基于光学谐振腔的微波频率稳定技术
F—P腔的激光稳频技术探讨
F—P腔的激光稳频技术探讨作者：史国庆来源：《市场周刊·市场版》2017年第20期摘要：光电子半导体的发展。
半导体激光器凭借着工作效率高，整体结构简单，工作寿命长，机械强度高，光谱范围宽，可与常用探测器相匹配，成本低的特点被大量的应用在通信领域，航天领域，谱线分析领域。
频率的稳定度的成为了衡量半导体激光器发展的层次。
基于F-P腔的半导体激光器能够拥有较强的稳定性和精度，在一定条件下还具有较强的抗干扰能力，使它具有更广阔的发展空间和发展前景。
在此基础上，运用了PDH技术建立了PDH模型，特别的时针对F-P腔的一系列问题进行研究，充分了解到了激光器的主要是受温度和电流的影响很大，并且分析了在不同的条件下，在稳频的状态的时候，半导体激光器的影响和反应。
关键词：F-P腔；半导体激光器；PDH稳频技术一、绪论（一）稳频技术研究状况稳频技术的原理是为了维持穿过谐振腔光程长度的稳定性，稳频技术主要分为被动稳频和主动稳频。
通过调节F-P腔的腔长长度，使激光重新恢复到稳定的频率上去，从而达到稳频的目的。
稳频技术有饱和吸收法；原子光谱Zeeman效应吸收法；相位调制光外差稳频。
（二）F-P腔的优点及研究现状外腔光反馈元件主要有光栅和F-P腔。
光栅光稳定性较差。
而F-P标准具光反馈稳定性能好，结构简单，可以保证激光器的输出波长始终稳定在系统的中心频率上，并且不会出现频率漂移问题。
F-P腔的优点也不是十全十美的，短期稳定性较低。
所以，要采用一些方法抑制其他因素的扰动诱发的频率漂移，才能尽可能的使激光器得到稳定。
因此半导体激光器的频率是关键，有一种是基于光学元件的稳频，这种电子元件的名字叫做F-P腔，它可以不受波段的限制，成为半导体激光器稳频的主要措施，结合F-P腔的这种特点用来把半导体激光器的稳频恰到好处。
（三）半导体激光器的基本特性半导体激光器主要分为三个部分一部分是激光管，一部分是驱动电源，最后一部分是准直支架三大部分构成半导体激光器产生激光需要适应基本的三个条件：（1）粒子数反转。
第9讲 光学谐振腔-稳定性
高斯光束的共焦
参数。
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习题
一、试利用往返矩阵证明对称共焦腔为稳定腔，即任意傍轴光线在其中 可以往返无限多次，而且两次往返即自行闭合。
二、如图所示谐振腔 : 1、画出其等效透镜序列。如果光线从薄透镜右侧开始，
反时针传播，标出光线的一个往返传输周期; 2、求当d / F (F是透镜焦距)满足什么条件时，谐振腔
组成腔的两个反射镜面的反射率; 反射镜的几何形状以及它们之间的组合方式；
对振荡光束参数进行控制
有效地控制腔内实际振荡的模式数目； 可以直接控制激光束的横向分布特性、光斑大小、振荡频率及光束 发散角等； 可改变腔内损耗，在增益一定的情况下能控制激光束输出的能力。
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9.3 光学谐振腔的作用
对光学谐振腔的评价标准
光学谐振腔应具有较小的损耗，可以形成正反馈，达到预期输出； 应具有良好的激光模式鉴别能力；
光学谐振腔的选择原则
根据实际应用的需要选择不同的光学谐振腔。
“稳定”与“非稳定”指的是什么？
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9.4 光学谐振腔稳定性判别性
常常用稳区图来表示共轴球面腔的稳定条件，以光腔的两个反射面的g参数 为坐标轴绘制出的图为稳区图：
图中空白部分是 谐振腔的稳定工 作区，其中包括 坐标原点。 图中阴影区为不 稳定区；
