第三讲 激光稳频技术要点

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( )

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
( 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
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
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,
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
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)
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，但殷钢的百度文库致伸缩性质可能引起腔长的变化，
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。
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
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
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
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。