激光稳频(讲稿)讲解
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激光稳频技术
所示的饱和吸收谱，分别对应 Fg=4Fe=3,4 和 Fg=3Fe=3,4。在图中发现，不同的共振
频率对应的谱线强度不同，这主要是由于原子在不同的能级之间跃迁时有不同的跃迁几
率造成的结果。同理，扫描 852.3nm 的激光器频率得到如图 3.5 所示 Cs 原子 D2 线饱和
吸收谱，a 图和 b 图分别对应 Fg=4Fe=3,4,5 和 Fg=3Fe=2,3,4 跃迁。在图中不仅包含
mg
me q
Fe ,me
me
Fg
Fe
Fg ,mg
Fe
Fe Fg 1me mg 1
（3-1）
dQme Fe
dt
s Fe ,me 2 (P Q ) Q Fg ,mg q
mg q Fg
me 1
me
Fe ,me
me
Fe
Fg ,mg
Fe
Fg Fg 1,Fg mg me 1
（3-2）
s
s0
45
45
6 s g 3 ( f3 g3 ) g3
45 2
f 3
6
s
28
21
( f3 g3 ) g1 g2
6
g 3
45 2
45
45
45
10 s
g 4
45
2
( f4
g4 ) g4
f 4
10
45
s 2
( f4
g4)
21 45 g 2
24 45 g3
10 45 g 4
15 s g 5 ( f5 g5 ) g5
3-2 .16
.14
.12 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
激光器的稳频ppt课件
4.2.2 稳频方法概述
被动式稳频: 利用热膨胀系数低的材料制作谐振腔的间隔器；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，以便热膨 胀互相抵消，实现稳频。这种办法一般用于工程上稳频精度要求 不高的情况。
主动式稳频： 把单频激光器的频率与某个稳定的参考频率相比较，当振荡频率 偏离参考频率时，鉴别器就产生一个正比于偏离量的误差信号。 ➢ 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、塞曼效应法。 ➢ 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，是目前水平最高的一种稳频方法。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。
L
温度变化：一般选用热膨胀系数小的材料做为谐振腔
机械振动：采取减震措施
折射率变化的影响
内腔激光器: 温度T、气压P、湿度h的变化很小，可以忽略
外腔和半外腔激光器: 腔的一部分处于大气之中，温度T、
气压P、湿度h的变化较放电管内显著。应尽量减小暴露于
大气的部分，同时还要屏蔽通风以减小T 、 P、 h的脉动
4.2.4 饱和吸收法稳频
饱和吸收法稳频的示意装置如图4-12所示。
图4-12 饱和吸收法稳频的装置示意图
图4-13 吸收介质的吸收曲线
吸收管内充特定的气体，此气体在激光谐振频率处应有一个强吸收线。
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，如图4-13所示。（原因：在中心频率处只有沿激光管轴方
二、氖的不同同位素的原子谱线中心有 一定频差。充普通氖气(包含Ne20及Ne22 两种同位素)的氦氖激光器兰姆凹陷曲线 不对称且不够尖锐，输出频率就不能准 确地调到凹陷的中心频率。因此，稳频 激光器都是采用单一氖的同位素来制造 的，且对同位素的纯度有较高要求。
第二章第三节激光器的稳频
激光器频率的不稳定因素
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 市都在一定范围ΔL，Δη内变化，因此频率νq也在Δν范围内 漂移。Δν可表示为：
唐山师范学院物理系
这时工作频率为f的选 频放大器输出为零,没 有附加的电压输送到 压电陶瓷上,因而激光 器继续工作于νo.如果 激光频率ν大于ν。,则 激光输出功率的调制 频率为f,相位与调制电 压相同。于是光电接 收器输出一频率为f的 信号,经选频放大器放 大后送入相敏检波器 。相敏检波器输出一 个负的直流电压。
唐山师范学院物理系
左图给出充普通氛气与 单一同位素Ne20的氦氖 激光器的输出功率曲线, 普通氖气包含Ne20及 Ne22两种同位素,二者谱 线中心频率之差为：
图8.2.3输出功率曲线圃 (a)单一同位素Ne20 (b)普通氖气。
22 20 890 MHz
因此,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,制作单频稳频激光器时应充以单一同位素 Ne20或Ne22。兰姆凹陷法稳频可获得优于10-9的频率稳 定性。由于谱线中心频率ν。随激光器放电条件而改变, 频率复现性仅达10-7~10-8。此外,这种激光器的输出激 光的光强和频率均有微小的音频调制。
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朗领域中，需要频率稳定的激光 。
当谐振腔内折射率均匀时，单纵模单横模激光器的纵模频
率νq为：
q
q
c
2L
可见，实际激光器谐振腔的腔长L及腔内介质的折射率可
5.6稳频技术.
