第6章 稳频技术 2013

T
L


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=10-5/0C,石英玻璃α=6×10-7/0C，殷钢 α=9×10-7/0C。一般难以获得优于10-8的频率稳定度。
温度变化1度，频率稳定度也在10-7数量级。在这种结构下，要达到10－8的稳 频要求，则温度变化必须稳定在0.01度以内。
稳频
以单色性极好的激光波长(或频率)作为标准 “尺子”，测量 (长度、角度、位移、速度等)。 在精密干涉计量、光频标、光通信、激光陀螺 等领域内有广泛的应用。
单色性的好与否，影响测量精度，
激光波长(或频率)的稳定与否，也将直接影
响测量通过选模技术获得了单频振 荡，由于内部和外部条件的变化，谐 振频率仍然会在整个增益线型内移动，
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1．引起腔长变化的主要因素是：
• 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 度为6．6×10-6。
L
＝1μm时，将使稳定
L
若要达到l×l0-8 的稳定度，必须保证
＜
1．5nm(要注意，原子的线度是0．1nm)；
q
c 2 nL
(注2nL=qλ)
(6.1-6)
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)
qc (

L 2 nL
2

n 2n L
2
) ( LL
n n
)


L L

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三、稳频技术
分为两类：被动式稳频和主动式稳频。 1．被动式稳频 尽量将激光器与变化的外界环境隔离开 来，减小外界环境对激光器的扰动 采用膨胀系数小的材 料制作； 恒温控制 限震 密封隔声 稳定电流等措施
对系统
可以减小外界环境的 变化对激光器的影响
被动式稳频的稳定 度只能达到 10-7， 要提高到10-8以上， 17 非常困难。
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压电陶瓷
属于无机非金属材料。这是一种具有压电效应的材料。
压电陶瓷，一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，
• 压电效应是指某些介质在力的作用下，产生形变，引起介质 表面带电，这是正压电效应。反之，施加激励电场，介质将 产生机械变形，称逆压电效应。 • 在能量转换方面，利用压电陶瓷将机械能转换成电能的特性， 可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装臵。电 子打火机中就有压电陶瓷制作的火石，打火次数可在100万 次以上。用压电陶瓷把电能转换成超声振动，可以用来探 寻水下鱼群的位臵和形状，对金属进行无损探伤，以及超声 清洗、超声医疗，还可以做成各种超声切割器、焊接装臵及 烙铁，对塑料甚至金属进行加工
T p H
1 n 1 n 1 n
( ( (
dn dT dn dp
) 9 . 3 10 ) 5 10
5
7
/ C
0
/ Pa
6
dn dH
) 8 10
/ Pa
10
又设测量中温度、气压及湿度的时间变化率分别为 dp 0 dT 0 . 01 C / min, dt 133 . 3 Pa / h , dt
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主动式稳频方法有很多种类：
• • •
兰姆(Lamb)凹陷稳频法， 塞曼效应稳频法， 饱和吸收稳频法等。
主动稳频很容易实现稳定度在10-8以上，目前巳报
导的频率稳定度最高达10-14。
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三、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
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原理及特性
某些材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极 化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷的现象，称为压电效 应。具有这种性能的陶瓷称为压电陶瓷，它的表面电荷的密度与所受 的机械应力成正比。反之，当这类材料在外电场作用下，其内部正负 电荷中心移位，又可导致材料发生机械变形，形变的大小与电场强度 成正比。 压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号， 地震是毁灭性的灾害，而且震源始于地壳深处，以前很难预测，使人 类陷入了无计可施的尴尬境地。压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以 感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，用它来制作压电地震仪， 能精确地测出地震强度，指示出地震的方位和距离。这不能不说是压 电陶瓷的一大奇功。 我们来看一种新型自行车减震控制器，一般的减振器难以达到平稳的效 果，而这种ACX减震控制器，通过使用压电材料，首次提供了连续可 变的减震功能。一个传感器以每秒50次的速率监测冲击活塞的运动， 如果活塞快速动作，一般是由于行驶在不平地面而造成的快速冲击， 这时需要启动最大的减震功能；如果活塞运动较慢，则表示路面平坦， 24 只需动用较弱的减震功能。
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6.1-1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，并将整个装置放在坚固
稳定的防震台上；还采用了稳压稳流电源。
dH dt
656 . 6 Pa / h
T p H 9 . 3 10 6 10
9 9
则引起激光波长的变动分别为
( )

( )
T
dT dt dp dt dH dt


( )

9
(6.1-9)

p

4 . 8 10
H
式中，τ为测量时间，对示波器τ=3~5s。
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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。一种简 单的方法是在工作台下垫一个充气的汽车内胎，这样可 以有效地消除高频振动。
n n
(6.1-7)
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。
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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 腔材料随着温度的改变而伸缩，以致引起频率的漂移， 即 L (6.1-8)
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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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二、影响频率稳定的因素
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。
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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
市场用途
• ①声音转换器 声音转换器是最常见的应用之一。像拾音器、传声器、耳机、 蜂鸣器、超声波探深仪、声纳、材料的超声波探伤仪等都可以用压电陶瓷做 声音转换器。如儿童玩具上的蜂呜器就是电流通过压电陶瓷的压电效应产生 振动，而发出人耳可以听得到的声音。压电陶瓷通过电子线路的控制，可产 生不同频率的振动，从而发出各种不同的声音。例如电子音乐贺卡，就是通 过压电效应把机械振动转换为交流电信号。 ②压电引爆器 自从第一次世界大战中英军发明了坦克，并首次在法国索 姆河的战斗中使用而重创了德军后，坦克在多次战斗中大显身手。然而到了 20世纪六七十年代，由于反坦克武器的发明，坦克失去了昔日的辉煌。反坦 克炮发射出的穿甲弹接触坦克，就会马上爆炸，把坦克炸得粉碎。这是因为 弹头上装有压电陶瓷，它能把相碰时的强大机械力转变为瞬间高电压，爆发 火花而引爆炸药。 ③压电打火机 现在煤气灶上用的一种新式电子打火机，就是利用压电陶 瓷制成的。只要用手指压一下打火按钮，打火机上的压电陶瓷就能产生高电 压，形成电火花而点燃煤气，可以长久使用。所以压电打火机不仅使用方便， 安全可靠，而且寿命长，例如一种钛铅酸铅压电陶瓷制成的打火机可使用100 万次以上。 ④防核护目镜 核试验员带上用透明压电陶瓷做成的护目镜后，当核爆炸 产生的光辐射达到危险程度时，护目镜里的压电陶瓷就把它转变成瞬时高压 电，在1/1000 s里，能把光强度减弱到只有1/10000，当危险光消失后，又能 恢复到原来的状态。这种护目镜结构简单，只有几十克重，安装在防核护目 头盔上携带十分方便。
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，
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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，
如1.15μm波长的He-Ne激光器，仅由于地磁场效应可以
产生140kHz的频移。因而地磁场效应和周围电子仪器的 散磁场对于高稳定激光器影响必须加以考虑。
综上所述，环境温度的变化、机械振动等外界干扰
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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=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