（光学专业论文）532nm固体激光器及其稳频电路的研究.pdf

摘要 摘要 碘分子在5 3 2 n m附近有丰富的强吸收谱线 可以作为 固体倍频激光器频率稳定的极好的参考谱线 本文对固体激 光稳频的整个系统进行了描述 同时对稳频电路 特别是调制 转移光谱 mt s 电 路进行了较深入的研究和讨论 在实验 上利用mt s技术 在3 1 2 5 k h z和3 7 5 k h z 两个调制频率 下 观察到激光频率调谐在 2 7 1 2 的r 5 6 3 2 0跃迁的1 5 个超精细分量的吸收谱线 成功地将波长为5 3 2 n m 的单块固 体激光器的频繁稳定在上述碘的超精细分量的吸收谱线上 锁 定在 a 分量上可连续长达 1 0 小时之久 关键词 固体激光器 稳频电路 调制转移光谱 碘分子超精细 分量 ab s t r a c t ab s t r a c t mo l e c u l a r i o d i n e h a s r i c h s t r o n g a b s o r p t i o n n m t h a t c a n p r o v i d e t h e a b s o l u t e r e f e r e n c e s l i n e s ne a r 5 3 2 f o r f r e q u e n c y s t a b i l i z a t i o n t h e wh o l e s y s t e m o f t h e f r e q u e n c y s t a b i l i z e d d e v i c e s i s i n t r o d u c e i n t h i s p a p e r t h e e l e c t r o c i r c u i t o n me a s u r e me n t o f mo d u l a t i o n t r a n s f e r s p e c t r o s c o p y m t s i s r e s e a r c h a n d d i s c u s s t h e f r e q u e n c y o f a m o n o l i t h i e s o l i d l a s e r w a s s u c c e s s f u l l y s t a b i l i z e d a t h y p e r f i n e s p e c t r a o f 1 2 7 1 2 n e a r 5 3 2 n m v i a m t s w i t h a n e w mo d u l a t i o n f r e q u e n c y o f 3 1 2 5 k h z a n d 3 7 5 k h z 1 5 h y p e r f i n e s p e c t r u m l i n e s o f r 5 6 3 2 0 o f t h e i o d i n e mo l e c u l a r w e r e a l s o o b s e r v e d a n d a s s i g n e d t h e l a s e r h a d b e e n l o c k e d a t a l o c o mp o n e n t f o r n o l e s s t h a n 1 0 h o u r s k e y w o r d s s o l i d s t a t e l a s e r f r e q u e n c y s t a b i l i z a t i o n mo d u l a t i o n t r a n s f e r h y p e r f i n e s p e c t r a o f 1 2 绪论 绪论 近年来 5 3 2 n m固体激光波长 与碘分子吸收光谱的符合引 起了 人们的极大兴 趣 1 2 1 特别令人鼓 舞的 是 在 所符 合的 光 谱范围内 有 丰富的由 基态 起始 跃迁 的谱线 以此吸收作为参考谱线的 研究结果 促进了碘稳定固体激光频率稳定度 和复现性的迅速提高 3 6 1 与此同时 直 接利用1 0 6 4 m n 波长进行激光频率稳定 性研究也取得了 进展 7 9 0 1 9 9 7 年国 际计量委员会 c i p m 在复现米定义的 频繁 推荐谱线中 增加了5 3 2 n m波长的 碘吸收 谱线 从1 9 9 8 年以来 5 3 2 n m波长附 近 的非正式国际比对己 经在一些国家和地区间进行 1 0 川 到目 前为止 国际计量局 美国 日 本 澳大利亚 德国p t p 等及我国台湾 省己经先后建立起5 3 2 n m波长附近的 稳频激光系统 其它许多国 家也正在开展这 方面的研究 基于飞秒激光频梳和5 3 2 n m碘稳定固体激光 开展光学频率综合以 及绝对光频测量的 研究 和以单块激光器为 基础的 光学参量振荡器的研究也已 经 开展 1 2 1 3 例如 美国斯坦福大学的 r l b y e r的研究组采用单块环形固体激光器 n d y a g 通过外腔倍频得到5 3 2 n m 绿色激光 并 采用调频 f m 技术首次探测 到了 5 3 2 n m波长附 近碘分子的线性吸收和饱和吸收光谱 并实 现了在这些谱线上 的激光频率稳定 1 4 1 6 该研究组曾 把一台l