5.6稳频技术5.6.1概述5.6.1.1稳频概述激光器通过选模获得单频振荡后，由于内部和外界条件的变化，谐振频率仍然会在整个线型宽度内移动。
这种现象叫做“频率的漂移”。
由于漂移的存在就出现了激光器频率稳定性的问题。
稳频的任务就是设法控制那些可以控制的因素使其对振荡频率的干扰减至最小限度，从而提高激光频率的稳定性，减小频率的漂移。
频率的稳定性包括两个方面：一是频率稳定度；二是频率再现度。
前者指激光器在一次连续工作时间内的频率漂移ν∆与振荡频率ν之比，频率稳定度定义为νν∆=S （5-44）S 值越小，表示频率稳定度越高。
频率稳定度又分为观测取样时间小于1秒的短期稳定度和大于1秒（通常达到数分钟乃至几小时）的长期稳定度。
频率再现度是激光器在不同地点、时间、环境下使用时频率的相对变化量，通常将频率再现度定义为νδν=R （5-45）式中的频率偏差δν可以是同一台激光器产生的，也可以是相同设计生产的不同激光器之间的，甚至是用相同能级跃迁、不同设计所制成的激光器在不同条件下输出光频率之间的偏差。
频率再现度的提高对于长度计量的基准的统一和精度的提高有极重要的意义。
根据实际的需要和现实的技术水平，一般希望稳定度和再现度都能在10－8以上。
目前稳定度一般是在l0－9左右，较高的可达10－11～10－13；再现度不易达到稳定度那样高，一般是在l0－7左右，高的可达10－10～l0－12。
5.6.1.2影响频率稳定的因素由激光的相关原理可知，激光器的工作频率为L cq μν2=（5-46）式中c 是真空中的光速，q 是选频的纵模序数，它们都是不变的；而腔长L 和气体介质的平均折射率μ可以因工作条件的变化而改变，进而引起频率的不稳定。
当L 的变化为L ∆，μ的变化为μ∆时，引起的频率相对变化为：L L νμνμ⎛⎫∆∆∆=-+ ⎪⎝⎭（5-47）式中“负号”表示ν的变化趋势和L 、μ的变化趋势正相反。
（5-47）式说明，频率的相对变化来自腔长L 和平均折射率μ受外界条件的扰动发生的变化。
第七章第二节稳频技术
考共
相位调制光外差稳频
标振 准频
曲线的峰值附近。
2014~2015年度 12
本科生《激光原理》
第七章 激光特性的控制与改善
第二节 稳频技术
3.2.1兰姆凹陷稳频
兰姆凹陷稳频法是以增益曲线 中心频率 υ0作为参考标准频率，通 过电子伺服系统驱动压电陶瓷环来控 制激光器腔长，可使频率稳定于υ0处。
Output power
本科生《激光原理》
第七章 激光特性的控制与改善
第二节 稳频技术
2.影响频率稳定的因素
2.1 影响频率稳定的因素
激光振荡频率可表示为
c
(m
c
)
c m
原子跃迁谱线频率υm ， 光学谐振腔谐振频率υc， 原子跃迁谱线的宽度为Δυm， 谐振腔的谱线宽度为Δυc
多普勒线宽Δυm一般不小于108~109Hz， Δυc约为106~107Hz量级
激光器
检测系统
误差信号
执行系统
伺服控制系统
激光主动稳频系统原理图
稳频激光的频率稳定度和复现性，最终取决于参考频率的稳定度和复现性， 电子伺服系统工作状态的好坏，也直接影响激光频率的稳定性。
2014~2015年度 11
ห้องสมุดไป่ตู้
本科生《激光原理》
第七章 激光特性的控制与改善
第二节 稳频技术
兰姆凹陷稳频
对参考标准频率的要求：
反射镜
1
PZT
激光器
1
激光器
闪耀光栅 2
2
1
闪耀光栅 1
G
d w m f
cos
其中w为束腰半径，f为准直透镜焦距。在Littman 结构中，光入射光栅的角度较大，光斑覆盖的光栅条 纹较多，从而得到较Littrow结构更窄的线宽。在相同 的工作条件下，其输出功率比Littrow结构要小。
稳频技术PPT教学课件
2.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L0，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、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。
2020/10/16
4
设环境温度T=200C，气压p=1.013×105Pa，湿度H=1.133kPa,则 大气对633nm波长光的折射率变化系数分别为
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。
2020/10/16
8
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，在所有部件之间都置有海绵垫，
2020/10/16
10
7.2.3 稳频方法概述
稳频的实质：保持n、L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；或用膨胀系数为负值 的材料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合
二.主动式稳频
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,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。
③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。
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,反之则缩
2短02,0因/10而/16可利用压电陶瓷的伸缩来控制腔长。
2020/10/16
11
