光的自激振荡

２０１２在　第７期　仪表技术与传感器　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｓｅｎｓｏｒ　２０１２　Ｎｏ．７　

自激式铯光泵磁力仪吸收室恒温控制系统　

龙财　，董浩斌‘，谭超　

（１．中国地质大学机械与电子信息学院，湖北武汉４３００７４；２．中国船舶重工集团公司第七一。研究所，湖北宜昌４４３００３）　

摘要：吸收室是自激式铯光泵磁力仪的重要组成部分，通常采取加热控制维持吸收室的恒温。研究并设计了应用于　

铯光泵磁力仪吸收室的恒温加热控制系统，为验证该系统研制了一个恒温槽模型，通过对恒温槽进行加热模拟对铯光泵　磁力仪吸收室加热的过程，在此基础上研制了测温平台，通过ＬａｂＶＩＥＷ观测恒温槽内温度随时问变化的全过程。实验结　

果验证了恒温加热控制系统在铯光泵磁力仪中应用的可行性，对铯光泵磁力仪探头激励的研究提供了数据支持。　

关键词：自激振荡；铯光泵磁力仪；自动增益控制；ＰＴ１０００　

中图分类号：ＴＨ７６２．３　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００２—１８４１（２０１２）０７—００２９—０３　

Ｃｏｎｓｔａｎｔ　Ｔｅｍｏｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｎ　Ｉｎｈａｌａｔｉｏｎ　

Ｃｈａｍｂｅｒ　ｏｆ　Ｓｅｌｆ－Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ　Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ　Ｐｕｍｐｅｄ　Ｃｅｓｉｕｍ　Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ　

ＬＯＮＧ　Ｃａｉ　，ＤＯＮＧ　Ｈａｏ—ｂｉｎ　，ＴＡＮ　Ｃｈａｏ　

（１．Ｆａｃｕｌｔｙ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｗｕｈａｎ　４３００７４，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｎｏ．７１０　Ｒ＆Ｄ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣＳＩＣ，Ｙｉｃｈａｎｇ　４４３０３３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｈａｌａｔｉｏｎ　ｃｈａｍｂｅｒ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｉｎ　ｓｅｌｆ－ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ　ｏｐｔｉｃａｌｌｙ　ｐｕｍｐｅｄ　ｃｅｓｉｕｍ　ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ，ａ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ａｌｗａｙｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｈｏｗ　ｔｏ　ｄｅｓｉｇｎ　ａ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　

