（光学专业论文）基于纵模拍频控制的激光稳频技术.pdf

摘要 小型h e n e 激光器由于其光斑质量好、运行稳定、寿命长、使用方便等特性， 经稳频后常作为光学频率( 波长) 标准被用于各种干涉仪中，也可用于校准各类 光波长计和光谱仪的参考标准。 本文提出一种新的激光稳频技术：基于激光频率与纵模频率间隔的对应关系， 通过精密锁相控制技术将两相邻纵模的拍频频率锁定在射频频率标准上，以控制 激光谐振腔腔长，从而获得激光频率的稳定输出，实现射频频率标准向光学频率 标准的传递。 理论分析表明激光频率稳定度与两相邻纵模拍频频率的稳定度相同；实验上以 射频频率标准为参考，精密锁定了h e n e 激光两相邻纵模的拍频频率及激光频率， 且对采用该技术稳频的两套h e n e 激光系统进行了频率比对。实验结果表明，激光 频率的稳定度为5 1 0 d 0 ( 1s 积分时间) 、5 1 0 1 1 ( 1 0 0s 积分时间) 。整个稳频系统 结构简单、操作方便，且激光频率在增益带宽曲线一定范围内可连续、精密调谐， 在实际应用中，可用作稳频激光标准。 关键词：激光技术，稳频激光，精密控制，纵模频率间隔 a b s t r a c t f r e q u e n c y s t a b i l i z e dh e n el a s e r sa r ew i d e l yu s e di ni n t e r f e r o m e t e r sa so p t i c a l f r e q u e n c y ( w a v e l e n g t h ) s t a n d a r d s ，a n du s e dt oc a l i b r a t eo p t i c a lw a v e l e n g t hm e t e r sd u e t oi t sa d v a n t a g e ss u c ha ss t a b i l i t y , c o m p a c t n e s sa n ds oo n i nt h i sw o r k ，an e w t e c h n i q u ef o rl a s e rf r e q u e n c ys t a b i l i z a t i o nh a sb e e ni n t r o d u c e d b a s e do nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nl a s e rf r e q u e n c ya n di n t e r m o d eb e a tn o t e t h e i n t e r m o d eb e a tn o t ew a sl o c k e dt ot h er a d i of r e q u e n c ys t a n d a r dt ok c 印t h ec a v i t y s t a b l e ，笛ar e s u l t ，t h es t a b i l i z a t i o no fh e n el a s e r 勰w e l l 勰t h et r a n s f o r mf r o mr a d i o f r e q u e n c ys t a n d a r dt oo p t i c a lf r e q u e n c ys t a n d a r dw a sr e a l i z e d t h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o w st h a tt h es t a b i l i t yo ft h el a s e ri si d e n t i c a lw i t ht h a to ft h e i n t e r m o d eb e a tn o t e ；e x p e r i m e n t a l l y , t h ei n t e r m o d eb e a tn o t ew a sp r e c i s e l yl o c k e dt o t h er a d i of r e q u e n c ys t a n d a r d ，弱ar e s u l t ，l a s e rf r e q u e n c ys t a b i l i z a t i o nw a sa c h i e v e d t h e f r e q u e n c yc o m p a r i s o nb e t w e e nt w of r e q u e n c y s t a b i l i z e dh e n el a s e r sh a sb e e nm a d e t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h el a s e rh a daf r e q u e n c ys t a b i l i t yo f5 x 1 0 1 0a t1so fa v e r a g e t i m ea n d5x1 0 l li n1 0 0so