第一章激光原理与技术

1、激光测量技术 Laser Measurement Technology 在精密计量中，通常以波长为基准以波长为基准， 测量精度很大程度测量精度很大程度 上决定于波长的精确程度上决定于波长的精确程度。 / v Sv v l频率稳定度 u稳频的必要性： l频率再现性/ v Rv u要求 同一激光器在不同时间、不同地点、不同条件下频率的重复性 激光器输出单频的同时，尽可能小 u表示频率变动的两个物理量 频率漂移远大于线宽极限频率漂移远大于线宽极限! 一、频率变化原因一、频率变化原因 nL c q q 2 l温度：任何材料的物体的线性尺寸都会随温度而变化 l振动：引起腔镜位置变化、激光管变形，使腔长发

2、生 变化 Tll/ 同时，温度变化会引起介质折射率的变化 u激光频率 u频率变化 u引起变化的原因 n n l l nL c q 2 n n l l 温度变化源于环境温度的起伏和激光管的发热 一个管壁材料为硬玻璃的内腔式氦氖激光器，当温 度漂移1C时，由于腔长变化引起频率变化为 6 105 L L 不加任何稳频措施，单纵模氦氖激光器的频率稳定性为 6 14 6 103 107 . 4 101500 D 腔长变化引起频率漂移已超出增益曲线范围腔长变化引起频率漂移已超出增益曲线范围 在精密干涉计量、光频标、激光陀螺及精密光谱研究等应 用领域中，需采用稳频技术以改善激光器的频率稳定性。 二、稳频方法

3、二、稳频方法 （一）被动稳频 1)控制温度：如。一般 8 10,01. 0 v o SCT 2)采用正负线膨胀系数的材料组合 8 v 10S 3)防振、密封 （二）主动稳频 u措施 u基本原理 采用电子伺服控制激光频率，当激光频率偏离标准频率时， 鉴频器给出误差信号控制腔长，使激光频率自动回到标准 频率上。 利用激光器的输出功率P和频率v的关系曲线上的凹陷反 应，在凹陷处输出功率随频率变化比较敏感，使激光器 的频率起伏值v转换成输出功率的起伏值P，从而获得 误差信号,用此误差信号反馈控制谐振腔的长度，使激光 器输出频率趋近中心频率v0 1.兰姆(Lamb)下陷法 uLamb下陷： 由于增益介质

4、的增益饱和，在 激光器的输出功率P和频率v的 关系曲线上，在中心频率v0处 输出功率出现凹陷的现象 u稳频原理： A处，与激励信号，同频反相 B处，同频同相 V0处，2倍频 输出功率变化的规律不仅反映了激光器工作频率偏离中 心频率的大小，而且反映了激光器工作频率偏离标准频 率的方向，可作为差值信号。 谐振腔镜在音频激励信号下振动 中心频率易受放电条件、压力位移等因素的影响对中 心频率的改变，无控制作用；而且线宽较宽，限制了频 率稳定度的提高。 兰姆下陷稳频 。 采用兰姆下陷法，632.8nm He-Ne激光的频率稳定度可 达10-9，再现度只有10-7。 激光器输出激光的光强和频率均有微小的音

5、频调制。 2. 饱和吸收法 u 原理: 利用外界频率标准进行高稳定度的稳频方法 u 方法: 在一外腔管中放入激光管的同时再装一吸收管 u装置示意图 u增益、吸收曲线 反兰姆凹陷的宽度比兰姆凹陷的宽度更窄，峰的位置 更稳定，下陷的斜率也更大。 吸收介质对不同频率的光吸收 是非线性的，对于吸收曲线中 心频率的光，吸收易饱和，而 对于吸收曲线非中心频率的光， 吸收不饱和。对于吸收介质吸 收曲线的中心频率，腔的损耗 最小，输出功率最高，出现反 兰姆下陷。 频率稳定性可达10-1110-13;国际上明确规定甲烷和碘吸 收稳频的氦氖激光波长可作为长度副基准和复现米定义。 3. 塞曼(Zeeman)效应法

6、u塞曼效应:原子能级在磁场作用下发生分裂的现象 u特点： u双频激光器：由塞曼效应制成的激光器。 由塞曼效应而分裂的两条谱线，不仅在频率上有差别， 而且偏振态也不同。 u纵向塞曼效应 激光器产生频率较低的右旋圆偏 光和频率较高的左旋圆偏光 l频差 2.2(0.03 )MHz HT u稳频方法 测出二圆偏振光输出功率之差值，以此作为鉴频误差 信号，再通过伺服控制系统控制激光器腔长。 频率稳定性可达10-10 10-11 ，频率复现性为10-7 10-8 。 u稳频性能 u优点 由双频激光器构成的干涉仪具有较强的抗干扰能力，可用 于工业中的精密计量。 4. 双纵模稳频 当激光频率调谐到距中心偏离约

