激光器的稳频

用频率的稳定度和复现性这两个物理量来表示激光频率稳定的 用频率的稳定度和复现性这两个物理量来表示激光频率稳定的 稳定度 程度。 程度。 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 激光器在一次连续工作时间内的频率漂移与振 频率稳定度 荡频率之比 S = ∆ ν
ν
频率复现性——激光器在不同地点、时间、环境下使用时频率 激光器在不同地点、时间、 频率复现性 激光器在不同地点 的相对变化量 R = δ ν
βT = µ ( ) = −9.3 ×10 / C
1 −7 0
dµ dT
β p = µ ( ) = 5 ×10 / Pa
1 −5
dµ dp
β H = µ ( ) = −8 ×10 / Pa
1 −6
dµ dH
又设测量中温度、 又设测量中温度、气压及湿度的时间变化率分别为
dT dt dp dt dH dt
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, 反之则缩短,因而可利用压电陶瓷的伸缩来控制腔长。 反之则缩短,因而可利用压电陶瓷的伸缩来控制腔长。
二.腔长自动补偿系统的方框图
前
兰姆凹陷法稳频方框图
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 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。 与输出。相敏检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， 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 当选频放大信号和参考信号同相位时 同相位时， 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。 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， 约为l 压外，还给出一个频率为 f [(约为lkHz)、幅度很小(只有零点 ) 幅度很小( 几伏)的交流讯号，称为“搜索讯号” 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行调制。 电陶瓷环上对腔长进行调制。
单频CO2激光器防震、恒温装置 激光器防震、 单频 激光器防震 1.激光器 2.减震器 3.石英玻璃管 4.铅筒 外绕加热丝 激光器 铅筒(外绕加热丝 减震器 石英玻璃管 铅筒 外绕加热丝)
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 率稳定度可达到10 量级。但要提高到量级10 以上， 率稳定度可达到 -7量级。但要提高到量级 -8以上，单靠这种被 动式稳频方法就很难达到了， 随动， 动式稳频方法就很难达到了，必须采用 伺服 （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。
2.鉴频器：是稳频的关键部件。 2.鉴频器：是稳频的关键部件。 鉴频器
①任务：a.提供标准频率。b.频率鉴别：当激光器振荡频率偏离标准 任务：a.提供标准频率。b.频率鉴别： 提供标准频率 频率鉴别 频率时，能够鉴别出来。 频率时，能够鉴别出来。 对鉴频器的要求：a.中心频率要稳定 标准频率不能有漂移。b.灵 中心频率要稳定， ②对鉴频器的要求：a.中心频率要稳定，标准频率不能有漂移。b.灵 敏度要高，微小变化能鉴别。 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； ③ 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。 频器。
c 2 µL 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 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 以及大 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 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、湿度变化都会影响激光工作物质及谐振腔裸露于大气 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 以上因素使腔长L及折射率都在一定范围内变化 折射率。 及折射率都在一定范围内变化, 部分的折射率。以上因素使腔长 及折射率都在一定范围内变化, 的变化为∆ 引起的频率相对变化为： 当L的变化为∆L，µ的变化为∆µ时，引起的频率相对变化为： 的变化为 ， 的变化为∆
4.磁场的影响 磁场的影响 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， 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1.15µm波长的 殷钢的磁致伸缩性质可能引起腔长的变化， 波长的 He-Ne激光器，仅由于地磁场效应可以产生140kHz的频移。因而 激光器，仅由于地磁场效应可以产生 的频移。 激光器 的频移 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。 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、 率稳定性影响很大，因而自然联想到， 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。 防震、密封隔声、稳定电源等。
ν
13，而复现性在10 目前, 稳定度已达到10 目前, 稳定度已达到10-9～10-13，而复现性在10-7～10-12.
实际应用中,要求稳定度和复现性都能在10 以上. 实际应用中,要求稳定度和复现性都能在10-8ຫໍສະໝຸດ 上.1 影响频率稳定的因素
共焦腔TEM00模，谐振频率的公式： ν = q ⋅ 谐振频率的公式： 共焦腔
激光器的稳频
激光的特点之一是单色性好,即其线宽Δν与频率ν 激光的特点之一是单色性好,即其线宽Δν与频率ν的比 Δν与频率 Δν/ν很小 但由于各种不稳定因素的影响, 很小。 值Δν/ν很小。但由于各种不稳定因素的影响,实际激光频率 的漂移远远大于线宽极限。在精密干涉测量、光频标、光通信、 的漂移远远大于线宽极限。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, 激光陀螺及精密光谱研究等应用领域中,要求激光器所发出的 激光有较高的频率稳定性. 激光有较高的频率稳定性. 频率漂移——激光器通过选模获得单频率振荡后, 频率漂移——激光器通过选模获得单频率振荡后,由于内部和外 激光器通过选模获得单频率振荡后 界条件的变化,谐振频率仍然在整个线型宽度内移动的现象。 界条件的变化,谐振频率仍然在整个线型宽度内移动的现象。 稳频目的：使频率本身稳定，即不随时间、地点变化。 稳频目的：使频率本身稳定，即不随时间、地点变化。
