激光原理4.2激光器的稳频(2014)

高福斌
图4-10 稳频原理
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三. 稳频原理示意图。
¾在中心频率附近ν0 ， 不论是ν 小于ν0还是 大于ν0 ，其结果都 是使输出功率P 增加， 而且此时ΔP 将以频
率2f 变化.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,腔长也就不 被调整,于是激光器 的输出频率就被锁定
高福斌
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设吸收管内物质的吸收系数为A(v), 当入射光足够强时, 由于下能级粒子数的减少和上能级粒子数的增加, A(v)将随 入射光强之增加而减小,这就是吸收饱和现象。
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。
4.2.2 稳频方法概述
稳频的实质：保持μ、L不变。
一. 被动式稳频
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。
高福斌
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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 = Δν ν
(4-11a)
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 = δν
③电路系统。将误差信号转成一直流电
压加到压电陶瓷上，以改变腔长。
图4-8 兰姆凹陷法稳频激光器的基本结构
高福斌 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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二.腔长自动补偿系统的方框图 光电信号转换
前
只放大频率 为f的信号
压电陶瓷 调制信号
αΔT
=
ΔL L
=
Δν ν
式中，ΔT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/°C，
石英玻璃 α =6×10-7/ °C ，
殷 钢 α =9×10-7/ °C 。
高一福般斌难以获得优于10-8的频率稳定度。
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2.大气变化（折射率变化）的影响
对于外腔式激光器，
反馈偏压
相位比较 参考信号
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。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，相敏输出为零；
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。振荡器除供给相敏检波器以参考信号电压外，
还给出一个频率为 f [(约为lkHz)、幅度很小(只有零点几伏)的交
流信号，称为“搜索信号”]的正弦调制信号加到压电陶瓷环上
高对福腔长斌进行调制。
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二.腔长自动补偿系统的方框图
光电信号转换
前
只放大频率 为f的信号
压电陶瓷 调制信号
负反馈偏压使压电陶瓷长度缩短， 腔长伸长，纵模频率变小，因此被
纵模频率νB拉回到ν 0.
高福斌
相位比较 参考信号
同位相输 出负偏压
L0
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，
外腔式激光器示意图
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。
这些原因折合成对频率稳定度的影响，可有下面公式
计算
式中，
Δν ν
=
L − L0 L
( βT ΔT + βPΔP + βH ΔH )
高福斌
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2012-12-5
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。
高福斌
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) 10 /27
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μ 都在一定范围 内变化,当L的变化为ΔL，μ的变化为Δμ时，引起的频率变化为：
Δν
=
∂ν ∂μ
Δμ
+
∂ν
∂L
ΔL
=
−ν
⎛ ⎜⎝
ΔL L
+
Δμ μ
⎞ ⎟⎠
缺点
图(4-11) 不同同位素对兰姆凹陷的影响
兰姆凹陷稳频采用的参考频率是激光器原子谱线的 中心频率,随激光器放电条件而改变,不可避免地会出现 频率漂移,所以频率复现度不高.仅达到10-7 ～10-8
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4.2.4 饱和吸收法稳频
上述稳频方法是以增益曲线中心频率ν0作为参考标准频 率，但v0易受放电条件的影响而发变化，因此，频率复现性 差。为了提高稳频率精度，希望降低气压以提高兰姆下陷的
Hale Waihona Puke 7 /273.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 振措施。
频率相对变化为：
高福斌
Δν ν
=
−
⎛ ⎜
⎝
ΔL L
+
Δμ μ
⎞ ⎟ ⎠
(4-13)
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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。
腔长变化、折射率变化都是影响频率稳定的因素.
1.温度变化(腔长变化)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
伸长,于是频率νB被拉
高福回到斌ν0
激光器输出的 频率调制信号
工作点漂移
f振荡器加在 压电陶瓷上的
频率振荡
图4-10 稳频原理
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三. 稳频原理示意图。
¾假如由于某种原因
(例如温度升高)使L伸
长，引起激光频率由
ν0偏至νA，ΔP与Δν的
位相正好相反,相敏整 流器输出一个正的直 流电压,经放大后加在 压电陶瓷的外表面,它 使压电陶瓷伸长,腔长 缩短,于是频率vA 被拉 回到v0
锐度,但激光管不能在过低的气压下工作,因此频率稳定性的
进一步提高受到限制。为了提高频率复现性及稳频精度,可采
用饱和吸收稳频法。
一、饱和吸收稳频装置如图4-12 所示： 在外腔激光器的腔内置一吸收管, 吸收管内的气体在激光振荡频率 处有强吸收峰。吸收管内气压很 低,通常只有1～10Pa。低压气体 吸收峰的频率很稳定,因此频率复 现性好。
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二.腔长自动补偿系统的方框图
光电信号转换
前
只放大频率 为f的信号
压电陶瓷 调制信号
正反馈偏压使压电陶瓷长度伸长， 腔长缩短，纵模频率变大，因此被
纵模频率νA拉回到ν 0.
