韩定安-26-频率稳定

一 影响频率稳定性的因素 通常讲的频率的稳定性包括两方面的意思 一是 稳定度 另一方面是 复现度 或 再现度 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 7 2频率稳定 选出的频率是否会变 频率稳定度 二 折射率的变化 温度T 气压P 湿度h的变化对谐振频率的影响 因此对非内腔激光器来说 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 二 稳频方法概述 一 被动式稳频主要是利用热膨胀系数低的材料制做谐振腔的间隔器 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 这种办法一般用于工程上稳频精度要求不高的情况 可加上声热隔离装置 二 采用自动补偿办法进行稳频目前采用的稳频方法基本原理是大体相同的 即是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 这个误差信号经放大后又通过反馈系统回来控制腔长 使振荡频率回到标准的参考频率上 这样的系统常称做伺服系统 依据选择参考频率的方法的不同 这种稳频方法又可分为两类 一类是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 兰姆凹陷法稳频 另一类方法是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 这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 饱和吸收法稳频 三 用兰姆凹陷法稳频 He Ne激光器的谱线主要是非均匀增宽型的 非均匀增宽型的输出功率P随频率 的变化曲线是钟形的 在中心频率 0处出现兰姆凹陷 在 0附近频率的微小变化将会引起输出功率的显著变化 因此 可以通过输出光强的监测 设计出更为灵敏的腔长自动补偿的伺服系统 这种稳频激光器的示意结构如左图所示 在反射镜和支架之间加上一块压电陶瓷 压电陶瓷接到稳频器上 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 从而自动调节腔长达到稳频的目的 腔长的自动补偿系统 伺服系统 的方块图如右图所示 1 在压电陶瓷上需加一直流电压 使初始频率为 0 原子中心频率 2 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 的交流讯号 此讯号称为 搜索讯号 搜索讯号电压使腔长L也以频率f作振动 这就使得激光频率也以频率f变化 这将造成输出功率的变化 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 0偏至 A 即 P与 的位相正好相反 假如由于某种原因使L缩小 引起激光频率由 0偏至 B 即 P与 的位相正好同相 P通过前置放大器和选频放大器变为一个误差讯号而进入相敏整流器 在相敏整流器中误差讯号和搜索讯号进行比较 当它们有相同的位相时则给出一个正的直流电压 反之将给出一个负的直流电压 输出直流电压的大小则由误差讯号的大小来决定 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 n n0同相反向压电陶瓷 腔长 q 拉回n0n n0反相正向压电陶瓷 腔长 q 拉回n0n n02f0电压压电陶瓷不变n n0 在这样的稳频措施中还是有一些问题需要加以注意 第一 激光器的激励电源最好是稳压和稳流的 第二 氖的不同同位素的原子谱线中心有一定频差 稳频激光管都是采用Ne的同位素来制造的 而且对同位素的纯度还应有较高的要求 因为若同位素气体不纯 将会引起兰姆凹陷线型的不对称 而曲线在中心频率两侧的斜率不对称时 会在斜率大的一侧造成误差讯号大而斜率小的一侧造成误差讯号小的现象 这样 输出频率就不能准确地调到凹陷的频率中心了 第三 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 则稳定性越好 因此 为了得到较高的稳定度 应该增加兰姆凹陷的深度 另外 复现度不高主要是作为参考频率的 0的漂移引起的 四 用饱和吸收法稳频 饱和吸收法稳频的示意装置如左图所示 这种装置在激光谐振腔中除了激光管外 还加了一个吸收管 在吸收管内充以特定的气体 此气体在激光谐振频率处应有一个强的吸收线且吸收管内所充气体的气压很低 在吸收介质的吸收曲线上也有一个吸收凹陷 如图所示 吸收凹陷产生的原因和兰姆凹陷产生的原因是类似的 对非均匀增宽谱线线型的介质 在吸收曲线的中心频率处 只有沿激光管轴方向的速度为0的原子才能吸收光子 这种现象称作 饱和吸收 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 把吸收看成是负增益 增益饱和的全部理论可用于吸收饱和 吸收管内气压很低 吸收谱线考虑多普勒效应 频率为 光强为的强光入射 吸收曲线烧孔宽度 为吸收曲线中心频率 若 正反传播的行波在及处烧孔 吸收物质对的吸收系数为 当 吸收系数 吸收系数在凹陷 宽度为 谐振腔单程损耗因子为 而只有G 净 0的那些频率才可能在整个腔内形成振荡 如果饱和吸收在整个多普勒宽度内 除了 0附近的所有频率范围中都比激光增益大 如图 则只有腔模调到 0附近激光才能振荡 如果饱和吸收在整个谱线宽度内都比激光增益小 如图 则腔模在整个线宽范围内调谐均能振荡 但是 由于在 0附近吸收最小 故在 0附近的净增益比线宽内其余部分都要大 这就形成了净增益曲线上的尖峰 此现象称为 反转