1、4.2 4.2 激光器的稳频激光器的稳频在精密干涉测量、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用领域中,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,由于内部和外界由于内部和外界条件的变化条件的变化,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。l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
2、复现性这两个物理量来表示激光频率稳定的程度。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目前目前,稳定度稳定度已达到已达到10-910-13而而复现性复现性在在10-710-12.实际应用中实际应用中,要求要求稳定度稳定度和和复现性复现性都能在都能在10-8以上以上.4.2.1 4.2.1 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TEM
3、00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：Lcq2腔长的改变腔长的改变:环境温度的起伏、激光管的发热及机械振动都会环境温度的起伏、激光管的发热及机械振动都会引起谐振腔。引起谐振腔。折射率的改变折射率的改变：温度的变化、介质中反转粒子数的起伏以及大：温度的变化、介质中反转粒子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。气部分的。)(LL 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,由于腔长变化引起的由于腔长变化引起的
4、频率漂移已超出增益曲线范围频率漂移已超出增益曲线范围。腔长变化、折射率变化都是影响腔长变化、折射率变化都是影响频率稳定的因素频率稳定的因素当当L的变化为的变化为 L，的变化为的变化为 时，引起的频率相对变化为：时，引起的频率相对变化为：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，即度的改变而伸缩，以致引起频率的漂移，即 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=10-5/0C，石英玻璃石英
5、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的频率稳定的频率稳定度。度。LLTl跳模现象跳模现象现象现象：均匀加宽均匀加宽激光器点燃时激光器点燃时,输出激光的频率在中心频率输出激光的频率在中心频率附近产生周期性变化附近产生周期性变化q210q2100t解释解释(1)温度升高温度升高腔长变大腔长变大光频向低频漂移光频向低频漂移(2)由于模式竞争（均匀加宽介质的自选模作用）由于模式竞争（均匀加宽介质的自选模作用）,光频漂移到光频漂移到 0-1/2q处处被被 0+1/2q 模代替模代替Lcqq2 0 0)(GHq210q210 0 0)(GHq210q
6、210 0 0)(GHq210q210 0 0)(GHq210q210 0 0)(GHq210q210 0 0)(GHq210q210 0 0)(GHq210q210 0 0)(GHq210q210 0 0)(GHq210q210 0 0)(GHq210q210 0 0)(GHq210q210 0 0)(GHq210q210 0 0)(GHq210q210 0 0)(GHq210q210 0 0)(GHq210q210 0 0)(GHq210q210 0 0)(GHq210q210 0 0)(GHq210q210 0 0)(GHq210q210 规律规律(2)腔长每伸长腔长每伸长 ,产生一次跳
7、变产生一次跳变21L2cqLLcLLLL2cq2L2cLLcL2c2L证证(1)输出光频在输出光频在 至至 范围内变化范围内变化q210q21022LqcdLdLcqq2PaPaCdHdHdpdpdTdT/)(/)(/.)(615107110810510392.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，则暴露在大气中部分的相对长度为大气中部分的相对长度为(L-L0)/L，大气的温度、气压、湿度的变化都，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。会引起大气折射率的
8、变化，从而导致激光振荡频率的变动。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,则大气对则大气对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引起激光波长的变动分别为则引起激光波长的变动分别为 HdtdHHHpdtdpppTdtdTTT99910841061039.)()()(式中，式中，为测量时间，对示波器为测量时间，对示波器=35s，对记录对记录 1min。hPahPaCdtdHdtdpdtdT/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