7.2.4 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
对于外腔式激光器，设谐振腔长为L，放电管长度为L0，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、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。
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设环境温度T=200C，气压p=1.013×105Pa，湿度H=1.133kPa,则 大气对633nm波长光的折射率变化系数分别为
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。
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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，在所有部件之间都置有海绵垫，
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7.2.3 稳频方法概述
稳频的实质：保持n、L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；或用膨胀系数为负值 的材料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合
二.主动式稳频
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,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。
③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。
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,反之则缩
2短02,0因/10而/16可利用压电陶瓷的伸缩来控制腔长。
2020/10/16
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7.2.4 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
第11讲 激光的稳频技术
4.2 激光器的稳频
1
• 激光的特点之一是单色性好,即其线宽Δν与频率 ν的比值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、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. • 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。
例如，相应外界因素的 影响，激光器的振荡中 心频率分别处在 vA、v0、 vB处，由于相应 vA处的 功率调谐曲线的斜率是 负值，所得到的输出功 率的变化与调制信号同 频、反相；
12
假如由于某种原因(例如温度升高)使L伸长，引起 ν0 ， ν与 激光频率由 偏至 的位相正好相反 ν P A
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 ν偏至 ， νB 与 ν P 的位相正好相同 0
3
2.2.1影响频率稳定的因素
• 由激光原理知道，激光器的工作频率为 ν q c • 相应频率的变化，可以表示为
ν L ( ) ν L
2L
• 显然，各种能使腔长L、折射率n发生变化的 因素，都将引起工作频率的不稳定。
4
1．引起腔长变化的主要因素是：
• 温度将通过支持反射镜的支架材料的热膨胀，使腔长变化，
影响长期稳定度； • 外界的机械振动会引起谐振腔支架的振动，导致腔长变化， 引起频率不稳定。
例如，一个腔长 L＝150mm的 He-Ne 激光器，振动引起的腔长变 化 ΔL ＝1μm时，将使稳定度为6.6×10-6。若要达到1×l0-8的稳定度，
必须保证ΔL＜1.5nm(原子的线度是0.1nm)；
1
• 激光的特点之一是单色性好,即其线宽Δν与频率 ν的比值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、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. • 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。
例如，相应外界因素的 影响，激光器的振荡中 心频率分别处在 vA、v0、 vB处，由于相应 vA处的 功率调谐曲线的斜率是 负值，所得到的输出功 率的变化与调制信号同 频、反相；
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假如由于某种原因(例如温度升高)使L伸长，引起 ν0 ， ν与 激光频率由 偏至 的位相正好相反 ν P A
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 ν偏至 ， νB 与 ν P 的位相正好相同 0
3
2.2.1影响频率稳定的因素
• 由激光原理知道，激光器的工作频率为 ν q c • 相应频率的变化，可以表示为
ν L ( ) ν L
2L
