激光器的稳频

2 稳频方法概述
稳频的实质： 不变。 稳频的实质：保持μ、L不变。 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 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 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。
图所示的是一台CO 激光器的防震 恒温装置 防震、 装置。 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 措施，温度可恒定在35± 为了防震， 35 置有海绵垫，并将整个装置放在坚固稳定的防震台上； 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。
βT = µ ( ) = −9.3 ×10 / C
1 −7 0
dµ dT
β p = µ ( ) = 5 ×10 / Pa
1 −5
dµ dp
β H = µ ( ) = −8 ×10 / Pa
1 −6
dµ dH
又设测量中温度、 又设测量中温度、气压及湿度的时间变化率分别为
dT dt dp dt dH dt
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,因而可利用压电陶瓷的伸缩来控制腔长。 反之则缩短,因而可利用压电陶瓷的伸缩来控制腔长。
二.腔长自动补偿系统的方框图
前
兰姆凹陷法稳频方框图
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 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。 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， 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 当选频放大信号和参考信号同相位时 同相位时， 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。 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， 约为l 压外，还给出一个频率为 f [(约为lkHz)、幅度很小(只有零点 ) 幅度很小( 几伏)的交流讯号，称为“搜索讯号” 几伏)的交流讯号，称为“搜索讯号”]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。
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 激光的特点之一是单色性好,即其线宽Δν与频率ν的比 Δν与频率 Δν/ν很小 但由于各种不稳定因素的影响, 很小。 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、 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, 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. 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, 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 激光器通过选模获得单频率振荡后 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。 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。 稳频目的：使频率本身稳定，即不随时间、地点变化。
稳频原理示意图。 三. 稳频原理示意图。 假如由于某种原因(例如温度降低) 假如由于某种原因(例如温度降低) 缩短， 使L缩短，引起激光频率由 ν 0 偏至 ， 缩短 ∆P ∆ν 与νB 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 收器输出一个频率为 的信号 经前置 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 放大 选频放大后送入相敏整流器 相 负的直流电压,经 敏整流器输出一个负的直流电压 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 压电陶瓷的外表面, 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,于是频率v 压电陶瓷缩短,腔长伸长,于是频率 B 被拉回到v 被拉回到 0
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， 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， 改变而伸缩， 着温度的改变而伸缩，以致引起频率的漂移，即
α∆T = ∆LL = ∆ν ν
式中， 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， 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， 为温度的变化量 硬质玻璃α=10-5/0C，石英玻璃 硬质玻璃 ，石英玻璃α=6×10-7/0C，殷钢 × ，殷钢α=9×10-7/0C。 × 。 一般难以获得优于10 的频率稳定度。 一般难以获得优于 -8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L，放电管长度为L 对于外腔式激光器，设谐振腔长为 ，放电管长度为 0，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、 暴露在大气中部分的相对长度为 ，大气的温度、气压、 湿度的变化都会引起大气折射率的变化， 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=200C，气压 的变动。设环境温度 ，气压p=1.013×105Pa，湿度 × ， H=1.133kPa,则大气对 则大气对633nm波长光的折射率变化系数分别为 波长光的折射率变化系数分别为 则大气对 波长光的
单频CO2激光器防震、恒温装置 激光器防震、 单频 激光器防震 1.激光器 2.减震器 3.石英玻璃管 4.铅筒 外绕加热丝 激光器 铅筒(外绕加热丝 减震器 石英玻璃管 铅筒 外绕加热丝)
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 率稳定度可达到10 量级。但要提高到量级10 以上， 率稳定度可达到 -7量级。但要提高到量级 -8以上，单靠这种被 动式稳频方法就很难达到了， 随动， 动式稳频方法就很难达到了，必须采用 伺服 （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。
c 2 µL 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 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 以及大 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 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 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及折射率都在一定范围内变化 折射率。 及折射率都在一定范围内变化, 部分的折射率。以上因素使腔长 及折射率都在一定范围内变化, 的变化为∆ 引起的频率相对变化为： 当L的变化为∆L，µ的变化为∆µ时，引起的频率相对变化为： 的变化为 ， 的变化为∆
3 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 兰姆凹陷法稳频
一、稳频原理： 稳频原理 兰姆凹陷：对非均匀加宽激光介质， 1. 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.结构和原理： 2.结构和原理： 结构和原理 ①单纵模激光器。其中一块反射镜固定在 单纵模激光器。 压电陶瓷上， 压电陶瓷上，利用压电陶瓷的伸缩来调 整腔长L 整腔长L。 ②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， 号转变为电信号——作为电路的信号。 作为电路的信号。 号转变为电信号 作为电路的信号 ③电路系统。将误差讯号转成一直流电压 电路系统。 加到压电陶瓷上，以改变腔长。 加到压电陶瓷上，以改变腔长。
∆ν ∆L ∆µ = −( + ) ν L µ
一个管壁材料为硬玻璃的内腔式氦氖激光器, 一个管壁材料为硬玻璃的内腔式氦氖激光器,当温度漂移 硬玻璃的内腔式氦氖激光器 1℃时 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。 ±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 腔长变化、折射率变化都是影响频率稳定的因素
−9
∆ λ (τ )
λ
H
= ± 4 . 8 × 10
τ
式中， 为测量时间 对示波器τ=3~5s，对XY记录 为测量时间， 记录τ≤1min。 式中，τ为测量时间，对示波器 ， 记录
3.机械振动的影响 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。 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, 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； 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， 的光腔，当机械振动引起 的腔长改变时， 对于 的光腔 的腔长改变时 频率将有1× 的变化。因此，要克服机械振动的影响， 频率将有 ×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。 光器必须采取良好的防震措施。
2.鉴频器：是稳频的关键部件。 2.鉴频器：是稳频的关键部件。 鉴频器
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 任务：a.提供标准频率。b.频率鉴别： 提供标准频率 频率鉴别 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：a.中心频率要稳定 标准频率不能有漂移。b.灵 中心频率要稳定， 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。 敏度要高，微小变化能鉴别。 鉴频器的类型：以原子谱线本身作为鉴频器； 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。 频器。