激光稳频(讲稿)课件

激光稳频技术江南大学陈国庆

1960年，T.H.Maiman制成第一台激光器:红宝石激光器，12月A.Javan制成第一台气体激光器：He-Ne激光器，从此激光稳频就成了一个引入注目的课题。一、激光稳频的意义

激光以其特有的性质，广泛应用于各个领域。其一个显著的优点就是单色性好。但是，随着激光应用的日益广泛和光电子技术的飞速发展，对输出激光品质提出了更高的要求，许多领域一般的激光器已不能满足要求，需要具有很好的单色性，很高的频率稳定度的激光。是研究物质微观结构、运动规律和转换机制的重要手段。如精细结构、超精细结构、同位素移动。●高分辩率光谱：频率高分辩率光谱、时间高分辩率光谱、高灵敏度光谱、高激发态光谱。●激光精密计量：测长、测速、其它物理量的精密测量●激光通信：相干光纤通信●激光新技术：引力辐射相干探测、激光冷却、原子俘获

激光频率由谐振腔振荡频率c和原子跃迁谱线频率m共同决定:二、影响激光频率稳定的因素

c

和m分别是谐振腔线宽和跃迁谱线线宽。激光频率由谐振腔决定：通常c

<<m第二项很小，所以：c

腔长L或折射率n发生变化，多会导致激光频率变化：影响激光频率稳定的因素：外部因素：温度、大气变化、机械振动、磁场内部因素：工作气压、放电电流、自发辐射无规噪声三、激光稳频技术●被动稳频法：

针对上述诸因素，采取恒温、膨胀系数匹配、防振、密封、隔离、稳定电源等措施，使激光稳频。因技术原因难以达到高的稳定度。在激光稳频技术中主要采用主动稳频方法。●主动稳频法：激光器参考频率反馈控制误差检测

主动稳频法分二类：（1）利用增益曲线（输出功率--频率曲线），以工作物质本身跃迁中心频率为参考频率。（2）利用外界参考频率作标准。1、兰姆凹陷稳频法●原理I0I●装置

激光器光电接收振荡器选频放大反馈控制相敏检波PZT2、塞曼效应（吸收）稳频法●原理I0纵向塞曼效应左旋光右旋光吸收线的塞曼分裂0左旋光右旋光吸收●装置

激光器电光晶体调谐放大器矩形波发生器直流放大器相敏检波器PZT吸收光电接收3、无源腔稳频法●原理：以外界无源腔谐振频率作为参考频率进行稳频。M3

光电接收振荡器反馈控制相敏检波PZTM1

M2

M

●装置：

4、饱和吸收稳频法●原理：以吸收线凹陷中心频率作为参考频率进行稳频。激光增益频率0净增益频率饱和吸收频率●装置：

光电接收振荡器直流放大相敏检波PZTPZT选频放大5、位相调制光外差（PMOH）稳频技术●概述：近十几年，发展起来一个具有极高灵敏度的光谱技术：位相调制光外差探测技术。利用位相调制光谱F-P腔共振信号色散谱线，可将激光频率锁定在F-P腔中心频率上，这就是PMOH稳频法。1）、激光位相调制光谱激光位相调制过程如图：EOMRFEinEout外加调制电场为：入射光波场为：出射光场为：用贝塞尔函数展开：

根据电光效应理论，用折射率椭球方程计算位相延迟，将Eout记为E：调制光谱只包含一个频率为的载波和一对频率为m、位相相反、幅度相等的一阶边带。当调制度较小时(<1)，可略去高阶项：由上式可看到，位相调制光谱由许多个间距为调制频率m的对称边带组成。+m+2m+3m-3m-2m-m+m-m2）、F-P腔外差光谱调制光谱的一对边带与载波外差产生的拍频电流等值反相完全抵消，输出为零。但当该束调制光束射入一个F-P腔时，这种平衡对称性将被破坏，拍频电流不再为零，于是可以得到频率为m的信号。F-P腔镜反射率为R，腔长为d，折射率n，当调制光束垂直入射时，反射传递函数：反射传递函数改写成：得F-P腔反射光场：探测器上边带与载波外差拍频得到频率为m的光电流信号为：

利用位相检测可分别探测到上式中的二项，当F-P腔长或激光频率扫描时，对应第一项和第二项分别得到吸收型谱线和色散型谱线。色散谱线吸收谱线F—P腔外差光谱3）、F-P腔光外差稳频原理F-P腔光外差色散谱线中心对称，中心（谐振点）为零，具有很好的鉴频特性，可用作理想的反馈控制信号，来调节激光器参数，进行激光稳频。

鉴频曲线斜率很大，故控制灵敏度高，另外位相调制光外差方法具有很高的信噪比。激光频率偏离量为：=-0若=0，即=0，则i=0若0，即0，则i0色散型信号为：i称为误差信号，是激光频率偏离量的函数，其大小和极性反映了激光频率变化的大小和正负。可作为控制信号来控制激光频率。i=f()=-0

激光频率的变化量等效于腔长L的变化量L。所以i=F(-L)

i

可看作L的函数，当激光频率发生变化时，若能调整其腔长，使腔长修正量L’=F’（i），就能使激光频率回复到谐振频率0（参考频率）实现稳频。激光器电光调制探测器射频源伺服系统移相PZT偏振分束参考腔混频位相调制光外差稳频系统4）实验RF1RF2LASERAOMEOMPD1SERVOTCSF-PAMP1AMP2DBMD2OSCILL光路●外差光谱的获得

布置光路，系统开环，以扫描干涉仪电源替代图中的伺服系统，两只不同响应速度的探测器分别用来探测参考腔透射信号和反射信号，用示波器显示。一个通道输入探测到的透射信号，可得调制光谱线，另一通道输入探测到的反射信号，取不同的相移，可分别得到色散型谱线或吸收型谱线。●激光稳频的实现

仔细调节光路和相移，得到稳定、对称、线型完好的色散型谱线，然后，以伺服系统取代扫描电源，调节伺服系统输出直流电平，当调到色散谱线中心零点，即获得共振透射时，闭上环路。这样，就将激光频率锁定在参考腔谐振频率上。四、频率稳定程度的表征及测量1、表征在稳频技术中，引用频率稳定性（稳定度）和复现性两个物理量来衡量激光频率的稳定程度。●稳定度S

一定时间间隔内，频率变化量与该时间内平均频率之比：分时畴和频畴描述。也常用线宽1/2或单色性1/2/表征。●复现性R

不同条件下频率变化量与平均频率之比：1、测量LASER1LASER2AMPDAA利用拍频技术，将一般电子设备无法显示或测量的极高的光频转化为可显示测量的射频差频信号。采用Allan方差进行数据处理。

介绍几本书1)《激光技术》华中工学院等编，湖南科学