4.2激光器的稳频——激光原理课件PPT

4.2 激光器的稳频
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 用领域中,要求激光器所发出的激光有较高的频率稳定性.
频率漂移——激光器通过选模获得单频率振荡后,由于内部和外界 条件的变化,谐振频率仍然在整个线型宽度内移动的现象。
稳频目的：使频率本身稳定，即不随时间、地点变化。 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。
4.2.2 稳频方法概述
稳频的实质：保持、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 定把激的光参器考中标原准子跃频迁率的，中当心外频率界做影为响参使考激频率光，频把率激偏光离频率标锁准定频到跃
q
0
0
1 2
q
GH ()
0
1 2
q
0
0
1 2
q
GH ()
0
1 2
q
0
0
1 2
q
GH ()
0
1 2
q
0
0
1 2
q
GH ()
0
1 2
q
0
0
1 2
q
GH ()
0
1 2
q
0
0
1 2
q
规律
q
q•
c
2L
(1)输出光频在0
1 2
q 至 0
1 2
q
范围内变化
(2)腔长每伸长
1 2
,产生一次跳变
证 q c
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
T
1
(
d dT
)
9.3107
/0 C
p
1
(
d dp
)
5 105
/
Pa
H
1
(
d dH
)
8 106
/ Pa
又设测量中温度、气压及湿度的时间变化率分别为
dT dt
0.010C / min,
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，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 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)
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。
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。
q
t
(1)温度升高→腔长变大→光频向低频漂移 (2)由于模式竞争（均匀加宽介质的自选模作用）,光频漂移到0-1/2q 处被0+1/2q 模代替
GH ()
0
1 2
q
0
0
1 2
q
GH ()
0
1 2
q
0
0
1 2
q
GH ()
0
1 2
q
0
0
1 2
q
GH ()
0
1 2
q
0
0
1 2
q
GH ()
0
1 2
q
对共焦腔的TEM00模来说，谐振频率的公式可以简化为：
ν q c
2L
腔长的改变: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。 折射率的改变：温度的变化、介质中反转粒子数的起伏以及大 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。
当L的变化为L，的变化为时，引起的频率相对变化为：
△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。
跳模现象
q
q•
c
2L
现象：均匀加宽激光器点燃时,输出激光的频率在中心频率 附近产生周期性变化
解释
0
1 2
q
0
0
1 2
ν ( L )
ν
L
腔长变化、折射率变化都是影响频率稳定的因素
一个管壁材料为硬玻璃的内腔式氦氖激光器,当温度漂移±1℃ 时,由于腔长变化引起的频率漂移已超出增益曲线范围。
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
T
L L
dp dt
133.3Pa /
h,
dH dt
656.6Pa / h
则引起激光波长的变动分别为
( ) T
T
dT dt
9.3 109
T
( )
p
p
dp dt
6 109
p
( ) H
H
dH dt
4.8 109
H
式中，为测量时间，对示波器=3~5s，对记录≤1min。
3.机械振动的影响
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、环境下使用时频率的相对变化量
R ν
ν
目前, 稳定度已达到10-9～ 实际应用中,要求稳定度和 10-13而复现性在10-7～10-12. 复现性都能在10-8以上.
4.2.1 影响频率稳定的因素
0
0
1 2
q
GH ()
0
1 2
q
0
0
1 2
q
GH ()
0
1 2
q
0
0
1 2
q
GH ()
0
1 2
q
0
0
1 2
q
G来自百度文库 ()
0
1 2
q
0
0
1 2
q
GH ()
0
1 2
q
0
0
1 2
q
GH ()
0
1 2
q
0
0
1 2
q
GH ()
0
1 2
q
0
0
1 2
q
GH ()
0
1 2
q
0
0
1 2
q
GH ()
0
1 2
2L c
2L
d qc
dL 2L2 c c L 2L L
c
c
q 2L2 L L L L L
L 2
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。
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1.15m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。