【激光原理课件】4.2激光器的稳频-GFB(2014)(1)

4 2 激光器的稳频 激光的特点之一是单色性好 即其线宽 与频率 的比值 很小 但由于各种不稳定因素的影响 实际激光 频率的 漂移 远远大于线宽极限 在精密干涉测量 光频标 光通信 激光陀螺及精密光谱研究等应用领域中 要求激光器所发出的 激光有较高的频率稳定性 频率漂移 激光器通过选模获得单频率振荡后 由于内部和激光器通过选模获得单频率振荡后 由于内部和 外界条件的变化 谐振频率仍然在整个 线型宽度内移动 的现象 稳频目的 使频率本身稳定 即不随时间 地点变化 用频率的 稳定度 和 复现性 这两个物理量来表示激光频率稳 定的程度 高福斌高福斌 27 1 频率稳定度 激光器在 一 次连续工作时间内的频率漂移与激光器在 次连续工作时间内的频率漂移与 振荡频率之比 S 4 11a 频率复现性 激光器在不同地点 时间 环境下使用时频 率的相对变化量 R 4 11b 目前 稳定度 已达到 10 9 10 13 而 复现性 在 10 7 10 12 实际应用中 要求 稳定度 和 复现性 都能在 10 8 以上 高福斌高福斌 27 2 4 2 1 影响频率稳定的因素 对共焦腔的 TEM 00 模来说 谐振频率的公式可以简化为 c 4 12 2 q L 环境温度的起伏 激光管的 发热 及 机械振动 都会引起谐振腔 几何长度 的改变 温度的变化 介质中 反转集居数的起伏 以及 大气的 气压 湿度 变化都会影响激光工作物质及谐振腔裸露于 大气部分的折射率 以上因素使腔长 L及折射率 都在 定范围大气部分的折射率 以上因素使腔长 及折射率 都在 一 定范围 内变化 当 L的变化为 L 的变化为 时 引起的频率变化为 L L LL L 4 13 频率相对变化为 高福斌高福斌 27 3 L 一个管壁材料为硬玻璃的内腔式氦氖激光器 当温度漂移 1 时 由于腔长变化引起的频率漂移已超出增益曲线范围 时 由于腔长变化引起的频率漂移已超出增益曲线范围 腔长变化 折射率变化 都是影响频率稳定的因素 1 温度变化 腔长变化 的影响 境温度的起伏或者是激光管 作时发热 都会使腔材 L 环 境温度的起伏或者是激光管 工 作时发热 都会使腔材 料随着温度的改变而伸缩 以致引起频率的漂移 即 L T 式中 T为温度的变化量 为谐振腔间隔材料的线膨胀系 数 硬质玻璃 10 5 C硬质玻璃 石英玻璃 6 10 7 C 殷钢 9 10 7 C 高福斌高福斌 27 4 一般难以获得优于 10 8 的频率稳定度 2 大气变化 折射率变化 的影响 对于外腔式激光器 设谐振腔长为 L 放电管长 L 0 度为 L 0 则暴露在大气中部 分的相对长度为 L L L 0 大气的温度 气压 湿度的变化都会引起大气折射率的变 外腔式激光器示意图 这些原因折合成对频率稳定度的影响 可有下面公式 化 从而导致激光振荡频率的变动 0 L L TPH 这些原因折合成对频率稳定度的影响 可有下面公式 计算 H L 式中 1d 1d 1d 高福斌高福斌 27 5 dd TPH TPH 设 环境温度 T 20 0 C 气压 P 1 013 10 5 Pa 湿度设 H 1 133kPa 则大气对 633nm 波长光的折射率变化系数分别 为 1d 为 7 9 3 10 d 1d T T 5 510 Pa d P P 6 1d 810 Pa d H H 当 L L 0 L 0 1 T 1 0 C P H 0时 有 10 7 高福斌高福斌 27 6 又设测量中温度 气压及湿度的时间变化率分别为 Pa h6 656 d d Pa h3 133 d d min 01 0 d d t H t P t T 则引起激光波长的变动分别为 9 9 3 10 T T dT dt 9 610 p P dP dt 9 4 