激光原理与激光技术-完整第8章

激光具有良好的单色性和相干性，在许多应用场合，如：精密计量、光通信、光频标、高分辨率光谱学，不仅要求激光具有单频的特性，而且要求激光频率本身稳定。普通自由运转激光器，受工作环境条件影响，输出频率往往是不稳定的，要想提高其稳定性，就必须采用稳频技术。,一、频率的稳定性和复现性,频率的稳定度：,第八章稳频技术,8.1概述,频率复现性：,对一台稳频激光器，不仅要看其稳定度，还要看它的复现性。,在不同时间、地点、环境下稳定频率的偏差量与它们的平均频率比值称为频率复现性。,如稳定度为表示为（可见光波段），。频率或波长随时间的变化，既表现为短期的抖动又表现为长期的漂移。因此观测时间不同测量结果不同。所以通常在稳定度后面标明取样时间。,二、影响激光频率稳定的因素,一般情况下，第二部分的频率牵引很小，因此，激光频率的稳定性主要取决于谐振腔谐振频率的稳定性。,激光振荡频率决定于原子跃迁中心频率，谱线宽度，谐振腔谐振频率，谐振腔线宽。,通常情况下有：，上式可简化为：,故激光频率的稳定问题，归结为如何保持腔长及折射率稳定的问题。影响频率稳定的外界因素及被动稳频办法。1.温度变化的影响外界环境温度的变化或激光管工作变热，会使腔材料随着温度变化而伸缩。克服办法：采用热膨胀系数小的石英玻璃做激光管，殷钢材料做支架，并对整个激光器进行恒温控制。2.大气变化大气的温度、湿度、气压的起伏会导致大气折射率的起伏，从而使激光器的光学腔长发生变化。克服措施：外腔式激光器暴露在大气中的部分尽可能少。并减少空气流动（可密封）。3.机械振动外部环境中的各种机械振动会导致腔长的振动。克服措施：防震措施(气垫平台，密封),三、激光器主动稳频的方法,实质是保持谐振腔光程长度的稳定性。主动稳频：选取一个稳定的频率参考标准，当外界影响使激光频率偏离标准频率时，采用光电子伺服系统鉴别出来并自动调节腔长，使激光频率回复到特定的标准频率上，达到稳频目的。主动稳频方法大致可分为两类：1.利用原子谱线中心频率作为鉴别器进行稳频，如兰姆凹陷稳频法；2.利用外界参考频率作为鉴别器进行稳频，如饱和吸收稳频。,4.磁场地磁场及激光器周围电子仪器产生的磁场会引起腔体上殷钢材料的磁致伸缩，从而引起腔长变化。克服措施：磁屏蔽试验证明：采用被动稳频办法，激光器的长期频率稳定度可达量级，要进一步提高稳定度，就要采取主动稳频措施。,对参考标准频率的要求：（）谱线中心频率的稳定性和复现性要好。（）线宽要窄。（）有足够的信噪比。（）谱线频率与受控激光器频率要匹配。,8.稳频方法介绍,一、兰姆凹陷稳频,特点：装置比较简单，主要用于气体激光器，频率稳定度为量级。缺点：复现性（量级）差（激光管充气压力的差别及使用过程中的气压变化导致的压力频移）。,装置示意图,兰姆凹陷稳频原理,选频放大器只对特定的某一频率f通过。相敏机检波器将选频放大后的信号电压与参考信号电压进行相位比较。同相位，相敏输出的直流电压为正，反之为负。且直流电压大小正比于光电接收的激光功率的变化幅度。,二、饱和吸收稳频（反兰姆凹陷稳频）,兰姆凹陷稳频利用激光本身的原子跃迁中心频率作为参考点，而原子跃迁的中心频率易受放电条件等影响而发生变化，所以频率稳定性和复现性受到局限。饱和吸收稳频：采用外界参考频率标准进行稳频，如在谐振腔中放入一个低气压的原子（分子）吸收管，气压很低，碰撞加宽很小，吸收线中心频率的压力位移也很小，吸收管无放电作用，故谱线中心频率比较稳定，谱线宽度较窄，所以在吸收线中心处形成一个位置稳定且宽度很窄的凹陷，以此作为频率的参考点，频率稳定性和复现性得到很大提高。