激光原理及技术实验讲义

激光原理及技术实验讲义
吴丽莹主编
系别
班级
姓名
哈尔滨工业大学
电气工程及自动化学院
2006年6月
实验一
横向塞曼效应He —Ne 激光器的频率稳定
Frequency Stabilization of Transverse Zeeman He —Ne Laser (FSTZL)
一、简述
激光器为什么需要稳频？这是精密计量的需要。

许多几何量的计量都以长度为基础，所以长度基准是非常重要的。

长度单位“一米”的定义是光在真空中1秒所走距离的299,792,458分之一。

这是一个绝对的定义。

实际上用激光波长作为测量的基准，这个基准的再现度可达到10-11—10-12。

He-Ne 激光器同其它光源相比，频率和波长已经很纯了，但是在连续运行过程中，会产生频率飘移，即频率值随时间变化。

频率的变化就等于波长产生变化，给精密计量带来误差，所以必须采用稳频技术。

频率的稳定程度用稳定度指标衡量, 稳定度是指激光器在一次连续工作时间内的频率漂移Δν与振荡频率ν之比
S 的值越小，频率稳定度越高。

短期稳定度：观察取样时间小于1秒；
长期稳定度：观察取样时间大于1秒，可以是数分钟或几小时
二、实验目的
结合仪器实物学习横向塞曼效应稳频激光器仪器结构、系统组成、稳频原理； 掌握稳频的控制方法与技术、实现激光频率的稳定；
了解横向塞曼效应稳频激光器的性能、特点。

（例如：频率稳定度高，10-10，偏振性能好，拍频频率低，易接收等）
三、实验原理
3.1横向塞曼效应
原子能级在外加磁场的作用下发生分裂的现象称为塞曼效应。

外加磁场方向与谐振光轴方向垂直，称为横向塞曼效应
ν
ν
S ∆=
图1 差拍干涉示意图
3.2 差拍信号
设频率分别为1f 和2f 的单色光波的振动方程分别为：
()()
111222cos 2cos 2E a f t E a f t πϕπϕ=-=-
两个光波迭加得：
[][])φ)t-(φf π(f )-φ)t-(φf π(f a 212121212122
1cos 221
cos
2E E E ++⨯-=+=
21b f f Δf -=是两分量之间的频差，频率为几十千赫芝到几百千赫芝，也即差拍。

可理解频率为（21f f -）的振动对频率为（21f f +）振动的调制，光强信号能用光电元件接受。

3.3 横向磁场的产生
横向磁场的产生方法如图2：用铁磁材料板将各分立磁块匀排连接。

图2 磁铁布局方式
He-Ne 激光器置于横向磁场中 塞曼效应导致Ne 原子上下能级分裂
横向塞曼激光器输出光的两频率分量为正交的线偏振光，具有良好的偏振特性，频差数值在几十千赫至几百千赫之间变化，一般不会大于1兆赫；
两分量在45度方向叠加可以产生差拍干涉。

（图1）
3.4 激光谐振条件(驻波条件) 2
λq
nl = n —— 激光介质的折射率； l —— 谐振腔长度； λ—— 振荡光波长； q —— 正整数
只有谐振腔的光学长度等于半波长整数倍的光波，才能形成稳定的振荡。

频率为 q nl
2c
q =
ν c — 真空中的光速 q 可取任意正整数。

原则上谐振腔内有无限多个频率和振荡方式，称为“纵模”。

图3 谐振频率与纵模间隔
3.5 调谐曲线
3.6 频率稳定控制方案
风冷法，用电扇控制气流量，使其与激光放电产生的热量平衡，达到使激光管长度恒定的目的。

测量与偏差量为差拍频率，输出量为风扇控制电压，运用比例积分调节规律。

控制原理方框图如图5所示。

谐振腔起了频率选择作用。

增益大于损耗(阈值条件)的频率才能发振。

两个谐振频率的间隔q υ∆为
nl 2c
q nl 2c )1(q nl 2c υq =
-+=∆ 图4拍频调谐曲线
通过磁场强度的控制改变增益
带的宽度，得到单纵模。

✧ 激光管处于特征磁场下，差拍信
号的频率随谐振腔长度的伸缩呈周期性变化，描述该变化的曲线称为拍频调谐曲线。

✧ 差拍稳定，激光频率也稳定。

利
用拍频调谐曲线上的线性段MN ，将拍频稳定在工作点P ，达到稳定激光频率的目的。

四、实验设备
横向塞曼效应He —Ne 稳频激光器，控制器、计算机，打印机
五、实验内容及记录
1. 打开仪器盖板，观察仪器结构、系统组成；
2. 找到后光束，思考稳频激光差拍信号的取出原理，信号处理方法；
3. 开机预热，观察拍频曲线的产生、形状、速度，打印出调谐曲线；
4. 15分钟后，切换到自动调节程序，观察输出频率的稳定情况，打印出调谐曲线； （3、4两项可参考图6给出的曲线。