fa v e r a g et i m e t h el a s e rf r e q u e n c yc a nb et u n e dp r e c i s e l y i nt h eg a i nc u r v ea n di tc a nb eu s e da sa no p t i c a lf r e q u e n c ys t a n d a r d k e yw o r d s ：l a s e rt e c h n i q u e ，f r e q u e n c y - s t a b i l i z e dl a s e r , p r e c i s i o nc o n t r o l ，i n t e r m o d e b e a tn o t e i l 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我 所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究 成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名：互亟叠日期：卫蛆：西 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论 文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后 适用本规定。 学位论文作者签名：至函整 名：丝熬导师签名：4 竺! 望厶 第一章绪论 第一章绪论 激光是2 0 世纪的重大发明之一。1 9 5 1 年，美国汤斯( t o w n e s ) 对微波放大进 行了研究，研制出“一种在微波波段的受激辐射放大器( m i c r o v a v ea m p l i f i c a t i o n b ys t i m u l a t e de m i s s i o no fr a d i a t i o n ) ”。1 9 5 8 年，汤斯和肖洛( s c h a w l o w ) 提出 在一定条件下，可将微波受激辐射放大器的原理推广至光波波段，制成“受激辐 射光放大器( t i g h ta m p l i f i c a t i o nb ys t i m u l a t e de m i s s i o no fr a d i a t i o n ，缩写为 l a s e r ) ”。1 9 6 0 年美国梅曼( m a i m a n ) 研制成第一台红宝石激光器( r u b yl a s e r ) ， 标志着人类文明史上一个新时刻的来临【1 1 。由于激光具有良好的单色性及相干 性，被广泛应用于精密激光光谱、精密控制、精密计量、光频标等各个领域。 自由运转的激光器由于受到环境等各种干扰的影响，频率的稳定性相对较 差，难以满足应用上的要求。例如，激光用于精密干涉测量时，是以激光波长( 或 频率) 作为“尺予”，利用光干涉的原理来测定各种物理量( 如长度、角度、位 移、速度等) ，所以激光波长或频率的稳定性会直接影响测量的精度。如果使激 光频率稳定输出就必须通过激光稳频技术，采取一定的措施来自动补偿外界扰动 所引起的频率漂移。多年来，科学家们不断地研究各种提高激光频率稳定性和有 实用价值的稳频技术。研究工作初期多集中在激光器参数稳定、工作状态和周围 环境的控制方面。随着研究工作的不断深入，人们发现了更多可以利用的稳频方 法。总体来说大致可分为两类：一类是选择介质增益曲线的中心频率作为参考标 准，利用激光输出功率一频率曲线进行稳频，如兰姆凹陷稳频、塞曼效应稳频和 双纵模热稳频等。这类稳频方法装置比较简单，稳定度为l o - 9 1 0 - 1 0 量级。但由 于其以介质增益曲线的中心频率作为参考频率标准，容易受到放电电流和压力位 移等因素的影响，限制了频率稳定度的进一步提高，频率复现性也较差。另一类 是利用外界参考频率作为标准进行稳频，如调制转移光外差光谱技术，利用一些 气体分子的精细结构跃迁谱线作为参考频率，这样就避免了放电扰动和压力展宽 等影响，有利于提高频率稳定度。这类稳频方法装置较复杂，但稳定度较高，可 达1 0 “以上量级【2 1 。 本文提出一种新的激光稳频技术：基于激光频率与纵模频率间隔的对应关 系，通过精密锁相控制技术将两相邻纵模的拍频频率锁定在射频频率标准上，以 第一章绪论 控制激光谐振腔腔长，实现锁定激光频率的目的。实验上以射频频率标准为参考， 精密锁定了h e n e 激光两相邻纵模的拍频频率及激光频率，且对采用该技术稳频 的两套h e n c 激光系统进行了频率比对，激光频率的稳定度为5 1 0 。1 0 ( 1s 积分 时间1 。采用该稳频技术，除了可以获得激光频率的稳定输出，还可将光学频率 标准和射频频率标准联系起来，实现射频频率标准光学频率标准、光学频率标 准射频频率标准的传划射。整个稳频系统结构简单，操作方便，且激光频率在增 益带宽曲线一定范围内可连续、精密调谐。 