,激光管增益曲线,激光管输出功率曲线,吸收管吸收曲线,三、以F-P腔的幅度特性构成稳频系统,该方案采用F-P共焦干涉仪作为频率基准。稳频后可使激光器的短期稳定性小于F-P共焦干涉仪的线宽之内，但F-P腔腔长的改变会引起激光器的频率漂移，因此为了改善长期稳定性，需要对F-P腔进行控温。缺点：抗干扰能力差，激光频率的微小改变（超过F-P线宽）就会导致系统失锁。优点：可以实现任意波长激光器的锁定（和饱和吸收稳频等不同，不需要有吸收谱线与激光器频率一致的气体）。,四、外部饱和吸收稳频,常用于半导体激光器的稳频,外部饱和吸收稳频把吸收气体室与激光器完全分离，简化了试验装置，（避免吸收气体插入激光腔造成的不利影响）。同时消除了多普勒增宽对谱线的影响，可以实现高精度的稳频。,基本思想：将传播方向相反而路径基本重合的两束泵浦光（或饱和光）与探测光、穿过气体样品，当激光频率扫描到原子或分子的超精细能级的共振频率时，根据多普勒效应，只有在探测光路径上速度分量为零的那部分原子或分子由于其多普勒频移为零，才能同时与泵浦光和探测光发生共振相互作用，由于较强的泵浦光使这部分原子在基态的数目减少，所以对探测光的吸收减少，因而谱线呈吸收减弱的尖峰即超精细跃迁峰。,饱和吸收光谱,多普勒频背景,无多普勒频背景的饱和吸收光谱,差分相减后：,再经过同步检波获得鉴频曲线（一阶微分信号）,五、F-P腔的相位特性稳频（Pound-Drever-Hall）,当F-P腔完全与入射激光共振时，两边频被F-P腔反射的强度相等，它们与载频产生拍频后的信号大小相等，相位相反，故完全抵消，这时误差信号为零。当入射激光与F-P腔不完全共振，有一定失谐时，两边频被F-P腔反射的强度不相等，它们与载频产生拍频后的信号相位相反，,首先利用电光调制晶体对激光作相位调制（调制频率一般远大于腔的线宽）。结果在激光载波的两侧产生两个等振幅，相位相反的边频（假设小信号调制，只考虑第一级边频，忽略高阶边频）。,而大小不相等，故误差信号不再为零，此时为正或负（随失谐的不同而不同）。这一误差信号再经过校正网络，最后反馈到激光器的电源或腔长上，以调整激光器的频率直至与F-P腔完全共振（这时误差信号为零）。F-P腔的反射信号中，包括两种频率成分：和，经过和调制本地信号混频后，利用低通滤波器滤掉高频成分（拍频信号），只保留直流或低频的信号（远小于），从而把直流信号从其它项中选取出来。优点：同其他稳频方法相比，方法不需要在激光频率上加一低频扰动，从而稳频后，激光器频率原则上严格等于F-P腔共振频率。而其它方法，如利用F-P腔的幅度特性稳频的方法，即使严格稳频后，激光器的频率上始终存在一个的小扰动。与利用F-P腔的幅度特性稳频的方法相比，边带稳频锁定的带宽要大得多，前者为F-P腔的线宽，约为量级，后者为，可达上百。,F-P腔的透射特性,PoundDreverHall稳频原理,一、定性理解模型,F-P腔只允许与其共振的频率的光通过（如右图）。当激光的频率精确地等于某个共振频率时，激光能全部透过F-P腔，如果激光的频率稍微偏离某个共振频率，则激光只有一部分能透过F-P腔。这样，由于频率的微小变化引起了透射光强的变化（而光强的变化是可探测到的），我们就可以通过探测光强得到与频率偏差相联系的信号并将其反馈作用到激光器上以稳定激光频率。,F-P腔的反射特性,但是上述方法有缺陷：因为有可能同一频率激光本身在强度上有波动，这样反馈信号就不准确。于等Pound等人在此基础上提出了基于F-P腔反射光强的办法。,如左图，我们通过对激光频率加一微小的调制，就可以通过反射光强的变化推断激光频率是偏大还是偏小。