8 10 dH H dt dH dt H 式中 为测量时间 对示波器 3 5s 对 XY记录 1min 高福斌高福斌 27 7 3 机械振动的影响 机械振动也是导致光腔谐振频率变化的重要因素 如建筑物的振动 车辆的通行 声响等都会引起腔的 支架振动 使腔的光学长度改变 导致振荡频率的漂 移 6 对于 L 100cm的光腔 当机械振动引起 10 cm的 腔长改变时 频率将有 1 10 8 的变化 因此 要克 服机械振动的影响 稳频激光器必须采取良好的防 振措施 高福斌高福斌 27 8 4 磁场的影响 为了减小温度影响 激光谐振腔间隔器多采用殷钢材料制 成 但殷钢的磁致伸缩性质可能引起腔长的变化 如 1 15 m波长的 He Ne激光器 仅由于地磁场效应可以如 波长的 激光器 仅由于地磁场效应可以 产生 140kHz的频移 因而地磁场效应和周围电子仪器的散磁场对于高稳定激光 器影响必须加以考虑 综上所述 环境温度的变化 机械振动等外界干扰对激光频 率稳定性影响很大 因而自然联想到 最直接的稳频办法就是 因而自然联想到 最直接的稳频办法就是 恒温 防震 密封隔声 稳定电源等 高福斌高福斌 27 9 图所示的是一台 CO 2 激光器的防震 恒温装置 它采用了恒温 措施 温度可恒定在 为了防震 在所有部件之间都 2012 12 5 35 0 03 0 C 置有海绵垫 并将整个装置放在坚固稳定的防震台上 还采用了 稳压稳流电源 图 单频 CO2激光器防震 恒温装置 高福斌高福斌 27 10 图 单频 1 激光器 2 减震器 3 石英玻璃管 4 铅筒 外绕加热丝 实验证明 采用恒温度 防震装置后 CO 2 激光 器的长期频率稳定度可达到 10 7 量级 但要提高到量 级 10 8 以上 单靠这种 被动式稳频 方法就很难达到了级 以上 单靠这种 被动式稳频 方法就很难达到了 必须采用伺服 随动 servo 控制系统对激光器进行自 动控制稳频 即 主动稳频 的方法 4 2 2 稳频方法概述 稳频的实质 保持 L不变 保持 不变 一 被动式稳频 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 高福斌高福斌 27 11 按一定长度配合 二 主动式稳频 1 稳频的原理 采用负反馈电路控制稳频技术 选取一个稳 定的参考标准频率 当外界影响使激光频率偏离标准频定的参考标准频率 当外界影响使激光频率偏离标准频 率时 鉴频器给出误差信号 通过负反馈电路去控制腔 长 使激光频率自动回到标准频率上 2 鉴频器 是稳频 的 关键 部 件 鉴频器 是稳频 关键 件 任务 a 提供标准频率 b 频率鉴别 当激光器振荡频 率偏离标准频率时 能够鉴别出来 对鉴频器的要求 a 中心频率要稳定 标准频率不能有 漂移 b 灵敏度要高 微小变化能鉴别 鉴频器的类型 以原子谱线本身作为鉴频器 以外界标 准频率做鉴频器 高福斌高福斌 27 12 4 2 3 兰姆凹陷法稳频 利用原子谱线中心频率作为鉴别器进行稳频利用原子谱线中心频率作为鉴别器进行稳频 一 稳频原理 1 蓝姆凹陷 对非均匀加宽激光介质 激 对非均匀加宽激光介质 激 光器输出的 功率在中心频率处最小 2 结构和原理 单纵模激光器 其中一块反射镜固定 在压电陶瓷上 利用压电陶瓷的伸缩在压电陶瓷上 利用压电陶瓷的伸缩 来调整腔长 L 光探测器 利用光电转换装置 将光 光探测器 利用光电转换装置 将光 信号转变为电信号 作为电路的信号 电路系统 将误差信号转成 一 直流电 电路系统 将误差信号转成 直流电 压加到压电陶瓷上 以改变腔长 图 4 8 兰姆凹陷法稳频激光器的基本结构 当压电陶瓷外表面加正电压 内表面加负电压时压电陶瓷伸长 反之则缩 高福斌高福斌 27 13 短 因而可利用压电陶瓷的伸缩来控制腔长 二 