光波长和频率的测量和复现

第4节 偏频锁定技术及其激光光谱仪 虽然饱和吸收稳频激光器具有很高的频率稳定度和复现性 但由于其输出功率低 并且激光辐射中存在频率调制 因而 限制了饱和吸收稳频激光的作用 采用偏频锁定技术可以消除这两个缺点 将一台输出功率较大的无吸收室的激光器作本机振荡器 其频率偏置锁定到一台饱和吸收稳频激光器上 由于跟踪准 确度提高于饱和吸收稳频激光的频率稳定度 因此 本机振 荡激光的频率稳定度与饱和吸收稳频激光几乎相同 实际应用中往往就是本机振荡激光来代替饱和吸收稳频激 光
饱和吸收稳频的原理与兰姆凹陷稳频类似 都是将 激光频率稳定到输出功率调谐典线的极大值或极小值上 即该曲线的一阶数为零之点
二
稳频的一般原理
利用激光输出功率曲线的稳频原理图
激光稳频原理的方框图
三 饱和吸收稳频的三次谐波锁定 对于饱和吸收稳频 通常吸收线和增益线中心频率并不 完全重合 吸收峰将叠加在一倾斜的功率背景曲线上 这将 使吸收峰的顶点偏离吸收线中心频率而使激光频率复现性变 差
第一章 光波长和频率的测量和复现 第1节 一 米定义 1983年第17届国际计量大会上正式通过了新的米定义 新的米定义为 “米是光在真空中 1 299 792 458 秒 时间间隔内所经路程的长度 ” 二 米定义的复现实现米定义的途径 长度单位“米”的定义
新的米定义将两个基本物理量长度与时间利用定义的基本 物理常数真空光速值结合了起来 这样 长度测量便可通 过精度很高的时间测量来实现 波长测量也可通过涉率测 量来实现 国际计量大会在通过新的米定义的同时 通过 了实现米定义的三个途径
甲烷稳频3.39 氦氖激光器 碘稳频576nm染料激光器 碘稳频633nm氦氖激光器 碘稳频612nm氦氖激光器 碘稳频515nm氩离子激光器 碘稳频543nm氦氖激光器 碘稳频640nm氦氖激光器 钙束稳频657nm染料激光器 碘稳频640nm氦氛激光器的标准辐射是由中国计量科学 研究院首创和申报的 我国在长度基准研究领域已跨入 世界先进行列
1 利用光在真空中的飞行时间测量长度 飞行时间法 只要精确测出光在真空中行进的时间t 就可利用关系式l=ct求 出长度l,式中c是已定义的真空光速值 c=299 792 458m/s在天 文与大地测量中 飞行时间早已普遍采用 2 用频率为 f 的平面电磁波的真空波长来复现米 真空波 长法 这个波长是通过测量平面电磁波的频率f 然后应用 关系式 λ c/f得到的 用真空波长法复现米 在实际使用中仍 可应用传统的光波干涉法 直接应用CCDM推荐的几种稳频激光器的频率值与波长 值 1982年第7届国际米定义咨询委会 CCDM 推荐了五种 稳频激光器的频率 波长 值 1992年第8届CCDM总结了稳频激光技术的进步 改善了五种 稳频激光辐射标准谱线的标准不确定度 并根据发展需要又增 加了三种新型稳频激光辐射谱线作为复现米定义的标准辐射谱 线 这八种稳频激光器是 3
甲烷稳频激光器频率稳定度的拍频测量装置
三
利用鉴频典线测量激光频率漂移
在用阿仑方差表示激光频率稳定时 由于测量时间的限制 它不能反映出较长周期的频率变化 例如 需要十几分钟或几 十分钟才能显现的频率慢漂移激光频率漂移可以用拍频方法观 测差频值的变化得到 也可以利用鉴频曲线 即S曲线 进行 测量 先将稳频控制系统开环 在控制腔长的电压陶瓷上加一锯 齿波电压 由于腔长的周期性调谐 利用记录仪可以得到一个 个的输出功率线形 此时 压电陶瓷上仍加有调制信号 因此 相敏检波器的输出呈现周期性的变化 相敏检波的输出正比于 输出功率曲线上对应点的斜率 即 它是输出功率曲线的一阶 导数曲线 也称为鉴频曲线 由于其形状有如字母“S” 故也 称S曲线
第5节 激光频率稳定度的测量 一 激光频率稳定度的表示
二
拍频法测量激光频率稳定度
拍频方法是稳频激光研究中常用的一种测量技术 通过 测量两台频率相近的激光器的差拍频率及其随时间的变化 不仅可以得到两者的差频 还可以计算出阿仑方差表示的激 光频率稳定度 对于激光频率稳定度的测量来说 拍频方法也是最有效 的方法 在研究甲烷或碘稳频激光器的频率稳定度时 往往 无法找到频率稳定度远高于被测激光的标准激光器 这时 常采用两台相同的装置进行测量 若两台激光器可以看作有 相同的频率稳定度 则将所得差频的阿仑方差除以2即得每台 激光器的频率稳定度
