长春理工大学-激光器件与技术第五章-1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§5.1绪论概述：激光具有良好的单色性和相干性，在精密计量、光通信、光频标、高分辨率光谱学等领域得到了广泛的应用。•在精密干涉测量中，以激光波长作为尺子，利用干涉原理来测定各种物理量，所以激光波长(频率)的准确度会直接影响测量的精度；•在激光通信中，为提高接收灵敏度，一般采用相干的外差接收方法，激光频率稳定与否将直接影响接收的质量。一台普通自由运转的激光器，因它受到工作环境条件等影响，激光输出频率往往是不稳定的，是一个随时间变化的无规起伏量。通过稳频技术来使激光频率稳定。稳频目的：使频率本身稳定，即不随时间、地点变化。稳频是实际应用的需求。第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:3§5.1绪论一.频率的稳定性和复现性vvSv激光器连续运转时，在一定的时间间隔内平均频率与该时间内频率的变化量Δv之比，用S表示：1.频率稳定度v可见：变化量Δv越小，则S越大，表示频率的稳定性越好，有时也把S的倒数作为稳定度的量度：1vvSv短期稳定度：τ≤τ0时，测得的稳定度长期稳定度：ττ0时，测得的稳定度以探测系统的响应(分辨)时间τ0与测量仪器的观测取样时间τ之间的关系来定例：Sv(τ)=10-10(τ=10s)(1)(2)第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:4§5.1绪论2.频率复现性•作为频率或波长基准的激光器，不仅要求稳定度高，而且要求频率复现性的精度也高。•在不同地点、时间、环境下稳定频率的偏差量与它们的平均频率的比值称之为频率复现性，用R表示：vvRv为被测激光器的平均频率或同一台激光器的标准频率δv为频率的偏差量v一台好的稳频激光器，不仅稳定度要高，频率复现性也要好！结论：频率稳定性表示激光频率在平均频率附近的漂移；频率的复现性表示平均频率本身的变化。(3)第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:5§5.1绪论二.影响激光频率稳定的因素mcmcmmccvvvvvvvvv•激光振荡频率可表示为：vc为光学谐振腔频率vm为原子跃迁谱线频率Δvc为光学谐振腔的谱线宽度Δvm为原子跃迁谱线宽度•当ΔvmΔvc时，可简化为：说明：激光器的振荡频率是由原子跃迁谱线频率及谐振腔的振荡频率共同决定的。两者的变化均会引起激光频率的不稳定。但谐振腔的振荡频率对环境影响很敏感，故激光频率的稳定性主要取决于谐振腔谐振频率的稳定性。(4)(5)mccmc第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:6§5.1绪论•在不考虑原子跃迁谱线频率微小变化的情况，激光振荡频率主要由谐振腔的谐振频率决定：2cvqnLL为谐振腔长度，c为光速，n为腔内介质的折射率，q为纵模序数。若腔长或腔内折射率n发生变化，激光振荡频率也变化，变化量为：vLnvLn可看出：激光频率的稳定问题，归结为如何保持腔长和折射率稳定的问题(6)(7)第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:7§5.1绪论1.温度变化的影响环境温度的起伏或激光管工作时发热，都会使腔材料随着温度的改变而伸缩，从而引起频率的漂移：ΔT为温度变化量，α为谐振腔间隔材料的线膨胀系数，与材料种类有关。LvTLv一般硬质玻璃α=10-5/℃，石英玻璃α=6×10-7/℃，殷钢α=9×10-7/℃稳频激光器都是采用热膨胀系数小的石英玻璃做激光管，用殷钢材料做支架，并将整个激光器系统进行恒温控制，尽量减小温度变化的影响。难以获得优于10-8的频率稳定度。(8)第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:8§5.1绪论2.大气变化的影响•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。实验证明：在外腔式激光器中，通风引起的空气抖动，能在几秒内产生几MHz的快速抖动。•因此要求外腔式激光器裸露在大气中的部分应尽可能少，并且必须避免直接通风。第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:9§5.1绪论3.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。例如建筑物的抖动、车辆的通行、声响等都会引起腔的支架振动，从而使腔的光学长度改变，导致振荡频率的漂移。例如：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。•要克服机械振荡的影响，稳频激光器必须采取良好的防震措施。第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:10§5.1绪论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。例如：1.15μm波长的He-Ne激光器，仅由于地磁效应就可以产生140kHz的频移。•地磁场效应和周围电子仪器的散磁场对于高稳定激光器的影响必须加以考虑。以上几点是造成频率不稳定的外部因素，此外，激光管内充气压比例不同，放电电流的变化，自发辐射所造成的无规噪声等内部因素也会影响频率的稳定性。第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:11§5.1绪论稳频的原理实质：保持折射率n和谐振腔长度L不变。1.主动稳频原理：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.主动稳频分类：①兰姆凹陷稳频法：利用原子跃迁谱线中心频率作为鉴频器进行稳频。②饱和吸收稳频法：利用外界参考频率作为鉴频器进行稳频。第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:12§5.1绪论鉴频器：稳频的关键部件①任务：a.提供参考标准频率。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.谱线中心频率的稳定性和复现性要好，标准频率不能有漂移；b.线宽要窄；c.