在稳定区和非稳 区的边界上是临 界区。对工作在 临界区的腔，只 有某些特定的光 线才能在腔内往 返而不逸出腔外。
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9.4 光学谐振腔稳定性判别性
稳定性简单判别法
若一个反射面的曲率中心与其顶点的连线与第二个反射面的曲率中心或 反射面本身二者之一相交，则为稳定腔； 若和两者同时相交或者同时不相交，则为非稳腔； 若有两个中心重合，则为临界腔；
为稳定腔; 三、如图所示，腔内有其它元件的两镜腔中，除两面反射镜外的其余部分的
基于失调量的光学折叠腔稳定性研究及应用
基于失调量的光学折叠腔稳定性研究及应用1万大平1，刘红斌1，胡德金1，王裕民2，归振兴21上海交通大学机械与动力工程学院，上海(200030 )2中国科学院上海光学精密机械研究所，上海(201800 )E-mail：wandapingwu@163。
com摘要：为了对激光谐振腔体进行优化设计，运用光学传输矩阵理论，借助Z型折叠腔激光器的等效简化模型对该激光腔的稳定性进行了研究。
分析了腔长、折叠镜焦距、反射镜曲率半径与系统稳定性的关系，得到以失调量为参数的稳区临界曲线方程，实现了三镜折叠腔型CO2斩光盘式调Q脉冲输出激光器的设计。
分析结果表明:腔内有二个稳定区而非一个稳定区，采用失调量而非g因子做为参数，直接给出失调误差，使用性好，所得结论对设计激光器具有重要的指导意义。
关键词：激光，稳定性，折叠腔，失调量中图分类号：TN2430 引言Z型折叠腔因模参数调整灵活以及腔内有效空间大等原因，在高功率激光器中获得了广泛应用。
采用折叠腔的激光器不但输出激光光束腰很细，而且结构紧凑。
谐振腔参数选择不当，不但会影响谐振腔的稳定性，而且使激光器的工作效率降低。
通常对激光谐振腔的设计分析是采用ABCD传输矩阵进行稳定性研究和数值模拟计算[1-3]，研究或设计某种特殊的激光腔体结构，再进行实验研究[3-5]，其物理意义不直观，对于特定的工程应用缺乏通用性。
对于多元件光学谐振腔，以往大都采用G参数等价腔法进行分析[1-3，6-8]，本文采用失调量而非g因子作为参数进行分析，使用性好，直接给出失调误差，工作点具有二个稳定区而非以往研究者提出的一个稳定区[7-8]。
通过计算得到腔内光腰半径和位置的解析解，在调整光路时选择合适的参数值，使之避开稳区的分界线。
另外，我们设计了一台机械调Q二氧化碳激光器，将连续的激光变成脉冲的激光，针对这台激光器，分析了腔参数、腔镜曲率半径对谐振腔稳定性的影响，所得结果对Z型折叠腔的优化设计和光路调整具有重要参考价值。
光学谐振腔的三个作用
光学谐振腔的三个作用光学谐振腔是一种可以将光子反复反射的装置，通常由两个反射镜和介质组成。
它在激光技术、量子光学、量子信息等领域发挥着重要作用。
本文将分别介绍光学谐振腔的三个作用。
一、激发激光激光是一种高度聚焦的单色波，其能量密度高，具有较强的穿透力和照射力。
激光技术已广泛应用于医疗、通信、材料加工等领域。
而激发激光的关键就是通过外界能量输入来使原子或分子处于受激辐射状态。
在实际应用中，通常使用氦氖激光器或二极管激光器等设备来产生初级的激发辐射。
但这些设备产生的辐射能量很小，在进一步放大之前需要经过多次增强才能达到足够强度。
而这就需要利用到了谐振腔。
当初级辐射进入谐振腔后，会在两个反射镜之间不断地反复反射，形成一个光学腔。
在经过多次反射之后，光子的能量逐渐增强，最终达到足够强度。
此时，谐振腔会将光子释放出来，形成一束激光。
二、制备量子态量子态是指微观粒子的状态，具有非常特殊的性质。
例如，两个粒子之间可以存在纠缠关系，在某些情况下它们的状态可以同时发生变化。