三次谐波稳频伺服装置框图 特点 用基频f调制激光而相敏检波则在频率3f下工作
第3节
分子饱和吸收谱线稳定的氦氖激光系统
一 碘稳频612nm 633nm 640nm激光系统的组成
中国计量科学研究院腔内吸收室碘稳频612nm激光系统原理图
二
激光腔设计
1 激光腔内放置色散棱镜 对3s2-2p态跃迁波长进行选 择 从而获得612nm的振荡谱线 2 激光增益管较长 以便得到612nm谱线振荡所必需的 腔内功率 3 选用近共焦腔 腔长L 550mm 反射镜曲率半径R1 R2 1000m 以便减小衍射损耗 提高腔输出功率 4 三 选用高反射率的反射镜 以获得最大吸收峰值 稳频技术 温度稳定等条件 3f
饱和吸收稳频一般均采用分子气体的吸收线作参考频率 当将吸收室置于激光驻波场中时 由于吸收曲线上的烧孔效应 在激光频率调谐到吸收线中心频率附近时 吸收将会变小 而 在激光输出功率曲线上呈现一功率的突然增加 通常称为吸收 峰 由于出现吸收峰的原理类似于增益管中出现的兰姆凹陷 但方向相反 故也称为“反兰姆凹陷”
吸收峰的形成 图中曲线a为无吸收室时的增益曲线 曲线b为吸收室的吸收曲 线 其中央部分也出现兰姆凹陷 曲线c为两者的叠加 即腔内 存在吸收室时的总增益曲线
采用分子气体吸收线作为参考频率的优点是 当吸收能 级为基态时 吸收室不用放电 基态的原子能寿命较长 因 此 自然宽度小 吸收系数大 可以采用低压吸收气体而减 小压力加宽 这些都有利用产生带宽很窄的吸收峰 以得到 较高的频率稳定度 迄今为止可以采用的饱各吸收稳频并不很多
碘是最常用的吸收分子 127I2分子在500 650nm波段内 约50000条强吸收线 并且每一条谱线都有15或21个超精 细结构分量 它们分布在约900MHz的宽度时 其同位素 129I 分子也有几乎同样多的谱线 但因核自旋不同而有不 2 同的超精细结构 因此 几乎在这一波段内的任何激光 辐射 只要其频率可在约1GHz范围内调谐 都可能与几 个碘超精细分量相重合 CCDM推荐的五种激光波长标 准中 有四种是采用磺吸收室进行稳频的 此外 用碘 稳定的640nm氦氖激光器也能给出很好的频率稳定度和复 现性 也可采用其它分子的吸收线 例如 um氦氖激光器 甲烷稳定的3.39
激光波长测量 波长和频率是稳频激光辐射的两个主要参数 两者是通 过真空中的光速直相联系 从原则上说 波长测量和频率测量是等效的 但实际上 无论从测量所适用的波段范围和测量不确定度 影响测量不 确定度的主要因素 以及测量装置等方面来说 两者相差均 甚大
一 一
用迈克尔逊扫描干涉仪测量波长 干涉条纹符合法的测量原理
球面谐振腔干涉仪的伺服控制系统
绝对频率测量 由于光频高达1014Hz量级 直接测量光频过去一直无法解 决 随着接收器的改进 自1967年以来 激光频率的绝对 测量技术有了飞速的发展 1973年NBS发表了测量甲烷稳定3.39激光谱线的绝对频突 破 随后英 法 原苏联 德等国也实现了激光频率绝对测量 并将甲烷稳定激光谱线的频率测量准确度提高到 2 3 10 11 1982年NBS将测频范围扩展到可见光波段 测量了633nm 碘稳定氦氖激光和576nm磺稳定染料激光的频率值 其准确 度达1.6 10 10 1993年法国计量局发表测量633nm激光频率准确度达1
采用饱和吸收稳频激光辐射的优点 稳频装置结构紧凑 可以搬运 频率稳定度和复现性 并且可以得到较满意的
第2节 饱和吸收激光稳频 最常用的方法是将激光频率稳定到输出功率曲线的兰姆凹 陷中心 或利用外界参考作频率标准而进行稳频 例如利用内 外吸收室作为外界参与频率的装置 与前者相比 后者虽然较 复杂一些 但可以得到较高的频率稳定度和复现性 一 饱和吸收稳频原理 一 吸收峰的形成
F-P干涉仪光学系统
激光和干涉仪的伺服控制系统
二
球面谐振腔干涉仪
