第二章第三节激光器的稳频
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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
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。
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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。
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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，
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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。
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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
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
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
稳频技术激光器稳频.pptx
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4-8 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 短,因而可利用压电陶瓷的伸缩来控制腔长。
第11页/共21页
二.腔长自动补偿系统的方框图
前
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。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，相敏输出为零；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。振荡器除供给相敏检波器以参考信 号电压外，还给出一个频率为 f [(约为lkHz)、幅度很小(只有零点几伏)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。
第12页/共21页
三. 稳频原理示意图。
➢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 偏至ν0 ， 与νB 的P位相正ν 好 相同 ,于是光电接收器输出一个频率为f 的信 号,经前置放大,选频放大后送入相敏整流器, 相敏整流器输出一个负的直流电压,经放大后 加在压电陶瓷的外表面,它使压电陶瓷缩短, 腔长伸长,于是频率vB 被拉回到v0
谢谢您的观看！
第21页/共21页
——利用原子谱线中心频率作为鉴别器进行稳
频 ❖ 稳频原理：
1.兰姆凹陷：对非均匀加宽激光介质，激 光器输出的功率在中心频率处最小。
2.结构和原理：
①单纵模激光器。其中一块反射镜固定在 压电陶瓷上，利用压电陶瓷的伸缩来调 整腔长L。
②光探测器。利用光电转换装置，将光信 号转变为电信号——作为电路的信号。
( ) T
T
dT dt
9.3109
图4-8 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 短,因而可利用压电陶瓷的伸缩来控制腔长。
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二.腔长自动补偿系统的方框图
前
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。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，相敏输出为零；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。振荡器除供给相敏检波器以参考信 号电压外，还给出一个频率为 f [(约为lkHz)、幅度很小(只有零点几伏)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。
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三. 稳频原理示意图。
➢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 偏至ν0 ， 与νB 的P位相正ν 好 相同 ,于是光电接收器输出一个频率为f 的信 号,经前置放大,选频放大后送入相敏整流器, 相敏整流器输出一个负的直流电压,经放大后 加在压电陶瓷的外表面,它使压电陶瓷缩短, 腔长伸长,于是频率vB 被拉回到v0
谢谢您的观看！