）
5. 手动调节调谐曲线，使其输出平稳，打印出调谐曲线；
6. 思考从信号取出到风扇控制的硬件方框图；
7. 思考从信号取出到风扇控制的软件方框图；
(a) 预热段调谐曲线 (b) 由预热段转入频率稳定控制
图6 实际拍频调谐控制曲线
图5 横向塞曼稳频激光器原理方框图
六、讨论问题
以实验小组为单位，讨论并写出实验报告。

1．简单分析影响频率稳定的因素；
2．描述并分析稳频控制从开机到自动稳定的调谐曲线变化；3．分析调谐曲线的走向与控制技术的关系；
4．画出控制系统电路原理方框图；
5．画出控制系统控制软件原理方框图；
6．试列表比较纵向塞曼效应、横向塞曼效应各自稳频的特点。

成绩
实验二
横向塞曼效应He —Ne 激光器的频率稳定度评定
一、简述
在做横向塞曼效应He —Ne 激光器的频率稳定度评定时，因为光频频率太高，无法直接测量，只能测到差拍信号，频率的数量级在几百K 到1MHz 左右。

通过差拍信号的稳定情况间接评定激光的频率稳定度。

1、频率稳定度
频率稳定度的定义为：
（2-1）
式中，ν—参考频率； Δν—激光频率的变化值。

2、复现度
激光器在不同时间、地点、环境下使用时频率的相对变化量。

（2-2） 式中，ν— 参考频率； δν—激光频率的改变值。

二、实验目的
用阿伦方差法定量作横向塞曼效应He —Ne 激光器的频率稳定度评定，包括短期稳定度和长期稳定度的测量。

ν
ν∆=S ν
ν
R δ=
三、实验原理
阿仑方差的表达式为
（2-3） 以T 表示测量周期，以τ表示测量时的取样长度，也即测量时间，取N=2（每组采样个数），一般情况下，相邻两次测量间存在间隙，如图所示：
称为测量的间隔时间或间隙，数值一般大于零。

等于零时，称为无间隙阿仑方差。

由于“死时间”为零，所以采样更合理，
更能准确地反映频率稳定度。

具体应用的阿仑方差用第k 次和第k+1次测量频率偏差值表示，
（2-4）
表示对无穷组测量结果取平均，
和 是相邻平均频率偏差值，即：
（2-5） 式中
——某段时间间隔内的平均频率；
——信号源标称频率。

相邻两次测量没有间隔， 取样结束的同时，是 取样的开始，即死时间为零。

此时阿仑方差表示为：
)
,,(1lim ),,(1
2
2
τστσT N m T N m i yi m ∑=∞>-=)(τ-T 2
)()(2
12k k y
y y -=+τσ⋅⋅⋅⋅1
+k y k
y 0
11f f f y k k -=
++00f f f y k k -=k f 0f k y 1+k y )(τ-T
（2-6）
测量中使用
更方便，公式变为
（2-7）
—第i 次测得的频率值；
（2-8）
用于长度计量的激光器，短、长期稳定度要求都较高，所以采样时间最短为0.1秒，
最长为1000秒，也可设置更长些。

按等比系数
即=0.1s ，0.16s ，0.4s ，…160s ，…1000s …。

为了保证测量结果的不确定度尽量小，应适当增加采样次数。

这里m 取100-200次。

四、实验设备
1）横向塞曼效应He —Ne 稳频激光器 2）频率稳定度测量仪 3）计算机 4）打印机
五、实验步骤
1）预热横向塞曼效应He —Ne 稳频激光器，将其适时切换到自动稳频状态； 2）接通频率稳定度测量仪； 3）测量并记录短、长期频率稳定度。

六、讨论问题
1．阿伦方差测量频率稳定度的优点；
∑
=+∞→-=m k k k m y
y y m m 12
12
2)(1),(lim τσf ()
2
2
121
011(,)()()2lim m f
i i m i m f f m f στττ+→∞=⎛⎫=- ⎪⎝⎭∑)(τi f —第 i+1 次测得的频率值。

)(1τ+i f
2．比较实验给出的短、长期稳定度的结果，分析哪种稳定度更高些，为什么？成绩。