这种特殊性质被广泛应用于量子通信、量子计算等领域。
而制备量子态需要使用到激光冷却技术。
该技术通过将原子或分子中的动能转化为较低频率的辐射能来降低其温度。
当物质达到足够低的温度时，它们就可以处于凝聚态（如玻色-爱因斯坦凝聚）或者受限态（如单原子束）。
在制备量子态时，谐振腔可以起到非常重要的作用。
首先，在谐振腔内部可以产生非常高强度、高稳定性的激光场，并且这个场具有很好的空间和时间分辨率。
这使得我们可以通过激光场来控制物质的运动状态，从而实现精确的量子态制备。
另外，谐振腔还可以将激光场与物质之间的作用时间延长到数秒甚至更长时间。
这使得我们可以在更长的时间内控制物质的运动状态，从而进一步提高量子态制备的精度和效率。
三、量子光学研究量子光学是研究光与物质相互作用时涉及到量子效应的领域。
它主要关注于单个光子、单个原子或分子等微观粒子之间的相互作用。
量子光学已经成为了理论物理、实验物理和应用物理等领域中一个重要的分支。
基于PDH实现FP腔的锁定
实验报告实验名称：基于PDH实现FP腔的锁定指导教师：姓名：专业：学号：一．实验目的1.理解PDH锁频的技术原理。
2.掌握实验仪器的工作原理。
3.能利用PDH技术实现对外部光学谐振腔频率的锁定。
二．实验仪器光路:795nm稳频激光器、电光调制器(EOM)、F-P腔、压电陶瓷。
电路:比例积分微分器(PID)、高频探测器、低频探测器、混频器、低通滤波器、扫描信号源、高频信号源、示波器、功率放大器、高压放大器、选择开关。
三．实验原理1.PDH稳频方法简介激光频率稳定有多种方法，可以分为被动稳频和主动稳频。
被动稳频技术通过精确控制温度或提高工作台机械稳定性等方法提高激光频率的稳定性，利用被动稳频在实验上能达到量级的稳定度；但要想将稳定性再提高几个量级，则必须采用主动稳频技术，主动稳频指的是选取一个稳定的频率参考标准，当外界影响使激光频率偏离标准频率时，采用电子伺服系统鉴别出来并自动调节腔长，使激光频率回复到特定的标准频率上，达到稳频目的。
常见的频率参考标准有：兰姆凹陷，谐振腔和饱和吸收谱等[7]。
同其他稳频方法相比，基于谐振振腔的PDH方法不仅应用范围广泛，而且不需要在激光频率上加低频扰动，从而稳频后，激光器频率原则上严格等于谐振腔的共振频率。
PDH技术在腔长锁定的实际应用中具有更高的稳定性和控制精度，由于在锁定过程中对激光相位进行了位相调制，因此避开了激光幅度噪声的影响，具有更强的抗干扰能力。
2.PDH技术应用PDH技术时，其基本原理如下：（1）首先对待锁定的激光进行相位调制，一般使用电光调制器实现。
（2）将调制后的激光信号射入光学腔，使之与光学腔谐振，并使用光电探测器收集光学腔的反射光信号。
（3）对反射光信号进行相位解调，得到误差信号(其幅度正比于激光频率相对光腔谐振频率的失谐量)。
将反射光信号与移相后的本机振荡混频，可以实现反射光信号的相位解调。
（4）将误差信号经过滤波后，输入伺服回路（环路滤波器），通过环路滤波器进行计算后产生控制信号，反馈给待锁定激光器频率调谐器件，最终实现将普通激光锁定在超稳光学腔上。
光学谐振腔的稳定性问题资料课件
减小腔镜间距
减小腔镜间距可以减小光 束在腔内的损耗，从而降 低谐振腔对外部环境的敏 感性。
优化腔镜形状
采用合适的腔镜形状，如 球面或抛物面，可以减少 光束在腔内的散射和折射 ，提高谐振腔的稳定性。
采用新型材料和制造工艺
采用高反射率材料
采用反射率更高的材料制 作腔镜，可以减小光束在 腔镜上的反射损失，提高 谐振腔的稳定性。
在这一领域中，光学谐振腔的 稳定性问题主要体现在如何减 小测量误差和提高测量精度。
为此，需要采取一系列技术措 施来提高光学谐振腔的稳定性 ，如采用高精度位移台、光学 锁相等技术。
05