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——利用原子谱线中心频率作为鉴别器进行稳
频 ❖ 稳频原理：
1.兰姆凹陷：对非均匀加宽激光介质，激 光器输出的功率在中心频率处最小。
2.结构和原理：
①单纵模激光器。其中一块反射镜固定在 压电陶瓷上，利用压电陶瓷的伸缩来调 整腔长L。
②光探测器。利用光电转换装置，将光信 号转变为电信号——作为电路的信号。
( ) T
T
dT dt
9.3109
第二章第三节激光器的稳频案例
唐山师范学院物理系
兰姆凹陷稳频的基本原理 为了改善频率稳定性,希望微弱 的频率漂移就能产生足以将频 率拉回ν。的误差信号,这就要 求兰姆凹陷窄而深。要使频率 稳定性优于4×10-9,凹陷深度应 达1/8(在左图中ΔP/P。为凹陷 深度)。由激光器的半经典理论 可知,兰姆凹陷的深度和激发参 量gml/δ成正比,所以使激光器工 作于最佳电流并降低损耗可以 增加凹陷深度。
L L
土1℃时，由于腔长变化引起的频率漂移已超出增益曲线 范围。因此，在不加任何稳频措施时，单纵模氦氖激光器 的频率稳定性为 6
150010 6 3 10 4.7 1014
唐山师范学院物理系
因而在计量等技术应用中，必须采用稳 频技术以改善激光器的频率稳定性。 通常所说的频率稳定特性包含着频率稳 定性及频率复现性两个方面。频率稳定性描 述激光频率在参考标准频率 s附近的漂移 ，而频率复现性则是指参考标准频率 s本 身的变化。
唐山师范学院物理系
兰姆凹陷稳频的基本原理
经放大后加在压电陶瓷的 外表面，它使压电陶瓷缩 短，腔长伸长。于是激光 频率ν被拉回到ν。，如果 激光频率ν小于ν。，则输 出功率的调制相位与调制 电压相位相差π相敏检波 器输出一正的直流电压， 它使压电陶瓷伸长，于是 激光频率ν增加并回到ν。。
唐山师范学院物理系
率νq为：
当谐振腔内折射率均匀时，单纵模单横模激光器的纵模频
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
能随着激光器工作条件的变化而改变，并导致振荡频率的 不稳定。
唐山师范学院物理系
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
激光原理第二章ppt课件
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
四、光腔的损耗－－光子在腔内的平均寿命
四、光腔的损耗
损耗的大小是评价谐振腔的一个重要指标，（与激 光阈值相关）本小节对无源、开腔的损耗进行分析。
• 开腔的损耗及其描述 • 光子在腔内的平均寿命 • 无源谐振腔的Q值 • 无源腔的本征振荡模式带宽 • 损耗计算举例
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
四、光腔的损耗－－开腔的损耗及其描述
2、平均单程损耗因子：
•定义：
I1 I0e2
若有多种损耗：
1 ln I0 2 I1
(与1-91比较)
n
i 12n
i
I1I0e 21e 22I0e 2
三、光腔的纵模－－多纵模振荡
1、腔内存在模式要形成稳定的振荡，还必须满足自激振荡
条件：单程小信号G0l增益大于单程损耗δ，即：G0l
2、如果以△νT表示增益曲线高于阈值部分的频带宽度，则 可能同时振荡的纵模数为：
讨论：
q [T ] 1 q
•
当 T q
1，激光器中至少有两个以上的纵模振荡。即多纵
§2.1 光腔理论的一般问题
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
一、光腔的构成与分类
2020年深圳大学光学工程研究生考试-专业硕士复试考点总结(光学测量技术与应用)调剂考生可下载复习
Chapter 2 光干涉技术
2.1光干涉的基础知识 2.1.1 光的干涉条件
相干必要条件
• ⑴.频率相同。
• ⑵.振动方向相同。
• ⑶.相位差恒定。
相干充分条件
时间相干性
空间相干性
2020/3/6
《光电检测技术》
1
§2.1.2 干涉条纹的形状
(a).等光程差面
(b).不同位置的条纹形状
2020/3/6
激光的纵模频率为：
q
q
c 2nl
2020/3/6
《光电检测技术》
33
造成腔长和介质折射率变化的主要原因有以下三点：
•温度：任何材料的物体的线性尺寸都随温度而变化， 同时，温度变化也会引起介质折射率的变化。 •振动：振动会引起激光管变形，使腔长发生变化。 •大气的影响：外腔式He-Ne激光管，谐振腔的一部 分暴露在大气之中，大气的气压和温度的改变影响 折射率，使谐振频率发生变化。
2020/3/6
《光电检测技术》
15
球面斐索干涉仪（凹面、凸面、曲率半径的测量）
2020/3/6
《光电检测技术》
16
激光数字波面干涉仪测量凹球面
2020/3/6
《光电检测技术》
17
激光数字波面干涉仪测量其它光学零件
2020/3/6
《光电检测技术》
18
二、散射板分束器及散射板干涉仪
– 1.散射板分束器
• 共路干涉仪：干涉仪中参考光束与测量光束经过同一 光路。
• 优点： • 1、对外界振动和温度、气流等环境因素的变化能产
生彼此共模抑制； • 2、不需要尺寸等于被测表面的参考表面的优点，在