本文第二章简单介绍了激光模式，并在此基础上讨论了激光模式与谐振腔 结构之间的具体依赖关系；第三章介绍了稳频的基本原理及几种常见的激光稳 频技术；第四章对基于纵模拍频控制的激光稳频技术进行了实验研究，以射频 频率标准为参考，精密锁定了h e n e 激光两相邻纵模的拍频频率及激光频率， 且对采用该技术稳频的两套h e n e 激光系统进行了频率比对；第五章对本文工 作做了总结。 第二章激光的频谱特性 第二章激光的频谱特性 2 1 激光的频谱特性 电磁场理论表明：一切被约束在有限空间范围内的电磁场将只能存在于一 系列分立的本征状态之中，场的每一个本征态都具有一定的振荡频率和一定的 空间分布 4 - 5 1 。通常将光学谐振腔内可能存在的电磁场的本征态称为腔的模式。 从光子的观点来看，腔的模式也就是腔内可区分的光子状态，同一模式内的光 子具有完全相同的状态( 如频率、偏振和运动方向) ，不同模式对应于不同的场 分布和振荡频率。光学谐振腔的模式可以分为纵模和横模。 腔内电磁场的的本征态由麦克斯韦方程组及腔的边界条件决定。由于不同 类型和结构的谐振腔的边界条件各不相同，因此谐振腔的模式也各不相同，如 果给定了腔的具体结构，则其中振荡模式的特征也应随之确定下来。 2 1 1 横模 由激光原理可知，横模是指在谐振腔的横截面内激光光场的分布。横模阶 数越高，光强分布就越复杂且分布范围越大，因而其光束发散角越大。基模 ( t e m 。) 的光强分布图案呈圆形且分布范围很小，其光束发散角最小，功率 密度最大，因此亮度也最高。 相对于其他激光器，气体激光器具有许多优点，主要是因为激活介质( 气体) 非常均匀，即使是在强放电流下也是如此。由于介质均匀，大多数气体激光器都 能产生近乎理想的高斯光束，即横模为t e m 。膜，激光不存在高阶横模。所以考 虑其输出模式时，只需考虑其纵模输出。 2 1 2 纵模 当光波在腔镜上反射时，入射波和反射波将会发生干涉，为了在腔内形成 稳定的振荡，要求光波因干涉而得到加强。发生相长干涉的条件是：光波从某 一点出发，经腔内往返一周再回到原来位置时，应与初始出发的光波同相，即 所产生的相位差驴为, f l y 的整数倍，则相长干涉条件可以表示为 第一二章激光的频谱特性 妒娶2 n l 。g 新 ( 2 - 1 ) 式中九为光在真空中的波长，栉为谐振腔内介质的折射率，工为激光谐振 腔腔长，q 为正整数。 由( 2 1 ) 式可得 丢叫 ( 2 2 ) 式中a q - 舶为物质中的谐振波长，则谐振频率为 p 里 ( 2 3 ) c 。亩 2 。3 ( 2 - 2 ) 式中c 为光在真空中的传播速度。纵模是指沿谐振腔轴线方向上的激 光光场分布。根据波动光学，当光波波长和谐振腔腔长满足( 2 - 2 ) 式时，腔的 光学长度应为半波长的整数倍，将在腔内形成稳定的驻波场，这时激光器中满足 谐振条件的不同纵模对应着谐振腔内各种不同的稳定驻波场，通常把由整数g 所 表征的腔内纵向的稳定场分布称为激光的纵模。 根据( 2 - 1 ) 式，得到相邻纵模的频率间隔为 a v q 。叱一譬一盖- 壶 协t ， 由( 2 4 ) 式可知，对于腔长一定的激光谐振腔，相邻纵模的频率间隔a v 。 与口无关，为一常数，腔的纵模在频率标尺上是等间隔排列的。激光器腔长l 越 大，相邻纵模的频率间隔a v 。越小；反之激光器腔长越短，相邻纵模的频率 间隔a v 。越大。由此可见激光模式与谐振腔结构之间存的具体的依赖关系。 2 1 3 输出纵模数目 对于一般腔长的激光器，往往同时产生几个甚至几百个纵模振荡，输出纵模 个数取决于激光的增益曲线宽度及相邻两个纵模的频率间隔。因跃迁能级具有一 定宽度，加之粒子在谐振腔内运动受多种因素的影响，实际激光器输出的光谱线 宽是由自然增宽、碰撞增宽和多普勒增宽等叠加而成的【6 l o 例如在h e n e 激光器 中，可以认为是多普勒加宽占主要优势，其多普勒增宽可由 4 第一章激光的频谱特性 一7 1 8 1 0 。 ，。( r j ! l f ) “近似计算出来。其中，。为氖原子的中心跃迁频率，r 为开氏温度，m 为氖原子的原子量。对于6 3 2 8n m 的h e n e 激光器，中心频率 ，。 约为4 7 4t h z ，n 匠似为3 0 0k ，m 为2 0 1 8g m o l ，所以h e n e 激光的增益曲线带 宽约为1 5 0 0m h z ，增益带宽曲线基本呈高斯线型。 光波在腔内往返振荡时，一方面有增益，使光不断增强；另一方面也存在着 不可避免的多种损耗，使光强减弱，如介质的吸收损耗、散射损耗、镜面透射损 耗、放电毛细管的衍射损耗等。所以，不仅要满足谐振条件，还需要增益大于各 种损耗的总和，才能形成持续振荡，有激光输出。在图2 1 中，增益曲线带宽内 虽有五个纵模满足谐振条件，但只有三个纵模的增益大于损耗，能有激光输出。 悼2v e , k 协l 蜥 图2 1纵模和纵模间隔 闷值 综上所述可知，激光振荡的可能纵模数主要由工作物质的增益线宽和谐振腔 两相邻纵模的频率间隔所决定，激光器腔长工越长，相邻纵模的频率间隔，。越 小，在同样增益曲线带宽内可容纳的纵模数越多；相反，激光器腔长l 越短，相 邻纵模的频率间隔 ，。越大，在同样增益带宽曲线内可容纳的纵模数越少。所以 从理论上讲，在同样的增益带宽范围条件下，可通过改变谐振腔腔长来选择出现 纵模的数目。 