d 泵浦的n d y a g 激光器锁定在5 3 2 n m 附近的碘的多普勒展宽吸收线上 通过和另一台锁定在碘的超梢细结构上的参考 激光器的 拍频 测出 该系统的 稳定度 优于2 x 1 丁 美国联合实验室标准技术研究院和科罗拉多大学的 j l h a l l的 研究组 在 5 3 2 n m n d y a g 倍频激光器的 碘吸收谱线的 检测及频率稳定的研究工作中 也作出了 杰出的贡献 1 5 1 7 1 他们也利用单块环形固 体激光器腔外倍频 并采用调制转移 光谱 m t s 法 探测到碘分子高信噪比 超精细分量的 吸收光谱 实现了5 3 2 n m 激 光频率标准 频率 稳定 度达到了1 0 s 1 0 4 量级 随着5 3 2 n m 碘吸收稳频技术的成熟 各种国际比 对也取得了 可喜的成果 1 9 9 8 年 日 本计量院 n r l m 和j i l a 对5 3 2 n m 波长的 激光进行了第一次国际比 对 1 9 9 9 年 意 大利的i m g c t h e i s t i t u t o d i m e t r o l o g i a g c o l o n n e t t i 和德国的 p t b t h e p h y s i k a l i s c h t e c h n i s c h e b u n d e s a n s t a l t 又对5 3 2 n m 碘稳定n d y a g 激光器进行了一次比 对 利用调制转移光谱 m t s 法 两台激光器的 相对阿阿仑 方差的最小值达到了7 x 1 0 具体比 对结果详见文献 1 8 2 0 0 0 年 n r l m 和j i l a 再次进行比对 2 0 0 1 年 b i p m 对 5 3 2 n m的n d y a g 激光器进行了比对 目 前 由 于l 秒激光的出 现 可以 对激光频率进行 直接测量 因此国际间的比 对逐步减少 北京交通大学硕士学位论文 国内多家研究机构对5 3 2 n m 碘吸收稳频的n d y a g 和n d y v o 激光器也进行了 深入的研究 上海华东师范大学物理系实现了n d y v o 驻波腔固体激光器的 碘分子 吸收谱线上的激光频率稳定 他们采用频率调制和光外筹光谱检测技术 将半导 体激光抽运n d y v o 微型激光器的频率锁定在碘分子5 3 2 n m 波段多普勒加宽的吸收 谱线上 其频率稳定度可达到1 0 0 i s 积分时间 1 9 并且通过射频相位调制 和光外差光谱检测技术 获得碘分子在 5 3 2 n m波段无多普勒展宽 饱和吸收光谱 将激光频率锁定 在碘 分子超精细 结构谱线上 获 得优于 1 0 的 频率稳定 度 山 西 大学光电研究所对全固化单频n d y v 0 4 环形激光器进行了深入研究 实现了稳定的 单频绿光输出 2 0 并 研 制了 光纤 祸合的 激光二极管抽运的 单 频稳频n d y v o 激光 器 通过边带稳频系统将输出 激光频率 锁定在法布里一 玻罗 f p 共焦参考腔 的中心频率上 频率稳定性优于4 0 0 k h z 2 1 o西安电 子科技大学技术物理系以激 光二极管抽运的n d y a g 激光器为实验模型 研究了 该激光器中 输出强 度噪声 频 率噪声和场分布噪声的特性 2 2 为抑制激光噪声提供了理论依据 此外 中国 科学院 物理所计量测试高技术联合实验室和中国 计量科学研究院 的量子部光频组在6 3 3 n m 5 3 2 n m 稳频方面进行了 卓有成效的t 作 受到国际同行 的关注 2 3 2 4 该实验室经过几年的 研究 研制了两种单频激光器 直腔激光器 和环形腔激光器 及两类检测碘吸收谱线的方法 调频法和调制转移光谱法 先 后检测了 碘的线性吸收和饱和吸收谱线 2 5 2 7 1 并用三次谐波锁定技术实现了 频 率稳定 频率稳定度达到了1 x 1 0 量级 2 8 值得一提的是 在研究过程中 观测 到 1 9 9 7 年国际米定义咨询委员会 c c d m 推荐谱线以外的一系列新的碘 i z 吸 收 谱线 并初步进行了 稳频实 验 为 建立我国 首 创的n d y v 0 4 激 光碘谱及频标奠定 了良 好的基础仁 2 9 本论文工作就是在中国科学院计量测试高技术联合实验室的指导下 在中国 计量科学研究院的量子部光频室具体完成的 本文共分为五章 第一章介绍了激 光稳频的 原理 方法以 及频率稳定 性和复 现性的 测量 同时 对影响激光频率的 稳 定性因素作了 简单的 介绍 第二 章到第四 章是分 别从固 体激光 器的 稳频的 整个系 统 固体橄光器 碘分子及其超精细谱线 以 及稳频辅助电路和m t s电 路进行了 系统的描述和讨论 其中 论文的主要部分是对激光的外部辅助电路 驱动电 源 温度控制 光电 接收电 路等 和部分调制转移光谱 m t s 稳频电 路 本振移相 滤波放大 混频驱动电路等 的研制 进行了 详细的论述和说明 最后 在第五 章对碘饱和吸收调制转移光谱 m t s 稳频理论和实验作了 介绍 并从实验上给出 了实验的数据和结论 第一章激光稳频的原理和方法 第一章激光稳频的原理和方法 i 激光频率稳定的原理 对于一台自由运转的激光器和一台频率稳定输出的激光器 如何定量地判断 它们频率稳定状态的优劣呢 我们将引 人频率的 稳定性 又称稳定度 和复现性 这两个物理量来衡量激光频率稳定的程度 