激光的特性：方向性好、单色好、相干性好、亮度高。由于谐振腔对光振荡方向的限制，激光只有沿腔轴方向受激辐射才能振荡放大，所以激光具有很高的方向性。半导体激光器的方向性最差。衍射极限θm≈1.22λD(λ为波长，D为光束直径)；激光是由原子受激辐射而产生，因而谱线极窄，所以单色性极好。单模稳频气体激光器的单色性最好，半导体激光器的单色性最差；激光是通过受激辐射过程形成的，其中每个光子的运动状态（频率、相位、偏振态、传播方向）都相同，因而是最好的相干光源。激光是一种相干光这是激光与普通光源最重要的区别；激光的高方向性、单色性等特点，决定了它具有极高的单色定向亮度。相干性包括时间相干和空间相干，有时用相干长度𝐋𝐂=𝐂∆𝐕来表示相干时间。自发辐射：处于高能级E2的原子自发地向低能级跃迁，并发射出一个能量为hv=E2−E1的光子，这个过程称为自发跃迁。自发辐射跃迁概率（自发跃迁爱因斯坦系数）A21=（dn21dt）sp1n2=−1n2dn2dt（n2为E2能级总粒子数密度；dn21为dt时间内自发辐射跃迁粒子数密度）；受激辐射：在频率为v=(E2−E1)/h的光照激励下，或在能量为hv=E2−E1的光子诱发下，处于高能级E2上的原子可能跃迁到低能级E1，同时辐射出一个与诱发光子的状态完全相同的光子，这个过程称为受激辐射跃迁W21=（dn21dt）st1n2=−1n2dn2dt。受激辐射跃迁与自发辐射跃迁的区别在于，它是在辐射场（光场）的激励下产生的，因此，其月前概率不仅与原子本身的性质有关，还与外来光场的单色能量密度ρv成正比，W21=B21ρv，B21称为爱因斯坦系数；受激吸收：处于低能级E1的原子，在频率为v的光场作用（照射）下，吸收一个能量为hv21的光子后跃迁到高能级E2的过程称为受激吸收跃迁，受激吸收恰好是受激辐射的反过程。受激吸收跃迁概率W12=（dn12dt）st1n1=1n1dn2dt，与上个概念类似，W12=B12ρv，B12称为爱因斯坦系数。三个爱因斯坦系数之间的关系为f1B12=f2B21，A21B21=8πhv3c3（fi为Ei能级的统计权重）；激光产生的两个基本（必要）条件：粒子数反转，光学谐振腔（减少模式数量）。原因：只要使发光物质处于粒子数反转的状态，受激辐射就会大于受激吸收，当频率为v的光束通过发光物质，光强就会得到放大，这便是激光放大器的基本原理。即便没有入射光，只要发光物质中有一个频率合适的光子存在，便可像连锁反应一样，迅速产生大量相同光子态的光子，形成激光，这就是激光器的基本原理。解决受激辐射与自发辐射的矛盾，使受激辐射占绝对优势，还需要利用光学谐振腔来实现光的自激震荡，即激光震荡。激光产生的两个充分条件：阈值条件，增益饱和。原因：因为谐振腔内存在着损耗，只有当光在谐振腔内来回一次所得到的增益大于同一过程中的损耗时，才能维持光震荡，这个条件是激光器实现自激震荡所需要的最低条件，又称阈值条件。三能级系统的构成、特点：受激辐射在E1和E2两个能级之间产生，其中E1作为基态，作为激光下能级，泵浦源将激活粒子从E1能级抽运到E3能级，E3能级的寿命很短，激活粒子很快地经非辐射跃迁到达E2能级。E2能级的寿命比E3长得多，为亚稳态作为激光上能级。四能级系统的构成、特点：与三能级系统类似，其中E3为激光上能级，E2为激光下能级，泵浦源将激光激活粒子从基态E1抽运到E4能级，E4能级的寿命很短，立即通过非辐射跃迁方式到达E3能级。E3能级寿命较长，是亚稳态。而E2能级寿命很短，热平衡是基本是空的，因此易于实现E3与E2两能级之间的粒子数反转。增益系数的定义：G(z)=dI(z)dz1I（z）；受激辐射光放大的概念：在一个入射光子的作用下，可引起大量发光粒子产生受激辐射，并产生大量运动状态完全相同的光子，这种现象称为受激辐射光放大。

激光原理总结⼀共四章§Chapter 1

爱因斯坦系数/激光产⽣条件/激光结构/激光优点

1. ⾃发辐射: 上能级粒⼦，⾃发地从E

2能级跃迁到E

1能级，并辐射出光⼦

2. 受激辐射: 上能级粒⼦，遇到能量等于能级差的光⼦，在光⼦激励下，粒⼦从E

2能级跃迁到E

1能级，并辐射出⼀个与⼊射光⼦完全相同

的光⼦

3. 受激吸收: 下能级粒⼦，遇到能量等于能级差的光⼦，在光⼦激励下，粒⼦从E

1能级跃迁到E

2能级，并吸收⼀个⼊射光⼦

三个爱因斯坦系数：

dn

21=A

21n

2dt(⾃发辐射)

dn′

21=B

21n

2ρ

vdt(受激辐射)

dn

12=B

12n

1ρ

vdt(受激吸收)

三个爱因斯坦系数的关系：

A21

B

21=8πhν3

c3

B

12g

1=B

21g

2

粒⼦数反转分布状态:

dn′21

dn

12=g

1n2

g

2n

1>1

受激辐射⼤于受激吸收,打破波尔兹曼分布。此时可称“得到增益”。⽽普通情况下，受激辐射/⾃发辐射较⼩（计算参看讲义）。

总结：产⽣激光的基本条件是“粒⼦数反转分布和增⼤⼀⽅向上的光能密度”