7、500 MHz 时, 激光出现偏振方向相互垂 直的双纵模振荡，经偏振分光器分离, 分别由性能相同的光电接收器检 测, 转换成电压信号。在内腔激光器的玻璃外壳上绕以细金属丝,通电后 可使激光管加热, 激光管受温度变化而改变腔长。当通过金属丝加热使 激光频率调谐时, 一束平行偏振光的功率增强, 另一束垂直偏振光的功率 相应减弱。用两束激光的功率相等作为参考点, 来控制激光的腔长, 使腔 长保持在双纵模功率相等的状态。 采用商品型内腔型激光器, 简易可行; 采用容易制作的激光电源和稳频器, 使整个装置小型化, 便于搬运和配用; 频率稳定度和复现性达到了用于精密测量范畴的技术 指标, 可以作为精密长度

8、测量和精密波长测量的激光二 级频标。 u稳频性能 u优点 在1 个月内的短期频率复现性可达110-9 用于长度精密测量的稳频激光器, 对频率复现性要求 为优于3 10 - 8 一、激光调制的基本概念一、激光调制的基本概念 指在激光形成以后，再用调制信号对激光进 行调制，它不改变激光器的参数，们是改变已经输出的 激光参数(如强度、频率、位相等)。 激光调制可分为: 和 在激光振荡过程中加载调制信号，即以调制 信号的规律去改变激光振荡的参数，从向改变激光的输 出特性。 光在各向异性介质（晶体）中传播时产生的双折射现 象，由晶体结构自身的各向异性决定，也称固有双折 射。 当晶体受到等外界作用，其结构

9、 发生变化时，将会使光在其中的传播规律发生变化， 既光通过这种有外加电场、超声场或磁场的晶体时， 将产生与外场有关的双折射现象，可以根据人们的意 志加以控制，在光电子技术中得到了广泛的应用。 二、电光调制二、电光调制 (一)电光调制原理 某些材料在外加电场的作用下，其折射率发生变化 222 222 1 xyz xyz nnn 3 2 1 1 ijj j i E n 在晶体未加外电场时，主轴坐标系中，折射率椭球如下： 当晶体加电场后，折射率椭球发生变形折射率椭球发生变形，形式如下： 222 222222 123456 111111 2221xyzyzxzxy nnnnnn 由于外电场的作用，折射

10、率椭球系数随之发生线性变化折射率椭球系数随之发生线性变化，变化量可定义为 用表示 2 1 2 2111213 212223 2 3313133 414243 2 4515253 616263 2 5 2 6 1 1 1 1 1 1 x y z n n E n E E n n n 41 41 63 000 000 000 00 00 00 ij 对于 沿z轴加电压，晶体主轴x、y、z变为 x、y、z，即坐标系沿z轴转45 沿x方向振动的线偏振光通过长度为L的晶体产生的相位差为 3 63 1 2 xooZ nnnE 3 63 1 2 yooZ nnnE 33 6363 222 () yxoZo n

11、n LnE LnV 晶体外加电场后新的折射率椭球 222 414163 222 2221 xyz ooe xyz yzExzExyE nnn 一般把引起相位差的电压 称为半波电压，V或者V/2表示 3 63 /(2) o Vn 三、三、 声光调制声光调制 超声波在声光介质中传播时，介质密度呈现疏密的交替变化，导致折 射率大小的交替变化，此时介质可等效为一块相位光栅，引起入射光 波衍射。 喇曼-耐斯声光衍射&布拉格声光衍射 衍射条件 Bs sin2 布拉格衍射布拉格衍射 1 1、固有旋光现象、固有旋光现象 当一束线偏振光通过某种物质时，光矢量方向会随着 传播距离而逐渐转动。 光轴 石英晶体 四、

12、四、 磁光调制磁光调制 旋光现象的规律： l 物质的旋光本领 胆甾相液晶的约为18000/mm 将入射线偏光看成是左旋、右旋圆偏光的合成， 左旋、右旋圆偏光在物质内部的折射率不同，因而从物质中出 射时获得的位相差不等。 旋光现象与双折射现象的对比旋光现象与双折射现象的对比 双折射现象是指在各向异性介质中的二正交线偏振光的传 播速度不同；旋光现象是指在旋光介质中的二反向旋转的 圆偏振光的传播速度不同。 旋光现象是一种特殊的双折射现象 上述旋光效应是旋光介质固有的性质，称为自然圆双折射 左旋圆偏光和右旋圆偏光 1 1 E i 2 1 E i 合成光强 /2 12 /2 2cos 111 2 2si

13、n 2 i i i i i e e EEEe iiiie e 经过不同相位延迟 1 1 E i 2 1 i Ee i cos x Eat cos y Eat 两互相垂直的线偏光 经过/4波片之后，变为左旋圆偏光和右旋圆偏光 左旋和右旋圆偏光的振动方程可以表示为 1 1 2 2 2 y x a Ecost/ a Ecost 2 2 2 2 2 y x a Ecost/ a Ecost 合成光强 12 22 22 2222222 22 yyy aa EEEcost/cost/ aa sint/sin/sin/cost/ 12 22 222 2 xxx aa EEEcostcost a cos/co