某些共路干涉仪中，甚至不需要专门的参考表面。
2.1光干涉的基础知识 2.1.1 光的干涉条件
相干必要条件
• ⑴.频率相同。
• ⑵.振动方向相同。
• ⑶.相位差恒定。
相干充分条件
时间相干性
空间相干性
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1
§2.1.2 干涉条纹的形状
(a).等光程差面
(b).不同位置的条纹形状
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激光的纵模频率为：
q
q
c 2nl
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33
造成腔长和介质折射率变化的主要原因有以下三点：
•温度：任何材料的物体的线性尺寸都随温度而变化， 同时，温度变化也会引起介质折射率的变化。 •振动：振动会引起激光管变形，使腔长发生变化。 •大气的影响：外腔式He-Ne激光管，谐振腔的一部 分暴露在大气之中，大气的气压和温度的改变影响 折射率，使谐振频率发生变化。
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球面斐索干涉仪（凹面、凸面、曲率半径的测量）
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16
激光数字波面干涉仪测量凹球面
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17
激光数字波面干涉仪测量其它光学零件
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18
二、散射板分束器及散射板干涉仪
– 1.散射板分束器
• 共路干涉仪：干涉仪中参考光束与测量光束经过同一 光路。
• 优点： • 1、对外界振动和温度、气流等环境因素的变化能产
生彼此共模抑制； • 2、不需要尺寸等于被测表面的参考表面的优点，在
某些共路干涉仪中，甚至不需要专门的参考表面。
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。
4-2激光器的基本技术-激光器的稳频因素
（一） 腔长L的变化
1.温度变化：一般选用热膨胀系数小的材料做为谐振腔的的支架 2.机械振动：采取减震措施
（二） 折射率的变化
温度T、气压P、湿度h的变化对谐振频率的影响
因此对非内腔激光器来说，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。
二、稳频方法概述
(一)被动式稳频 主要是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，以便热膨胀互相抵消，这种 办法一般用于工程上稳频精度要求不高的情况。可加上声热隔离装置。 (二)采用自动补偿办法进行稳频 目前采用的稳频方法基本原理是大体相同的，即是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。这个误差信号经放大后又通过反馈系统回来控制腔长，使振荡 频率回到标准的参考频率上，这样的系统常称做伺服系统。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。
四、用饱和吸收法稳频
饱和吸收法稳频的示意装置如左图所示。这种装置在激光谐振腔中除了激光管外， 还加了一个吸收管。在吸收管内充以特定的气体，此气体在激光谐振频率处应有 一个强的吸收线且吸收管内所充气体的气压很低。
光电子技术(2)(激光技术)
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光电子技术(2)(激光技术)
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
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2020/11/5
光电子技术(2)(激光技术)
2.频率的复现性
激光器在不同的时间、地点等条件下频率重复或再 现的精度，用R表示。
v结论：频率稳定性表示激光频率在平均频率附近的漂 移，频率的再现性表示平均频率本身的变化。
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光电子技术(2)(激光技术)
v影响激光频率稳定的因素： 频率的稳定性主要取决于n，L的稳定 1.引起n，L变化的外界因素： ① 温度变化的影响。 ② 大气变化的影响。 ③ 机械振动的影响。 ④ 磁场的影响。 2.引起频率变化的内部因素： ① 激光管内充气压比例不同，气压、放电电流变化引起频率 变化。 ② 由于原子自发辐射造成的无规则噪声影响到频率。
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。
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光电子技术(2)(激光技术)
v稳定度：
稳频最关心的是稳定度。要提高频率的稳定度，希望频率微小的