激光器的输出频率受到外界的影q 本节从理论推导出激光频率变化的数学 模型 n分析影响激光输出 频率稳定的各 种因素 从而寻找稳频的方法 1 1 频率的稳定性和复现性 s c h a w l o w和t o w n e s 在理论上计算了单模激光的线宽 他们的结论表明 一 台典型的单频连续气体激光器的输出 线宽小于 1 h z 如此窄的线宽在实际应用中 从未观察到 因为 一台自由 运转的激光器因 受到周围 环境各种因素的扰动 输 出的激光频率不是稳定的 而是经常随时间 变动的 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 则能 使输出 频率的变化减至很小 但实 际采用不同的稳频技术 所得到的稳频效果也不同 为此 引入 频率的稳定性和 复现性来表征频率稳定的程度 3 0 频率稳定性通常指激光器在连续运转时 在一定的时间间隔内 平均频率 v 与 该时间内 频率的 变 化 量 4 v 之比 即 c i 一1 显然 变化量4 v 越小 的倒数称为稳定度 即 v 则s 越大 表示频率的稳定性越好 在技术上有时也把s 1 2 频率稳定度又可分为短期稳定度和长期稳定 度 前者是指观测取样时间在 1 秒以 内的频率变化 而大于1 秒的 观测平均时间就视为长期稳定度 频率复现性是表示激光器在不同的时间 地点 等条件下频率重复或再现的精 度 比如平时用尺子测量长度 不但要求尺子的长度稳定 长度要符合标准 用激光进行精密测量也有类似的问 题 而且要求尺子本身的 如我们用同样方法稳频 北京交通大学硕士学位论文 的甲 激光器和乙激光器的频率可能 又差别 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1 0 1 频率 稳定在 v 上 在乙 地使用时稳定度不变 但是稳定在 2 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 上 由 于每次 所稳 定地频率值有微小的差别 则会使测量的数值不准确 我们把这种在不同地点 时间 环境下稳定频率的变化程度称之为频率复现性 用下式表示 1 一 3 式中s v 表示在不同情况下的频率改变量 v 为不同 条件下测量的平均频率 由此可见 频率的稳定性和复现性是两个不同的概念 不仅要看其稳定度 而且还要看它的频率复现性如何 所以对一台稳频激光 激光频率变化的数学模型 器l 2 工 作在可 见光区 和近红外区的 激光器 其多 普勒线宽一 般不小于1 0 g 1 夕 赫 兹 而谐 振腔的 振荡线宽约为1 0 6 1 0 赫兹 所以 多 普勒线宽比 谐振腔的 振荡线宽 要大得多 在这种情况下频率的 牵引效应一般很小 输出 激光频率的稳定性主要 取决于谐振腔振荡频率的稳定性 对于一个工 作在基模 t e m 的自由运转的激光器来说 c v 9 2 n l 其振荡频率为 1 4 式中 9为模的阶数 是一个正整数 均折射率 从式 1 4 中 可以 看出 激光振荡频率的变化 c 为真空中的光速 l为腔长 n 若腔长l或折射率n 发生变化 为腔内平 都会导致 a l ti n 些上 当 y c 1 2 n l z r 2 l n 2 1 一 2 n l l 1 5 l a v l 4 l t i n 一州 十 v l n 1 6 由上式可见 欲使激光频率稳定 就应该设法保持腔长和折射率的稳定 l 3 影响激光频率称定的因素 从以上 分析引 看出 凡是 对激光 器谐 振腔的 长 度和折射率 产生 影响 的因 素 第一章激光稳频的原理和方法 都会影响到激光输出 频率的稳定性 总结起来有以下 几个主要外界因素 1 温度变化的影响 由丁 环境温度的 起伏或者激光管工作时发热 都会使 腔材料随着a度的改变而伸缩 以 致引 起频率的漂移 由于其变化系缓慢进行 故主要影响频率的长期稳定性 在半导体泵浦的固体激光器中 激光二极n的温 度变化会影响其输出 功率 而激光晶体和倍频品体的温度变化不仅影响 其折射率 而且会影响到彼此之间的匹配 造成输出 功率以 及频率的不稳定 在 l d泵浦的 n d y v 0 4 k t p 固体激光器中 殷钢支架和空气折射率随温度的 变化方向 相反 起 到互相补偿的作用 因此 激光频率的变化主要由于 抽运功率的 起伏 i 起n d y v 0 4 和k t p 晶体的 温 度变化所致 3 1 所以 l d要求 用高 稳定 性的电 源供电 并且需 要精密控温 此外 还有自 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 这是无法完全控制的 因 此它是限制激光频率稳定性的内在因素 2 大气变化的影响 对于外腔式激光器 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 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化 实验证明 外腔式激光器由于通风引起的 空气扰动 能在几秒钟内 产生几兆赫的快速脉动 所以要求外腔激光器暴露在大 气中的部分应尽可能减少 并且必须屏蔽直接通风 3 机械振动的 影响 外界的 机械振动 如建筑物的振动 车辆的 通行 声 响等都会引起谐振腔的支架振动 因而使谐振腔的 光学长度改变 导致振荡频率 的漂移 如一个1 0 