14、st/ P B A VBl 2、磁致旋光效应、磁致旋光效应 磁致旋光效应（法拉第效应）：在强磁场的作用下，本来 不具有旋光效应的物质产生了旋光性质。 感应圆双折射 法拉第效应的旋光方向 决定于外加磁场方向，与光的 传播方向无关，即法拉第效应 不具有可逆性，而自然旋光效 应是可逆的。 应用：应用：单通光闸 P A 45 正向 P A 45 反向 从开始有测量的时间起，才开始有科学。没有量度，精密科学就没有意义。从开始有测量的时间起，才开始有科学。没有量度，精密科学就没有意义。 门捷列夫 u古埃及 定义国王的肘拐至中指尖的距离为“一腕尺”，称“库比特” 长度计量历史长度计量历史 u英国 在十二世纪

15、初仍以英王亨利一世鼻尖至指尖的距离定为一码 u德国 以十六位最先走出教堂的人脚长的十六分之一定为一个长度单位Foot 【补补】 黄钟律管黄钟律管 累黍造尺累黍造尺 u中国 原始社会末期采用“布手知尺”，即以中等人身高姆指至食指之 间的距离当作一尺。 汉代以后，开始用黍子作为长度单位，即规定一粒黍子的宽度定 为一分，十分为一寸，一百分为一尺。清康熙皇帝规定一百粒黍 子纵排其长度为一营造尺（合当今32cm），横排百粒黍子为一乐 律尺，其长度等于一营造尺八寸一分。 黄钟律管是以音调定尺子长度，即利用了波长与频率的关系，以 声速为基准。 米定义的三次变更 1889年米制公约国际计量大会上，通过决定用截

16、面为X形 的铂铱合金尺两端刻线记号间的距离为一米的定义值，这 根米尺称为国际米原器。它安放在巴黎国际计量局的地下 室内，各国都保存一支它的复制品。 国际米原器作为长度 基准一直沿用了71年，它的相对精度10-7左右。 u缺点 l铂铱合金物质内部结构随时间变化造成两条刻线间距离的变化，无 法保证国际米原器所规定的精度； l复制尺水平更低。各国的复制尺必须定期比对，十分麻烦； l实物基准一旦受损会造成世界范围的严重影响； l相对精度较低，到了20世纪中叶已不能满足自然科学和工业发展的 需要。 公元1875年国际米制公约建立，规定通过巴黎地球子午线 的四千万分之一为1米，这是米的首次定义。 米等于氪

17、86原子2P10和5d5能级间跃迁辐 射真空波长1650763. 73倍的长度。 以自然基准代替实物基准，这是计量科学的一次革命。 u意义 用光波波长定义米的主要优点是稳定、不受环境的影响， 只要符合定义规定的物理条件，就能复现。 u优点 氪86原子辐射谱线不够窄（谱线宽度仅为810-7），亮度低（输出功 率0.1W），相干长度仅为800mm，在推荐的实用条件下，波长准确 度在110-8。 u缺点 1967年年，国际上定义在，国际上定义在零磁场下零磁场下铯原子铯原子基态基态的的两个超精细能两个超精细能 级之间级之间跃迁所对应的跃迁所对应的9192631770个周期持续的时间为个周期持续的时间为

18、一秒一秒。 原子钟 任何具有周期性变化的自然现象周期性变化的自然现象都可以用来测量时间 天文秒天文秒 地球自传的八万六千四百分之一 原子秒原子秒 原子钟原子钟 实现上述定义的装置称为原子钟，精度为110-14左右， 即三百万年不差一秒。 1989年，W.保罗（德国人）、H.G.德默尔特、N.F.拉姆齐（美国人） 创造了世界上最准确的时间计测方法原子钟，为物理学测量作出杰出贡献 。 1969年以后，科学家们成功地测定了甲烷稳频 3.39m氦氖激光器的绝对频率值，又以氪86波 长为基准测定了该激光的真空波长值，再经过 国际间的平均与核对，得到了新的真空波长值， 此值不受精度限制。 1983年第17届国际计量大会将米定义为光在真空中 1/299792458s的时间间隔内行程的长度。 u特点 把真空中的光速值作为一个固定不变的物理常数固定 下来，光速值从此不在是一个物理学中可测量的量， 而成为一个换算常数；长度测量可通过时间或频率测 量导出，从而使时间单位和长度单位结合了起来。 u新的米定义产生的原因或根据 l以氪86波长的原米定义的复现精度（410-9）已不能 满足各方面的需要； l稳频激光器的进展使激光器的频率的复现性大大优于 氪86； l稳频