高福斌
相位比较 参考信号
反位相输 出正偏压
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二.腔长自动补偿系统的方框图
光电信号转换
前
只放大频率 为f的信号
4.2 激光器的稳频
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。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。
dt
则引起激光波长的变动分别为
Δλ (τ ) λT
= βTτ
dT dt
= ±9.3 ×10−9τ
Δλ (τ ) λ
P
=
β pτ
dP dt
=
±6 ×10−9τ
Δλ (τ ) λH
= βHτ
dH dt
dH dt
= ±4.8 ×10−9τ
式中，τ为测量时间，对示波器τ=3~5s，对XY记录τ≤1min。
高福斌
高福斌
βT
=
1
μ
dμ
dT
,
βP
=
1
μ
dμ
dP
,
βH
=
1
μ
dμ
dH
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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
βT
=
1
μ
dμ
dT
=
−9.3×10−7
/℃
βP
=
1
μ
dμ
dP
=
5×10−5
/
Pa
βH
=
1
在ν0 处了.
高福斌
图4-10 稳频原理
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四、应用兰姆凹陷稳频时应注意的问题
(1)稳频激光器不仅要求是单横模， 而且还要求必须是单纵模。
(2)根据以上讨论可见，频率稳定性 与兰姆凹陷中心两侧的斜率有关， 斜率越大，误差信号就越大，因 而灵敏度高，稳定性就越好。 （一般要求兰姆凹陷的深度为输 图(4-11) 不同同位素对兰姆凹陷的影响 出功率的1/8）
4.2.3 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
一、稳频原理：
1.蓝姆凹陷：对非均匀加宽激光介质，激 光器输出的功率在中心频率处最小。
2.结构和原理：
①单纵模激光器。其中一块反射镜固定 在压电陶瓷上，利用压电陶瓷的伸缩
来调整腔长L 。
②光探测器。利用光电转换装置，将光 信号转变为电信号—作为电路的信号。
(3)兰姆凹陷线型的对称性也影响频率的稳定性。（氖的不同 同位素的原子谱线中心有一定频差。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）。
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(4)兰姆凹陷稳频是以原子跃迁谱 线中心频率ν0作为参考标准的。 （如果光强本身有起伏,特别是 光强的起伏频率接近于选频频 率,则无法实现稳频,因此,激光 器的激励电源是稳压和稳流 的。）
ν
(4-11b)
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10-8以上.
高福斌
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4.2.1 影响频率稳定的因素
对共焦腔的TEM00模来说，谐振频率的公式可以简化为：
ν
=
q
⋅
c
2μ
L
(4-12)
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
输出为零
压电陶瓷 调制信号
零偏压使ν 0保持不变
高福斌
零偏压 相位比较 参考信号
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三. 稳频原理示意图。
¾假如由于某种原因(例
如温度降低)使 L 缩
短，引起激光频率由
ν0偏至νB，ΔP与Δν 的
位相正好相同 ,于是 光电接收器输出一个 频率为f 的信号,经前 置放大,选频放大后送 入相敏整流器,相敏整 流器输出一个负的直 流电压,经放大后加在 压电陶瓷的外表面,它 使压电陶瓷缩短,腔长
高福斌
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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。
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
高按福一斌定长度配合。
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二.主动式稳频
1.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，鉴频器给出误差信号，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。
2.鉴频器：是稳频的关键部件。
① 任务：a.提供标准频率；b.频率鉴别：当激光器振荡频 率偏离标准频率时，能够鉴别出来。
② 对鉴频器的要求：a.中心频率要稳定，标准频率不能有 漂移；b.灵敏度要高，微小变化能鉴别。
③ 鉴频器的类型：以原子谱线本身作为鉴频器；以外界标 准频率做鉴频器。
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μ
dμ
dH
= −8×10−6
/ Pa
当(L−L0)/L=0.1， ΔT=10C， ΔP= ΔH= 0时，有Δν/ ν ≈10-7。
高福斌
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又设测量中温度、气压及湿度的时间变化率分别为
dT = ±0.01℃/ min, dP = ±133.3Pa/h, dH = ±656.6Pa/h
dt
dt
高福斌
图4-12 饱和吸收法稳频的装置示意图
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图4-12 饱和吸收法稳频的装置示意图
由于吸收管气压很低，故碰撞加宽很小，可以忽略 不计，吸收线中心频率的压力位移也很小，吸收管 一般没有放电作用，故谱线中心频率比较稳定。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，以此作为稳频的参考点，可使其频率稳定性 和复现性精度得到很大的提高。