厘米长的氮氖激光管 由 于 机械振动使腔的反射镜片振动位移 4 埃 1 埃二1 0 1 0 米 就会引起振动频率约 1 兆赫的变化量 因此 为了克服机 械振动的影响 稳频激光器必须采取良 好的防震措施 4 磁场的形响 为了 减小温度影响 激光谐振腔间隔器多采用殷钢材料 但殷钢的磁致伸缩性质可能引 起腔长的变化 因而地磁场效应和周围电子仪器的 杂散磁场对高稳定激光器或由 磁场效应稳频的 激光器的影响必须加以 考虑 5 橄光管放电 噪 声的 影响放电 噪声 属内 部影响 这是由 于 激光 管内等 离子体振荡造成放电电流的变化 引起激光上能级粒子数脉动 从而使激光输出 的频谱中产生白 噪声 其量级为总功率的百分之几 激光的直流电 源 镇流电阻与 激光管形成的回路中的振荡常产生千赫范围内的强度变化 也会产生功率百分之 几量级的变化 尤其在1 0 h z 1 m h z的 低频范围内 经常出 现尖峰 这与放电中的 移动辉纹有关 改变放电电流 输出中的噪声谱会发生 变化 从而可以 选择最佳 放电电流来取得最小噪声的输出 频谱 由 此获得较高的 频率稳定度 6 内 部光反馈的影响反馈光在谐振腔内的 综合效应会对稳频激光产生 十分不利的影响 严重时会破坏频率的稳定 但如果反馈光来自 于激光器自 身 例如激光反射镜后表面所产生的反射光重 新进入谐振腔的情况 可以使镜片两个平面间具有一定的锲角 就可避免这种类 型的光反馈 其次 由于热效应会引起镜子温度的变化 使反射光的相位改变 这虽然对稳频时的 频率稳定度并无直接的影响 但它使激光功率产生很大的波动 北京交通大学硕士学位论文 严重时功率波动可高达5 0 a 我们对上述现象可进行一定的理论分析 以 一台平凹谐振腔的氦氖激光器为 例 若其平面镜为输出 镜 镜子玻璃片基的前后表面相互平行 片基的折射率约 为1 5 反射光约为4 这时反射光进入谐振腔时的 相位会增加或降低反射镜的有 效反射率 因而影响激光的输出功率 为了减少上述光反馈的影响 在设计平面镜的片基时 可使片基有约 1 0 的锲 角 以 便减小光反 馈的影响 球面镜通常不存在上述光反馈问 题 因为激光器制 造工艺并不要求光束恰好与球面镜片基的后表面相垂直 否则也会出 现光反馈效 应 为了判断是否有反馈光进入谐振腔内 可以 观测激光器的输出光点是否存在 由反射镜片基内多次往返反射所产生的一串次生光点 若这些次生光点呈一连线 等距离排列 则表明反射光不可能进入谐振腔 即无反馈光存在 若这些光点完 全重合在一起 则表明片基无锲角 即有反馈光存在 光反馈效应引起的反射率变化使腔内 功率产生波动外 还会引起输出功率调 谐曲 线的不对称性 使增益线中心或兰姆凹陷中 心发生偏移 从而影响作为参考 的频率复现性 以上儿点是造成频率不稳定的外部因素 综上所述 环境温度的变化 机械 振动等外界干扰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 密闭隔声 稳定电 源等 然而 由 于撤光频率对环境影响的极端敏感 即 使 采取严格的 措施 自 由 运转的 激光器频 率稳定性 和复 现性也不能 达到 1 0 8 量级 3 2 1 为了 进一 步改 善频率稳定性和复 现性 必须使 用电 子 伺服系统对 激光器进行 白 动控制 即主动稳频的方法 由 上式 1 5 可知 在保持折射率不变的情况 下 稳频技术的实质就是保持谐振腔光学长度的稳定 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 特定的 参考频率时 可以 通过频率鉴 别 由电子伺服系统自 动调节腔长 将激光频率回复到特定的参考频率而达到稳 频的目 的 对于大多数半导体激光器都能找到一个相应的原子或者分子的吸收谱 线作为参考频率 来实 现稳频 例如i d泵 浦的n d y a g k t p 倍频 激光 器在5 3 2 m n 波段 就有 上百 条 碘的 强 吸 收 谱 线 可作 为 稳 频 参 考 3 3 1 这也 正 是 其优势 所 在 2 激光频率稳定的方法 主动稳频的方法很多 总的来说可以 分为两类 一类是用激光输出功率一频 率曲线进行稳频 其中最常见的有兰姆凹陷稳频法和塞曼效应的双频稳频法 另 一类是利用外界参考频率作为标准进行稳频 有无源腔德频法和饱和吸收稳频法 前者装置较简单 稳定度为 1 0 量级 后者装置较复杂 但稳定度高 可达 1 0 以 上量级 本课题采用后一类稳频方法 即以 5 3 2 附近碘的吸收谱线作为稳频 参考谱线 实现对单块n d y a g 激光器的 频率稳定 为了理论的完整 下面将把两 第一章 激光稳频的原理和方法 类稳频方法都作一简要介绍 2 1 兰姆凹陷稳频 兰姆凹陷稳频原理如图1 1 所示 装置图 如1 2 所示 该法以 增益曲 线中 心v n 为参考标准频率 伺服系 统通过压电 陶 瓷 控制激光器的 腔长 使频率稳定于v o 压电一资傲光若 vw v 图1 1 兰姆凹陷稳频原理图图1 2 兰姆凹陷稳频装置图 让压电陶瓷 上加一直流偏压和一个频率为f 的 音频 约 1 千赫 正弦调制电 压 前者调 谐并 控制激光工作频率v 后者使其低频调 制 若激光频率v 吮 则 调 制电 压 使 激 光 频 率 在v o 附 近 变 化 因 而 输出 功 率p 以 频率2 f 作周 期 性 变 化 这时工作频率为f 的 选频放大器输出 为0 