9、间变化率分别为 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动、车辆的通行、声响等都会引起腔的支架振动,使腔的光学长度改变使腔的光学长度改变,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，频率的腔长改变时，频率将有将有110-8的变化。因此，要克服机械振动的影响，稳频激光器必须的变化。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。采取良好的防震措施。为
10、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，如殷钢的磁致伸缩性质可能引起腔长的变化，如1.151.15m波长的波长的He-Ne激激光器，仅由于地磁场效应可以产生光器，仅由于地磁场效应可以产生140kHz的频移。因而地磁场效应和的频移。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加以考虑。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。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率稳综上所述，环境温度的变化、机械振动等外界干扰对激光频率稳
11、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、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。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。它采用了恒温激光器的防震、恒温装置。它采用了恒温措施，温度可恒定在措施，温度可恒定在35350.030.030 0C C。为了防震，在所有部件之间都。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；还采用了置有海绵垫，并将整个装置放在坚固稳定的
12、防震台上；还采用了稳压稳流电源。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。4.2.2 4.2.2 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、L不变。不变。一一.被动式稳频被动式稳频 利
13、用热膨胀系数低的材料制做谐振腔的间隔器；或用膨胀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 稳频的原理稳频的原理:采用负反馈电路控制稳频技术。选取一个采用负反馈电路控制稳频技术。选取一个稳定的稳定的参考标准频率参考标准频率，当外界影响使激光频率偏离标准频，当外界影响使激光频率偏离标准频率时，率时，鉴频器鉴频器给出误差讯号给出误差讯号,通过负反馈电路去控制腔长，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。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l 把激光器中
14、原子跃迁的中心频率做为参考频率，把激光频率锁定到跃把激光器中原子跃迁的中心频率做为参考频率，把激光频率锁定到跃迁的中心频率上，如兰姆凹陷法。迁的中心频率上，如兰姆凹陷法。l 把振荡频率锁定在外界的参考频率上，例如用分子或原子的吸收线作把振荡频率锁定在外界的参考频率上，例如用分子或原子的吸收线作为参考频率，选取的吸收物质的吸收频率必须与激光频率相重合。如为参考频率，选取的吸收物质的吸收频率必须与激光频率相重合。如饱和吸收法。饱和吸收法。2.2.鉴频器：是稳频的关键部件。鉴频器：是稳频的关键部件。任务：任务：a.a.提供标准频率。提供标准频率。b.b.频率鉴别：当激光器振频率鉴别：当激光器振荡频率
15、偏离标准频率时，能够鉴别出来。荡频率偏离标准频率时，能够鉴别出来。对鉴频器的要求：对鉴频器的要求：a.a.中心频率要稳定，标准频率不中心频率要稳定，标准频率不能有漂移。能有漂移。b.b.灵敏度要高，微小变化能鉴别。灵敏度要高，微小变化能鉴别。鉴频器的类型：以原子谱线本身作为鉴频器；以外鉴频器的类型：以原子谱线本身作为鉴频器；以外界标准频率做鉴频器界标准频率做鉴频器4.2.3 4.2.3 兰姆凹陷法稳频兰姆凹陷法稳频一、一、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1.1.兰姆凹陷：对非均匀加宽激光介质，激光兰姆凹陷：对非均匀加宽激光介质，激光器输出的功率在中心
16、频率处最小。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压单纵模激光器。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整腔电陶瓷上，利用压电陶瓷的伸缩来调整腔长长L L。光电接收器。利用光电转换装置，将光信光电接收器。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。作为电路的信号。电路系统。将误差讯号转成一直流电压加电路系统。将误差讯号转成一直流电压加到压电陶瓷上，以改变腔长到压电陶瓷上，以改变腔长。图4-8 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当压电陶瓷外表面加正电压
