长春理工大学-激光器件与技术第五章-2讲

§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§长春理工大学电子科学与技术系Page:1第5章————————————稳频技术第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:2§5.4饱和吸收稳频一.概述：兰姆凹陷稳频、塞曼效应稳频等，提高频率的稳定性和复现性的关键是如何选择一个稳定的和尽可能窄的参考频率。它们都是利用激光本身的原子跃迁中心频率作为参考点，但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受到局限！•兰姆凹陷稳频：稳定度10-9，复现性10-7；•塞曼效应稳频：稳定度10-10，复现性10-7。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行稳频。例如：饱和吸收稳频（反兰姆凹陷稳频）。第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:3§5.4饱和吸收稳频二.饱和吸收稳频•在谐振腔中放入一个充有低气压气体原子的吸收管，它有和激光振荡频率配合很好的吸收线，吸收管气压很低，故碰撞加宽很小，可忽略不计，同时吸收管一般没有放电作用，故谱线中心频率比较稳定。这样，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。第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:4§5.4饱和吸收稳频1.反兰姆凹陷：•由于激光器中多了一个吸收管，激光器的输出功率-频率曲线在吸收物质原子谱线中心v’0附近出现一个尖峰，称为反兰姆凹陷。它比兰姆凹陷宽度更窄，斜率更大，所以能到更好的稳频效果。•对于v=v0的光，其正向传播和反向传播的两列行波光强均被吸收管中速度为0的分子吸收，即两列光强作用于同一群分子上，故吸收容易达到饱和；而对于v≠v0的光，则正向传播和反向传播的两列行波光强分别被纵向速度为+V及-V的两群分子所吸收，所以吸收不容易达到饱和，在吸收线的v0处出现吸收凹陷。意味着吸收最小，故激光器输出功率在v0处出现一个尖峰。第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:5§5.4饱和吸收稳频2.反兰姆凹陷稳频工作过程：稳频时，以v0为标准频率，在v0处输出的光强为I0。当频率偏离v0时，输出的光强得到误差信号，通过电路系统的处理，改变压电陶瓷上加的直流电压控制腔长L使v→v0。兰姆凹陷稳频：稳定度10-9，复现性10-7；塞曼效应稳频：稳定度10-10，复现性10-7。反兰姆凹陷稳频：稳定度10-13，复现性10-12。第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:6§5.4饱和吸收稳频•目前多采用分子气体来作为饱和吸收稳频的气体。•分子气体的吸收线作为参考标准频率，如下优点：①分子的振动跃迁寿命比Ne原子的寿命长，可达到10-2~10-3量级，因此分子谱线的自然宽度比原子谱线窄得多。分子吸收线产生于基态与振动能级间的跃迁，吸收管不需要放电激励即有很强的吸收，因而避免了放电的扰动。②吸收管气压较低，由分子碰撞引起的谱线加宽非常小，其反兰姆凹陷的宽度只有105Hz以下极窄的谱线。③分子的基态偶极距为零，所以斯塔克效应和塞曼效应都很小，由此而产生的频移和加宽可忽略不计。第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:7§5.4饱和吸收稳频饱和吸收稳频激光器的频率稳定度最终取决于吸收谱线的频率稳定性，也和谱线的宽度以及信噪比有关，所以选择理想的吸收介质十分重要，满足：①吸收谱线与激光增益谱线的频率基本上相符；②吸收系数要大，低能级最好是基态；③激发态寿命较长，谱线自然宽度小；④气压低，谱线碰撞加宽、频移小；⑤分子结构稳定，尽可能没有固有电矩和磁矩，以减少碰撞、斯塔克和塞曼频移与加宽。第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:8§5.4饱和吸收稳频兰姆凹陷稳频和反兰姆凹陷稳频•兰姆凹陷稳频的实质是：以谱线的中心频率υ0作为参考标准，当激光振荡频率偏离υ0时，即输出一误差信号→通过伺服系统鉴别出频率偏移的大小和方向，输出一直流电压调节压电陶瓷的伸缩来控制腔长→把激光振荡频率自动的锁定在兰姆凹陷中心处。•反兰姆凹陷稳频是在谐振腔中放入一个充有一个低压气体原子（或分子）的吸收管，它有和激光振荡频率配合很好的吸收线，而且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。吸收线在中心处的凹陷，意味着吸收最小，故激光器输出功率(光强)在υ0处出现一个尖峰,通常称为反兰姆凹陷，反兰姆凹陷可以作为一个很好的稳频参考点。•兰姆凹陷稳频是利用激光本身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。反兰姆凹陷稳频是采用外界参考频率标准进行稳频，提高了频率的稳定性和复现性。第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:9饱和吸收稳频小结•饱和吸收稳频法的稳定度和复现性都远远优于兰姆凹陷稳频法和塞曼效应稳频法。作为饱和吸收稳频激光器，其频率稳定度最终取决于吸收谱线的频率稳定性，谱线的宽度以及信噪比，基于此，请简要回答理想的吸收介质应具备哪些条件？•比较兰姆凹陷稳频与反兰姆凹陷稳频的异同点。第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:10§5.5其他稳频激光器•He-Ne激光器激光原子谱线本身、外界饱和吸收谱线•CO2激光器的稳频荧光稳频法•脉冲运转激光器的稳频共焦干涉仪法•半导体激光器的稳频共焦干涉仪法、Cs原子饱和吸收第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:11§5.5其他稳频激光器脉冲运转激光器的稳频固体脉冲激光器单模运转存在困难：固体激光器增益带宽较宽；脉冲激光器增益太高；不稳定因素：抽运源大电流工作时输出功率、波长存在变化；激光介质温度变化激烈；消除空间烧空注入锁频被动稳频做到最佳的基础上开展主动稳频！