没右附 件的电压输送到压电陶瓷上 因 而 激 光 器 继 续 s 作 于v u 如 果 激 光 频 率 大 于 v u 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 于 是 激 光 频 率 被 拉 回 到 v u 如 果 激 光 频 率 小 于v u 则 输出 功 率的调制相位与调制电 压相位相差汀 相敏检波器输出一个正的直流电 压 它使 t电 陶瓷伸长 腔长缩短 于是 激光频 率增加并回 到v o 北京交通大学硕士学位论文 兰 姆凹 陷 稳 频可 获 得 优 于t o量 级 的 频 率 稳 定 度 由 于 谱 线 中 心 频 率v o 随 激 光腔长 而改 变 频率 复现性仅达t o t o 量 级 此外 这种 激光器的 输出功 率和 频率均有微小的音频调制 3 4 7 0 22 塞星效应稳频 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 为塞曼效应 谱线分裂为具有一定频差的右旋光和左旋光 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 的 有 源 腔 频 率0v q 对 称 地 分 布 于v 的 两 侧 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 若 v a v o 则 g v r v o 则 左 旋 光 功 率 大 于 右 旋 光 功 率 双 频 激 光 器 稳 频的 方 法 之 一 就 是 测出 二 圆 偏 振 光 输出 功 率 之 差 值 以 次作为鉴频的 误差信号 再通过伺服系统控制激光器腔长 双频稳频激光器的频率稳定性可达1 0 一 0 1 0 一 1 颜率复现性为 1 0 1 0 由 双频激光 器构成的千涉计量仪器具有较强的抗千 扰能 力 可用于工业中的精密计量 2 3 无源腔稚频 外界无源腔的特征频率也可用作稳频的参考频率 图1 3 是利用f p 千涉仪 稳定半导体激光器的示意图 f p干 涉仪的 透过率随光频率 变化的曲 线 如图1 4 所示 费光频率的变化将引 起透过 f p 千 涉仪光 功率的 变化 利用与 兰 姆凹陷 稳 频类似的鉴频方法得到的误差信号控制激光器的 有效腔长可使激光频率稳定于无 源腔的级佳透过频率 将多个 傲光器稳定 于不同 级次的 透过峰频率上 一 可得到 频 率间隔固定的多路激光 它可用作频分复用光通信的发射光源 山西大学采用n d y v o 晶体作为增益介质 考虑抽运光的光束质量因子和晶体 并且采用无源腔稳频法 通过边 热效应 设计出由四个腔镜组成的环形谐振腔 并且采用尤 带稳频反嫂系统将输出擞光频率锁定在 卜p共焦参考腔的中 心频率上 3 5 频率 稳定性优于4 0 0 k h z 第一章激光稳频的原理和方法 f p干涉仪 a v 图1 3无源腔稳频示意图 图1 4 f p 透过率随光频变化曲 线 2 4 f m 光谱稳频 f m 光谱技术在激光稳频中具有重要作用 在激光应用中 对激光辐射的 频率 或波长 进行调制是一种经常用来改善系统灵敏度的 方法 3 6 3 7 该方法的一 个重要特点是 被调制的 辐射场与吸收物质相互作用 将产生在调制频率 或其 谐波 处变化的信号 若采用对频率和相位敏感的检测装置来探测信号 则检测 频带之外的噪声将被消除掉 f m 光谱方法己 经成功地应用于分子吸收测量和激光 稳频 3 8 1 1 线性吸收 稳频中的f m 光 谱技术 八十 年代初 i b m r e s e a r c h l a b o r a t o r y 己获得广泛的发展和应用 的b j o r k l u n d 首次提出 线性吸收的f m 光谱技术 3 9 图1 5 是f m 光增线性吸收 稳频技术的典型原理框图 单频激光器的输出通过驱动 频 率 为 射 频m 的 相 位 调 制 器 得 到 纯f m 光 谱 该 调 制 光 束 可 看 成 一 较 强 的 频 率 为口 的 载 波 与 两 个 较 弱 的 频 率 为口 士 口 的 边 频 的 叠 加 经 过 与 吸 收 物 质 的 作 用 以后 f m光谱得到的信息由 光电 探测器转变为电 信号 包含吸收和色散信号 吸 收分量正比于低边频与高 边频在吸收物质中的吸收之差 而色散分量正比于两边 频相移的平均值与载波的相移之差 射频拍波电 信号可通过平衡混频器进行外差 检测 得到直流信号 即稳频控制信号 北京交通大学硕士学位论文 i n g l e r e q u e n c y e i t p h a s e mo d u l a t o r e 2 t e t s a m p l e p h o t o de t e c t o r 八乙f 队 s i g n a l 图1 5 线性吸收的f m光谱技术 f m光谱技术具有较高的灵敏度 b j o r k l u n d采用光谱分析仪探测到直至 0 0 0 5 的碘吸收谱线 f m 频率稳定技术具有两个重要的优点 第一 检测信号为很高的 射频频率 在此频域内 限制了 激光的发射噪声 第二 由 于采用腔外调制 输出的激光频 率是无调制的 提高了 激光输出的稳定度 2 饱和吸收稳频中的f m 光谱技术 上述的兰姆凹陷稳频和塞曼效应稳频 都是以 激 光 器 本 身 原 子 跃 迁 的 增 益曲 线 的 