17、、内表面加负电压时压电陶瓷伸长长,反之则缩短反之则缩短,因而可利用压电陶瓷的因而可利用压电陶瓷的伸缩伸缩来控制腔长。来控制腔长。二二.腔长自动补偿系统腔长自动补偿系统(伺服系统伺服系统)的方框图及主要功能的方框图及主要功能前图4-8 兰姆凹陷法稳频激光器的基本结构1.1.在压电陶瓷上需加一直流电压：使初始频率为在压电陶瓷上需加一直流电压：使初始频率为 0 0 L0 2 2、频率振荡器、频率振荡器振荡器给出一个频率为振荡器给出一个频率为 f (约为约为l lkHz)、幅度幅度很小很小(只有零点几伏只有零点几伏)的交流讯号，称为的交流讯号，称为“搜索讯号搜索讯号”的正弦调的正弦调制信号制信号.一路
18、加到压电陶瓷环上对腔长进行调制：腔长的伸缩频率为一路加到压电陶瓷环上对腔长进行调制：腔长的伸缩频率为f、伸缩幅为伸缩幅为 L 激光振荡频率激光振荡频率 v 的变量的变量 v 和激光输出功率和激光输出功率P 幅度为幅度为 P；另一路加到相敏整流器上做为参考信号。另一路加到相敏整流器上做为参考信号。二二.腔长自动补偿系统的方框图及主要功能腔长自动补偿系统的方框图及主要功能前3 3、选频放大器、选频放大器对输入的波形信号进行选颇放大。它有自己对输入的波形信号进行选颇放大。它有自己的中心频率，只对频率为的中心频率，只对频率为 f 的信号进行放大并输入的信号进行放大并输入到相敏整流到相敏整流器上。器上。
19、4 4、相敏整流器相敏整流器对选颇放大后的信号电压与对选颇放大后的信号电压与振荡器发出的正振荡器发出的正弦参考信号弦参考信号电压进行相位比较电压进行相位比较:相位相同，则输出负直流电压相位相同，则输出负直流电压.相位相反，则输出正直流电压相位相反，则输出正直流电压.图4-10 稳频原理三三.稳频原理稳频原理 前1.1.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缩短缩短，引起激光频率由，引起激光频率由 0 0 偏至偏至 B (B B 0 0)。B附近以附近以频率频率f 作振动，作振动，相应的产相应的产生激光振荡频率生激光振荡频率 的变量的变量 为为 。也就也就导致输出功率
20、导致输出功率P 的的幅度有了幅度有了 P的调制。的调制。这时这时 与与 P 的的位相正好相同位相正好相同 。光电接收器输出一个频率为光电接收器输出一个频率为f 的信号的信号,经前置放大经前置放大,选频放大选频放大后送入相敏整流器后送入相敏整流器,相敏整流器输出一个负的直相敏整流器输出一个负的直流电压流电压,经放大后加在经放大后加在压电陶瓷压电陶瓷的内表面的内表面,它使压电陶瓷它使压电陶瓷缩短缩短,腔长腔长伸长伸长,于是频率于是频率vB 被拉回被拉回到到v0图4-10 稳频原理前2.2.假如由于某种原因假如由于某种原因(例如温度升例如温度升高高)使使L伸长伸长，引起激光频率由，引起激光频率由 0
21、 偏至偏至 A (A 0)与与 P的的位相正好相反位相正好相反,相敏整相敏整流器输出一个正的直流电压流器输出一个正的直流电压,经放经放大后加在大后加在压电陶瓷的内表面压电陶瓷的内表面,它使它使压电陶瓷压电陶瓷伸长伸长,腔长腔长缩短缩短,于是频于是频率率vA 被拉回到被拉回到v0图4-10 稳频原理前3.3.在中心频率附近在中心频率附近 0 ，不论是，不论是 小于小于 0还是大于还是大于 0 ，其结果都是，其结果都是使输出功率使输出功率P增加，而且此时增加，而且此时 P将将以频率以频率2 2f 变化变化.工作频率为工作频率为f 的选频放大器输出的选频放大器输出为零为零,没有附加的电压输送到没有附
22、加的电压输送到压电压电陶瓷上陶瓷上,腔长也就不被调整腔长也就不被调整,于是激于是激光器的输出频率就被锁定在光器的输出频率就被锁定在 0 0 处处了了.(1)稳频激光器不仅要求是稳频激光器不仅要求是单横模单横模，而且还要求必，而且还要求必须是须是单纵模单纵模。(2)根据以上讨论可见，频率稳定性与兰姆凹陷中根据以上讨论可见，频率稳定性与兰姆凹陷中心两侧的斜率有关，心两侧的斜率有关，斜率越大斜率越大，误差信号就越小，误差信号就越小，因而灵敏度高，因而灵敏度高，稳定性就越好。稳定性就越好。（一般要求兰姆凹一般要求兰姆凹陷的深度为输出功率的陷的深度为输出功率的1/8）(3)兰姆凹陷线型的对称性也影响频率
23、的稳定性。兰姆凹陷线型的对称性也影响频率的稳定性。（氖的不同同位素的原子谱线中心有一定频差。氖的不同同位素的原子谱线中心有一定频差。充普充普通氖气的氦氖激光器兰姆凹陷曲线不对称且不够尖锐通氖气的氦氖激光器兰姆凹陷曲线不对称且不够尖锐,制作单频稳频激光器时应充以单一同位素制作单频稳频激光器时应充以单一同位素Ne20或或Ne22）。(4)兰姆凹陷稳频是以原子跃迁谱线中心频率兰姆凹陷稳频是以原子跃迁谱线中心频率v0作作为参考标准的。为参考标准的。（如果光强本身有起伏如果光强本身有起伏,特别是光强特别是光强的起伏频率接近于选频频率的起伏频率接近于选频频率,则无法实现稳频则无法实现稳频,因此因此,激激光