,将腔的频率锁定到激光频率上装置示意图（图中实线代表光，虚线代表电信号）,二、定量理解模型,为一复数,F-P腔腔前入射光场：,对于两镜参数对称的F-P腔，在与入射光场同一点的整个腔的反射光场：,定义腔的反射系数：,1.腔对单频激光的反射,F-P腔的反射系数的强度随激光频率的变化,F-P腔的反射系数的相位随激光频率的变化,由前面两图可见：在共振处，入射光与反射光相位相差，由此导致腔的反射光强为0。当激光的频率稍微偏离共振频率时，就会有反射光，通过间接测量反射光的相位，我们即可判断激光频率偏大或偏小。,2.测量反射光的相位,如何测量反射光的相位呢？我们可以通过调制激光的频率（或相位），就会产生与入射光及反射光有固定相位关系的边带，若我们将边带与反射光相干涉，就会产生拍频信号（调制频率），而我们能够测量拍频信号的相位。,3.调制激光产生边带,调制后：,展开成,当时，,入射总功率：,总的反射光场：,每个边带功率：,载频功率：,4.反射的调制光：误差信号,我们只对相关项感兴趣，因为它们能反映反射光的相位。,上式（3.3）中，项包含正弦和余弦项，,无论大还是小，我们都是通过,来判断激光频率。,小时：,相位调制光束的瞬时频率：,因反射光功率,进一步通过定量模型表达出所圈部分：,误差信号：,误差信号,令：,大时：,推导可得误差信号为：,误差信号,其中：,5.提取误差信号,上述三式中，当时，前两式有直流项，而第三式直流项为0（不能产生误差信号）。,我们可以通过将反射光信号与调制的振荡信号混频，结果只有反射光信号的项混频后能产生直流项，通过低通滤波器，提取出直流项，而里面恰好包含了误差信号。,只取项相连的误差信号,故我们必须引入移相器使两路信号相位匹配（如下图）。,8.稳率稳定性及复现性测量,一、拍频的原理,由于光频极高，一般光电测量仪器无法响应到这么高的频率，同时一般电子仪器也无法将这么高的频率显示出来。因此，直接测量频率的稳定度目前是很困难的。目前采用的办法是利用拍频的办法进行相对测量：将两列光波混频，差频信号的频率为无线电射频级，目前的光电探测器及频谱分析仪均可产生响应。,两激光器的光（电）场分别为：,当两光场传播方向平行且重合时，发生干涉：,光电探测器的输出正比于光强（电场的平方）：,第一、二、三项的频率很高，探测器无法直接响应如此高的频率，只能响应其平均值，而最后一项差频项探测器可以响应。,相对起伏为：,若激光器相对于激光器的稳定性很高，可以认为（参考频率），拍频频率值的变化主要是激光器的频率漂移引起的。,设两信号的差频为，下面求解时刻起，取样长度下频率相对起伏量：,为差拍的周期,为取样时间内的差拍周期数,一批同型号的激光器频率稳定度和复现性是不同的，利用拍频方法可求出相对频率稳定度。首先求出共同参考波长，然后利用稳频系统锁定在参考中心。,二、利用拍频技术测量的频率稳定性和复现性,为取样时间内差频信号的频率,以激光器作为参考频率测出激光器等相对于的拍频频率，如对，取样次，每次取样时间，则激光频率的双取样阿仑方差为：,激光频率稳定度的双取样阿仑方差为：,8.4自差拍干涉法测激光线宽,两独立光束差拍干涉,待测光,光电接收、谱分析仪,条件：频率有差值、相位不相干,本底光,缺点：本振（参考）光需更稳定、更窄线宽（需通过测量比较，复杂化）,至少要两者相当,传统延迟自差拍干涉（DSHI）-1980DelayedSelf-HeterodyneInterferometer,延时至相干长度外,频率有差值,相位不相干,频移,两独立光束,传统DSHI的理论模型,高斯过程,理论上，可用于任何激光器，可测超窄线宽缺点：对很窄线宽需超长延时光纤（不实用）,当激光谱线为洛仑兹线型时，利用（6、15、16），有,足够大时，更精确接近洛仑兹线型，线宽接近原来的两倍。实验上，至