激光稳频(讲稿)

1）、激光位相调制光谱
激光位相调制过程如图：
RF
Ein
EOM
Eout
it
入射光波场为： E in E0 e 出射光场为：
c .c .
c .c.
外加调制电场为： Emod Em sin m t
Eout E0e
i [t ]
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：
J 1 A1e
]
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 2kE J 0 J 1 A0 {[ A1 cos( 0 1 )
2 0
A1 cos( 1 0 )] cos m t [ A1 sin( 0 1 ) A1 sin( 1 0 )] sin m t }
●装置
PZT
激光器 振荡器
反馈控制
光电接收
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
纵向塞曼效应
0

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
矩形波发生器
吸收
光电接收
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
一个通道输入探测到的透射信号可得调制光谱线另一通道输入探测到的反射信号取不同的相移可分别得到色散型谱线或吸收型仔细调节光路和相移得到稳定对称线型完好的色散型谱线然后以伺服系统取代扫描电源调节伺服系统输出直流电平当调到色散谱线中心零点即获得共振透射时闭上环路
激光稳频技术
江南大学 陈国庆
一、激光稳频的意义

+ 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。
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：
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
1
m m
c
1
c
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
频率进行稳频。
●装置：
PZT
M1
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
0
频率
●装置：
PZT
PZT
光电接收 选频放大 相敏检波
振荡器 直流放大
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。
E E0 e
i [t sin m t ]
c.c.
用贝塞尔函数展开：
E E 0 [ J n ( )e
n 0 n i ( n m ) t
( 1) J n ( )e
n 1

i ( n m ) t
] c .c .
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：
● 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 ●激光新技术： 引力辐射相干探测、激光冷却、 原子俘获
R(1 e f r
i 2 nd c
) ( 1 Re
i 2 nd c
)
反射传递函数改写成：
f r Ae
E E 0 [ J 0 A0 e J 1 A1e c .c .i得F-P腔反射源自场：i ( t 0 )

i [( m ) t 1 ]
i [( m ) t 1 ]
●稳定度 S 一定时间间隔内，频率变化量与该 时间内平均频率之比：
S


分时畴和频畴描述。
也常用线宽1/2或单色性1/2/表征。
●复现性 R 不同条件下频率变化量与平均频率 之比：
R
1、测量
LASER 1 LASER 2 A AMP A D
利用拍频技术，将一般电子设备无 法显示或测量的极高的光频转化为可显 示测量的射频差频信号。采用Allan方差 进行数据处理。
PZT
激光器
电光调制 射频源
偏振分束
探测器 混频
参考腔
伺服系统
移相
4）实验 光路
RF1 LASER AOM RF2 EOM TCS
P
D1 AMP1
F-P
DBM AMP2
D2
SERVO
OSCILL
●外差光谱的获得
布置光路，系统开环，以扫描干涉仪 电源替代图中的伺服系统，两只不同响应 速度的探测器分别用来探测参考腔透射信 号和反射信号，用示波器显示。一个通道 输入探测到的透射信号，可得调制光谱线， 另一通道输入探测到的反射信号 ，取不同 的相移，可分别得到色散型谱线或吸收型 谱线。
E E0 [ J 0 ( )e J 1 ( )e
it

i ( m ) t
i ( m ) t
J 1 ( )e
] c .c .
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
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
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 要具有很好的单色性，很高的频 率稳定度的激光。
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。
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 2kE J 0 J 1 A0 [ A1 sin( 0 1 )
2 0
A1 sin( 1 0 )]
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。
●激光稳频的实现
仔细调节光路和相移，得到稳定、 对称、线型完好的色散型谱线，然后， 以伺服系统取代扫描电源，调节伺服系 统输出直流电平，当调到色散谱线中心 零点，即获得共振透射时，闭上环路。 这样，就将激光频率锁定在参考腔谐振 频率上。
四、频率稳定程度的表征及测量 1、表征
在稳频技术中，引用频率稳定性（稳 定度）和复现性两个物理量来衡量激光频 率的稳定程度。
激光频率由谐振腔决定：
c q 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 L n 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。
介绍几本书
1)《激光技术》 华中工学院等编，湖南科学技术 出版社
2)《现代通信光电子学》(第五版)(英文版)［美］ Amnon Yariv著
3) Principles of Optics. 3rd Ed. Bron M and Wolf E. 4)《先进光电子技术丛书》(共10本)［日］伊贺健 一等编，科学出版社，共立出版 5)《光信息科学与技术应用》郑光昭编著 电子工 业出版社
i=f()=-0
激光频率的变化量等效于腔长L 的变化量L。
c L 2q . 2nL L
所以
i=F(-L)
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。
位相调制光外差稳频系统