CATALOGUE
未来展望与研究方向
深入研究稳定性问题的物理机制
01
深入研究光学谐振腔的稳定性问 题，需要深入理解其物理机制， 包括光场与物质相互作用的细节 、光学元件的散射和损耗等。
稳定性问题的重要性
光学谐振腔在激光雷达、光学通信、光学传感等领域具有广泛应用，其稳定性 问题直接影响到这些领域的应用效果和性能。因此，解决稳定性问题对于提高 光学谐振腔的应用性能和可靠性具有重要意义。
光学谐振腔稳定性的影响因素
01
环境因素
温度、湿度、振动等环境因素对光学谐振腔的稳定性产生影响。这些因
素会导致光学元件的位置和角度发生变化，从而影响光束的输出质量和
稳定性。
02
光学元件的加工和装配精度
光学元件的加工和装配精度对光学谐振腔的稳定性也有重要影响。元件
的加工和装配误差会导致光束的聚焦位置、模式质量和光束指向发生变
化，从而影响光束的输出质量和稳定性。
03
光学谐振腔的设计
光学谐振腔的设计参数也会影响其稳定性。例如，腔长、反射镜曲率、
频率梳技术及其在光学分析中应用
频率梳技术及其在光学分析中应用频率梳技术，是一项被誉为“世纪级科技进展”的发明，其具有极高稳定性和精度。
该技术的应用范围非常广泛，包括了光学、无线通信、量子计算、高精度测量等众多领域。
本文将围绕此主题展开讨论，重点介绍频率梳技术及其在光学分析中的应用。
一、频率梳技术的原理频率梳技术用于精确测量光的频率和波长，其原理比较复杂。
简单来说，它基于拉曼效应和光学谐振腔的结合，通过光的相位比较实现对光很高精度的频率测量。
频率梳由许多“齿”组成，这些“齿”是精确稳定的，间距是恒定的，由此形成了一个参状结构。
每一个“齿”都代表一个固定的频率，如同音乐中的音阶，共同组成了一个高精度的光学尺。
二、频率梳技术在光学分析中的应用频率梳技术有很多应用，其中在光学分析领域的应用相对来说比较普遍。
1.高精度频率测量频率梳技术可以精确地测量光的频率和波长，特别对于不同颜色的激光。
它还可用于分析光谱，特别是非常复杂的分子或原子光谱。
频率梳被广泛应用于天文学、制冷分子学等领域。
频率梳在这些领域广泛使用的原因之一是频率梳技术具有极高的准确性和稳定性，可以达到非常高的分辨率。
如在激光光谱分析中，使用频率梳让分析者得以利用相对简单的实验数据研究复杂的分子光谱，这些数据以前是难以处理的。
频率梳技术还可广泛应用于研究物质的结构、优化稀有元素的光谱，以及利用光谱学测量食品和药物的成分和口感等等，是一项非常有前景的技术。
2.光学频率合成光学频率合成是利用设备通过各种不同的频率产生不同颜色的光波，从而创造出新的颜色。
频率梳技术的高精度可用于光学频率合成，因此被广泛用于研究相干光电学，以及创造可见光和红外光的新颜色。
这种技术在实验室研究和医学影像方面具有很大的潜力，它在材料科学、光子学和量子信息科学中也有应用。
3.时间钟的制作频率梳技术被称为“最快的时钟”，因为它可测量和分析时间的差异，甚至精确到纳秒级别。
频率梳的制作可以实现高度的精确性和稳定性，可在制造超精细腕表、运载实验室以及建立时间标准上使用。
光频梳原理
光频梳原理光频梳是一种非常重要的光源，能够产生高度稳定的光谱，在物理、化学、生命科学等领域具有广泛应用。
它的工作原理是基于光学谐振腔的调谐方法，可以产生相干光，可以测量和分析样品的性质和表征频率。
光频梳是由一系列高度可调谐的频率组成的，这些频率是等间隔的，具有非常高的稳定性和精度。
这种光源可形成光学光谱，类似于音调定于频率。
这种方法可以产生精确到飞秒的时钟标准，还可以生成超宽带宽光谱。
光频梳的基本原理是利用非线性光学效应，将激光光束引入到一定长度的非线性光学介质中，使光波在介质中经过重叠、干涉以及放大三个步骤，然后便会形成非常高密度的连续光谱。
