激光稳频(讲稿)讲解

探测器上边带与载波Hale Waihona Puke Baidu差拍频得到 频率为m的光电流信号为：
i 2kE02J0J1 A0{[ A1 cos(0 1 ) A1 cos(1 0 )]cosmt [ A1 sin(0 1 ) A1 sin(1 0 )]sinmt}
利用位相检测可分别探测到上式中 的二项，当F-P腔长或激光频率扫描时， 对应第一项和第二项分别得到吸收型谱 线和色散型谱线。
激光频率偏离量为：=-0 若=0， 即=0， 则i=0 若0， 即 0，则i 0
i 称为误差信号，是激光频率偏
离量的函数，其大小和极性反映了激 光频率变化的大小和正负。可作为控 制信号来控制激光频率。
i=f()=-0
激光频率的变化量等效于腔长L
的变化量L。
2q
c
L
.
2nL L
所以
i=F(-L)
1）、激光位相调制光谱 激光位相调制过程如图：
RF
Ein
EOM
Eout
入射光波场为： Ein E0eit c.c.
外加调制电场为： Emod Em sinmt
出射光场为：
Eout
E e i[t ] 0
c.c.
根据电光效应理论，用折射率椭球 方程计算位相延迟，将Eout记为E：
E
E ei[t sinmt ] 0
●装置：
M1
PZT
M
M2
光电接收
M3
振荡器
反馈控制
相敏检波
4、饱和吸收稳频法
●原理：以吸收线凹陷中心频率作为
参考频率进行稳频。
激 光 增 益
频率
饱 和 吸 收
频率
净 增 益
频率
0
●装置：
PZT
PZT 光电接收
振荡器
选频放大
直流放大
相敏检波
5、位相调制光外差（PMOH）稳频技术
●概述：近十几年，发展起来一个具 有极高灵敏度的光谱技术：位相调制 光外差探测技术。 利用位相调制光谱 F-P腔共振信号色散谱线，可将激光频 率锁定在F-P腔中心频率上，这就是 PMOH稳频法。
调制光谱只包含一个频率为的载波 和一对频率为 m、位相相反、幅度 相等的一阶边带。
-2 m
+ 2m
-3 m
+ m - m
+ 3m
+ m - m
2）、F-P腔外差光谱
调制光谱的一对边带与载波外 差产生的拍频电流等值反相完全抵 消，输出为零。但当该束调制光束 射入一个F-P腔时， 这种平衡对称 性将被破坏，拍频电流不再为零， 于是可以得到频率为m的信号。
c.c.
用贝塞尔函数展开：
E E0[ J n ( )e i( nm )t n0
(1)n J n ( )e i( nm )t ] c.c. n1
由上式可看到，位相调制光谱由许多 个间距为调制频率m的对称边带组成。 当调制度较小时(<1)，可略去高阶项：
E E0[J0 ( )eit J1( )ei( m )t J1( )ei( m )t ] c.c.
i 可看作L的函数，当激光频率发
生变化时，若能调整其腔长，使腔长修
正量 L’=F’（i），就能使激光频率回 复到谐振频率0（参考频率）实现稳频。
q c
2nL
腔长L或折射率n发生变化，多会导 致激光频率变化：
L n Ln
影响激光频率稳定的因素：
外部因素：温度、大气变化、机械 振动、 磁场
内部因素：工作气压、放电电流、 自发辐射无规噪声
三、激光稳频技术
●被动稳频法：
针对上述诸因素，采取恒温、膨胀系 数匹配、防振、密封、隔离、稳定电源 等措施，使激光稳频。
光电接收
振荡器 反馈控制
选频放大 相敏检波
2、塞曼效应（吸收）稳频法 ●原理
I
左旋光
右旋光
0
纵向塞曼效应
吸收
左旋光
右旋光
0
吸收线的塞曼分裂
●装置
PZT 激光器
电光晶体 吸收 光电接收
矩形波发生器
调谐放大器
直流放大器 相敏检波器
3、无源腔稳频法
●原理：以外界无源腔谐振频率作为参考
频率进行稳频。
激光稳频技术
江南大学 陈国庆
一、激光稳频的意义
1960年，T.H.Maiman制成第一台激 光器:红宝石激光器，12月A.Javan制成第 一台气体激光器：He-Ne激光器，从此激 光稳频就成了一个引入注目的课题。
激光以其特有的性质，广泛
应用于各个领域。其一个显著的 优点就是单色性好。但是，随着 激光应用的日益广泛和光电子技 术的飞速发展，对输出激光品质 提出了更高的要求，许多领域一 般的激光器已不能满足要求， 需
F-P腔镜反射率为R，腔长为d，折 射率n，当调制光束垂直入射时，反射 传递函数：
i 2nd
f r R( 1 e c )
i 2nd
(1 Re c )
反射传递函数改写成：
f r Aei
得F-P腔反射光场：
E E0[J 0 A0e i(t 0 ) J1 A1e i[( m )t 1 ] J1 A1e i[( m ] )t 1 ] c.c.
●激光新技术： 引力辐射相干探测、激光冷却、
原子俘获
二、影响激光频率稳定的因素
激光频率由谐振腔振荡频率c和 原子跃迁谱线频率m共同决定:
m
m
c
c
1
m
1
c
c 和 m分别是谐振腔线宽和 跃迁谱线线宽。
通常 c << m
c ( m c ) c m
第二项很小，所以： c 激光频率由谐振腔决定：
要具有很好的单色性，很高的频 率稳定度的激光。
● 高分辩率光谱： 频率高分辩率光谱、时间高分辩
率光谱、高灵敏度光谱、高激发态光 谱。
是研究物质微观结构、运动规律 和转换机制的重要手段。如精细结构、 超精细结构、同位素移动。
●激光精密计量： 测长、测速、其它物理量的精密
测量
●激光通信： 相干光纤通信
色散谱线
吸收谱线
F—P腔外差光谱
3）、F-P腔光外差稳频原理
F-P腔光外差色散谱线中心对称，中 心（谐振点）为零，具有很好的鉴频特性， 可用作理想的反馈控制信号，来调节激光 器参数，进行激光稳频。
鉴频曲线斜率很大，故控制灵敏度 高，另外位相调制光外差方法具有很高 的信噪比。
色散型信号为：
i 2kE02J0J1 A0 [ A1 sin(0 1 ) A1 sin(1 0 )]
因技术原因难以达到高的稳定度。
在激光稳频技术中主要采用主动稳频 方法。
●主动稳频法：
激光器
参考频率
反馈控制
误差检测
主动稳频法分二类：
（1）利用增益曲线（输出功率--频率曲 线），以工作物质本身跃迁中心频率为 参考频率。
（2）利用外界参考频率作标准。
1、兰姆凹陷稳频法 ●原理
I
I
0
●装置
PZT 激光器