• 显然，各种能使腔长L、折射率n发生变化的 因素，都将引起工作频率的不稳定。
4
1．引起腔长变化的主要因素是：
• 温度将通过支持反射镜的支架材料的热膨胀，使腔长变化，
影响长期稳定度； • 外界的机械振动会引起谐振腔支架的振动，导致腔长变化， 引起频率不稳定。
例如，一个腔长 L＝150mm的 He-Ne 激光器，振动引起的腔长变 化 ΔL ＝1μm时，将使稳定度为6.6×10-6。若要达到1×l0-8的稳定度，
必须保证ΔL＜1.5nm(原子的线度是0.1nm)；
4.2激光器的稳频
零点几伏)的交流讯号，称为“搜索讯号” 的正弦调制信号， 零点几伏)的交流讯号，称为“搜索讯号”]的正弦调制信号，一路加到压电 陶瓷环上对腔长进行调制，使腔长产生频率为f 振幅为∆ 的调制 的调制、 陶瓷环上对腔长进行调制，使腔长产生频率为 、振幅为∆L的调制、相应的 和激光输出功率P 幅度为∆ 的调制 的调制； 产生激光振荡频率 v 的变量 ∆v 和激光输出功率 幅度为∆P的调制；另一路 加到相敏整流器上做为参考信号。 加到相敏整流器上做为参考信号。 选频放大器——对输入的波形信号进行选颇放大。它有自己的中心频率， ——对输入的波形信号进行选颇放大 2、选频放大器——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f 的信号进行放大并输入到相敏整流器上 到相敏整流器上。 只对频率为 的信号进行放大并输入到相敏整流器上。 相敏整流器——对选颇放大后的信号电压与振荡器发出的正弦参考信号电压 对选颇放大后的信号电压与振荡器发出的正弦参考信号电压 3、相敏整流器 对选颇放大后的信号电压与 进行相位比较，如果相位相同，则输出负直流电压，如果相位相反， 进行相位比较，如果相位相同，则输出负直流电压，如果相位相反，则输出正直 流电压， 流电压，
图4-12 饱和吸收法稳频的装置示意图
率比较稳定。 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， 个位置稳定且宽度很窄的凹陷，以此作为 稳频的参考点， 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。 性精度得到很大的提高。
R=
δν
ν
目前, 稳定度已达到 已达到10 复现性在 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10-8以上. 要求稳定度 都能在
图4-12 饱和吸收法稳频的装置示意图
率比较稳定。 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， 个位置稳定且宽度很窄的凹陷，以此作为 稳频的参考点， 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。 性精度得到很大的提高。
R=
δν
ν
目前, 稳定度已达到 已达到10 复现性在 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10-8以上. 要求稳定度 都能在
第三讲激光稳频技术
光器受到外界的扰动，使激光振荡频率偏离υ0 ，例如υ＞
υ0(图中D点外)，则激光功率将按频率f变化(如图中的fD)，
其变化幅度δp即为鉴别器的误差信号，它的相位与调制信 号电压相同；此光信号被光电接收器变换成相应的电信号， 经过选频放大后送入相敏检波器，与从音频振荡器输入的 频率为f的调制信号进行相位比较得到一个直流电压，此 电压的大小与误差信号成正比，它的正负取决于误差信号 与调制信号的相位关系，此时由于二者同相位，从相敏检 波器输出一负直流电压，继而经过直流放大、调制升压与 整流，馈送到压电陶瓷上，这电压使压电陶瓷环缩短，从 而使腔长伸长，于是激光振荡频率又回到υ0处。
108~109Hz， Δυc约为106~107Hz量级，利用泰勒展
开，
f (x)
f
(0)
f (0)x
f (0) 2!
x2
，取到一次方，
注意x= Δυc/ Δυm（可认为是小量）
c
(m
c
)
c m
可见激光器的振荡频率是由原子跃迁谱 线及谐振腔的谐振频率共同决定的，二者的 变化均会引起激光频率的不稳定；谱线对振 荡频率的影响由上式中的第二项以频率牵引 效应表示出来,牵引效应的比例系数为：
a
0
V=c(Ω ab-ω)/ Ω ab
Na(v)
0
v 非均匀多普勒展宽跃迁中的烧孔现象，这种跃迁使得激
光光谱学成为可能。频率为ω的激光减少在基态粒子数
分布中共振的那部分粒子，而在激发态粒子分布中产生
一个异常峰。因而吸收线轮廓的线型与图a相似。电子信
号处理法能分离出线型与图b相似的干扰。
非均匀加宽介质大信号反转粒子数密度和频率的关系。 1 入射光很弱的小信号情况 2 入射光（频率ν1）很强的大信号情况
υ0(图中D点外)，则激光功率将按频率f变化(如图中的fD)，
其变化幅度δp即为鉴别器的误差信号，它的相位与调制信 号电压相同；此光信号被光电接收器变换成相应的电信号， 经过选频放大后送入相敏检波器，与从音频振荡器输入的 频率为f的调制信号进行相位比较得到一个直流电压，此 电压的大小与误差信号成正比，它的正负取决于误差信号 与调制信号的相位关系，此时由于二者同相位，从相敏检 波器输出一负直流电压，继而经过直流放大、调制升压与 整流，馈送到压电陶瓷上，这电压使压电陶瓷环缩短，从 而使腔长伸长，于是激光振荡频率又回到υ0处。
108~109Hz， Δυc约为106~107Hz量级，利用泰勒展
开，
f (x)
f
(0)
f (0)x
f (0) 2!
