激光器的稳频.pptx

激光器的稳频激光器的稳频 激光的特点之一是单色性好激光的特点之一是单色性好,即其线宽即其线宽与频率与频率的比的比值值/很小。但由于各种不稳定因素的影响很小。但由于各种不稳定因素的影响,实际激光频率实际激光频率的漂移远远大于线宽极限的漂移远远大于线宽极限。在精密干涉测量、光频标、光通信、。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要求激光器所发出的激光有较高的频率稳定性激光有较高的频率稳定性.频率漂移频率漂移激光器通过选模获得单频率振荡后激光器通过选模获得单频率振荡后,由于内部和外由于内部和外界条件的变化界条件的变化,谐振频率仍然在整个线型宽度内移动的现象。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。稳频目的：使频率本身稳定，即不随时间、地点变化。用频率的用频率的稳定度稳定度和和复现性复现性这两个物理量来表示激光频率稳定的这两个物理量来表示激光频率稳定的程度。程度。频率稳定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荡频率之比荡频率之比 频率复现性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、环境下使用时频率的相对变化量的相对变化量 目前目前,稳定度已达到稳定度已达到1010-9-91010-13-13，而复现性在而复现性在1010-7-71010-12-12.实际应用中实际应用中,要求稳定度和复现性都能在要求稳定度和复现性都能在1010-8-8以上以上.1 1 影响频率稳定的因素影响频率稳定的因素共焦腔共焦腔TEM00模，谐振频率的公式：模，谐振频率的公式：环境温度的起伏、激光管的发热及机械振动都会引起环境温度的起伏、激光管的发热及机械振动都会引起谐振腔谐振腔几何长度的改变几何长度的改变。温度的变化温度的变化、介质中反转集居数的起伏介质中反转集居数的起伏以及以及大大气的气压、湿度变化气的气压、湿度变化都会影响激光工作物质及谐振腔裸露于大气都会影响激光工作物质及谐振腔裸露于大气部分的部分的折射率折射率。以上因素使腔长。以上因素使腔长L及折射率都在一定范围内变化及折射率都在一定范围内变化,当当L的变化为的变化为 L，的变化为的变化为 时，引起的频率相对变化为：时，引起的频率相对变化为：一个管壁材料为一个管壁材料为硬玻璃硬玻璃的内腔式氦氖激光器的内腔式氦氖激光器,当温度漂移当温度漂移11时时,由于腔长变化引起的频率漂移由于腔长变化引起的频率漂移已超出增益曲线范围已超出增益曲线范围。腔长变化、折射率变化腔长变化、折射率变化都是影响频率稳定的因素都是影响频率稳定的因素1.温度变化的影响温度变化的影响 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着温度的改变而伸缩改变而伸缩，以致引起频率的漂移，即，以致引起频率的漂移，即 式中，式中，T为温度的变化量；为温度的变化量；为谐振腔间隔材料的线膨胀系数，为谐振腔间隔材料的线膨胀系数，硬质玻璃硬质玻璃=10-5/0C，石英玻璃石英玻璃=610-7/0C，殷钢殷钢=910-7/0C。一一般难以获得优于般难以获得优于10-8的频率稳定度。的频率稳定度。2.大气变化的影响大气变化的影响 对于外腔式激光器，设谐振腔长为对于外腔式激光器，设谐振腔长为L，放电管长度为，放电管长度为L0，则，则暴露在大气中部分的相对长度为暴露在大气中部分的相对长度为(L-L0)/L，大气的温度、气压、，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。设环境温度的变动。设环境温度T=200C，气压，气压p=1.013105Pa，湿度，湿度H=1.133kPa,则大气对则大气对633nm波长光的波长光的折射率变化系数分别为折射率变化系数分别为又设测量中温度、气压及湿度的时间变化率分别为又设测量中温度、气压及湿度的时间变化率分别为则引起激光波长的变动分别为则引起激光波长的变动分别为 式中，式中，为测量时间，对示波器为测量时间，对示波器=35s，对对XY记录记录1min。机械振动也是导致光腔谐振频率变化的重要因素。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,使腔的光使腔的光学长度改变学长度改变,导致振荡频率的漂移；导致振荡频率的漂移；3.机械振动的影响机械振动的影响 对于对于L=100cm的光腔，当机械振动引起的光腔，当机械振动引起10-6cm的腔长改变时，的腔长改变时，频率将有频率将有110-8的变化。