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
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
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 dI / dν大--灵 敏度高。 ①凹陷的深度越大，dI大，则 dI / dν 大。 一般要求凹陷的深度大约等于输出光强1/8，稳定性好。 增加深度的办法：a.降低腔内损耗－降低阈值。b.提高信号增益， 可以调节放电电流，使工作在最佳状态。 ②要求凹陷线型对称。 这样在 ν0 的两侧 dI / dν 相同。如果两侧误差讯号不对称，小的 一侧dI小，灵敏度小。 ③ 利用蓝姆凹陷稳频最高可达s-1＝10-9。漂移再现性误差 R＝10-7。稳定度和再现性受到限制。
塞曼效应稳频
塞曼效应： 1.定义：在磁场的作用下，光谱线发生分裂的现象。 2.稳频原理：由于原子谱线在磁场的作用下发生分裂， 因此利用V左、V右光强差别来进行稳频。 原理：利用塞曼分裂后左、右旋光增益曲线的交点 ν0 作为标准频率，当 ν 偏离ν0 时，根据V左、V右光强的变 化做误差讯号，利用电路反馈系统控制激光器腔长， 使ν-ν0 =0。 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。
塞曼效应吸收稳频： 利用吸收介质的吸收中心 ν0 作标准频率，在吸收管上加 一磁场，产生塞曼效应，结果对不同旋光的光吸收差别 来稳定频率。 结构原理：吸收管中充有低压的Ne气，加磁场以后，由 于塞曼效应，吸收曲线分离成左右旋光的两条吸收线， 它对频率相同、旋光方向不同的圆偏光吸收不同。 稳频过程：利用吸收曲线的中心频率作标准频率，利用 左右旋光的光强差作误差信号dI，采用一套负反馈电路 控制系统。从激光器输出的线偏光通过加有交变的矩形 电压Vλ/4晶体，变成左右旋光。又因右旋光和调制讯号 同相位，dI大小和相位即可判别。
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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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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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。
激光谐振腔技术选模及稳频技术
光学谐振腔的损耗
二、光子在腔内的平均寿命
设初始光强为I0的光束在腔内往返M次后光强变为Im，如果取c＝0时刻的
光强为I0，则到t时刻为止光在腔内往返的次数m应为：
t m 2L'
c
Im I0 (e2 )m I0e2m
Im
tc
I0e L'
t L'
I0e c
t
I0e R
τR称为腔的时间常数，是描述光腔性质的重要参数，当t =τR时，
➢ 电磁场分布，特别是在腔的横截面内的场分布；
➢ 谐振频率； ➢ 在腔内往返一次所经受的相对功率损耗； ➢ 相对应的激光束的发散角
第17页，共65页。
激光腔模式
激光腔模式及选模技术
由于腔内电磁场的本征态由Maxwell方程组和腔的边界条件决定,因 此不同类型和结构的谐振腔的模式也将各不相同。一旦给定了腔的 具体结构,其中振荡模的特征也就随之确定下来。光学谐振腔理论 就是研究腔模式的基本特征,以及模与腔结构之间的具体依赖关系。 原则上说．只要知道了腔的参数，就可以唯一地确定模的上述
间有限范围内的电磁场都将只能存在于一系列分立的本征状态之中，场的每一 个本征态将具有一定的振荡频率和一定的空间分布。在激光技术的术语中，通 常将光学谐振腔内可能存在的电磁场的本征态称为腔的模式。从光子的观点来 看，激光模式也就是腔内可能区分的光子的状态。 同一模式内的光子具有完全相同的状态。每一种模式都具有确定的基本特 征，主要包括 ：
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
高等激光技术8.