x2
，取到一次方，
注意x= Δυc/ Δυm（可认为是小量）
c
(m
c
)
c m
可见激光器的振荡频率是由原子跃迁谱 线及谐振腔的谐振频率共同决定的，二者的 变化均会引起激光频率的不稳定；谱线对振 荡频率的影响由上式中的第二项以频率牵引 效应表示出来,牵引效应的比例系数为：
a
0
V=c(Ω ab-ω)/ Ω ab
Na(v)
0
v 非均匀多普勒展宽跃迁中的烧孔现象，这种跃迁使得激
光光谱学成为可能。频率为ω的激光减少在基态粒子数
分布中共振的那部分粒子，而在激发态粒子分布中产生
一个异常峰。因而吸收线轮廓的线型与图a相似。电子信
号处理法能分离出线型与图b相似的干扰。
非均匀加宽介质大信号反转粒子数密度和频率的关系。 1 入射光很弱的小信号情况 2 入射光（频率ν1）很强的大信号情况
稳频技术
理： 稳频的实质：保持n、L不变。 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,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。 2.鉴频器：是稳频的关键部件。 ①任务：a.提供标准频率。b.频率鉴别：当激光器振荡频率 偏离标准频率时，能够鉴别出来。 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。 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
1 N v2i − v2i−1 σ (2,τ ) = ∑( ) N i=1 2
2
2.激光频率稳定度的双取样阿仑方差表示式
S∆v / v
1 N 2 2 ∑( v2i − v2i−1 ) σ (2,τ ) 1 2 i=1 = = 2N v v
3.工作过程：
dI是极重要的参量，叫误差信号。它是由激光器输出的 光强和标准频率 ν 输出的光强比较得到的信号。 不同I不 同，可用曲线的斜率 dI / dν 表示。 dI的大小表明 dν 的大小，相位表明 ν 偏离ν0的方向。
dI由在压电陶瓷上加一调制电压得到，加一直流偏压和 频率为f的调制电压。 加偏压的目的是在工作前调整激光器的振荡频率为凹 陷的中心频率 ，因为标准频率并不是固定不变的。 加调制电压的目的是给出dI的大小和方向，对光强进 行低频调制。
3.工作过程： 在激光器上加磁场以后，由于塞曼效应，输出的左旋光和 右旋光进入电光调制器。 电光调制器上加一交变的电压,由于在电光晶体上加频率为 f的调制电压，因此在光电接收器上收到的是一个周期变化的频 率为f的调制光。合成光强的大小和相位输出一直流电压去控制 压电陶瓷使L变化达到稳频。 稳频关键是左右旋光强的大小，即是激光振荡的频率是否偏 离及偏离多少，只要偏离，则左右旋光有差别，则合成光的大 小、相位改变可以鉴别出来 － 灵敏度比蓝姆凹陷高。 稳定度：s-1＝10-10比蓝姆凹陷高一个数量级,由于 ν0有漂移， 受放电条件的影响R＝10-7。再现性差，稳定受到限制。
1 N v2i − v2i−1 σ (2,τ ) = ∑( ) N i=1 2
2
2.激光频率稳定度的双取样阿仑方差表示式
S∆v / v
1 N 2 2 ∑( v2i − v2i−1 ) σ (2,τ ) 1 2 i=1 = = 2N v v
3.工作过程：
dI是极重要的参量，叫误差信号。它是由激光器输出的 光强和标准频率 ν 输出的光强比较得到的信号。 不同I不 同，可用曲线的斜率 dI / dν 表示。 dI的大小表明 dν 的大小，相位表明 ν 偏离ν0的方向。
dI由在压电陶瓷上加一调制电压得到，加一直流偏压和 频率为f的调制电压。 加偏压的目的是在工作前调整激光器的振荡频率为凹 陷的中心频率 ，因为标准频率并不是固定不变的。 加调制电压的目的是给出dI的大小和方向，对光强进 行低频调制。
3.工作过程： 在激光器上加磁场以后，由于塞曼效应，输出的左旋光和 右旋光进入电光调制器。 电光调制器上加一交变的电压,由于在电光晶体上加频率为 f的调制电压，因此在光电接收器上收到的是一个周期变化的频 率为f的调制光。合成光强的大小和相位输出一直流电压去控制 压电陶瓷使L变化达到稳频。 稳频关键是左右旋光强的大小，即是激光振荡的频率是否偏 离及偏离多少，只要偏离，则左右旋光有差别，则合成光的大 小、相位改变可以鉴别出来 － 灵敏度比蓝姆凹陷高。 稳定度：s-1＝10-10比蓝姆凹陷高一个数量级,由于 ν0有漂移， 受放电条件的影响R＝10-7。再现性差，稳定受到限制。
第三讲 激光稳频技术解读
输出一负直流电压馈送到压电陶 瓷上，这电压使压电陶瓷环缩短，
率稳定点。其稳频工作过程如下：
从而使腔长伸长，于是激光振荡
频率又回到υ0处。
c q 2nL
v v
0
0
v=v
0
频率 图2.3兰姆凹陷稳频原理
在压电陶瓷上加有两种电压，一个是直流电(0~300V)，用
来控制激光工作频率υ的；另一个是频率为f(如1kHz)的调
υm的影响,又受光学谐振腔谐振频率υc的影响，若原子跃迁谱
线的宽度为Δυm，谐振腔的谱线宽度为Δυc，则激光振荡频率 可表示为
m c ( m c ) m m c c
近红外和可见光波段，其多普勒线宽Δυm一般不小于