中 心 频 率v u 作 为 参 考 标 准 频 率 但 是v p 限提 易受到放电条件和压力位移等因素的影响 其稳定度不高 且线宽也比 较宽 制了稳频精度的提高 线性吸收的f m 光谱技术 利用外界参考频率进行稳频 高了稳定度 但是由 于吸收谱线的多普勒展宽效应 仍然限制i ewman7a 步提高 所以 为了 提高频率稳定性和复 现性 可采用饱和吸收稳频的f m 光谱技 仍然 阴翻l r 棋和 箱谭 朋研 一 一 美 国 的 斯 坦 福 大 学 等 研 究 组 将 i31 技 术 应 用 于 饱 和 吸 收 即 饱 和 呼 燮全 外 差 光 谱 技 术 4 7 如 图 一 所 示 为 斯 坦 福 大 学 采 用 的 检 测 5 3 2 吧 卿 燮瞥 收 信 号 的 激 光 系 统 在 该 系 统 中 强 光 称 为 饱 和 光 束 作 为 抽 iz 3 复 圣 月ip j 9 1 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 抽运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 调制转移光谱 法 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 由于该法将 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 量级 第一章激光稳频的原理和方法 图1 6 5 3 2 n m饱和吸收稳频系统 中国计量科学研究院的量子部光频组已经采用调制转移光谱法 m t s 和三次 谐波锁定法 简称3 f 法 检测到了5 3 2 n m n d y v o k t p 激光器的 碘吸收谱线的饱 和吸收分量谱 并用三次谐波方法锁定在碘吸收谱线p 8 2 3 3 一 的a 分量上 对 应波长值为5 3 2 1 8 6 n m 用该方法稳频的 频率稳定度约为1 x1 0 量级 图1 7 所 示为二次谐波方法的稳频系统 图1 7 三次谐波方法的谱 线检测和稳频系统 北京交通大学硕士学位论文 3频率稳定性及复现性的测量 由于激光频率极高 欲直接测量频率的稳定度是很难的 用一般的电子仪器 也无法将极高的光频率变化显示出来 所以 通常是利用拍频的方法进行相对测量 它类似于电 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 射频级 频谱分析仪及频率计均可对此拍频信号产生响应 其数据采用阿仑 a l l a n 方差进行处理 4 q e 3 1 拍频的原理 由 于激光的相干性好 当两束光叠在一起时 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千性 为测量光波频率 稳定性提供了一种方法一一 拍频测量法 拍频测量法是一种间 接的 测量方法 设 频 率 相 差 很 小 的 两 束 光 波 瞬时 频 率 分 别 为v t 及v 2 t 其 光 场 分 别 为 e v 鸿c o s 2 7 r v t e 2 v a 2 c o s 2 1 r v 2 t 1 7 式中 a a为两光波的振幅 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 其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 l i e 2 t 7 v f v 2 j 4 c o 2 m t a z c o i 2 t v t a a z c o s q a v v 2 y a a 2 c o s g tt v v 2 t 式中 第一 二项平均值 即 余弦函数平方的 平均值等于 1 s 1 l 2 而第三项 和 频项 的频率很高 现有光探测器无法响应 第四 项 差频项 相对于光频来说 要缓慢得多 当 差频信号低于光电 探洲器的截止频率时 即有光电 流输出 即 i v 从 凡c o s 2 y r v 一 v 2 t 由 此 式 可以 看出 差 频 信 号 电 流 的 频 率 v v 2 随 两 束 光 的 频 率v 例地变化 若激光器1 相对于激光 器2 的 频率 稳定性很高 可以 认为v 1 9 v 2 成比 v o 作 为 参 考 频 率 拍 频a v v v 2 v o v 2 因 此 拍 频 频 率 值 的 变 化 主 要 是 由 激 光 第一章激光稳频的原理和方法 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 v l v 图1 8 拍频法原理 3 2 拍频技术测量的 稳定性和复现性 因为同一型号的激光器的频率稳定度和复现性是不同的 因此 要用拍频技 术对它们的相对频率稳定度和复现性作出 评定 首先将各激光器与基准波长进行 干涉比对 得出测量的波长值 用求出的共同参考波长作为频率稳定度的比较基 准 然后把各激光器与参考激光器进行拍频测量 求得相对频率稳定度 拍频测量实验装置如图1 8 所示 图中激光器1 和激光器2 是两台稳频的激 光器 各自 通过稳频器稳定 锁定 在参考基准中心 两信号之差频具有较低的 数值 用计数器测定其m个周期的长度t 由t 之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 