激光器的基本结构：

1. ⼯作物质：增益介质/粒⼦数反转/上能级为亚稳态

2. 激励装置：能源/光/电

3. 谐振腔：反馈/光强/模式

三能级系统：亚稳态寿命长，阈值⾼，转换效率低。如红宝⽯激光器

四能级系统：阈值低，连续运转，⼤功率。如He-Ne

激光器的优点：1.

相⼲性好：受激辐射的光具有相⼲性，相⼲长度L

c=λ2

Δλ，相⼲时间τ=L

c

c

2. ⽅向性好：谐振腔

3. 单⾊性好

4. 亮度⾼：受激辐射的光强⼤

§Chapter 2

稳定性/模式分析/⾼斯光束

腔的分类参考Ch2-P1

光腔的稳定性条件：傍轴模在腔内往返⽆限多次不逸出腔外,数学形式如下g

1=1−L

R

1,g

2=1−L

R

2

0≤g

1g

2≤1

按照稳定性得到三种腔♥

0

1g

2<1稳定腔

♥

g

1g

2=0org

1g

2=1临界腔

♥

g

1g

2<0org

1g

2>1⾮稳腔

♥ ♥　♥ ♥♥ ♥ bbx ♥ nnx

图解法判断腔的稳定条件Ch2-P2⽤上述条件判断各种腔的稳定性，注意曲率R的⽅向"凹⾯向着腔内时(凹⾯镜)，R>0；凸⾯向着腔内时(凸⾯镜)，R<0"。题⽬参见Ch2-

自激多谐振荡电路的Multisim仿真

1. 仿真电路图

图一

图一中的LED1为绿色发光二极管，LED2为红色发光二极管，运行仿真电路后，两个二极管交替闪烁。

2. 仿真波形

图二

3. 电路说明

该电路的特点是晶体管Q1、Q2通过电容C1、C2以正反馈的关系互相耦合，由于正反馈和C1、C2的充放电作用而形成振荡，Q1和Q2交替导通截止，输出波形如图二所示。

具体工作情况：

（一）由仿真波形可以看出，电路接通后，Q1先导通（实际工作时，由于晶体管的差异，两管

皆有可能先导通，谁先导通不重要，因为电路是对称的，所以不影响电路工作和电路分析），Q1导通后，Rc1上的电压降增大，即VC1（Q1的集电极电压）减小，VC1通过C1耦合到Q2的基极上（负

电流脉冲），这样，Q2的基极电流减小，则Q2的集电极电流减小，Rc2上的电压降减小，则VC2（Q2

的集电极电压）上升。VC2通过C2耦合到Q1的基极上（正脉冲电流），这样，Q1的基极电流急剧增

大，Q1的集电极电流急剧增大，Rc1上的电压降急剧增大，VC1急剧减小，VC2急剧增大，Q1迅速

饱和，Q2则迅速截止，此过程中电容C1靠近Q2的基极一侧通过Rb1充电的电位为正，VB2逐步上升，此时LED1发光；

（二）Q1饱和，Q2截止以后，VC1不再变化，电容C1充电结束，开始放电，放电电流使Q2

的基极电流增大，Q2导通，Q2导通以后，Q2的集电极电流增大，Rc2上的电压降增大，VC2（Q2

的集电极电压）减小，VC2通过C2耦合到Q1的基极（负脉冲电流），Q1的基极电流减小，则Q1的

集电极电流减小，Rc1上的电压降减小，VC1增大，VC1通过C2耦合到Q2的基极上（正脉冲电流），这样，Q2的基极电流急剧增大，Q2的集电极电流急剧增大，Rc2上的电压降急剧增大，VC2急剧减

小，VC1急剧增大，Q2迅速饱和，Q1迅速截止，此过程中C2靠近Q1基极一侧通过Rb2充电的电位