c4.2激光器的稳频

§4.4激光调制技术§4.3激光束的变换§4.1激光器输出的选模1§4.5激光偏转技术第四章激光的基本技术§4.6激光调Q技术§4.2激光器的稳频§4.7激光锁模技术频率的稳定性包括两个方面：稳定度：指激光器在一次连续工作时间内的频率漂移与振荡频率之比复现度：激光器在不同地点、时间、环境下使用时频率的相对变化量一般希望稳定度和复现度都在10-8以上。目前稳定度一般在10-9左右，较高的可达10-11~10-13；复现度一般在10-7左右，高的可达10-10~10-12。激光稳频一般是对气体激光器而言的。νννSννR§4.2激光器的稳频ν气体激光器的频率稳定性主要取决谐振腔振荡频率的稳定性。对共焦腔的TEM00模来说，谐振频率的公式可以简化为：当L的变化为L，的变化为时，引起的频率相对变化为：Lcqν2)(LLνν4.2.1影响频率稳定的因素腔长变化的影响温度变化：一般选用热膨胀系数小的材料做为谐振腔机械振动：采取减震措施折射率变化的影响内腔激光器:温度T、气压P、湿度h的变化很小，可以忽略外腔和半外腔激光器:腔的一部分处于大气之中，温度T、气压P、湿度h的变化较放电管内显著。应尽量减小暴露于大气的部分，同时还要屏蔽通风以减小T、P、h的脉动4.2.2稳频方法概述被动式稳频:利用热膨胀系数低的材料制作谐振腔的间隔器；或用膨胀系数为负值的材料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合，以便热膨胀互相抵消，实现稳频。这种办法一般用于工程上稳频精度要求不高的情况。主动式稳频：把单频激光器的频率与某个稳定的参考频率相比较，当振荡频率偏离参考频率时，鉴别器就产生一个正比于偏离量的误差信号。把激光器中原子跃迁的中心频率做为参考频率，把激光频率锁定到跃迁的中心频率上，如兰姆凹陷法、塞曼效应法。把振荡频率锁定在外界的参考频率上，例如用分子或原子的吸收线作为参考频率，是目前水平最高的一种稳频方法。选取的吸收物质的吸收频率必须与激光频率相重合。如饱和吸收法。4.2.3兰姆凹陷法稳频兰姆凹陷的中心频率即为谱线的中心频率，在其附近频率的微小变化将会引起输出功率的显著变化。可通过输出光强的监测，设计腔长自动补偿系统，使激光频率精确稳定在谱线的中心频率图4-8兰姆凹陷法稳频激光器的基本结构基本结构：反射镜和支架之间加一块压电陶瓷，压电陶瓷接稳频器上，稳频器按实际情况正确地给出调整电压，该电压加到压电陶瓷内外表面上使其伸缩，从而自动调节腔长以达到稳频的目的。0ν4.2.3兰姆凹陷法稳频兰姆凹陷法稳频系统的方框图如图4-9所示图4-9兰姆凹陷法稳频方框图压电陶瓷加一直流电压：用以调节腔长使初始频率为压电陶瓷上还需加一频率为f(约为lkHz)、幅度很小(只有零点几伏)的交流信号，此信号称为“搜索信号”。搜索信号使腔长以频率f作振动，就使激光频率以频率f变化。0ν图4-10为稳频原理示意图。图4-10稳频原理假如由于某种原因(例如温度升高)使L伸长，引起激光频率由偏至，与的位相正好相反0νAνPν假如由于某种原因(例如温度降低)使L缩短，引起激光频率由偏至，与的位相正好相同0νBνPνΔP通过前置放大器和选频放大器（选放频率为f）变为误差信号，进入相敏整流器中，误差信号与搜索信号进行比较，同相则给出一个正的直流调整电压，反之则给出一个负的直流电压。反馈到压电陶瓷上，使其伸长或缩短，改变腔长把输出频率拉回中心频率。在中心频率附近0，不论是小于0还是大于0，其结果都是使输出功率P增加，而且此时P将以频率2f变化。而2f的误差信号不能被选频放大器选放，因此没有电压反馈给压电陶瓷，腔长不被调整，输出频率就被锁定在中心频率处。4.2.3兰姆凹陷法稳频图(4-11)不同同位素对兰姆凹陷的影响注意事项一、激光器的激励电源必须是稳压和稳流的。二、氖的不同同位素的原子谱线中心有一定频差。充普通氖气(包含Ne20及Ne22两种同位素)的氦氖激光器兰姆凹陷曲线不对称且不够尖锐，输出频率就不能准确地调到凹陷的中心频率。因此，稳频激光器都是采用单一氖的同位素来制造的，且对同位素的纯度有较高要求。三、频率的稳定性与兰姆凹陷中心两侧的斜率大小有关。斜率越大，误差信号就越大，因而灵敏度高，稳定性就越好。因此应增加兰姆凹陷的深度。4.2.3兰姆凹陷法稳频兰姆凹陷法稳频可获得优于10-9的频率稳定度。由于采用的参考频率是激光器原子发光谱线本身的中心频率，而谱线中心频率v0会随激光器放电条件而改变，频率复现度仅达10-7~10-8。4.2.3兰姆凹陷法稳频4.2.4饱和吸收法稳频饱和吸收法稳频的示意装置如图4-12所示。吸收管内充特定的气体，此气体在激光谐振频率处应有一个强吸收线。与激光输出功率曲线的兰姆凹陷相似，在吸收介质的吸收曲线上也有一个吸收凹陷，如图4-13所示。（原因：在中心频率处只有沿激光管轴方向速度为0的原子才能吸收光子）由于吸收管内的压强很低，碰撞增宽很小，所以吸收线中心形成的凹陷比激光管中兰姆凹陷的宽度要窄得多。图4-12饱和吸收法稳频的装置示意图图4-13吸收介质的吸收曲线饱和吸收法稳频激光通过激光管和吸收管时所得到的单程净增益应该是激光管中的单程增益和吸收管中的单程吸收的差，即如图4-14(a)，只有频率调到附近激光才能振荡。如图4-14(b)，频率在整个线宽范围内调谐均能振荡，但形成净增益曲线上的尖峰，称为“反转兰姆凹陷”。反转兰姆凹陷比兰姆凹陷的宽度窄，其中心频率两侧的斜率比兰姆凹陷曲线两侧的斜率大，故可以减小搜索信号的幅度以提高频率稳定性。0ν图(4-14)反转兰姆凹陷)(νG)(νA)()()(νAνGνG净由于吸收线中心频率极为稳定，所以饱和法频率稳定度可达到10-11~10-13的。频率复现度达到10-10~10-12。因此，饱和吸收法在精密测量上有着重要意义。饱和吸收法稳频