•
os
q
TF P ( )
F P
c 2nd
I 激 ( )
m
G ( )
双标准具
I 腔 ( )
•
os
q
TF P-1 ( ) TF P-2 ( )
m
c F P-1 2nd1 F P-2 c 2nd2
•
改变角度1
双折射滤光片或 F P标准具色散腔法初选或 调谐
•
改变间隔 d
扫描F P干涉仪色散腔法初选或 调谐
•
2、短腔法（针对增益线 宽窄的激光器很有效）
缩短谐振腔长度，使得 相邻纵模频率间隔 q 增大， 到超过可振荡频率间隔 os时，导致 os内只有一个 纵模光场振荡。
,
1 2 1 L z w( z ) ( (1 2 )) 2 w0 (1 2 ) 2 , k f
L' R ' L ' 其中：f , 而w0 , 为z 0光斑半径，束腰半径。 2 2 2
•
a
高斯光束通过半径为 a的圆孔后功率 Pa与总的功率P之比： Pa 功率透过率T P
0 ' 0
T ( ) 1 1 F sin (
2
2nd
, 相邻光束位相差 )
2
2nd,
c c 相邻两透过率极大值频 率间隔： m 2nd cos ' 2nd
T ( )
d可以做得很薄 ,
1 .0
R 0.046 R 0.27
0 .5
•
0
R 0.87
光栅在自准直情况下， 1 2 0， 角色散率: D0 2 tan 0
os
q
TF P ( )
F P
c 2nd
I 激 ( )
m
G ( )
双标准具
I 腔 ( )
•
os
q
TF P-1 ( ) TF P-2 ( )
m
c F P-1 2nd1 F P-2 c 2nd2
•
改变角度1
双折射滤光片或 F P标准具色散腔法初选或 调谐
•
改变间隔 d
扫描F P干涉仪色散腔法初选或 调谐
•
2、短腔法（针对增益线 宽窄的激光器很有效）
缩短谐振腔长度，使得 相邻纵模频率间隔 q 增大， 到超过可振荡频率间隔 os时，导致 os内只有一个 纵模光场振荡。
,
1 2 1 L z w( z ) ( (1 2 )) 2 w0 (1 2 ) 2 , k f
L' R ' L ' 其中：f , 而w0 , 为z 0光斑半径，束腰半径。 2 2 2
•
a
高斯光束通过半径为 a的圆孔后功率 Pa与总的功率P之比： Pa 功率透过率T P
0 ' 0
T ( ) 1 1 F sin (
2
2nd
, 相邻光束位相差 )
2
2nd,
c c 相邻两透过率极大值频 率间隔： m 2nd cos ' 2nd
T ( )
d可以做得很薄 ,
1 .0
R 0.046 R 0.27
0 .5
•
0
R 0.87
光栅在自准直情况下， 1 2 0， 角色散率: D0 2 tan 0
第三讲激光稳频技术
光器受到外界的扰动，使激光振荡频率偏离υ0 ，例如υ＞
υ0(图中D点外)，则激光功率将按频率f变化(如图中的fD)，
其变化幅度δp即为鉴别器的误差信号，它的相位与调制信 号电压相同；此光信号被光电接收器变换成相应的电信号， 经过选频放大后送入相敏检波器，与从音频振荡器输入的 频率为f的调制信号进行相位比较得到一个直流电压，此 电压的大小与误差信号成正比，它的正负取决于误差信号 与调制信号的相位关系，此时由于二者同相位，从相敏检 波器输出一负直流电压，继而经过直流放大、调制升压与 整流，馈送到压电陶瓷上，这电压使压电陶瓷环缩短，从 而使腔长伸长，于是激光振荡频率又回到υ0处。
108~109Hz， Δυc约为106~107Hz量级，利用泰勒展
开，
f (x)
f
(0)
f (0)x
f (0) 2!
x2
，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 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：
a
0
V=c(Ω ab-ω)/ Ω ab
Na(v)
0
v 非均匀多普勒展宽跃迁中的烧孔现象，这种跃迁使得激
光光谱学成为可能。频率为ω的激光减少在基态粒子数
分布中共振的那部分粒子，而在激发态粒子分布中产生
一个异常峰。因而吸收线轮廓的线型与图a相似。电子信
号处理法能分离出线型与图b相似的干扰。
非均匀加宽介质大信号反转粒子数密度和频率的关系。 1 入射光很弱的小信号情况 2 入射光（频率ν1）很强的大信号情况
υ0(图中D点外)，则激光功率将按频率f变化(如图中的fD)，
其变化幅度δp即为鉴别器的误差信号，它的相位与调制信 号电压相同；此光信号被光电接收器变换成相应的电信号， 经过选频放大后送入相敏检波器，与从音频振荡器输入的 频率为f的调制信号进行相位比较得到一个直流电压，此 电压的大小与误差信号成正比，它的正负取决于误差信号 与调制信号的相位关系，此时由于二者同相位，从相敏检 波器输出一负直流电压，继而经过直流放大、调制升压与 整流，馈送到压电陶瓷上，这电压使压电陶瓷环缩短，从 而使腔长伸长，于是激光振荡频率又回到υ0处。
108~109Hz， Δυc约为106~107Hz量级，利用泰勒展
开，
f (x)
f
(0)
f (0)x
f (0) 2!