2 2 频率牵引效应 在有源谐振腔中，激光工作物质在增益( 或吸收) 曲线中心频率附近呈现 强烈的色散，即折射率随频率发生急剧的变化，导致有源腔中激光的谐振频率 5 第- 二章激光的频谱特性 并不精确地等于无源腔的谐振频率，而且振荡频率距离中心频率越远，偏移量 越大，当无源腔的谐振频翠与原子谱线的中心跃迁频率一致时，频率偏移量为 零，这种现象称之为频率牵引效应 7 - 8 1 。由于频率牵引效应，纵模在频率的标尺 上不再是等间隔排列的。但是这种频率偏移量较小，在实际计算中，仍可用( 2 3 ) 式近似计算激光的谐振频率。 第三章稳频摹奉原理 第三章稳频基本原理 激光稳频技术是激光物理学、光谱学和电子学高度结合的产物，是随着激 光应用的发展而发展的。目前，作为现代科学技术重要标志之一的激光，已经 在诸多领域得到广泛的应用，这就为激光稳频技术的发展提供了前提。那么， 对于一台频率稳定输出的激光器，如何定量地判断其频率稳定状态的优劣呢? 为此，我们引入频率的稳定性( 稳定度) 和复现性来衡量激光频率稳定的程度。 本章从理论上推导出激光频率变化的数学模型，并分析影响激光频率稳定输出 的各种因素，从而寻求稳频的方法，最后介绍几种常用的激光稳频技术。 3 1 稳频基本原理 3 1 1 频率的稳定性和复现性 肖洛和汤斯在理论上计算了单模激光的线宽，结论表明：一台典型的单频 连续气体激光器的输出线宽远小于1h z ! 然而在实际应用中却从未观察到如此 窄的输出线宽。因为，一台自由运转的激光器因受到周围环境等各种因素的扰动， 输出激光的频率不是稳定的，而是会随时间起伏波动的。如果采取一定的稳频措 施来自动补偿其外界扰动所引起的频率起伏，则输出激光的频率变化就可减至很 小。一般来说，采用的稳频技术不同，所得到的稳频效果也不相同。为此，引入 频率的稳定性( 稳定度) 和复现性来表征激光频率稳定的程度1 9 1 。 频率稳定性是指激光器在连续运转时，在一定的观测时间f 内频率的平均 值( 矿) 与该时问内频率的变化量( a v ) 之比，即 矿 ”南净1 ) 显然，频率的变化量a v 越小，则s 越大，表示激光频率的稳定性越好。s 的倒数称为稳定度。即 - 0 ) ；_ a v ( r ) ， ( 3 - 2 ) 根据观测取样时问的长短，频率稳定度又可分为短期稳定度和长期稳定度。 短期稳定度是指观测取样时间在ls 以内的频率变化，观测取样时问较长时的频 7 第三章稳频基本原理 率变化就被视为长期稳定度。比较恰当的表示法是在稳定度数值后面表明取样 时间f 值，例如，墨p ) - 1 0 “( f 一1 0s ) 。 频率复现性是表示在不同的地点、时间、环境等条件下频率重现或再现的精 度。比如平时用尺子测量长度时，不但要求尺子的长度稳定，而且要求尺子本 身的长度要符合标准。用激光进行精密测量也有类似的问题，比如我们用同样 方法稳频的甲激光器和乙激光器的频率可能也有差别( 尽管两台激光器的结构 和运转条件等都相同) 。或者用同一台稳频的激光器，在甲地使用时稳定度为 l 矿，频率稳定在 ，上，在乙地使用时稳定度不变，但是稳定在，：上；或在同 一地点测量时某一天频率稳定在，上，相隔数天后稳定度不变，但频率却稳定 在y 。上。由于每次所稳定的频率值有微小的差别，就会使测量的数值不准确。 我们把这种在不同地点、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( 3 3 ) 式表示： r 二竺盟 矿 ( 3 3 ) 式中，却表示在不同情况下的频率改变量。矿为不同条件下测量的平均频率。 由此可见，频率的稳定性和重现性是两个不同的概念。对于一台稳频激光器， 不仅要看其频率稳定度，还要看它的频率复现性如何。 3 。1 2 “拍频”方法测量频率稳定度 激光的频率约1 0 “1 0 “i - i z ，现有的电子仪器无法将如此高的频率变化显 示出来，所以直接测量激光频率的稳定度是非常困难的，通常采用“拍频”方法 来对激光频率的稳定度进行相对测量。这种方法有些类似电子技术中的差频技 术，将两列频率接近的光波进行混频后，其中所得到的差频信号为射频信号，频 谱分析仪和频率计均可对其产生响应，用阿仑方差对频率计采集到的拍频数据进 行处理，即可得到激光的相对频率稳定度。 由于激光的相干性好，当两束激光叠加在一起时，所出现的初相位的差值是 一个暂时稳定或者缓变的关系，因此会产生干涉现象。两束不同频率光波之间的 可相干性为测量光波频率稳定性提供了一种方法，即“拍频”方法。 设有频率相差很小的两束光波，瞬时频率分别为v 。o ) 及，：( f ) ，其光场分别 8 第三章稳频基本原理 为【1 0 】 e 1 ) - a d c o “2 删1 t + 九) e 2 p 2 ) - a ，2 c o s ( 2 x v ：+ 如) ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) ( 3 4 ) 、( 3 5 ) 式中爿c 1 ，a 。：分别为两束光波的振幅，晚和九分别是两光 波的初相位，当这两束光( 传播方向平行且重合) 垂直入射到光电探测器上时， 总的光电场为 e o ) 一。1 c o s ( 加1 “魂) “。