3 兰姆凹陷法稳频—利用原子谱线中心频率为鉴别器进行稳频 兰姆凹陷法稳频
一、稳频原理： 稳频原理 兰姆凹陷：对非均匀加宽激光介质， 1. 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频率处最小。 激光器输出的功率在中心频率处最小。 2.结构和原理： 2.结构和原理： 结构和原理 ①单纵模激光器。其中一块反射镜固定在 单纵模激光器。 压电陶瓷上， 压电陶瓷上，利用压电陶瓷的伸缩来调 整腔长L 整腔长L。 ②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， 号转变为电信号——作为电路的信号。 作为电路的信号。 号转变为电信号 作为电路的信号 ③电路系统。将误差讯号转成一直流电压 电路系统。 加到压电陶瓷上，以改变腔长。 加到压电陶瓷上，以改变腔长。
−9
∆ λ (τ )
λ
H
= ± 4 . 8 × 10
τ
式中， 为测量时间 对示波器τ=3~5s，对XY记录 为测量时间， 记录τ≤1min。 式中，τ为测量时间，对示波器 ， 记录
3.机械振动的影响 机械振动的影响 机械振动也是导致光腔谐振频率变化的重要因素。 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 学长度改变, 导致振荡频率的漂移； 学长度改变 导致振荡频率的漂移； 对于L=100cm的光腔，当机械振动引起10-6cm的腔长改变时， 的光腔，当机械振动引起 的腔长改变时， 对于 的光腔 的腔长改变时 频率将有1× 的变化。因此，要克服机械振动的影响， 频率将有 ×10-8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。
稳频原理示意图。 三. 稳频原理示意图。 假如由于某种原因(例如温度降低) 假如由于某种原因(例如温度降低) 缩短， 使L缩短，引起激光频率由 ν 0 偏至 ， 缩短 ∆P ∆ν 与νB 的位相正好相同 ,于是光电接 收器输出一个频率为f 的信号,经前置 收器输出一个频率为 的信号 经前置 放大,选频放大后送入相敏整流器 选频放大后送入相敏整流器,相 放大 选频放大后送入相敏整流器 相 负的直流电压,经 敏整流器输出一个负的直流电压 敏整流器输出一个负的直流电压 经 放大后加在压电陶瓷的外表面 压电陶瓷的外表面, 放大后加在压电陶瓷的外表面,它使 压电陶瓷缩短,腔长伸长,于是频率v 压电陶瓷缩短,腔长伸长,于是频率 B 被拉回到v 被拉回到 0
∆ν ∆L ∆µ = −( + ) ν L µ
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 硬玻璃的内腔式氦氖激光器 1℃时 由于腔长变化引起的频率漂移已超出增益曲线范围 已超出增益曲线范围。 ±1℃时,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、折射率变化都是影响频率稳定的因素 腔长变化、折射率变化都是影响频率稳定的因素
2 稳频方法概述
稳频的实质： 不变。 稳频的实质：保持μ、L不变。 不变 一. 被动式稳频
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 利用热膨胀系数低的材料制做谐振腔的间隔器； 热膨胀系数低的材料制做谐振腔的间隔器 负值的材料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合。 负值的材料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合。
图所示的是一台CO 激光器的防震 恒温装置 防震、 装置。 图所示的是一台CO2激光器的防震、恒温装置。它采用了恒温 措施，温度可恒定在35±0.030C。为了防震，在所有部件之间都 措施，温度可恒定在35± 为了防震， 35 置有海绵垫，并将整个装置放在坚固稳定的防震台上； 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。 稳压稳流电源。
= ±0.01 C / min,
0
= ±133.3Pa / h, = ±656.6 Pa / h
则引起激光波长的变动分别为
∆ λ (τ )
λ
T
= β Tτ = β pτ = β Hτ
dT dt dp dt dH dt
= ± 9 . 3 × 10 = ± 6 × 10
−9
−9
τ
∆ λ (τ )
λ
p
τ
假如由于某种原因例如温度降低使l缩短引起激光频率由偏至的位相正好相同于是光电接收器输出一个频率为f的信号经前置放大选频放大后送入相敏整流器相敏整流器输出一个负的直流电压经放大后加在压电陶瓷的外表面它使压电陶瓷缩短腔长伸长于是频率v假如由于某种原因例如温度升高使l伸长引起激光频率由偏至的位相正好相反相敏整流器输出一个正的直流电压经放大后加在压电陶瓷的外表面它使压电陶瓷伸长腔长缩短于是频率v其结果都是使输出功率p增加而且此时p将以频率2f变化
二.主动式稳频
1.稳频的原理:采用负反馈电路控制稳频技术。 1.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标 稳频的原理 准频率，当外界影响使激光频率偏离标准频率时， 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 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。 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。
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， 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， 改变而伸缩， 着温度的改变而伸缩，以致引起频率的漂移，即
α∆T = ∆LL = ∆ν ν
式中， 为温度的变化量； 为谐振腔间隔材料的线膨胀系数 为谐振腔间隔材料的线膨胀系数， 式中，△T为温度的变化量；α为谐振腔间隔材料的线膨胀系数， 为温度的变化量 硬质玻璃α=10-5/0C，石英玻璃 硬质玻璃 ，石英玻璃α=6×10-7/0C，殷钢 × ，殷钢α=9×10-7/0C。 × 。 一般难以获得优于10 的频率稳定度。 一般难以获得优于 -8的频率稳定度。 2.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L，放电管长度为L 对于外腔式激光器，设谐振腔长为 ，放电管长度为 0，则 暴露在大气中部分的相对长度为(L- L0)/L，大气的温度、气压、 暴露在大气中部分的相对长度为 ，大气的温度、气压、 湿度的变化都会引起大气折射率的变化， 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。设环境温度T=200C，气压 的变动。设环境温度 ，气压p=1.013×105Pa，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 则大气对 波长光的