灵敏度要高，微小变化能鉴别；d.谱线频率要与受控激光器频率匹配。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。第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:13绪论小结•什么是频率稳定度？什么是频率稳定度的量度？•在He-Ne激光其中，Ne原子的谱线宽度ΔυD=1.5×109Hz，其谱线中心频率υ0=4.7×1014Hz，如果不采用稳频措施，这种激光器的频率稳定度为多少？•什么是频率的复现性？•影响频率稳定性的外界因素主要有哪些？•稳频的原理是什么？主动稳频有哪些方法？•鉴频器作为稳频的关键部件应具备哪些条件？第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:14振荡频率=谱线的中心频率时，即v=v0激光器输出功率最低！§5.2兰姆凹陷稳频一.兰姆凹陷在以多普勒加宽为主的非均匀加宽激光器中，一个振荡频率在其增益曲线上能烧两个“孔”(对称于中心频率v0)。两孔的面积与激活介质中参与受激辐射的有贡献的反转粒子数成正比。面积越大，参与受激辐射的粒子数越多，激光器输出功率越强。当连续改变激光振荡频率时，远离谱线中心的烧孔面积小，输出功率也小；当振荡频率位于谱线的中心频率处时，两个“孔”就合二为一了，输出功率曲线在v0处出现一凹陷，称之为：“兰姆凹陷”。第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:15§5.2兰姆凹陷稳频二.兰姆凹陷稳频原理以增益曲线中心频率v0作为参考标准频率，通过电子伺服系统驱动压电陶瓷环来控制激光器腔长，使频率稳定于v0处。组成：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，以改变腔长第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:16§5.2兰姆凹陷稳频兰姆凹陷稳频的实质：•以谱线的中心频率v0作为参考标准；当激光振荡频率偏离v0时，即输出一误差信号；通过伺服系统鉴别出频率偏离的大小和方向，输出一直流电压调节压电陶瓷的伸缩来控制腔长，从而把激光振荡频率自动地锁定在兰姆凹陷中心处。第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:17§5.2兰姆凹陷稳频三.应用兰姆凹陷稳频应注意问题①稳频激光器不仅要求单横模，还要求必须是单纵模。②要得到较高的频率稳定度，需调节激光器放大电流和激光管的参数，并减少谐振腔的损耗，以增加兰姆凹陷深度。③兰姆凹陷线型的对称性也影响频率的稳定性。④兰姆凹陷稳频是以原子跃迁谱线中心频率v0作为参考标准的，故v0本身的漂移会直接影响频率的稳定性和复现性。•由气压造成的压力频移•由斯塔克效应造成的频移•不同放电条件引起的中心频率位移。第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:18§5.3塞曼效应稳频一.塞曼效应•当一个发光的原子系统置于磁场中时，其原子谱线在磁场作用下会发生分裂，称为塞曼效应。例：当He-Ne激光器以单纵模振荡，在谱线中心频率与腔的谐振频率一致时，无频率牵引效应，激光输出频率即为v0。若在光束方向上施加纵向磁场，则沿磁场方向可观察到一条谱线对称地分裂成两条谱线，一条是左旋圆偏振光，频率为(v0+Δv)，另一条是右旋圆偏振光，频率为(v0-Δv)。两条谱线的频率差：2BgHvh两条分裂谱线的交点正是原谱线的中心频率，这就是纵向塞曼效应。第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:19§5.3塞曼效应稳频产生塞曼效应的原因：•原子的能级在外磁场的作用下发生分裂。未加磁场时H=0，原子从高能级跃迁到低能级，便发出频率为v0的光；加磁场之后，这两个能级发生分裂。当原子在这些能级间按选择定则从高能级跃迁到低能级时，便发出三种频率v1=v0+Δv，v0，v2=v0-Δv的偏振光。第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:20§5.3塞曼效应稳频二.塞曼效应稳频原理：•当激光振荡频率正好处于v0时，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的光强相等I左=I右。若激光振荡频率偏离了v0，且vv0，则I左I右；如果激光振荡频率vv0，则I左I右。•根据激光器输出的两个圆偏振光光强的差别，就可以判断出激光振荡频率偏离中心频率的方向和大小。原理：利用塞曼分裂后左、右旋光增益曲线的交点v0作为标准频率，当v偏离v0时，根据左、右光强的变化做误差信号，利用电路反馈系统控制激光器腔长，使v-v0=0。第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:21§5.3塞曼效应稳频三.塞曼效应双频稳频激光器当激光器输出的左旋和右旋圆偏振光进入电光晶体时，变成两个相互垂直的线偏振光。恰当地设置偏振器的偏振轴方向，当电压为正半周时Vλ/4，右旋光经过电光晶体后变成的线偏振光刚好能通过，而左旋光不能通过；当电压变成负半轴时-Vλ/4，左旋光能通过而右旋光不能通过。因此，在偏振器后面的光电接收器就交替地接收到左、右旋光的光强信号I左和I右。当I左I右时，光电接收器的输出信号电压的相位与调制电压相同；当I左I右时，输出信号电压与调制电压反相；当I左=I右时，输出信号为一直流电压。第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:22§5.3塞曼效应稳频工作过程：•在激光器上加磁场以后，由于塞曼效应，输出的左旋光和右旋光进入电光调制器。•电光调制器上加一交变的电压,由于在电光晶体上加频率为f的调制电压，因此在光电接收器上收到的是一个周期变化的频率为f的调制光。利用合成光强的大小和相位，输出一直流电压，控制压电陶瓷使L发生变化，达到稳频。•稳频关键是左右旋光强的大小，即是激光振荡的频率是否偏离及偏离多少，只要偏离，则左右旋光有差别，则合成光强的大小和相位改变可以鉴别出来——灵敏度比兰姆凹陷高。第五章稳频技术长春理工大学电子科学与技术系Page:23稳频技术小结•什么是频率稳定度？什么是频率稳定度的量度？•在He-Ne激光其中，Ne原子的谱线宽度