第三讲 激光稳频技术.
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激光器的稳频
用频率的稳定度和复现性这两个物理量来表示激光频率稳定的 用频率的稳定度和复现性这两个物理量来表示激光频率稳定的 稳定度 程度。 程度。 频率稳定度——激光器在一次连续工作时间内的频率漂移与振 激光器在一次连续工作时间内的频率漂移与振 频率稳定度 荡频率之比 S = ∆ ν
ν
频率复现性——激光器在不同地点、时间、环境下使用时频率 激光器在不同地点、时间、 频率复现性 激光器在不同地点 的相对变化量 R = δ ν
βT = µ ( ) = −9.3 ×10 / C
1 −7 0
dµ dT
β p = µ ( ) = 5 ×10 / Pa
1 −5
dµ dp
β H = µ ( ) = −8 ×10 / Pa
1 −6
dµ dH
又设测量中温度、 又设测量中温度、气压及湿度的时间变化率分别为
dT dt dp dt dH dt
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, 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, 反之则缩短,因而可利用压电陶瓷的伸缩来控制腔长。 反之则缩短,因而可利用压电陶瓷的伸缩来控制腔长。
二.腔长自动补偿系统的方框图
前
兰姆凹陷法稳频方框图
选频放大器只是对某一特定频率信号进行有选择性的放大 选频放大器只是对某一特定频率信号进行有选择性的放大 与输出。 与输出。相敏检波器的作用是将选频放大后的信号电压与参考 信号电压进行相位比较。当选频放大信号为零时， 信号电压进行相位比较。当选频放大信号为零时，相敏输出为 当选频放大信号和参考信号同相位时 同相位时， 零；当选频放大信号和参考信号同相位时，相敏输出的直流电 压为负，反之则为正。 压为负，反之则为正。振荡器除供给相敏检波器以参考信号电 压外， 约为l 压外，还给出一个频率为 f [(约为lkHz)、幅度很小(只有零点 ) 幅度很小( 几伏)的交流讯号，称为“搜索讯号” 几伏)的交流讯号，称为“搜索讯号”]的正弦调制信号加到压 电陶瓷环上对腔长进行调制。 电陶瓷环上对腔长进行调制。
激光稳频(讲稿)讲解
●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。
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。
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
激光谐振腔技术选模及稳频技术
镜面上各点场的振幅按同样的比例衰减,各点的相位发生同样大小的滞后。 这种在腔反射镜面上形成的经过一次往返传播后能自再现的稳定场分布称
为自现模或横模。 对于两个镜面完全相同的对称腔来说，这种稳定场分布经单程传播后即可实 现自再现。 综上所述，激光的横模，实际上就是谐振腔所允许的(也就是在腔内往返传播, 能保持相对稳定不变的)光场的各种横向稳定分布。
L ' vq
nL q c L
2nL
q
q
2
由于光频谐振腔的腔长远大于光波波长，整数q通常具有104 -106 数量级。
腔的两个相邻纵模频率之差Δνq称为纵模的频率间隔，简称纵模间隔，
vq
vq1
vq
c 2nL
c 2L '
腔长L越小，纵模间隔越大。
第二十页
激光腔模式及选模技术
激光腔模式
（2）横模 这种稳态场经一次往返后，唯一可能的变化仅是，镜面上各点场的振幅按同样 的比例衰减，各点的相位发生同样大小的滞后。
在t-t+dt时间内减少的光子数目为
dN
N0
t
e R dt
R
这（-dN）个光子的寿命为t，若在经过dt时间后，将不在腔内。N0个光子的平均寿命为：