108~109Hz， Δυc约为106~107Hz量级，利用泰勒展
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10-7量
级。但要提高到量级10-8以上，单靠这种被
动式稳频方法就很难达到了，必须采用 伺 服 （随动，servo)控制系统对激光器进行自 动控制稳频，即主动稳频的方法。
1.3 激光器主动稳频的方法
稳频技术的实质就是保持谐振腔光程长度的稳定性。 主动稳频技术就是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此特定的标准频率时，能设法鉴 别出来，再人为地通过控制系统自动调节腔长，将激光 频率回复到特定的标准频率上，最后达到稳频的目的。 主动稳频的方法大致可以分为两类：一类是利用原 子谱线中心频率作为鉴别器进行稳频，如兰姆凹陷稳频 法；另一类是利用外界参考频率作为鉴别器标准进行稳 频，如饱和吸收稳频法。兰姆凹陷稳频装置比较简单， 是应用较早的一种气体激光稳频方法，其频率稳定度为
《激光稳频技术》课件
《激光稳频技术》PPT课件
contents
目录
• 引言 • 激光稳频技术的基本原理 • 激光稳频技术的主要方法 • 激光稳频技术的实验装置与操作流程 • 激光稳频技术的应用实例 • 激光稳频技术的未来定义
激光稳频技术是一种利用各种物理效 应和光学技术，对激光频率进行稳定 和控制的科学技术。
原子干涉法
总结词
利用原子相干性，通过干涉现象对激光频率进行稳定的方法 。
详细描述
原子干涉法利用了原子相干性的特点。通过将原子制备成特 定的量子态，可以产生干涉现象。通过监测干涉现象的变化 ，可以调整激光的频率，使其稳定在一个特定的值上。这种 方法具有较高的稳定性和精度。
原子锁定法
总结词
利用原子能级结构，通过控制激光频率 与原子能级跃迁频率一致，实现激光频 率稳定的方法。
03 激光稳频技术的主要方法
饱和吸收法
总结词
通过利用饱和吸收现象，对激光频率进行稳定的方法。
详细描述
饱和吸收法利用了物质对激光的吸收特性。当激光的功率增加到一定程度时，物质的吸收系数会因为饱和效应而 减小，从而导致透射光的频率移动。通过监测透射光的频率变化，可以调整激光的频率，使其稳定在一个特定的 值上。
在光学频率梳中的应用
光学频率梳是一种能够产生一系列稳 定、等间距的梳状光谱的装置，广泛 应用于光谱分析、频率计量等领域。 激光稳频技术的应用，可以提高光学 频率梳产生的光谱的稳定性，减小频 率漂移，从而提高光谱分辨率和测量 精度。
VS
具体而言，通过采用激光稳频技术， 可以稳定光学频率梳中激光器的频率 ，使其与参考频率保持高度一致。这 样，产生的光谱梳状结构就会更加稳 定，光谱线宽更窄，能够更好地满足 高精度光谱分析和测量的需求。
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目录
• 引言 • 激光稳频技术的基本原理 • 激光稳频技术的主要方法 • 激光稳频技术的实验装置与操作流程 • 激光稳频技术的应用实例 • 激光稳频技术的未来定义
激光稳频技术是一种利用各种物理效 应和光学技术，对激光频率进行稳定 和控制的科学技术。
原子干涉法
总结词
利用原子相干性，通过干涉现象对激光频率进行稳定的方法 。
详细描述
原子干涉法利用了原子相干性的特点。通过将原子制备成特 定的量子态，可以产生干涉现象。通过监测干涉现象的变化 ，可以调整激光的频率，使其稳定在一个特定的值上。这种 方法具有较高的稳定性和精度。
原子锁定法
总结词
利用原子能级结构，通过控制激光频率 与原子能级跃迁频率一致，实现激光频 率稳定的方法。
03 激光稳频技术的主要方法
饱和吸收法
总结词
通过利用饱和吸收现象，对激光频率进行稳定的方法。
详细描述
饱和吸收法利用了物质对激光的吸收特性。当激光的功率增加到一定程度时，物质的吸收系数会因为饱和效应而 减小，从而导致透射光的频率移动。通过监测透射光的频率变化，可以调整激光的频率，使其稳定在一个特定的 值上。
在光学频率梳中的应用
光学频率梳是一种能够产生一系列稳 定、等间距的梳状光谱的装置，广泛 应用于光谱分析、频率计量等领域。 激光稳频技术的应用，可以提高光学 频率梳产生的光谱的稳定性，减小频 率漂移，从而提高光谱分辨率和测量 精度。
VS
具体而言，通过采用激光稳频技术， 可以稳定光学频率梳中激光器的频率 ，使其与参考频率保持高度一致。这 样，产生的光谱梳状结构就会更加稳 定，光谱线宽更窄，能够更好地满足 高精度光谱分析和测量的需求。
11稳频
在非线性介质中传播的不同频率光波之间，还 会产生耦合现象，独立传播原理已不再成立。
光电子技术研究所
线性光学实际上是非线性光学的一级近似，正是由 于这种近似，丢失了许多有趣的重要现象。
在激光出现以前，由于光强度很小，除了克 尔效应等个别现象外，几乎没有观察到非线 性光学现象。 1960年，激光的诞生为研究非线性光学提供 了强有力的工具。
对系统
可以减小外界环境的 变化对激光器的影响
被动式稳频的稳定度只 能达到 10-7，要提高到 10-8以上，非常困难。
光电子技术研究所
2．主动式稳频
在外界环境变化的情况下,保持谐振腔的光程腔长 稳定不变。
其主 要 思 想 是 ， 选