第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:12§5.5其他稳频激光器在腔外放置一个无源共焦干涉仪。F-P干涉仪的透过率随光频率的变化发生变化；激光频率的变化会引起透过F-P干涉仪光功率的变化。F-P干涉仪主动稳频：采用一种特殊的搜索电路以保证每一个光脉冲的频率都能对准共焦干涉仪的透射峰值。具体操作：在光脉冲出现的瞬间，搜索电路开始工作，用一个扫描电压改变腔长，当光电检测器接收到F-P干涉仪的共振信号，搜索电路就会自动转换成补偿信号电压，其补偿量的大小是预先经过测定的，以保证脉冲激光器频率在整个脉冲周期内对准F-P的中心。激光频率的起伏可能仍然较大，在前述操作基础上，再加一套快速锁定系统，该系统能比较检测器1和检测器2上的激光功率大小，并通过比较光脉冲功率和F-P干涉仪透射的功率得到一个误差信号，再经过锁定环路伺服系统改变激光器的光学长度，使振荡的光频率稳定在F-P腔透射曲线的最大斜率处，构成快速稳频环路。第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:13§5.5频率稳定性和复现性的测量•激光频率极高，欲直接测量频率的稳定度是很困难的。•常利用拍频的方法进行相对测量，类似于电子技术中的差频技术，将两列光波进行混频，所得差频信号为无线电射频信号，利用频谱分析仪及频率计均可对此拍频信号产生响应。•激光的相干性好，当两束光叠加在一起时，初相位的差值是暂时稳定的或缓慢变化的，因而会产生干涉现象。两束光波之间的可相干性，为测量光波频率稳定性提供了一种方法-拍频测量法。第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:14§5.5频率稳定性和复现性的测量2222221122112212121212cos2cos2cos2cos2pcccccciIEtEvEvAvtAvtAAvvtAAvvt11112222cos2cos2ccEvAvtEvAvt•设频率相差很小的两束光波，瞬时频率分别为v1(t)和v2(t)，其光场分别为：拍频原理：(2)(1)•当这两束光垂直入射到光电探测器上时，其输出的合成振动正比于光强，即输出的光电流为：)cos(21)cos(21coscosBABABA(3)余弦函数平方的平均值等于1/2和频项，频率很高，现有光探测器无法响应，其平均值为零。差频项，相对于光频来说要缓慢很多。第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:15§5.5频率稳定性和复现性的测量当差频信号低于光电探测器的截止频率时，即有光电流输出：1212cos2pcciAAvvt可见：差频信号电流的频率(v1-v2)随两束光的频率v1、v2成比例变化。若激光器1相对于激光器2的频率稳定性很高，可认为v1≈v0作为参考频率，拍频Δv=v1-v2=v0-v2，因此拍频频率值的变化主要是由激光器2的频率漂移的作用引起的。激光器2相对于激光器1的频率稳定性为Δv/v0。(4)第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:16§5.5频率稳定性和复现性的测量拍频法的原理示意图两信号的差频vB具有较低的数值，用计数器测定其M个周期的长度为τ，由τ的起伏可计得两信号源的稳定度。当作为参考信号的激光器1的稳定度高于被测信号的激光器2一个数量级时，可认为测得的结果全由被测信号的激光器2产生。第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:17§5.5频率稳定性和复现性的测量两信号的差频表示为：MTB111(5)υB的周期τ=M·T1M个周期考虑到频率的不稳定性T1=T0+ΔT1υB=υB0+ΔυBτ=τ0+Δτ相应于T0=τ0/MΔT1=Δτ/MΔT1/T1=ΔυB/υBΔυB≈ΔT1/T02=MΔT/τ02根据误差理论因此，在t时刻，τ取样长度下的频率相对起伏为ΔυB/υB=MΔT/υ0τ02(6)第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:18§5.5频率稳定性和复现性的测量拍频法测量激光器输出频率稳定性的实例可直接进行观察直接读取拍频的频率值第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:19§5.5频率稳定性和复现性的测量•对于同一批型号的He-Ne激光器，取其中一台激光器的输出频率作为参考频率，记作SL1，则SL2为各待测的激光器。•在相同的运转条件下，先后测得其中一台激光器相对于SL1的拍频频率，分别记作Δυ1、Δυ2、…ΔυN，N为取样测量的次数。•由于频率起伏是随机的，所以频率稳定度常采用统计的阿伦方差进行处理。激光频率偏差的双取样阿伦方差为则激光频率稳定度的双取样阿伦方差为21122221,2NiiiNNSNiii2211,2211222υ2i、υ2i-1为取样平均时间τ内连续测量两个相邻的差频信号的频率。假定每一台激光器对差频频率起伏具有相同的作用因子。激光的平均频率(7)(8)第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:20频率稳定性和复现性的测量小结•激光频率极高，欲直接测量频率的稳定度是很困难的。所以常利用拍频的方法进行测量，采用频率计对拍频的频率进行测量，其数据通常采用何种方法进行处理？第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:21小结•饱和吸收稳频法的稳定度和复现性都远优于兰姆凹陷稳频法和塞曼效应稳频法。作为饱和吸收稳频激光器，其频率稳定度最终取决于吸收谱线的频率稳定性、谱线的宽度以及信噪比，基于此，请简要回答理想的吸收介质应具备哪些条件？•比较兰姆凹陷稳频与反兰姆凹陷稳频的异同点。•激光频率极高，欲直接测量频率的稳定度是很困难的。所以常利用拍频的方法进行测量，采用频率计对拍频的频率进行测量，其数据通常采用何种方法进行处理？