x2
，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 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：
a
0
V=c(Ω ab-ω)/ Ω ab
Na(v)
0
v 非均匀多普勒展宽跃迁中的烧孔现象，这种跃迁使得激
光光谱学成为可能。频率为ω的激光减少在基态粒子数
分布中共振的那部分粒子，而在激发态粒子分布中产生
一个异常峰。因而吸收线轮廓的线型与图a相似。电子信
号处理法能分离出线型与图b相似的干扰。
非均匀加宽介质大信号反转粒子数密度和频率的关系。 1 入射光很弱的小信号情况 2 入射光（频率ν1）很强的大信号情况
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。
《基于调制转移谱的激光自动稳频技术研究》
《基于调制转移谱的激光自动稳频技术研究》一、引言随着科技的发展，激光技术已成为众多领域中不可或缺的工具，如通信、医疗、材料加工等。
激光的频率稳定性对其实用性和性能至关重要。
因此，激光稳频技术的研究具有重要意义。
其中，基于调制转移谱的激光自动稳频技术因其高精度、高效率的特点，成为了当前研究的热点。
本文将就这一技术进行深入研究，探讨其原理、方法及实验结果。
二、调制转移谱原理调制转移谱（Modulation Transfer Spectroscopy, MTS）是一种利用激光与物质相互作用时产生的调制光谱进行测量的技术。
该技术通过对激光器输出的光信号进行调制，并在调制过程中与物质相互作用，产生光谱信号。
通过对光谱信号的分析，可以获得激光器输出光频率的精确信息，从而实现激光的自动稳频。
三、基于调制转移谱的激光自动稳频技术研究1. 技术原理基于调制转移谱的激光自动稳频技术主要通过将激光器输出的光信号进行调制，并将调制后的光信号与物质相互作用。
在相互作用过程中，通过探测物质对光信号的吸收、色散等效应，得到光信号的频率信息。
根据这个频率信息，系统通过反馈控制调整激光器的驱动电流或温度等参数，使激光器的输出光频率保持稳定。
2. 技术方法在具体实现过程中，首先需要选择合适的调制方式。
常见的调制方式包括振幅调制、频率调制和相位调制等。
然后，将调制后的光信号通过光纤等传输方式引入到物质中，使光与物质相互作用。
通过光谱仪等设备探测物质对光信号的响应，得到激光器输出光频率的信息。
最后，通过反馈控制调整激光器的参数，使激光器的输出光频率保持稳定。
3. 实验结果通过实验验证，基于调制转移谱的激光自动稳频技术具有高精度、高效率的特点。
在实验中，我们采用了不同的调制方式和物质进行实验，得到了稳定的激光输出频率。
与传统的稳频技术相比，该技术具有更高的稳定性和精度。
此外，该技术还具有自动化程度高、操作简便等优点，为激光稳频技术的发展提供了新的思路和方法。
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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
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
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
图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。
图1 单频CO2激光器防震、恒温装置 1.激光器 2.减震器 3.石英玻璃管 4.铅筒(外绕加热丝)
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。
10-9量级，主要缺点是复现性差，原因是有约150kHz/Pa
的压力频移。
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。
ab-ω
)/ Ω
ab
饱和吸收，光谱烧孔
a Na(v)
v 非均匀多普勒展宽跃迁中的烧孔现象，这种跃迁使得激 光光谱学成为可能。频率为ω的激光减少在基态粒子数 分布中共振的那部分粒子，而在激发态粒子分布中产生 一个异常峰。因而吸收线轮廓的线型与图a相似。电子信 号处理法能分离出线型与图b相似的干扰。
0
非均匀加宽介质大信号反转粒子数密度和频率的关系。 1 入射光很弱的小信号情况 2 入射光（频率ν 1）很强的大信号情况
敏检波器以参考信号电压外，还给出一个频率为 f 的正弦调
制信号加到压电陶瓷环上对腔长进行调制。下面讨论利用 兰姆凹陷稳频的原理。
图2.3示出了激光输出功率—频率曲线。输出功率在原
子谱线中心频率υ0处有一极小值，选择它作为频率稳定点。 其稳频工作过程如下：在压电陶瓷上加有两种电压，
下图示出了激光输出功率—频率曲线。输出功率在 原子谱线中心频率υ0处有一极小值，选择它作为频
( 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
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
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
2.2兰姆凹陷稳频原理
兰姆凹陷稳频法是以增益曲线中心频率 υ0作为参考标
准频率，通过电子伺服系统驱动压电陶瓷环来控制激光器 腔长的，它可使频率稳定于υ0处，其稳频装如图2.2所示。
激光管是采用热膨胀系数很小的石英做成外腔式结构，谐
振腔的两个反射镜安置在殷钢架上，其中一个贴在压电陶 瓷环上；陶瓷环的长度约为几厘米，环的内外表面接有两 个电极，加有频率为f的调制电压，当外表面为正电压, 内表 面为负电压时陶瓷环伸长, 反之则缩短。改变陶瓷环上的电 压即可调整谐振腔的长度，以补偿外界因素所造成的腔长 变化。光电接收器一般采用硅光电三极管，它能将光信号 转变成相应的电信号。
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)
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 与该时间内频率的变化量Δυ之比，即
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
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,
n n L L qc( 2 ) ( 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
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。
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
二、兰姆凹陷稳频
2.1兰姆凹陷
在《激光原理》中介绍了非均匀加宽线型增益曲线 的烧“孔”效应，并指出在多普勒效应产生的非均匀加 宽线型中，一个振荡频率在其增益曲线上能烧两个 “孔”(对称于中心频率υ0 ), 出现在振荡频率υ上的称为 “原孔” ， 在增益曲线对称位置上的称为“像孔”如 图2-1(a)所示，当振荡频率位于谱线的中心频率处时，