变化就能产生大的可以分辨的误差讯号dI，即要求
v 稳频原理：
1.蓝姆凹陷：对非均匀加宽激光介质，激光器输出的 功率（或光强）在中心频率处最小。
2.结构和原理：
主要由三部分组成：
①单纵模激光器。其中一块反射镜固定在压电陶瓷上， 利用压电陶瓷的伸缩来调整腔长L。
②光探测器。利用光电转换装置，将光信号转变为电 信号－ 作为电路的信号。
③电路系统。将误差讯号转成一直流电压加到压电陶
结构：①激光器-反射镜加到压电陶瓷上。②电光晶体。 ③P-检偏器 ④电路系统－给出偏差电压dv。⑤光电转 换装置。
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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
能随着激光器工作条件的变化而改变，并导致振荡频率的 不稳定。
唐山师范学院物理系
为了避免激光频率随时间的漂移而影响激光 器的单色性，人们发展了多种激光稳频技术，以满 足精密干涉计量、光频标、光通信、光陀螺及精密 光谱研究等对激光器频率稳定的要求。
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二、激光器频率的不稳定因素
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。自发辐射噪声引起的激光线宽极限确实很小， 但由于各种不稳定因素的影响，实际激光频率的漂移远远
通常所说的频率稳定特性包含着频率稳 定性及频率复现性两个方面。频率稳定性描
述激光频率在参考标准频率 s附近的漂移 ，而频率复现性则是指参考标准频率 s本
身的变化。
为了改善频率稳定性通常采用电子伺服控制激光频率，当 激光频率偏离标准频率时，鉴频器给出误差信号控制腔长 ，使激光频率自动回到标准频率上。这里将介绍兰姆凹陷 稳频的原理。
兰姆凹陷稳频的基本原理
唐山师范学院物理系
经放大后加在压电陶瓷的 外表面，它使压电陶瓷缩 短，腔长伸长。于是激光
频率ν被拉回到ν。，如果 激光频率ν小于ν。，则输
出功率的调制相位与调制 电压相位相差π相敏检波 器输出一正的直流电压， 它使压电陶瓷伸长，于是
激光频率ν增加并回到ν。。
兰姆凹陷稳频的基本原理
唐山师范学院物理系
作业
给出兰姆凹陷稳频的装置图，并说明稳频原理。
唐山师范学院物理系
三、兰姆凹陷法稳频的结构及原理
兰姆凹陷法以增益曲 线中心频率ν。为参考标 准频率，电子伺服系统通 过压电陶瓷控制激光器的 腔长，使频率稳定于0。 下图兰姆下陷稳频系统示 意图。单纵模激光器安装 在殷钢或石英制成的谐振 腔间隔器上，其中一块反 射镜贴在压电陶瓷环上， 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。
L L
其中，负号表示当腔长或折射率增大时，振荡频率减小。
一个管壁材料为硬玻璃的内腔式氦氖激光器，当温度漂移
土1℃时，由于腔长变化引起的频率漂移已超出增益曲线
范围。因此，在不加任何稳频措施时，单纵模氦氖激光器
的频率稳定性为
1500 106 4.7 1014
310 6
唐山师范学院物理系
因而在计量等技术应用中，必须采用稳 频技术以改善激光器的频率稳定性。
兰姆凹陷稳频的基本原理
唐山师范学院物理系
左图表示兰姆凹陷稳 频的基本原理。在压电 陶瓷上加上一个直流偏 压和一个频率为f的音频 调制电压,前者控制激光 工作频率ν,后者使其低 频调制。如果激光频率 ν=ν。,则调制电压使激 光频率在ν。附近变化, 因而输出功率P以频率2f 作周期性变化。
兰姆凹陷稳频的基本原理
第三节激光器的稳频
教学要求： 理解激光器的频率漂移等概念； 掌握兰姆凹陷稳频原理与结构 。
唐山师范学院物理系
主要内容
一、激光器的频率漂移 二、激光器频率的不稳定因素 三、兰姆凹陷法稳频的结构及原理
唐山师范学院物理系
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一、激光器的频率漂移
选模可使激光器实现单频振荡。但激光器各 种内部或外部条件的变化等不稳定因素会导致单模 激光器的谐振频率通常在整个增益频宽范围内波动 。该现象称为激光器的频率漂移。
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为了改善频率稳定性,希望微弱 的频率漂移就能产生足以将频 率拉回ν。的误差信号,这就要 求兰姆凹陷窄而深。要使频率 稳定性优于4×10-9,凹陷深度应 达1/8(在左图中ΔP/P。为凹陷 深度)。由激光器的半经典理论 可知,兰姆凹陷的深度和激发参 量gml/δ成正比,所以使激光器工 作于最佳Байду номын сангаас流并降低损耗可以 增加凹陷深度。
兰姆凹陷稳频的基本原理
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凹陷宽度δν则正比于Δv,
因而正比于气压,故降低 气压可使凹陷变窄,但气 压过低会使激光器功率降 低,甚至使激光不能产生。
为了提高稳频系统对 微弱信号响应的灵敏度， 从而改善激光频率稳定度， 要求兰姆凹陷要窄而深。 稳频的气体激光器应具有 大的激发参量G0l/和较 低的充气气压。