因此，要克服机械振动的影响，稳频激的变化。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。光器必须采取良好的防震措施。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，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，但但殷钢的磁致伸缩性质可能引起腔长的变化殷钢的磁致伸缩性质可能引起腔长的变化，如，如1.15m波长的波长的He-Ne激光器，仅由于地磁场效应可以产生激光器，仅由于地磁场效应可以产生140kHz的频移。因而的频移。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。加以考虑。4.磁场的影响磁场的影响 综上所述，环境温度的变化、机械振动等外界干扰对激光频综上所述，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。温、防震、密封隔声、稳定电源等。单频单频CO2激光器防震、恒温装置激光器防震、恒温装置1.激光器激光器 2.减震器减震器 3.石英玻璃管石英玻璃管 4.铅筒铅筒(外绕加热丝外绕加热丝)图所示的是一台图所示的是一台COCO2 2激光器的激光器的防震、恒温防震、恒温装置。它采用了恒温装置。它采用了恒温措施，温度可恒定在措施，温度可恒定在350.03350.030 0C C。为了防震，在所有部件之间都。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。稳压稳流电源。实验证明，采用恒温度、防震装置后实验证明，采用恒温度、防震装置后,CO2激光器的长期频激光器的长期频率稳定度可达到率稳定度可达到10-7量级。但要提高到量级量级。但要提高到量级10-8以上，单靠这种被以上，单靠这种被动式稳频方法就很难达到了，动式稳频方法就很难达到了，必须采用必须采用 伺服伺服（随动，（随动，servo)控制控制系统对激光器进行自动控制稳频，即主动稳频的方法系统对激光器进行自动控制稳频，即主动稳频的方法。2 2 稳频方法概述稳频方法概述稳频的实质：保持稳频的实质：保持、L不变。不变。一一.被动式稳频被动式稳频 利用利用热膨胀系数低的材料制做谐振腔的间隔器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；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。负值的材料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合。1.1.稳频的原理稳频的原理:采用负反馈电路控制稳频技术采用负反馈电路控制稳频技术。选取一个稳定的参考标。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，准频率，当外界影响使激光频率偏离标准频率时，鉴频器给出误差讯鉴频器给出误差讯号号,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。二二.主动式稳频主动式稳频2.2.鉴频器：是稳频的关键部件。鉴频器：是稳频的关键部件。任务：任务：a.a.提供标准频率。提供标准频率。b.b.频率鉴别：当激光器振荡频率偏离标准频率鉴别：当激光器振荡频率偏离标准频率时，能够鉴别出来。频率时，能够鉴别出来。对鉴频器的要求：对鉴频器的要求：a.a.中心频率要稳定，标准频率不能有漂移。中心频率要稳定，标准频率不能有漂移。b.b.灵灵敏度要高敏度要高，微小变化能鉴别。微小变化能鉴别。鉴频器的类型：鉴频器的类型：以原子谱线本身作为鉴频器以原子谱线本身作为鉴频器；以外界标准频率做鉴；以外界标准频率做鉴频器。频器。3 3 兰姆凹陷法稳频兰姆凹陷法稳频利用原子谱线中心频率为鉴别器进行稳频利用原子谱线中心频率为鉴别器进行稳频一、稳频原理一、稳频原理：1.1.兰姆凹陷：对非均匀加宽激光介质，兰姆凹陷：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。激光器输出的功率在中心频率处最小。2.2.结构和原理：结构和原理：单纵模激光器。其中一块反射镜固定在单纵模激光器。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压电陶瓷上，利用压电陶瓷的伸缩来调整腔长整腔长L L。