之稳定性高于 被测信号的 激光器2 一个数量级时 可 认为测得结果全由 被测信号的 激光器产生 两台激光器输出的 光经全反射镜r 和部分反 射 透射镜s 后完全重合 并射 到光电探侧器上得到一差频电 信号 继而进行放大输入到拍频测量及数据处理系 统 通过频谱仪可直接进行观察 另外通过频军计数器可读取拍频频率值 设 激光器 1 作为参考激光器 激光器2 为各特测激光 器 在相同的运转条件下 先 后测得各激光器相对于参考激光器的 拍频频率 如其中某一激光器相对于参考激 光 器 的 vo v z a v 4 v 等 等 n 为 取 样 测 量 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仑方差进行处理 这是因为在观测平均时间内 在任何时刻都可能出现大的频率变化 若把最大的 频率变化值简单地取算术平均 作为频率变化值 就会产生很大的 误差 率偏差的双取样阿仑方差 因此 一般都采用统计的方法 激光频 北京交通大学硕士学位论文 1 小 v 一 v i t l z t 1 一 1 t 1 一 1 0 7 n胃 2 式中 v 2 v 2 为 在 取 样 平 均时 间丁 内 连 续 测量 两个 相 邻的 差 频 信号 的 频率 激光频率稳定度的双取样阿仑方差 a2 2j 1 一 1 1 式中 v 为激光平均频率 1 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 因此只要在数字频率计上测出n组相邻差频频率序列 用上式即可 计算出 取样时间丁 内甸台激光器的频率稳定性 第二章5 3 2 n m稳频固体激光器 第二章 5 3 2 n m稳频固体激光器 根据激光稳频系统的原理 我们把整个系统分为三部分来说明 首先是激光 稳频的主体部分一一 激光器 这里我们主要是指固体激光器 其次是激光稳频的 频率参考一一碘的 超精细分量谱线 最后是本论文实验的主要部分一一调制转移 光谱稳频方法的电路研制和实验 同其它类型的激光器一样 固体激光器也是由 激光 作物质 抽运源 谐振 腔等部分组成 激光工作物质是在固体基质材料 晶体或玻璃 中掺杂少量可产 生 激 光 的 激活 离 子 主 要 采 用 三 价 的 稳 定 离 子 例 如c r n d 3 1 y b 3 十 t m h o 3 e r 材 等 该激活离子受 到抽 运光源 闪 光 灯 半导 体激 光等强抽 运光 作用 产生光激励 在固体激光材料中形成粒子数反转分布 获得其本身固有的波长发 身 寸 固体激光器工作物质的形状有圆柱形 棒状 板条形 平板形 圆盘形与 管状等 自 从1 9 6 0 年美国 的 梅曼 m a im a n 制 造出 第一台 波长6 9 4 3 n tn 的 红宝石激 光器以来 固体激光器获得迅猛发展 最近 以 半导体二极管激光 l a s e r d i o d e l d 作为抽运源的固体激光器的 研制取得了长足的 进步 并取代了闪 光灯抽运源 l d 抽 运固 体 激 光器 也 称 做d p s l d io d e p u m p e d s o li d s ta t e las e r 正因 为 激 光 光源 是 用固体半导体 可称为全固化激光器 1 作为先r k ro 7 u l 固体激光器 1 1 n d y a g环形激光器 n d y a g是掺钦忆铝石榴石的英文简写 中 文也简称为钦激光器 其激光工 作 物质是以 三 价的n d 3 1 离 子 部 分 取 代y 3 a 1 5 0 12 晶 体中 的y 3 r 离 子 而 形 成的 激光晶 体 处于基态4 19 的 钦离 子吸收 用于 抽运的l d发 射的 相 应波长的 光子能 量 其 中心波长为8 1 0 nn 或7 5 0 n m 带宽约为3 0 n r n 吸收辐射后的 钦离子跃迁到4 f s 2 2 h 和4 17 7 2 4 s 3 能 级 通过 无 辐射跃 迁弛 豫到亚 稳态能 级4 17 3 2 上 后者的 寿命 为 2 3 m s 在此能级上的 钦离子可以向 三个不同能级跃迁产生相应的辐射 其中 儿率最大的跃迁是至能级4 17 1 2 相应波长为1 0 6 4 n m 另外两个跃迁是分别至能 级4 13 1 3 二 和4 17 9 2 相应的 波长为1 3 1 9 m n 和9 5 0 n m 上 述第一个跃 迁属四 能 级跃 迁系统 由于能级4 1 1 1 2 位于基态之上 集居的 粒子数很少 与上能级很易形成较 大的粒子数反转 因而只需很低的抽运功率就能实现激光振荡 这是在通常情况 f 容易获得 1 0 6 4 n m输出的原因 北京交通大学硕士学位论文 n d y a g激光器 具有 量子效率高 和受激辐射 截面 大等优点 其阂 值远低于红 宝石和钱玻璃激光器 属另一 类钱激光 器 而且 由 于 它热导 率较高 易于 散热 可以制成单脉冲运转 高 重复率或连续运转等性能的多种器件 获得很高的连续 或峰值功率 在光频标准的应用中 它将成为重要的的固体激光频率标准 1 2 n d v v o 环形激光器 n d y v 0 4 晶体 是另一种 光光转换效率更高 的固 体激光器 件 其中n d 3 离 子的 能级结构与上述n d y a g晶体中的类似 能量 和宽 度略有差异 这种晶 体近年来 很受重视的原因是它与n d y a