24、器的激励电源是稳压和稳流的。）光器的激励电源是稳压和稳流的。）四、应用兰姆凹陷稳频时应注意的问题四、应用兰姆凹陷稳频时应注意的问题图图(4-11)不同同位素对兰姆凹陷的影响不同同位素对兰姆凹陷的影响缺点缺点兰姆凹陷稳频采用的兰姆凹陷稳频采用的参考频率是激光器原参考频率是激光器原子谱线的中心频率子谱线的中心频率,随激光器放电条件而随激光器放电条件而改变改变,不可避免地会不可避免地会出现频率漂移出现频率漂移,所以所以频率复现度不高频率复现度不高.仅仅达到达到10-8.4.2.4 4.2.4 饱和吸收法稳频饱和吸收法稳频l从兰姆凹陷稳频方法可知，提高频率的稳定性和复现性的关键是如何选择一从兰姆凹陷稳
25、频方法可知，提高频率的稳定性和复现性的关键是如何选择一个稳定的和尽可能窄的参考频率。个稳定的和尽可能窄的参考频率。l稳频方法是利用原子跃迁中心频率作为参考点，而原子跃迁的中心频率易受稳频方法是利用原子跃迁中心频率作为参考点，而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。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。l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。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。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
26、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。吸收谱线主要是多普勒加宽。吸收管一般吸收谱线主要是多普勒加宽。吸收管一般没有放电作用，故谱线中心频率比较稳定。没有放电作用，故谱线中心频率比较稳定。吸收线中心处形成一个位置稳定且宽度很吸收线中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，可使窄的凹陷，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其频率稳定性和复现性精度得到很大的提高。高。图4-12 饱和吸收法稳频的装置示意图l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),当入射光足够强时当
27、入射光足够强时,由于下能级粒子由于下能级粒子数的减少和上能级粒子数的增加数的减少和上能级粒子数的增加,A(v)将随入射光强之增加而减小将随入射光强之增加而减小,吸吸收饱和现象收饱和现象。对于对于v=v0的光的光，其正向传播和反向，其正向传播和反向传播的两列行波光强均被传播的两列行波光强均被z=0的分子的分子所吸收，即两列光强作用于同一群分所吸收，即两列光强作用于同一群分子上，故吸收容易达到饱和子上，故吸收容易达到饱和；对于对于v v0的光，则正向传播和反向的光，则正向传播和反向传播的两列光强分别被纵向速度为传播的两列光强分别被纵向速度为+z及及-z的两群的两群(少于少于z=0）分子所吸收，）分
28、子所吸收，所以吸收不易达到饱和，在吸收线的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图4-12 饱和吸收法稳频的装置示意图二二.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，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图4-13 吸收介质的吸收曲线吸收介质的吸收曲线在谐振腔中放置吸收管时谐振腔的在谐振腔中放置吸收管时谐振腔的单程损耗为单程损耗为00)()(LvAv式中式中为未放置吸收管时谐振腔的单为未放置吸收管时谐振腔的单程损耗程损耗;L为吸收管长度。为吸收管长度。由于由于A(0 0)0
29、 0曲线的尖锐凹陷曲线的尖锐凹陷,激光器输出功率在激光器输出功率在0处出现一个尖锐处出现一个尖锐的尖峰的尖峰,称为反兰姆凹陷称为反兰姆凹陷,如图如图(b)(b)所所示。利用反兰姆凹陷示。利用反兰姆凹陷,可使激光器的可使激光器的频率稳定在频率稳定在0,其稳频系统与兰姆凹陷其稳频系统与兰姆凹陷法类似法类似。通常利用分子的基态与振转能级间的饱和吸收进行稳频。通常利用分子的基态与振转能级间的饱和吸收进行稳频。由于其吸收较强由于其吸收较强,所以可在低气压下工作所以可在低气压下工作,碰撞线宽较小。并碰撞线宽较小。并且由于分子的振转跃迁寿命长且由于分子的振转跃迁寿命长,自然线宽也小。因此可得到自然线宽也小。
30、因此可得到尖锐的反兰姆凹陷。同时尖锐的反兰姆凹陷。同时,因为利用自基态的吸收跃迁因为利用自基态的吸收跃迁,无须无须放电激励放电激励,所以频率复现性好。所以频率复现性好。四四.稳频精度稳频精度 工作波长为工作波长为633nm的的He-Ne激光器激光器,频率稳定度可达频率稳定度可达510-13量级量级,复现度优于复现度优于10-10 工作波长为工作波长为10.6m10.6m的二氧化碳激光器的二氧化碳激光器,频率稳定度可达频率稳定度可达510-13量级量级,复现度优于复现度优于1010-10-10工作波长为工作波长为515nm的氩离子激光器的氩离子激光器,频率稳定度可达频率稳定度可达510-14量级量级,复现度优于复现度优于1010-12-12