光探测器。利用光电转换装置，将光信光探测器。利用光电转换装置，将光信号转变为电信号号转变为电信号作为电路的信号。作为电路的信号。电路系统。将误差讯号转成一直流电压电路系统。将误差讯号转成一直流电压加到压电陶瓷上，以改变腔长加到压电陶瓷上，以改变腔长。兰姆凹陷法稳频激光器的基本结构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,反之则缩短反之则缩短,因而可利用压电陶瓷的伸缩来控制腔长。因而可利用压电陶瓷的伸缩来控制腔长。二二.腔长自动补偿系统的方框图腔长自动补偿系统的方框图前 选频放大器只是对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。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。振荡器除供给相敏检波器以参考信号电压外，还给出一个频率为压外，还给出一个频率为 f (约为约为l lkHz)、幅度很小、幅度很小(只有零点只有零点几伏几伏)的交流讯号，称为的交流讯号，称为“搜索讯号搜索讯号”的正弦调制信号加到压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。兰姆凹陷法稳频方框图稳频原理图三三.稳频原理示意图。稳频原理示意图。假如由于某种原因假如由于某种原因(例如温度降低例如温度降低)使使L缩短，引起激光频率由缩短，引起激光频率由 偏至偏至 ，与与 的位相正好相同的位相正好相同 ,于是光电于是光电接收器输出一个频率为接收器输出一个频率为f 的信号的信号,经前经前置放大置放大,选频放大后送入相敏整流器选频放大后送入相敏整流器,相敏整流器输出一个相敏整流器输出一个负的直流电压负的直流电压,经放大后加在经放大后加在压电陶瓷的外表面压电陶瓷的外表面,它它使使压电陶瓷缩短压电陶瓷缩短,腔长伸长腔长伸长,于是频率于是频率vB 被拉回到被拉回到v0假如由于某种原因假如由于某种原因(例如温度升高例如温度升高)使使L伸长，引起激光频率由伸长，引起激光频率由 偏至偏至 ，与与 的位相正好相反的位相正好相反,相敏整流器输出一个相敏整流器输出一个正的直流正的直流电压电压,经放大后加在经放大后加在压电陶瓷的外表面压电陶瓷的外表面,它它使压电陶瓷伸长使压电陶瓷伸长,腔长缩腔长缩短短,于是频率于是频率vA 被拉回到被拉回到v0稳频原理图前在中心频率附近在中心频率附近 0 0 ，不论是，不论是 小小于于 0 0还是大于还是大于 0 0 ，其结果都是使输，其结果都是使输出功率出功率P增加，增加，而且此时而且此时 P将以频将以频率率2 2f 变化变化.这时工作频率为这时工作频率为f 的选频的选频放大器输出为零放大器输出为零,没有附加的电压输没有附加的电压输送到送到压电陶瓷上压电陶瓷上,腔长也就不被调整腔长也就不被调整,于是激光器的输出频率就被锁定在于是激光器的输出频率就被锁定在 0 0 处了处了.兰姆凹陷法稳频方框图(1)稳频激光器不仅要求是稳频激光器不仅要求是单横模单横模，而且还要，而且还要求必须是求必须是单纵模单纵模。(2)根据以上讨论可见，频率稳定性与兰姆凹根据以上讨论可见，频率稳定性与兰姆凹陷中心两侧的斜率有关，陷中心两侧的斜率有关，斜率越大斜率越大，误差信，误差信号就越大，因而灵敏度高，号就越大，因而灵敏度高，稳定性就越好。稳定性就越好。（一般要求兰姆凹陷的深度为输出功率的一般要求兰姆凹陷的深度为输出功率的1/8）(3)兰姆凹陷线型的对称性也影响频率的稳定兰姆凹陷线型的对称性也影响频率的稳定性。（性。（氖的不同同位素的原子谱线中心有一定频差。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尖锐,制作单频稳频激光器时应充以单一同位素制作单频稳频激光器时应充以单一同位素Ne20或或Ne22）。(4)兰姆凹陷稳频是以原子跃迁谱线中心频率兰姆凹陷稳频是以原子跃迁谱线中心频率0作为参考标准的。（作为参考标准的。（如果光强本身有起伏如果光强本身有起伏,特别特别是光强的起伏频率接近于选频频率是光强的起伏频率接近于选频频率,则无法实现稳频则无法实现稳频,因此因此,激光器的激励电源是稳压和稳流的激光器的激励电源是稳压和稳流的。）。）四、应用兰姆凹陷稳频时应注意的问题四、应用兰姆凹陷稳频时应注意的问题 不同同位素对兰姆凹陷的影响缺点缺点兰姆凹陷稳频采用的兰姆凹陷稳频采用的参考频率是激光器原参考频率是激光器原子谱线的中心频率子谱线的中心频率,随激光器放电条件而随激光器放电条件而改变改变,不可避免地会不可避免地会出现频率漂移出现频率漂移,所以所以频率复现度不高频率复现度不高.