取一个稳定的参考标准 频率．当外界条件变化， 使其频率偏离标准频率 时，设法进行鉴别
同时产生出一个反映这个偏差的 误差信号，该误差信号可指明偏 离标准频率值的大小，且能指明 是偏大\偏小，并将误差信号转变 成执行信号
光电子技术研究所
反馈给激光器的伺服机构，通过控 制系统自动调节腔长，使激光工作 频率稳定地在标准频率上运转。
光电子技术研究所
主动式稳频方法有很多种类：
• • • •
（ PNL 0 ( x 2） x 3） 2 ...)E E （ E
光电子技术研究所
对我们这里要讨论的倍频过程， 有贡献的是二阶非线性。
对于光学各向异性的晶体材料，其电极化率应当是张量，相 应的x（2）应当是一个三阶张量。因此，描述二阶非线性极化 强度P和光电场E的分量关系式为
(2 Pi 0 xijk) E j Ek jk
P＝ε 0χ (E)E
式中χ (E)是与光电
场有关的电极化率。
光电子技术研究所
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●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：
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。
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.
探测器上边带与载波外差拍频得到 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。
●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Biblioteka 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。
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
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
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
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。
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。
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。
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 )]
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.
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)
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
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：
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。
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.
探测器上边带与载波外差拍频得到 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。
●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Biblioteka 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。
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
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
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
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。
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。
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。
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 )]
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.
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)
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