2 c o s ( 2 a v = t + 九) ( 3 6 ) 光电探测器输出的合成振动正比于光强( 光场的平方) ，即输出的光电流为 f 。- j “e 2 ( f ) 一【。) + 易( ，：) 】2 - 彳三c o s 2 ( 研l f 十噍) + 绣c o s 2 ( 铆2 t + 也) + 4 1 a c 2 c o s z 玎0 , l + 1 ，2 弦+ ( 戎+ 九) ) 】 4 a e l a , 2 c o s 2 ，】r ( v 1 一，2 弘+ 渤一九) 】 ( 3 7 ) ( 3 7 ) 式中，第一、二项的平均值，即余弦函数平方的平均值等于v 2 ，而 第三项( 和频项) 的频率很高，现有光电探测器无法对其响应，其平均值为零， 第四项( 差频项) 相对于光频来说要缓慢的多，当差频信号频率低于光电探测器 的截止频率时，即有光电流输出，即 i ，a d a c 2 c o s 2 口p i - - i - 2 弘+ ( 疵一九) 】 ( 3 8 ) 由此可见，当两个光场同时入射到光电探测器上时，其输出的光电流由直 流项和差频( ，。一，：) 振荡的交流项构成。如果激光器1 相对于激光器2 的频率稳 定性很高，可以认为 ，一( 作为参考频率) ，拍频a v - v 。一 ，2 一y o - v 2 ，因此 拍频频率值的变化主要是由激光器2 的频率漂移作用而引起的，激光器2 相对于激 光器l 的频率稳定性为，少。拍频法的原理如图3 1 所示。 图3 1 拍频法原理 9 第三章租频摹本原理 用拍频技术测量激光的频率稳定度，用取样阿仑方差的表达式为 孕；她婆 ， ，izz ( 3 - 9 ) ( 3 - 9 ) 式中，矿为激光平均频率，y 。， ，。为两个相邻差频信号的频率， f 为取样平均时间，1 2 是假定每一台激光器对差频频率起伏具有相同作用的因 子。因此，只要通过频率计采集到组相邻差频频率序列，通过( 3 9 ) 式即可 计算出取样时间- f 内每台激光器的频率稳定度。 3 1 3 影响激光频率稳定的因素 根据( 2 - 1 ) 式，可得： 叱弘c 等+ 扫一叫。咩+ 争 泞m 故生。一( 竺+ 与 ( 3 _ 1 1 ) ，g l订 由( 3 一i i ) 式可见，若腔长或折射率发生变化，均会导致激光振荡频率的变 化。所以欲使激光频率稳定，就应使腔长和折射率保持稳定，其中保持腔长不变 是频率稳定装置中的主要问题。 总的来说，影响激光频率稳定的外界因素主要有以下几个方面【1 1 】： 1 温度变化的影响 由于环境温度的起伏或者激光器工作时发热，都会使腔体材料随着温度的 改变而伸缩，以致引起频率的漂移，即 a a t 。丝。垒兰 工 ， ( 3 - 1 2 ) ( 3 1 2 ) 式中，a t 为温度的变化量；口为谐振腔间隔材料的线膨胀系数， 该系数的大小与材料种类有关，如，一般硬质玻璃口一1 0 4 o c ，大理石 口一5 x 1 0 _ 6 o c ，石英玻璃一6 x 1 0 _ 7 o c ，殷钢口一9 x 1 0 。7 。c 。实验采用热膨 胀系数较小的大理石做为h e n c 激光管的支架，且实验室处于恒温环境中，可尽 量减小温度变化对激光频率的影响。由于温度变化进行的比较缓慢，故其主要 第= 章稳频基本原理 影响激光频率的长期稳定性。 2 大气变化的影响 对于外腔和半内腔气体激光器，其谐振腔除了放电管以外，有一部分是暴 露在大气中的，大气的温度、湿度、气压的变化都会引起大气折射率和谐振腔 腔长的变化，从而导致激光频率的变化。因此要很好地控制激光器周围的环境， 要尽可能减少激光器裸露在大气中的部分，且必须屏蔽直接通风。实验中h e - n e 激光器放置在自制的有机玻璃罩内以尽量减少大气变化对其的影响。 3 机械振动的影响 外界的机械振动也是导致激光频率变化的重要因素，它可以从地面或通过空 气传到腔支架上，如建筑物的振动、车辆的通行、声响等都会引起激光器的振动， 从而改变谐振腔的光学长度，导致激光频率的漂移。为了克服机械振动的影响， 稳频激光装置必须采取良好的防震措施，实验中整套稳频装置都放置在隔震平台 上。 4 光学元件位置的变化 外腔和半内腔气体激光器的放电管一般用布儒斯特窗封装，放电管变形或振 动也会引起窗片角度变化和腔频移动。 引起激光频率不稳定的因素还有很多，存在于激光器内部的噪声也会影响其 频率的稳定性。激光器内部较显著的噪声源主要有下列几种：1 自发发射噪声或 量子噪声；2 模差噪声；3 激励电源及放电回路引起的噪声；4 气体放电管中移 动辉纹形成的噪声：5 放电管的工作条件等等。一般说来，放电管内部噪声及机 械振动等因素导致激光频率短期不稳，而环境因素等变化会影响激光频率的长期 稳定性。 综上所述，环境温度的变化、大气的变化、机械振动等外界干扰以及激光 器内部的噪声对激光频率稳定性影响很大，因而，最直接的稳频方法就是恒温、 防震、密闭噪声、稳定电源等。为了进一步改善激光频率的稳定性和复现性， 必须采用电子伺服系统对激光器采取某些技术措施，即主动稳频的方法，以确 保激光器输出的光频波动在某个极窄的范围内。