激光器防震、恒温装置1.激光器 2.减震器 3.石英玻璃管 4.铅筒(外绕加热丝) 图所示的是一台图所示的是一台COCO2 2激光器的防震、恒温装置。它采用了恒温措施，激光器的防震、恒温装置。它采用了恒温措施，温度可恒定在温度可恒定在35350.030.030 0C C。为了防震，在所有部件之间都置有海绵垫，为了防震，在所有部件之间都置有海绵垫，并将整个装置放在坚固稳定的防震台上；还采用了稳压稳流电源。并将整个装置放在坚固稳定的防震台
11、上；还采用了稳压稳流电源。 实验证明，采用恒温度、防震装置后实验证明，采用恒温度、防震装置后, CO2激光器的长期频激光器的长期频率稳定度可达到率稳定度可达到10-7量级。但要提高到量级量级。但要提高到量级10-8以上，单靠这种被以上，单靠这种被动式稳频方法就很难达到了，必须采用动式稳频方法就很难达到了，必须采用 伺服伺服 （随动，（随动，servo)控制控制系统对激光器进行自动控制稳频，即主动稳频的方法。系统对激光器进行自动控制稳频，即主动稳频的方法。7.2.3 7.2.3 稳频方法概述稳频方法概述稳频的实质：保持稳频的实质：保持n n、L不变。不变。一一. . 被动式稳频被动式稳频 利用热
12、膨胀系数低的材料制做谐振腔的间隔器；或用膨胀系数为负值利用热膨胀系数低的材料制做谐振腔的间隔器；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的材料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合 稳频的原理稳频的原理: :采用负反馈电路控制稳频技术。选取一个稳定的参考采用负反馈电路控制稳频技术。选取一个稳定的参考标准频率，当外界影响使激光频率偏离标准频率时，鉴频器给出误差标准频率，当外界影响使激光频率偏离标准频率时，鉴频器给出误差讯号讯号, ,通过负反馈电路去控制腔长，使激光频率自动回到标准频率上。通过负反馈电路去控制腔长，使激光频率自动回到标准频率上。二二. .主动式稳频主动式稳频7.2
13、.4 7.2.4 兰姆凹陷法稳频兰姆凹陷法稳频 利用原子谱线中心频率作为鉴别器进行稳频利用原子谱线中心频率作为鉴别器进行稳频v稳频原理：稳频原理： 1.1.蓝姆凹陷：对非均匀加宽激光介质，激蓝姆凹陷：对非均匀加宽激光介质，激光器输出的功率在中心频率处最小。光器输出的功率在中心频率处最小。2.2.结构和原理：结构和原理：单纵模激光器。其中一块反射镜固定在单纵模激光器。其中一块反射镜固定在压电陶瓷上，利用压电陶瓷的伸缩来调压电陶瓷上，利用压电陶瓷的伸缩来调整腔长整腔长L L。 光探测器。利用光电转换装置，将光信光探测器。利用光电转换装置，将光信号转变为电信号号转变为电信号作为电路的信号。作为电路的
14、信号。电路系统。将误差讯号转成一直流电压电路系统。将误差讯号转成一直流电压加到压电陶瓷上，以改变腔长加到压电陶瓷上，以改变腔长。 图7-20 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, ,反之则缩反之则缩短短, ,因而可利用压电陶瓷的伸缩来控制腔长。因而可利用压电陶瓷的伸缩来控制腔长。二二. .腔长自动补偿系统的方框图腔长自动补偿系统的方框图前前 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。相敏检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。相敏检波器的作用是将选频放大后
15、的信号电压与参考信号电压进行相位比较。当选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，相敏输出为零；当选频放大信号和参考信号同相位时，频放大信号为零时，相敏输出为零；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。振荡器除供给相敏检波器以参考信相敏输出的直流电压为负，反之则为正。振荡器除供给相敏检波器以参考信号电压外，还给出一个频率为号电压外，还给出一个频率为 f (约为lkHz)、幅度很小(只有零点几伏)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的正弦调制信号加到压电陶瓷环上对腔长进行调制。行调制。图4-1
16、0 稳频原理三三. . 稳频原理示意图。稳频原理示意图。 假如由于某种原因假如由于某种原因( (例如温度降低例如温度降低) )使使L缩缩短，引起激光频率由短，引起激光频率由 偏至偏至 ， 与与 的位的位相正好相同相正好相同 , ,于是光电接收器输出一个频率于是光电接收器输出一个频率为为f 的信号的信号,经前置放大经前置放大,选频放大后送入相敏选频放大后送入相敏整流器整流器,相敏整流器输出一个负的直流电压相敏整流器输出一个负的直流电压,经放大后加在经放大后加在压电陶瓷的外表面压电陶瓷的外表面, ,它使压电它使压电陶瓷缩短陶瓷缩短, ,腔长伸长腔长伸长, ,于是频率于是频率vB 被拉回到被拉回到v
