激光原理：第七章第二节 稳频技术

本科生《激光原理》课程

第七章

激光特性的控制与改善常用的激光技术

第一节

模式选择技术

第二节

稳频技术

第三节

激光调制与偏转

第四节

激光放大技术

第五节

激光束变换

第六节

调Q技术

第七节

锁模技术光谱学窄线宽激光器光电对抗激光陀螺自由空间光通信精密测量激光雷达第二节稳频技术第二节稳频技术1频率的稳定度和复现性2影响频率稳定的因素3稳频方法

被动稳频主动稳频以观测取样时间与探测系统的响应时间的关系判定t为观测时间t0为响应时间1.频率的稳定度和复现性1.1频率稳定性(S)1.2频率稳定度1.2.1短期频率稳定度1.2.2长期频率稳定度1.3频率的复现性第二节稳频技术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()与该时间内频率的变化量()之比。S的倒数称为稳定度频率稳定性表征频率稳定的程度dn为同一台激光器不同时间、环境条件下频率的变化量时间，n为频率的平均值第二节稳频技术2.影响频率稳定的因素2.1影响频率稳定的因素激光振荡频率可表示为原子跃迁谱线频率υm，光学谐振腔谐振频率υc，原子跃迁谱线的宽度为Δυm，谐振腔的谱线宽度为Δυc说明：

1）激光器的振荡频率是由原子跃迁谱线及谐振腔的谐振频率共同决定的，二者的变化均会引起激光频率的不稳定；2）原子跃迁谱线频率变化微小，一般情况下不予考虑，所以谐振腔的频率变化被认为是谐振腔谐振频率的变化。多普勒线宽Δυm一般不小于108~109Hz，Δυc约为106~107Hz量级第二节稳频技术2.影响频率稳定的因素2.1影响频率稳定的因素2.2频率稳定的实质

温度机械振动大气变化和电磁场影响；外部环境因素放电气压变化放电电流变化自发辐射造成的无规噪声。内部因素激光谐振腔光程长度的稳定第二节稳频技术3.稳频技术依照有无频率标准分为被动稳频和主动稳频3.1被动稳频技术3.1.1被动稳频技术

就是尽量不增加激光器附加元件的情况下，采用一定的措施，减小或者消除环境温度的变化、机械振动等外界干扰对激光频率稳定性的影响，实现激光频率的稳定。3.1.2被动稳频的主要方法

恒温、防震、密封隔声、稳定电源；

利用膨胀系数低的材料制作谐振腔的间隔器；

热处理；

构建外腔等。第二节稳频技术3.1.3外腔稳频激光器的输出光经准直透镜后照射在闪耀光栅上，调节闪耀光栅的转角，让一级衍射光反馈至光纤端面，零级光输出。微调闪耀光栅的转角能使回到有源区反馈光的中心波长发生变化，从而改变激光器的谐振波长。在这种结构中，闪耀光栅既是色散选频元件，同时也是反射镜和输出镜。其中w为束腰半径，f为准直透镜焦距。在Littman结构中，光入射光栅的角度较大，光斑覆盖的光栅条纹较多，从而得到较Littrow结构更窄的线宽。在相同的工作条件下，其输出功率比Littrow结构要小。

如果相互匹配的另一块闪耀光栅来代替Littman结构中的反射镜，就构成了双光栅型的外腔结构。第二节稳频技术3.2主动稳频技术主动稳频技术就是选取一个稳定的参考标准频率，当外界条件变化使激光频率偏离此标准频率时，利用鉴频装置检测误差信号，再通过反馈控制系统自动调节激光器谐振腔的腔长，将激光频率恢复到特定的标准频率上，最后达到稳频的目的。

稳频激光的频率稳定度和复现性，最终取决于参考频率的稳定度和复现性，电子伺服系统工作状态的好坏，也直接影响激光频率的稳定性。激光主动稳频系统原理图第二节稳频技术主动稳频兰姆凹陷稳频Zeeman效应稳频分子饱和吸收稳频偏频锁定技术相位调制光外差稳频以原子或分子的跃迁谱线中心频率作为参考标准以谐振腔共振频率作为参考标准对参考标准频率的要求：(1)谱线中心频率的稳定性和复现性要好；(2)线宽要窄；(3)有足够的信噪比；(4)谱线频率要与受控激光器频率匹配，即参考谱线的频率应落在受控激光器增益曲线的峰值附近。第二节稳频技术3.2.1兰姆凹陷稳频兰姆凹陷稳频法是以增益曲线中心频率υ0作为参考标准频率，通过电子伺服系统驱动压电陶瓷环来控制激光器腔长，可使频率稳定于υ0处。第二节稳频技术兰姆凹陷稳频的实质：

经谱线的中心频率υ0作为参考标准，当激光振荡频率偏离υ0时，即输出一误差信息通过伺服系统鉴别出频率偏离的大小和方向，输出一直流电压调节压电陶瓷的伸缩来控制腔长把激光振荡频率自动地锁定在兰姆凹陷中心处。应用兰姆凹陷稳频时应注意的问题：(1)稳频激光器要求是单横模，而且必须是单纵模；(2)频率稳定性与兰姆凹陷中心两侧的斜率有关，斜率越大，误差信号就越大，因而灵敏度高，稳定性就越好。(3)兰姆凹陷线型的对称性也影响频率的稳定性。一.塞曼效应第二节稳频技术3.2.2塞曼稳频塞曼效应

一个发光的原子系统置于(强)磁场中时，其原子谱线在磁场的作用下会发生分裂，这种现象称为塞曼效应。

在光束方向施加纵向磁场，则沿磁场方向观察：一条谱线对称地分裂成两条谱线，一条是左旋圆偏振光，其频率高于未加磁场时的谱线，为υ0+Δυ；另一条是右旋圆偏振光，频率低于未加磁场时的谱线，为υ0–Δυ这两条谱线的频率差为：g是朗道因子；μβ是玻尔磁子；h为普朗克常量；H是磁场强度。塞曼效应无磁场沿平行磁场B方向上观测沿垂直磁场B方向上观测⊥B

∥B

π

⊥B

第二节稳频技术因为υL＜υ0L，所以ΔnL＜0，故υL＞υo，即左旋光的频率比未加磁场时的振荡频率增高了，就是υL–υo=(-ΔnL/

no)υLυo-υR=(ΔnR/no)

υR

因为υR＞υ0R，所以ΔnR＞0，故υR＜υo，即右旋光的频率比未加磁场时的振荡频率降低了，就是

塞曼稳频原理第二节稳频技术3.2.3饱和吸收稳频将激光管和吸收管串联，放到外腔型谐振腔中，后者对激光震荡频率处有强吸收峰。另外，吸收管中气体的气压很低(1Pa左右)，因而，受气压及放电条件的变化的影响小。