主动稳频需要选取一个稳定的 参考频率，当外界影响使激光频率偏离此特定的参考频率，可以通过频率鉴别， 产生一个误差信号，这个误差信号反过来控制激光器的某个参量( 一般是激光 第三章稳频基本原理 器的腔长、激光器的驱动电流或温度) ，使激光振荡频率回到特定的参考频率而 达到频率稳定的目的。 3 2 几种常见的稳频方法 主动稳频的方法很多，总体来说大致可以分为两类：一类是利用激光输出 功率一频率曲线进行稳频，其中较常见的有兰姆凹陷稳频、塞曼效应稳频和双 纵模热稳频；另一类是利用外界参考频率作为标准进行稳频的，较常见的有f - p 腔稳频和饱和吸收稳频，具体稳频方法如下： 3 2 1 兰姆凹陷稳频 兰姆凹陷稳频原理如图3 2 所示，实验装置如图3 3 所示。该技术以增益曲 线中心频率做为参考频率标准，伺服系统通过压电陶瓷控制激光器的腔长， 使激光频率稳定于。 p ，八k k“+ 入，八机 vv 7 7 p 气、 l 2 ， p。y- | 。 、 p 7 辈 图3 2兰姆凹陷稳频原理图 1 2 第三章稳频堆夺原理 图3 3兰姆凹陷稳频装置图 在压电陶瓷上加有一直流偏压和一个频率为厂的音频( 约1k k ) 正弦调 制电压，前者调谐并控制激光工作频率 ，后者对激光频率进行低频调制。若 激光频率 ，- ，则调制电压使激光频率在附近变化，因而输出功率p 以频 率2 ，作周期性变化，这时工作频率为，的选频放大器输出为零，没有附加的电 压加在压电陶瓷上，因而激光器继续工作于。如果激光频率大于，。，则激光 输出功率的调制频率为，相位与输出电压相同。于是光电接收器输出一频率 为，的信号，经选频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，经放大后加于压电陶瓷，使其缩短，腔长伸长，激光频率被拉回到。如 果激光频率小于，则输出功率的调制相位与调制电压相位相差万，相敏检波 器输出一个正的直流电压，它使压电陶瓷伸长，腔长缩短，于是激光频率增加 并回到。兰姆凹陷稳频技术的频率稳定度为l o - 9 1 0 。1 0 量级，其频率复现性 为1 0 。 3 2 2 塞曼效应稳频 根据原子物理学，处于外磁场中的光源，其光谱线会发生分裂，这种现象称 之为塞曼效应。谱线分裂为具有一定频差的右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，即产 生双频输出。随着光谱线的分裂，增益曲线和色散曲线也发生分裂。塞曼分裂后， 左旋光与右旋光具有相同的小信号增益系数，并因此具有相等的输出功率曲线。 第三章稳频基本原理 右 y o ， 图3 4塞曼效应稳频原理图 图3 4 为塞曼效应稳频原理图，如图中，若有源腔谐振频率 ，。 1 。则左旋 光功率小于右旋光功率；同理如果 ，。，。，则左旋光功率大于右旋光功率；当 激光振荡频率正好处于y 0 时，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光光强相等。根据激 光器输出的两个圆偏振光光强的差别，就可以判别出激光振荡频率偏离中心频 率的方向和大小，以此作为鉴频的误差信号，再通过伺服系统控制激光器腔长， 使得激光频率稳定在谱线的中心频率处。双频稳频激光器的频率稳定度可达 1 0 1 0 1 0 - 1 1 。与兰姆凹陷稳频技术相比，其输出功率和频率均不需要低频调制， 不足之处是频率达到稳定所需时间较长。 3 2 3 双纵模热稳频技术 双纵模热稳频技术是利用相邻纵模偏振态相互垂直的特性，通过对激光器腔 体加热等方法以控制激光谐振腔腔长，使得两纵模强度相等，从而获得激光频率 的稳定输出1 1 2 。切。 热稳频装置如图3 5 所示。相互垂直的以布儒斯特角旋转的玻片1 。2 分别 将偏振方向相互正交的两个模式的激光反射到光电接收器1 和2 ，两只光电接收 器的极性是反向连接的。如果有一个模减弱，则接收该模光信号的光电管输出电 压下降，差动放大器得到一个不平衡输入电压，放大后输出控制电压经光电耦合 器和受控调压电桥控制激光电源的电压，使激光器放电管的放电电流加强或减 第三章稳频基耷原理 弱，使得两个相邻的模同时并存且强度相等，达到激光频率稳定的目的。此系统 中所有光电元件以同一批号的为好。时间比较电路能够自动测量激光的换模周 期，当激光器从冷到热开始工作时，换模周期不断变长，一定的周期说明管子已 被预热到一定程度。该稳频技术装置比较简单，因而得到了广泛的应用。然而由 于其稳频过程存在热滞后，导致该稳频技术控制精度不高。该稳频技术频率稳定 度约为5 1 0 ”量级，单频输出的频率复现性约为( 1 2 ) x1 0 。8 量级。 3 2 4f p 腔稳频 图3 5双纵模热稳频原理图 2 2 0 v f - p 腔的特征频率也可用作稳频的参考频率。图3 6 是利用f - p 干涉仪稳定半 导体激光器的示意图。f - p 干涉仪的透过率随光频变化的曲线如图3 7 所示。 f p 干涉仪 图3 6f - p 腔稳频示意图 第三章格顽基本原理 k v 图3 7f - p 透过率随光频变化曲线 激光频率的变化将引起透过f - p 干涉仪光功率的变化。利用与兰姆凹陷稳 频技术类似的鉴频方法得到的误差信号控制激光器的腔长，可使激光频率稳定 在f - p 腔的最佳透过频率。 