这些光谱的间距为基波频率的倍数，可从中获得精确的频率标准，例如在光学没有所谓的秒、毫秒和微秒的尺度之前，我们通常使用标准时钟的频率来测量时间。
同样地，光频梳可以产生具有精确频率的光脉冲，用于测量和控制各种物理现象。
例如，光频梳可以被用来研究分子振动、探测红移、调查电子运动和制造光电子设备。
当然，要想实现上述应用，光频梳的稳定性和精度必定是至关重要的。
这与一个新颖的技术--“锁模”技术密切相关。
“锁模”技术是通过将光频梳与一个精度更高的参考光谱进行匹配，使得光频梳频率对参考光谱进行跟踪和校准，从而实现精确的频率控制和稳定性控制。
利用这种技术，可以使光频梳与其他光学器件进行相互作用，如谐振腔、波导、铁电材料等，以实现各种构建块。
事实上，光频梳已成为众多领域的重要研究工具，例如环境监测、制药、纳米技术、量子计算等。
例如，在环境和气象监测方面，光频梳可以测量大气中各种化学物质的浓度和变化情况。
在药物发现方面，光频梳可以帮助研究人员从分子中探测出更细节的结构，以更好地理解它们的功能和互动。
在纳米技术领域，光频梳可以帮助制造更多、更小、更变幻莫测的元器件和设备。
在量子计算方面，光频梳可以帮助研究人员构建更精密和灵活的量子集成电路。
可以说，光频梳已成为许多重要应用领域的支撑和基础。
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基于光学谐振腔的微波频率稳定技术在现代应用中，微波信号是一种重要的信号类型，尤其是在无
线通信、雷达测量和卫星导航等领域。
由于这些应用需要高精度
的频率稳定性，因此研究微波频率稳定技术一直是热门话题之一。
其中，基于光学谐振腔的微波频率稳定技术在近年来受到了广泛
的关注和研究。
光学谐振腔是一种用于光学信号的放大、调制和稳定的设备。
通过将光线反射在两个有反射性能的平面镜之间的空腔中，谐振
光可以在谐振腔内反复传播，形成稳定的光场模式。
这个模式的
光波长和频率是非常稳定的，可以作为微波频率稳定信号的参考。
基于光学谐振腔的微波频率稳定技术主要有两种方式：直接调
制法和间接调制法。
直接调制法是通过将微波信号转化成光信号，再将光信号通过
光学谐振腔进行调制，最后将调制后的光信号反过来转化成微波
信号。
这种方式需要使用到光学调制器和光学信号调制器等光电
子器件，因为这些器件的非线性失真或者调制器带宽限制等问题，导致其调制效果往往难以满足高精度的需求。
间接调制法是先将微波信号和光学信号进行混合调制，再将混
合后的信号通过光学谐振腔进行调制。
这种方式需要使用到高性
能的微波混频器和光学谐振腔，其中微波混频器的选择尤为重要，因为它决定了混频器的增益和相位稳定性。
通过优化微波混频器
的性能和匹配，可以实现高精度的微波频率稳定性。
在间接调制法中，基于光学谐振腔的微波频率稳定技术中，最
常见的方式是将微波信号和直流光信号混合，然后通过锁相放大
器对混合后的信号进行检测和反馈控制。
锁相放大器是一种高灵
敏度的检测和反馈控制器，它可以将微弱的稳定信号从背景噪声
中提取出来，并将信号的偏差反馈到微波发射器或者参考信号源中，从而实现频率的精细调整和稳定控制。
虽然基于光学谐振腔的微波频率稳定技术已经在实际应用中取
得了较好的效果，不过还存在一些局限性，例如：由于光学谐振
腔的制造误差或者外界干扰等因素，其稳定性和精度有一定的波动，这可能导致频率稳定性受到一定程度的影响。
此外，如何降
低对光学器件的温度敏感度和机械热膨胀导致的稳定度波动等也
是需要解决的问题。
总之，基于光学谐振腔的微波频率稳定技术是一项重要的基础
技术，其研究和推广将有助于提高微波信号的频率稳定性和精度，从而推进现代无线通信、雷达测量和卫星导航等应用的发展。