第二章第三节激光器的稳频案例

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。
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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。。
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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。
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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
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作业
给出兰姆凹陷稳频的装置图，并说明稳频原理。
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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。
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兰姆凹陷稳频的基本原理 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。
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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：

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
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
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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。
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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。
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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 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 。
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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 890MHz
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。
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。
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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。
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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 。
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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
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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。 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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