3 2 5 频率调制光外差光谱技术( n i ) 早在舳年代初，1 b mr e s e a r c hl a b o r a t o r y l 的b j o r k l u n d i l 8 。1 9 1 就首次提出在光频 域利用r f 电光调制技术实现频率调制光外差光谱( f m 光谱) ，图3 8 是频率调制光 外差光谱稳频技术的原理方框图。 e l ( oe 2 me 3 ( t ) 图3 8频率调制光外差光谱技术原理图 d c s i g n a i 电光晶体对入射光以调制频率舡j 历进行相位调制，在调制度不是很大时， 可只考虑一阶调制边带，此时在入射光频的两边生成振幅相等、相位相反的两 个强度较弱的边带。经过与吸收物质作用后，在快速光电探测器上进行 1 6 第三章稳频摹本原理 拍频，然后通过相敏解调获得样品的光谱信号。在没有样品吸收时，被调制光 束直接入射到探测器上，和+ 及和0 7 一的拍频信号正好大小相等， 相位相反，拍频输出为零；当存在样品吸收时，调制光场中载波和上下边带通 过样品后幅度的衰减和相位延迟各不相同，使得拍频信号不为零，通过相敏检 测可得到样品的吸收型和色散型信号，用于锁定激光频率。该稳频技术利用外 界参考频率进行稳频，提高了激光频率的稳定度。但是由于吸收谱线的多普勒 展宽效应，仍然限制了稳频精度的进一步提高。 3 2 6 调制转移光外差光谱技术( m t s ) 为了进一步提高激光频率的稳定性，可采用调制转移光谱技术。如图3 9 所示 1 2 0 。 图3 9调制转移光外差光谱技术原理图 在该系统中，强光( 称为饱和光束) 做为泵浦光，与其同轴、平行、反向 传播的探测光束对碘的饱和吸收信号进行探测。由于四波混频作用，泵浦光上 的频率调制信号转移到用于检测误差信号的弱探测光上。平衡混频器把探测到 的信号与经过移相的本振信号进行混频，可得到比线性吸收谱线更窄的吸收或 色散信号，从而用于更精确地锁定激光频率。由于该技术将激光频率锁定在无 多普勒展宽的碘分子超精细谱线上，能够实现高精度的激光稳频，频率稳定度 优于1 0 4 4 量级。 1 7 第三章稳频基本原蛙 总的来说，上面所介绍的稳频方法中，兰姆凹陷稳频、塞曼效应稳频和双 纵模热稳频是以介质增益曲线的中心频率y 。作为参考频率标准，但是容易受 到放电电流和压力位移等因素的影响，限制了频率稳定度的进一步提高，频率 复现性也较差；f - p 腔稳频、频率调制光谱技术和调制转移光外差光谱技术是 以外界参考频率作为参考频率标准，避免了放电扰动和压力展宽等影响，稳定 度相对较高，但装置较复杂。 第网章基于纵模拍频控制的激光稳频技术 第四章基于纵模拍频控制的 激光稳频技术 本章将提出种新的激光稳频技术，基于激光频率与纵模频率间隔的对应关 系，通过精密锁相控制技术将两相邻纵模的拍频频率锁定在射频频率标准上，以 控制激光谐振腔腔长，实现锁定激光频率的目的。 4 1 稳定度的理论分析 根据( 2 3 ) 式和( 2 4 ) 式，激光腔的谐振频率、相邻纵模的频率间隔a v 。 均与谐振腔长度l 有关，通过控制腔长l 就可以控制激光腔的谐振频率和相邻 纵模的频率间隔，。反之，对相邻纵模频率间隔a v 。进行控制，就可以控制谐 振腔腔长的变化，从而达到控制激光频率的目的。 根据( 2 1 ) 式推得，。和y 州的频率稳定度分别为 d v 。也d n - 工疗 根据( 2 2 ) 式推得相邻纵模频率间隔，。的频率稳定度为 d ( a v 。) 也砌 - - - - _ ，q 工n ( 4 1 ) ( 4 - 2 ) ( 4 3 ) 综合( 4 1 ) 、( 4 2 ) 和( 4 3 ) 式，相邻纵模频率间隔a ，。( 微波频率) 的稳 定度与任一纵模的频率( 光学频率) 稳定度相同。可见采用该稳频技术，对激光 频率锁定的过程，也同时实现了射频频率标准向光学频率标准的传递。 4 2 实验装置 1 9 塑疗丝l 生 第四章基于纵模拍频控制的激兀稳频技术 l i g h tb “m | ，e l e c t l i ec i r e u i t 图4 1双纵模h e - n e 激光稳频实验原理图 双纵模h e n e 激光稳频的实验装置如图4 1 所示。激光器为半内腔结构，放 电管端口有布儒斯特( b r e w s t e r ) 窗，输出光为线偏振光。选择合适的谐振腔长， 使在增益带宽曲线内出现双纵模的概率较大。实验选定腔长e 为2 3 0m i l l ，则双纵 模的频率间隔约为6 5 2 m h z ，输出功率为i 4m w 。用高频光电探测器( d e t ) 对输出光进行光外差探测得到两相邻纵模的光拍频信号后，经分配器 ( d i s t r i b u t o r ) 将其分为两路，其中一路送至频率计( c o u n t e r ) 经计算机进行计 数；另外一路送至双平衡混频器( d b m ) ，与频率综合发生器( r fs y n t h e s i z e r ) 提供的射频频率标准进行鉴频( 鉴相) ，所得到的混频信号如下图4 2 所示： 图4 2 混频信号 此混频信号即误差信号，为了有利于后面的伺服系统控制该误差信号，应使 射频频率标准尽量靠近两相邻纵模之间的拍频频率，即得到的误差信号尽可能 小。