17、00BP前假如由于某种原因假如由于某种原因( (例如温度升高例如温度升高) )使使L伸伸长，引起激光频率由长，引起激光频率由 偏至偏至 ， 与与 的的位相正好相反位相正好相反, ,相敏整流器输出一个正的直相敏整流器输出一个正的直流电压流电压,经放大后加在经放大后加在压电陶瓷的外表面压电陶瓷的外表面, ,它它使压电陶瓷伸长使压电陶瓷伸长, ,腔长缩短腔长缩短, ,于是频率于是频率vA 被被拉回到拉回到v00AP图4-10 稳频原理前在中心频率附近在中心频率附近 0 0 ，不论是，不论是 小于小于 0 0还还是大于是大于 0 0 ，其结果都是使输出功率，其结果都是使输出功率P增加，增加，而且此时而
18、且此时 P将以频率将以频率2 2f 变化变化. .这时工作频这时工作频率为率为f 的选频放大器输出为零的选频放大器输出为零,没有附加的没有附加的电压输送到电压输送到压电陶瓷上压电陶瓷上, ,腔长也就不被调腔长也就不被调整整, ,于是激光器的输出频率就被锁定在于是激光器的输出频率就被锁定在 0 0 处了处了. . 原子跃迁的中心频率易受放电条件等影响而发生变化，所以其稳定性和复原子跃迁的中心频率易受放电条件等影响而发生变化，所以其稳定性和复现性就受到局限。为了提高频率的稳定性和复现性，通常采用外界参考频率现性就受到局限。为了提高频率的稳定性和复现性，通常采用外界参考频率标准进行稳频。标准进行稳频
19、。一、饱和吸收稳频一、饱和吸收稳频即在谐振腔中放入一个充有低气压气体原子即在谐振腔中放入一个充有低气压气体原子(或分子或分子)的吸收管的吸收管,它有和激光振荡频率配合很好的吸收线。它有和激光振荡频率配合很好的吸收线。由于吸收管气压很低，故碰撞加宽很小，由于吸收管气压很低，故碰撞加宽很小，可以忽略不计，吸收线中心频率的压力位可以忽略不计，吸收线中心频率的压力位移也很小，吸收管一般没有放电作用，故移也很小，吸收管一般没有放电作用，故谱线中心频率比较稳定。所以在吸收线中谱线中心频率比较稳定。所以在吸收线中心处形成一个位置稳定且宽度很窄的凹陷，心处形成一个位置稳定且宽度很窄的凹陷，以此作为稳频的参考点
20、，可使其频率稳定以此作为稳频的参考点，可使其频率稳定性和复现性精度得到很大的提高。性和复现性精度得到很大的提高。 图4-12 饱和吸收法稳频的装置示意图7.2.5 7.2.5 饱和吸收法稳频饱和吸收法稳频图4-12 饱和吸收法稳频的装置示意图 设吸收管内物质的吸收系数为设吸收管内物质的吸收系数为A(v),当当入射光足够强时入射光足够强时, ,由于下能由于下能级粒子数的减少和上能级粒子数的级粒子数的减少和上能级粒子数的增加增加, , A(v)将随入射光强之增加而将随入射光强之增加而减小减小, ,这就是这就是吸收饱和吸收饱和现象。现象。对于对于v=v0的光的光 ，其正向传播和反向传播的，其正向传播
21、和反向传播的两列行波光强均被两列行波光强均被z =0的分子所吸收，即的分子所吸收，即两列光强作用于同一群分子上，故吸收容两列光强作用于同一群分子上，故吸收容易达到饱和易达到饱和 ；而对于而对于v v0的光，则正向传的光，则正向传播和反向传播的两列光强分别被纵向速度播和反向传播的两列光强分别被纵向速度为为+ z及及- z的两群的两群(少于少于z =0）分子所吸分子所吸收，所以吸收不易达到饱和，在吸收线的收，所以吸收不易达到饱和，在吸收线的v0处出现吸收凹陷，处出现吸收凹陷，图4-13 吸收介质的吸收曲线二二. .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与激光输出功率曲线的兰姆凹陷相似
22、，在吸收介质的吸收曲线上也有一个吸收凹陷线上也有一个吸收凹陷图4-13 吸收介质的吸收曲线在谐振腔中放置吸收管时谐振腔的单程损耗为00)()(LvAv式中为未放置吸收管时谐振腔的单程损耗;L为吸收管长度。由于A(0)0曲线的尖锐凹陷,激光器输出功率在0处出现一个尖锐的尖峰,称为反兰姆凹陷,如图 (b)所示。利用反兰姆凹陷,可使激光器的频率稳定在0,其稳频系统与兰姆凹向法类似。 通常利用分子的基态与振转能级间的饱和吸收进行稳频。由于其吸收较强,所以可在低气压下工作,碰撞线宽较小。并且由于分子的振转跃迁寿命长,自然线宽也小。因此可得到尖锐的反兰姆凹陷。同时,因为利用自基态的吸收跃迁,无须放电激励,所以频率复现性好。三.激光通过激光管和吸收管时所得到的单程净增益应该是激光管中的单程增益 和吸收管中的单程吸收 的差，即 )(G)(A)()()(AGG净如图4-14(a)，只有频率调到 附近激光才能振荡。 0如图4-14(b)，频率在整个线宽范围内调谐均能振荡。 图(4-14) 反转兰姆凹陷