_
t
1
N0
(dN )t 1 N0
t( N0
0 R
t
)e R
dt
R
腔内光子的平均寿命τR与腔的损耗有关， 损耗越小， τR越大，腔内的光子的平均说明越长
且有较大的功率输出；
（2）要求高阶横模的衍射损耗足够大，易于鉴别基模和高阶横模；
横模的选择方法大体上可分为两种：
（1）改变谐振腔的结构和参数，使高阶横模获得更大的衍射损耗，提高谐 振腔的选模性能；
为自现模或横模。 对于两个镜面完全相同的对称腔来说，这种稳定场分布经单程传播后即可实 现自再现。 综上所述，激光的横模，实际上就是谐振腔所允许的(也就是在腔内往返传播, 能保持相对稳定不变的)光场的各种横向稳定分布。
L ' vq
nL q c L
2nL
q
q
2
由于光频谐振腔的腔长远大于光波波长，整数q通常具有104 -106 数量级。
腔的两个相邻纵模频率之差Δνq称为纵模的频率间隔，简称纵模间隔，
vq
vq1
vq
c 2nL
c 2L '
腔长L越小，纵模间隔越大。
第二十页
激光腔模式及选模技术
激光腔模式
（2）横模 这种稳态场经一次往返后，唯一可能的变化仅是，镜面上各点场的振幅按同样 的比例衰减，各点的相位发生同样大小的滞后。
在t-t+dt时间内减少的光子数目为
dN
N0
t
e R dt
R
这（-dN）个光子的寿命为t，若在经过dt时间后，将不在腔内。N0个光子的平均寿命为：
_
t
1
N0
(dN )t 1 N0
t( N0
0 R
t
)e R
dt
R
腔内光子的平均寿命τR与腔的损耗有关， 损耗越小， τR越大，腔内的光子的平均说明越长
且有较大的功率输出；
（2）要求高阶横模的衍射损耗足够大，易于鉴别基模和高阶横模；
横模的选择方法大体上可分为两种：
（1）改变谐振腔的结构和参数，使高阶横模获得更大的衍射损耗，提高谐 振腔的选模性能；
4-1激光器的基本技术-激光器的稳频讲解
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第 四 章 激 光 的 基 本 技 术
这种稳频激光器的示意结构如左图所示。在反射镜和支架之间加上一块压电陶瓷， 压电陶瓷接到稳频器上，稳频器按实际情况正确地给出调整电压，该电压加到压 电陶瓷内外表面上使其伸缩，从而自动调节腔长达到稳频的目的。
4 2 激 光 器 的 稳 频
§ 4 2 激 光 器 的 稳 频 .
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第 四 章 激 光 的 基 本 技 术
在这样的稳频措施中还是有一些问题需要加以注意
第一、激光器的激励电源最好是稳压和稳流的。 第二、氖的不同同位素的原子谱线中心有一定频差。稳频激光管都是采用Ne 的同位素来制造的。而且对同位素的纯度还应有较高的要求。因为若同位素 气体不纯，将会引起兰姆凹陷线型的不对称。而曲线在中心频率两侧的斜率 不对称时，会在斜率大的一侧造成误差讯号大而斜率小的一侧造成误差讯号 小的现象。这样，输出频率就不能准确地调到凹陷的频率中心了。 第三、频率的稳定性与兰姆凹陷中心两 侧的斜率大小有关。斜率越大，则稳定 性越好。因此，为了得到较高的稳定度， 应该增加兰姆凹陷的深度 另外，复现度不高主要是作为参考频率的0 的漂移引起的。
4 2 激 光 器 的 稳 频
由于反转兰姆凹陷的宽度比兰姆凹陷的宽度 窄，所以其中心频率两侧曲线的斜率就比兰 姆凹陷曲线的斜率大，这样就可以减小搜索 讯号的幅度以提高频率的稳定性，同时还由 于吸收线中心频率极为稳定，所以使饱和吸 收法获得了很高的长期稳定度和复现度
§ .
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§ 4 2 激 光 器 的 稳 频 .