仅仅达到达到10-7 10-8 从兰姆凹陷稳频可知频率的稳定性和复现性的关键是选择一从兰姆凹陷稳频可知频率的稳定性和复现性的关键是选择一个个稳定的和尽可能窄的参考频率稳定的和尽可能窄的参考频率。上述稳频方法是利用激光本身。上述稳频方法是利用激光本身的原子跃迁中心频率作为参考点，而的原子跃迁中心频率作为参考点，而原子跃迁的中心频率易受放原子跃迁的中心频率易受放电条件等影响而发生变化，所以其稳定性和复现性就受到局限电条件等影响而发生变化，所以其稳定性和复现性就受到局限。为了提高频率的稳定性和复现性，通常采用为了提高频率的稳定性和复现性，通常采用外界参考频率标准进外界参考频率标准进行稳频。行稳频。一、饱和吸收稳频一、饱和吸收稳频即在谐振腔中放入一个即在谐振腔中放入一个充有低气压气体原充有低气压气体原子子(或分子或分子)的吸收管的吸收管,它它有和激光振荡频率配合很好的吸收线有和激光振荡频率配合很好的吸收线。由于吸收管气压很低，故由于吸收管气压很低，故碰撞加宽碰撞加宽很小，很小，可以忽略不计，吸收线中心频率的可以忽略不计，吸收线中心频率的压力压力位移位移也很小，吸收管一般没有放电作用，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。所以在故谱线中心频率比较稳定。所以在吸收吸收线中心处形成一个位置稳定且宽度很窄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的凹陷，以此作为稳频的参考点，可使，可使其频率稳定性和复现性精度得到很大的其频率稳定性和复现性精度得到很大的提高。提高。饱和吸收法稳频的装置示意图4 4 饱和吸收法稳频饱和吸收法稳频 饱和吸收法稳频的装置示意图 设吸收管内物质的吸收系数为设吸收管内物质的吸收系数为A(v),当入射光足够强时当入射光足够强时,由于下能由于下能级粒子数的减少和上能级粒子数的级粒子数的减少和上能级粒子数的增加增加,A(v)将随入射光强之增加而将随入射光强之增加而减小减小,这就是吸收饱和现象。这就是吸收饱和现象。对于对于v=v0的光的光，其正向传播和反向传，其正向传播和反向传播的两列行波光强均被播的两列行波光强均被z=0的分子所的分子所吸收，即吸收，即两列光强作用于同一群分子两列光强作用于同一群分子上，故吸收容易达到饱和上，故吸收容易达到饱和；而对于；而对于v v0的光，则正向传播和反向传播的两列的光，则正向传播和反向传播的两列光强分别被纵向速度为光强分别被纵向速度为+z及及-z的两的两群群(少于少于z=0）分子所吸收，）分子所吸收，所以吸收所以吸收不易达到饱和，在吸收线的不易达到饱和，在吸收线的v0处出现吸处出现吸收凹陷，收凹陷，吸收介质的吸收曲线二二.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线上也有一个吸收凹陷 吸收介质的吸收曲线在谐振腔中放置吸收管时谐振腔的在谐振腔中放置吸收管时谐振腔的单程损耗为单程损耗为式中式中为未放置吸收管时谐振腔的单为未放置吸收管时谐振腔的单程损耗程损耗;L;L为吸收管长度。由于为吸收管长度。由于A(A(0 0)0 0曲线的尖锐凹陷曲线的尖锐凹陷,激光激光器输出功率在器输出功率在0 0处出现一个尖锐的处出现一个尖锐的尖峰尖峰,称为反兰姆凹陷称为反兰姆凹陷,如图如图(b)(b)所示。所示。利用反兰姆凹陷利用反兰姆凹陷,可使激光器的频率可使激光器的频率稳定在稳定在0 0,其稳频系统与兰姆凹向法其稳频系统与兰姆凹向法类似。类似。通常利用分子的通常利用分子的基基态与振转能级间的饱和态与振转能级间的饱和吸收进行稳频吸收进行稳频。由于其。由于其吸收较强吸收较强,所以可在低气所以可在低气压下工作压下工作,碰撞线宽较小。碰撞线宽较小。并且由于分子的振转跃并且由于分子的振转跃迁寿命长迁寿命长,自然线宽也小。自然线宽也小。因此可得到尖锐的反兰因此可得到尖锐的反兰姆凹陷。同时姆凹陷。同时,因为利用因为利用自基态的吸收跃迁自基态的吸收跃迁,无须无须放电激励放电激励,所以频率复现所以频率复现性好。性好。三三.激光通过激光管和吸收管时所得到的单程净增益应该是激激光通过激光管和吸收管时所得到的单程净增益应该是激光管中的单程增益光管中的单程增益 和吸收管中的单程吸收和吸收管中的单程吸收 的差，即的差，即 如图如图4 4-14(-14(a)，只有频率调到，只有频率调到 附近激光才能振荡。附近激光才能振荡。如图如图4 4-14(-14(b)，频率在整个线宽范围内调谐均能振荡，频率在整个线宽范围内调谐均能振荡。图(4-14)反转兰姆凹陷