干涉比较原理示如图 作为本机振铴器的3.39um高功率 He-Ne激光的频率通过偏频锁定系统与甲烷稳频激光相联 系 本机振荡器的输出与谐振腔干涉仪相匹配 干涉仪的 长度被锁定到红外透射峰极大值上 可见633nm本机振荡 器的输出模也与谐振腔模相匹配 并且 其频率被锁下到 干涉透射极大值的位置 最后被测的量是它与碘稳定激光 间的拍频
一
激光的偏频锁定技术
甲烷稳频激光的偏频锁定装置的方框图
二
偏频锁定激光光谱仪
计算机控制的612nm偏频锁定激光光谱仪
该光谱仪由两台几乎相同的激光系统构成 一套是作为频 率标准的参考激光器 其频率稳定到磺分子的某一超精细结 构的分量上 另一套激光器则通过与参考激光器相拍而被偏 频锁定 差频信号在一平衡混频器内与一来自程序控制的频 率综合器的信号相混 混频器的输出用来控制612nm偏频激 池的频率 其频率的调谐是由程序控制的频率综合器来完成 的 偏置频率用频率计测量并用数字显示
用扫描迈克尔逊干涉仪测量激光波长比的光学系统图
用扫描迈克尔逊干涉仪测量激光波长比的测量装置方框图
整个测量装置方框图 它包括光源 光束重合及准直系统 扫描迈克尔逊干涉仪 会聚接收系统 测量及校验装置 计 数和逻辑控制等部分 附加的还有真空系统及拖动部分
二 一
用频率锁定干涉仪测量激光波长 平面F P干涉仪
保证有良好的隔声 防震
采用性能优良的伺服控制装置 该系统采用三次谐波 锁定技术
由中国计量科学研究院研制的碘稳频612nm激光器的稳定性 达到5 10 12 复现性为2 10 11 碘稳频640nm氦氖激光器的标准辐射是我国首创和申报 的 中华人民共和国国家技术监督局按照中华人民共和国计 量法于1986年正式批准碘127稳频640nm激光器的波长 频率 值为实现米定义的国家基准 并给中国计量科学研究院颁发 了基准证书
激光的输出功率曲线及其鉴频曲线
根据已知的纵模频率间隔 可由谐振腔长计算出 可以 得到横坐标的格值 即每格对应的频率间隔 利用鉴频曲线 直线段的斜率 由横坐标的格值可以换算出纵坐标的格值 即 相敏检波器的输出信号每漂移一格所对应的频率漂移量 因此 只要在闭环时记录相敏检波器输出信号的变化大小 根据纵坐标的格值 就可以得到数光频率的漂移 由于记录 仪的时间常数一般较大 这种方法不能给出频率的快变化
利用Hale Waihona Puke Baidu述三种途径实现米定义 的修正
必须进行以下三个影响因素
1 折射率的修正 在地球表面按新米定义测量长度时 光总是在一定的气压下行进的 并非真空条件 所以必须进 行折射率的修正 修正量在 10 7数量级范围内 2 衍射效应的修正 光波建立在平面磁波 实现米定义的三种途径 exp [i(kz-wt)] 的基础上 但是 在实际工作中 光波总是受到光学元件几 何尺寸的限制 即没有exp [i(kz-wt)]这样的平面电磁波 所 以要进行衍射修正 修正量在 10 9范围内 3 引力场效应修正 新的米定义仅适用于没有引力场的 空间或在恒定的引力场空间 但是这样的空间是难找到的 所以要进行引力场或相对论效应的修正 实验证明 修正量 小于10 12 都是利用
λ1 / λ2 = m2 / m1
即两波长真空波长之比等于其相应的的干涉级次之比的倒数 在迈克尔逊干涉仪中 若使一块反射镜连续移动 则接收 器接收到的光强度 即 干涉条纹信号是光程差的正弦函数 当两束激光λ1和λ2 同时射入干涉仪时 用两个接收器分别接收 两组干涉条纹信号 经过电子学处理后分别得到两组脉冲 每 个脉冲都对应于正弦信号的负向过零点 为使测量简化 设法 因此 选择两组脉冲正好重合时开始计数两 使 1 2 0 组干涉条纹 在反射镜移动一定距离 例如1米以后 直到两 组脉冲再次重合时终止计数 这样便可由计数器得到分别对应 于两种激光的整数干涉级次m1和m2 上式式即可得到两种激光 的波长比
1和 2
若此对的两种激光的真空波长分别为 涉测量中 对于同一光程差有
则在干
(m1 + ε 1 )λ1 / n1 = (m2 + ε 2 )λ2 / n2
式中 m1 m2
1 2
两种波长的干涉级次整数部分 两种波长相应的干涉级次小数部分 对应于两种波长的空气折射率
n1
n2
若测量在真空中进行n1 n2 1 如果干涉仪的程差刚好使 1 2 0 即 两波长干涉级次的小数部分均为零 则 有下述简单关系