g晶体相比 具有一些明显的优点 在1 0 6 4 nn 处 的 受 激发 射 截面 约为3 1 0 c u f 是n d y a g晶 体的4 倍 在8 0 9 n m处的 吸 收 带 宽约为2 1 r u n 是n d y a g晶 体的 两 倍 因此 具 有高 增益 宽 吸收及 低阐 值 从而可以获得更高的单模输出 功率 其缺点是热导率比n d y a g晶体约低十倍 作为高稳定的光频标准具有一定的困难 但是 作为应用频标而言 它是一种有 可能与n d y a g激光器相竞争的激光器件 尚 有待研究和开发其应用前景 n d y v o 为正单轴晶 体 具有很强的双折射特性 在 1 0 6 4 nn 波长处 其 光和e 光的 折射率分别为 n a 1 9 5 8 和n 2 1 6 8 a 切割的n d y v 0 4 晶 体吸收8 0 9 r i m辐射的吸收系数可高达 7 0 c m 以上 而相应的吸收深度仅为 0 1 4 m m 是 n d y a g晶体吸收深度的十分之一 在此方向 上 其光场e矢量平行于晶体光轴 方向的 二 偏振和垂直于晶体 光轴方向的口 偏振的 光谱特性具有咀显的差异 其 a m 吸收和最强辐射都发生在二 偏振取向 因此常用此取向 得到兀 偏振光输出 由 于它 的上述特性 可以 采用短程吸收选择纵模的方法获得较高的单频输出功率 在腔 内 插入倍频晶体后可以 获得比n d y a g激光器更高的单频绿光输出 本实验室前些时间 研制了k t 作为 腔内 倍 频晶 体的n d y v 0 4 激光 器 2 6 1 在 抽运功率为5 1 5 m w时 获得了4 0 m w的单频5 3 2 m n 的 输出功率 在用1 0 m w的 单频功率调谐时 可以 将其频率调到 碘的 吸收 谱线上 实 现了 用 n d y v 0 4 激光作 碘的饱和吸收谱线的 首次 观测 1 3 单块n d y a g外腔环形激光器 单块固体环形激光器以它极其优良的性质而具有明显的应用前景 其线宽或 频率噪声为l o k h z 量级 可 具有凡十 h z 的 大跨度频率调 谐和接近i o g h z 的单 频不跳模连续调谐范围 其方向 性和光 束空间 特征接 近衍射极限 可 产生上百 毫 瓦 级的单频输出 功率 具 有优良 的 频率和功率稳定 性 采用噪声压缩 技术后 其 第二章5 3 2 n m稳频固休激光器 幅度噪声水平可降低到一l 2 0 d b h z x 1 一1 5 0 d b h z 是特别适合应1 1 1 7 激光频谱 噪声及稳定性 频率控制和调 诺范围 有较高要求的各种千 涉测量及科研领域 单块固体环形激光器是一种非常巧妙的构思 它集单向环形腔优良的单模特 性与单块腔极好的稳定性于 一身构造而成 它的原创性思想和贡献是八十年代中 期在美国s t a n f o r d 大学由t j k a n e l b y e r 和b k z h o u 首先形成并 做出 的 1 8 0 单块固体环形激光器目 前有两种实 现途径 一种是由t j k a n e 设计和采用的 称为非平面单块固体环形激光器 或简写为 m i s e r m o n o l i t h i c i s o l a t e d s in g l e m o d e e n d p u m p e d r in g 1 9 2 3 与 这种新颖的 激 光器 相伴的 特别吸引 人的 特征是 它具有较宽的 加工释放公差 光学加工 艺上易于实现 这一特征为这 种激光器在实验上的成功以 及后来的迅速发展和广泛应用 起到了 相当关键的作 用 然而 这一激光器的另一特点是 为实现单向 运转 它需要很强的磁场 文 献中给出 若使两个环形方向的模式的损耗差达到i 1 0 晶 体中 磁场强度需求 约3 0 0 0 g u a s s 另一方面 由于上下表面中有一面为光学面 不利于 在固定晶体的 同时固定频率调谐器件 除 美国 外 德国 激光中 心的i f re it a g 等人在九 十年代前后也 开始了 这类激光 器研究 2 4 2 5 并提出了 采用非稳腔的设 计思想去 补 偿泵浦引 起的 热透镜效 应 最近他们采用一对大功率的l d作为泵浦源 获得了2 w的 输出 功率 并同时将非 平面单块固体环形激光器结构用于产生9 4 6 n m波长的 激光辐射 不久k a n e 和b y e r 的 研究 报道 美国h p 公 司的wr t r u t n a 等人 提出 了另 一 种称为准平面的单 块固 体 环形 激光 器 p u a s i p la n a r m o n o li t h ic r in g l a s e r 的设 计 2 6 2 7 并在1 3 3 1 n m和1 3 3 8 n m波长上 实现了 这一 橄光器的设 想 该 激光器 对磁 场需求不高 仅为几百高 斯 并 且易于 快速频率调 谐元 件 2 8 3 0 但却必须达到 极严格的加工释放公差要求 与非平面环形激光器相比 公差要求高约7 到1 0 倍 造成光学加工难度极大 这对实验上实现和推广应用是特别不利的 美国和德国 于九十年代前后开始研制非平面单块固体环形激光器的实用产品 其中第一形式 的单块固体环形激光器已 有商品出 现 北京理工大学昊克英博士等人在国内首次成功实验了第一形式的非平面单块 固 体环 形激光器 获得了 很好的 结果 3 1 1 并 还