误差信号经伺服控制系统( s e r v oc o n t r 0 1 ) 和高压驱动( p z td r i v e r ) 控制 激光腔体上的压电陶瓷( p z t ) 以调节激光谐振腔腔长，实现两相邻纵模拍频频 率a ，。与射频频率标准之间的精密位相锁定，最终实现激光频率的锁定。频率综 2 0 第四章基十纵模拍频控制的激光稳频技术 合发生器型号为a g i l e n t 公司生产的e 4 4 0 0 b ，频率计型号为a g i l e n t5 3 1 3 1 a 。 a 激光源 实验中所采用的激光器为上海埃波激光仪器有限公司生产的半内腔h e n e 激光器，激光器的工作电压为1 8 0 0 v d c ，t 作电流为4 m a 。谐振腔为平凹 腔，凹面镜的曲率半径为1 m ，放电管长度为2 0 0 l l l i n ，输出波长为6 3 2 8 n n l 。实 验中可改变激光管和前反镜的相对位置来改变谐振腔长，使得双纵模出现的几率 较大，同时可扫描加在激光器压电陶瓷上的高压，在小范围内对激光频率进行调 谢2 1 1 。激光管放置在由热胀系数较小的大理石制成的“v ”型槽内，同时为了减 小空气对流对谐振腔稳定性造成的的影响，整套激光器放置在有机玻璃罩内，如 图4 3 所示： 图4 3h e n e 激光器 b 双平衡混频器 实验中所使用的双平衡混频器型号为m i n i c i r c u i t s 公司生产的s r a - 2 c m ，r f 端输入功率为0d b m 、频率范围为5 - - 1 0 0 0m h z ；l o 端输入功率为7d b m 、频率 范围为5 - - 1 0 0 0m h _ z ；输出端频率范围为d c - - 1 0 0 0m h z 。l o r f 之间的隔 离度为3 5d bt y p 。l o 一之间的隔离度为3 0d bt y p 。 c 高频光电探测器 实验中所使用的高频光电探测器频率响应范围为0 1g h z 。 将激光频率锁定在射频频率标准上时所得到的锁定误差信号如图4 4 所示。 2 l 第殴葚基于纵模拍频控制的激光稳频技术 图4 4锁定误差信号 此时频率计经由计算机所采集的两相邻纵模拍频频率如图4 5 所示。受频率 h a g i l e n t5 3 1 3 1 a 的有效位数所限，两相邻纵模的拍频频率a ，。黼j l om h z 。 采样门控时间为1s ，总采集时间为1 7 0 0s 。 li - _ i_ ii1 耐呐 ，0 1 1 i | | 强 砌i i _ 1 l 【殂i哪 iil j 图4 5 两相邻纵模的拍频频率，。 两相邻纵模拍频频率的稳定度如图4 6 所示： 啪 懈 薹 哪 掀 望、上6do鬲8斟口q 第四章基于纵模拍频控锄的激光稳频报术 图4 6 两相邻纵模拍频频率a ，g 的阿仑方差 为了检验输出激光的频率稳定性，将采用该技术稳频的两套h e n e 激光系统 进行了频率比对【捌，如图4 7 所示。为使在增益带宽内两台激光器h e n el a s e n 与h e - n el a s e r 2 出现双纵模的概率均较大且二者的双纵模频率间隔值相近，选定 两台激光器的腔长约为2 3 5m m ，双纵模的频率间隔分别为6 4 3m h z 、6 4 0m h z 且分别受控于频率综合发生器a g i l e n te 4 4 0 0 b 和a g i l e n te 4 4 2 3 b ，输出功率分别为 1 4m w 和1 8m w 。输出的稳频激光分别经半透半反射镜m l 、m 3 ，共轴耦合至 高频探测器( d e t 3 ) 进行光外差探测。由于两台激光器的输出光中各含有两个纵 模，所以高频探测器( d e t 3 ) 输出的信号中除了两路输出激光交叉相拍获得的光 拍频信号，还包含它们各自的光拍频信号。用低通滤波器( l p f ) 选出两路输出激 光交叉相拍获得的光拍频信号中频率相对较低的信号，送至频率计( c o u n t e r 3 ) 进行计数，同时送至频谱分析仪( s p e c t r u ma n a l y z e r ) 进行观测。h e n el a s c r l 与 h e n el a s e r 2 各自的光拍频信号分别送至c o u n t e r l 与c o u n t e r 2 中进行计数。其中 c o u n t e r ! 与c o u n t e r 3 的型号为a g i l e n t5 3 1 3 1 a ，c o u n t e r 2 的型号为a g i l e n t5 3 1 3 2 a ， 频率综合发生器和频率计的时间基准( t i m eb a s e ) 均取自频率计5 3 1 3 2 a 。 2 3 第四箪基于纵模 l | 矧控制的激光稳频技术 图4 7两套双纵模稳频h e - n e 激光系统之间的频率比对 图4 8 所示为c o u n t e r 3 经由计算机所采集的两路输出激光交叉相拍获得的光 拍频信号1 ，。，采样门控时间为1s ，总采集时间为9 5 0s 。 蜘槲蝴蝴鹇 t i m 图4 8 激光比对光拍频频率 两套稳频i - l e n e 激光系统频率比对结果如图4 9 所示： 第四章基于纵模拍频控制的激光稳频技术 要