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第 四 章 激 光 的 基 本 技 术
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。
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。
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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
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
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
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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。
第三讲 激光原理基础知识二
27
自再现物理过程的形象化描述和定性解释——孔阑传输 孔阑传输 自再现物理过程的形象化描述和定性解释
28
横向场振幅分布和相位分布都均匀的平面波入射， 横向场振幅分布和相位分布都均匀的平面波入射，经过多 次孔阑的衍射影响后，二者都变得不再均匀， 次孔阑的衍射影响后，二者都变得不再均匀，成为相对场 振幅和相对相位分布都不受衍射影响的稳态场分布。 振幅和相对相位分布都不受衍射影响的稳态场分布。
22
当光强增大到一定程度，g下降到 m时，增益=损耗，激 当光强增大到一定程度， 下降到g 增益 损耗， 下降到 损耗 光就达到稳定了。 光就达到稳定了。 通常称
1 1 g≥ ln = gm 2L R R2 1
-----为阈值条件。 为阈值条件。 为阈值条件 ( threshold condition)
25
纵模
• 沿腔轴线光场能量分 布形式。 • 更普遍的是指频率， 或者光波长。
一般激光器为多纵模激光器。
26
xy横向电磁场分布 横向电磁场分布——反射镜面对电磁场的衍射决定。 反射镜面对电磁场的衍射决定。 反射镜面对电磁场的衍射决定 理解反射镜面的衍射损耗！ 理解反射镜面的衍射损耗！
(1) 自再现模：往返一次能再现自身的稳态场分布。 自再现模：往返一次能再现自身的稳态场分布。 (2)往返损耗：自再现模往返一次的损耗。 往返损耗：自再现模往返一次的损耗。 往返损耗
g=
d I ( z) I ( z) d z
9
激光工作介质的增益系数g取决于反转粒子数 反转粒子数 的大小： 的大小：
∆N = N 2 − N1
g∞∆N
光的增益是以消耗反转粒子数为代 价的。 价的。
N2
N1
10
第三讲激光稳频技术
T
1 n
(
dn dT
)
9.3107
/o C
p
1 n
(
dn dp
)
5105
/
Pa
H
1 n
(
dn dH
)
8106
/ Pa
又设测量中温度、气压及湿度的时间变化率分别为
dT dt
0.010C / min,
dp dt
133.3Pa / h,
dH dt
656.6Pa / h
则引起激光波长的变动分别为
( ) T
1.4 对参考标准频率(参考谱线)的要求
既然主动稳频的方法，一类是利用原子谱线中心频率 作为鉴频器，另一类是利用外参考频率作为标准进行稳频 的，因此对参考标准谱线有如下要求：
(1)谱线中心频率的稳定性和复现性要好。
(2)线宽要窄，主要就设法消除多普勒加宽、碰撞加宽等。
(3)有足够的信噪比。
(4)谱线频率要与受控激光器频率匹配，即参考谱线的 频率应落在受控激光器增益曲线的峰值附近。
两个“孔”就合二为一了，其孔的面积小于偏离谱线中 心较近的两孔面积之和，表明有贡献的粒子数减少，故 输出功率达到极小值，曲线在υ0处出现一凹陷，如图 2.1(b)所示，此即称为兰姆凹陷。关于兰姆凹陷产生的 机理，可参阅《激光原理》
图2.1 (a)增益曲线的烧孔效应和(b)兰姆凹陷
b Nb(v)
饱和吸收，光谱烧孔
第三讲 激光稳频技术 段作梁
电子工程学院光电子技术系
主要内容
一、概述 二、兰姆凹陷稳频 三、塞曼效应稳频 四、饱和吸收稳频（反兰姆凹陷稳频） 五、其他稳频激光器 六、频率稳定性和复现性的测量
一、 概 述
激光稳频技术简析
激光稳频技术简析
黄治涵
【期刊名称】《现代信息科技》
【年(卷),期】2018(002)009
【摘要】激光稳频技术是激光物理学、光谱学和电子学高度结合的产物,它随着激光应用的发展而发展.本文概述了激光稳频技术的基本原理,分析了各种影响He-Ne 激光光源频率稳定性的因素,并介绍了He-Ne激光器单模双模稳定技术以及国内外一些常见的稳频技术.
【总页数】3页(P40-42)
【作者】黄治涵
【作者单位】中南大学物理与电子学院,湖南长沙 410012
【正文语种】中文
【中图分类】TN248
【相关文献】
1.基于激光自稳频技术的分布式多点甲烷检测系统研究 [J], 郭清华;于庆;苟怡
2.用于POP铷原子钟的DFB激光器自动稳频技术研究 [J], 鱼志健;薛文祥;赵文宇;李孝峰;陈江;阮军;杜志静;张首刚
3.亚赫兹线宽稳频激光技术 [J], 蒋燕义;毕志毅;马龙生
