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唐山师范学院物理系第三节激光器的稳频教学要求：理解激光器的频率漂移等概念；掌握兰姆凹陷稳频原理与结构。唐山师范学院物理系主要内容一、激光器的频率漂移二、激光器频率的不稳定因素三、兰姆凹陷法稳频的结构及原理唐山师范学院物理系一、激光器的频率漂移选模可使激光器实现单频振荡。但激光器各种内部或外部条件的变化等不稳定因素会导致单模激光器的谐振频率通常在整个增益频宽范围内波动。该现象称为激光器的频率漂移。为了避免激光频率随时间的漂移而影响激光器的单色性，人们发展了多种激光稳频技术，以满足精密干涉计量、光频标、光通信、光陀螺及精密光谱研究等对激光器频率稳定的要求。唐山师范学院物理系二、激光器频率的不稳定因素激光的特点之一是单色性好，即其线宽Δν与频率ν的比值Δν/ν很小。自发辐射噪声引起的激光线宽极限确实很小，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、激光陀螺及精密光谱研究等应朗领域中，需要频率稳定的激光。当谐振腔内折射率均匀时，单纵模单横模激光器的纵模频率νq为：可见，实际激光器谐振腔的腔长L及腔内介质的折射率可能随着激光器工作条件的变化而改变，并导致振荡频率的不稳定。Lcqq2唐山师范学院物理系激光器频率的不稳定因素环境温度的起伏、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部分的折射率。以上因素使腔长L及折射率市都在一定范围ΔL，Δη内变化，因此频率νq也在Δν范围内漂移。Δν可表示为：其中，负号表示当腔长或折射率增大时，振荡频率减小。一个管壁材料为硬玻璃的内腔式氦氖激光器，当温度漂移土1℃时，由于腔长变化引起的频率漂移已超出增益曲线范围。因此，在不加任何稳频措施时，单纵模氦氖激光器的频率稳定性为LL6146103107.4101500唐山师范学院物理系因而在计量等技术应用中，必须采用稳频技术以改善激光器的频率稳定性。通常所说的频率稳定特性包含着频率稳定性及频率复现性两个方面。频率稳定性描述激光频率在参考标准频率s附近的漂移，而频率复现性则是指参考标准频率s本身的变化。为了改善频率稳定性通常采用电子伺服控制激光频率，当激光频率偏离标准频率时，鉴频器给出误差信号控制腔长，使激光频率自动回到标准频率上。这里将介绍兰姆凹陷稳频的原理。唐山师范学院物理系三、兰姆凹陷法稳频的结构及原理兰姆凹陷法以增益曲线中心频率ν。为参考标准频率，电子伺服系统通过压电陶瓷控制激光器的腔长，使频率稳定于0。下图兰姆下陷稳频系统示意图。单纵模激光器安装在殷钢或石英制成的谐振腔间隔器上，其中一块反射镜贴在压电陶瓷环上，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。唐山师范学院物理系左图表示兰姆凹陷稳频的基本原理。在压电陶瓷上加上一个直流偏压和一个频率为f的音频调制电压,前者控制激光工作频率ν,后者使其低频调制。如果激光频率ν=ν。,则调制电压使激光频率在ν。附近变化,因而输出功率P以频率2f作周期性变化。兰姆凹陷稳频的基本原理唐山师范学院物理系兰姆凹陷稳频的基本原理这时工作频率为f的选频放大器输出为零,没有附加的电压输送到压电陶瓷上,因而激光器继续工作于νo.如果激光频率ν大于ν。,则激光输出功率的调制频率为f,相位与调制电压相同。于是光电接收器输出一频率为f的信号,经选频放大器放大后送入相敏检波器。相敏检波器输出一个负的直流电压。唐山师范学院物理系兰姆凹陷稳频的基本原理经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。于是激光频率ν被拉回到ν。，如果激光频率ν小于ν。，则输出功率的调制相位与调制电压相位相差π相敏检波器输出一正的直流电压，它使压电陶瓷伸长，于是激光频率ν增加并回到ν。。唐山师范学院物理系为了改善频率稳定性,希望微弱的频率漂移就能产生足以将频率拉回ν。的误差信号,这就要求兰姆凹陷窄而深。要使频率稳定性优于4×10-9,凹陷深度应达1/8(在左图中ΔP/P。为凹陷深度)。由激光器的半经典理论可知,兰姆凹陷的深度和激发参量gml/δ成正比,所以使激光器工作于最佳电流并降低损耗可以增加凹陷深度。兰姆凹陷稳频的基本原理唐山师范学院物理系兰姆凹陷稳频的基本原理凹陷宽度δν则正比于Δv,因而正比于气压,故降低气压可使凹陷变窄,但气压过低会使激光器功率降低,甚至使激光不能产生。为了提高稳频系统对微弱信号响应的灵敏度，从而改善激光频率稳定度，要求兰姆凹陷要窄而深。稳频的气体激光器应具有大的激发参量G0l/和较低的充气气压。唐山师范学院物理系因此,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,制作单频稳频激光器时应充以单一同位素Ne20或Ne22。兰姆凹陷法稳频可获得优于10-9的频率稳定性。由于谱线中心频率ν。随激光器放电条件而改变,频率复现性仅达10-7~10-8。此外,这种激光器的输出激光的光强和频率均有微小的音频调制。图8.2.3输出功率曲线圃(a)单一同位素Ne20(b)普通氖气。左图给出充普通氛气与单一同位素Ne20的氦氖激光器的输出功率曲线,普通氖气包含Ne20及Ne22两种同位素,二者谱线中心频率之差为：MHz8902022唐山师范学院物理系作业给出兰姆凹陷稳频的装置图，并说明稳频原理。唐山师范学院物理系人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。唐山师范学院物理系