4.激光稳频技术简析 [J], 黄治涵;
5.He-Ne激光的波长检测及稳频技术——激光干涉仪技术综述之二 [J], 羡一民
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器的观测取样时间τ之间的关系来定：
当τ≤ τ0时，测得的频率稳定度称为短期稳定度； 当τ＞ τ0时, 测得的稳定度则属于长期稳定度。比较恰当的 表示法是，在稳定度数值后面标明取样时间τ值， 例如， S υ(τ) =10－10(τ=10s)。
另外，对于作为频率或波长基准的激光器，不仅要求稳 定度高，而且要求频率重复性的精度也高。这种在不同 地点、时间、环境下稳定频率的偏差量与它们的平均频 率的比值称之为频率复现性，以
1.1 频率的稳定性和复现性
为了衡量频率的稳定性(度)，可以从时域和频域两方 面进行描述，既可以用它随时间的变化，也可以用它的频 谱分布加以讨论；本章将采用时域的描述方法，
用频率的稳定度和复现性这两个物理量来表示激光频率 稳定的程度。 频率稳定度通常系指激光器在连续运转时，在一定的观测时
间τ内频率的平均值 与该时间内频率 ) ( L n ) nL2 2 n2 L
故激光频率的稳定问题，可以归结为如何设法保持腔
长和折射率稳定的问题。
L L
n n
影响频率稳定的外界因素主要有以下几个方面。（温 度，大气变化，机械振动，磁场等）
1）温度变化的影响 环境温度的起伏或者是激光管工作时发热，都会使腔材
R
( )
表示之。 为被测激光器系列的平均频率或同一台激 光器的标准频率； ( ) 为频率的偏差量。频率的稳定 性和复现性是两个不同的概念。对一台稳频激光器， 不仅要看其稳定度，而且还要看它的频率复现性。
1.2 影响激光频率稳定的因素
从激光原理可知，激光振荡频率既受原子跃迁谱线频率
4）磁场的影响 为了减小温度影响，激光谐振腔间隔器多采用殷钢
材料制成，但殷钢的磁致伸缩性质可能引起腔长的变化，
3）机械振动的影响 机械振动也是导致光腔谐振频率变化的重要因素。如 建筑物的振动、车辆的通行、声响等都会引起腔的支架振 动, 使腔的光学长度改变, 导致振荡频率的漂移； 对于L=100cm的光腔，当机械振动引起10-6cm的
腔长改变时，频率将有1×10-8的变化。因此，
要克服机械振动的影响，稳频激光器必须采取 良好的防震措施。
T ( ) 9.3 10 / C
1 n dn dT dn dp 7 o
p ( ) 5 10 / Pa
1 n 5 6 dn H 1 ( ) 8 10 / Pa n dH
又设测量中温度、气压及湿度的时间变化率分别为
dT dt dH dt
0.01 C / min, 133.3Pa / h,
S ( ) ( )
显然，变化量 Δυ(τ)越小，则S越大，表示频率的稳定性 越好。习惯上，有时把S的倒数作为稳定度的量度，即
S
1 ( )
( )
常说稳定度为10-8，10-9等，就是这个意思。
激光的频率或波长随时间变化，既表现为短期抖动， 又表现为长期漂移。 频率稳定度又可分为短期稳定度和长期稳定度，二者 划分的基准是，以探测系统的响应(分辨)时间τ0与测量仪
第三讲 激光稳频技术 段 作 梁
电子工程学院光电子技术系
主 要 内 容
一、概述 二、兰姆凹陷稳频
三、塞曼效应稳频
四、饱和吸收稳频（反兰姆凹陷稳频）
五、其他稳频激光器
六、频率稳定性和复现性的测量
一、 概 述
如精密干涉测量是以激光波长作为“尺子”，利用 光干涉的原理来测定各种物理量(如长度、位移、速度等) 的，所以，激光波长(或频率)的准确度会直接影响测量的 精度。本章主要介绍几种应用较多的He-Ne激光器的稳频 方法及原理。
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
0 dp dt
656.6 Pa / h
则引起激光波长的变动分别为
( ) T p ( ) ( ) H
T p H
dT dt dp dt
9.3 109 6 10
9
dH dt
4.8 10
9
式中，τ为测量时间，对示波器τ=3~5s，对XY记录仪 τ≤1min。
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：
c m
在不考虑原子跃迁谱线频率微小变化的情况下，激
光振荡频率主要由谐振腔的谐振频率决定，即有
c q 2nL
(注2nL=qλ)
q为纵模的序数。从式中可以看出，若腔长或腔内的折 射率n两者都发生变化，则激光振荡频率也将变化， (类似于偏微分,再把上式代入可得下式)
料随着温度的改变而伸缩，以致引起频率的漂移，即
T LL
式中，△T为温度的变化量；α为谐振腔间隔材料的线膨胀 系数，硬质玻璃α=10-5/oC，石英玻璃α=6×10-7/oC，殷钢
α=9×10-7/oC。一般难以获得优于10-8的频率稳定度。
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。设环境温度T=20oC，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
( 0) 2 开， f ( x) f (0) f (0) x f 2 ! x
，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