腔长自动补偿系统的方框图 只放大频率 为 f的信号 光电信号转换 前 为 的信号 压电陶瓷 反馈偏压 相位比较 选频放大器只是对某 特定频率信号进行有选择性的放大与输 压电陶瓷 调制信号 参考信号 选频放大器只是对某 一 特定频率信号进行有选择性的放大与输 出 相敏检波器的作用是将选频放大后的信号电压与参考信号 电压进行相位比较 当选频放大信号为零时 相敏输出为零 电压进行相位比较 当选频放大信号为零时 相敏输出为零 当选频放大信号和参考信号同相位时 相敏输出的直流电压为 负 反之则为正 振荡器除供给相敏检波器以参考信号电压外负 反之则为正 振荡器除供给相敏检波器以参考信号电压外 还给出一个频率为 f 约为 lkHz 幅度很小 只有零点几伏 的交 流信号 称为 搜索信号 的正弦调制信号加到压电陶瓷环上 高福斌高福斌 27 14 对腔长进行调制 二 腔长自动补偿系统的方框图 只放大频率 前 只放大频率 为 f的信号 光电信号转换 前 压电陶瓷 调制信号 负反馈偏压使压电陶瓷长度缩短 率 相位比较 参考信号 调制信号 同位相输 出负偏压 腔长伸长 纵模频 率 变小 因此被 纵模频率 B 拉回到 0 参考信号 高福斌高福斌 27 15 二 腔长自动补偿系统的方框图 只放大频率 前 只放大频率 为 f的信号 光电信号转换 前 压电陶瓷 调制信号 正反馈偏压使压电陶瓷长度伸长 率 相位比较 参考信号 调制信号 反位相输 出正偏压 腔长缩短 纵模频 率 变大 因此被 纵模频率 A 拉回到 0 参考信号 高福斌高福斌 27 16 二 腔长自动补偿系统的方框图 只放大频率 前 只放大频率 为 f的信号 光电信号转换 前 输出为零 压电陶瓷 调制信号 零偏压使 0 保持不变 相位比较 参考信号 调制信号 零偏压 参考信号 高福斌高福斌 27 17 三 稳频原理示意图 假由 种 激光器输出的 频率调制信号 假 如 由 于某 种 原因 例 如温度降低 使 L 缩 短 引起激光频率由 频率调制信号 短 引起激光频率由 0 偏至 B P与 的 位相正好相同 于是 光电接收器输出一个 频率为 f 的信号 经前 置放大 选频放大后送 工作点漂移 置放大 选频放大后送 入 相敏整流器 相敏整 流器输出 一 个负的直 工作点漂移 流器输出 个负的直 流电压 经放大后加在 压电陶瓷的外表面 它 f振荡器加在 压电陶瓷上的 频率振荡 图 4 10 稳频原理 使压电陶瓷缩短 腔长 伸长 于是频率 B 被拉 回到 频率振荡 高福斌高福斌 27 18 图 稳频原理 回到 0 三 稳频原理示意图 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 P与 的 位相正好相反 相敏整位相正好相反 相敏整 流器输出一个正的直 流电压 经放大后加在 压电陶瓷的外表面 它 使压电陶瓷伸长 腔长 缩短 是频率 被拉缩短 于 是频率 v A 被拉 回到 v 0 图 4 10 稳频原理 高福斌高福斌 27 19 图 稳频原理 三 稳频原理示意图 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 将以频而且此时 将以频 率2 f 变化 这时工作 频率为 f 的选频放大频率为 的选频放大 器输出为零 没有附 加的电压输送到压电 陶瓷上 腔长也就不 被调整 于是激光器 的输出频率就被锁定 图 4 10 稳频原理 的输出频率就被锁定 在 0 处了 高福斌高福斌 27 20 图 稳频原理 四 应用兰姆凹陷稳频时应注意的问题 1 稳频激光器不仅要求是 单横模 而且还要求必须是 单纵模 2 根据以上讨论可见 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 而灵敏度高 稳定性就越好 一般要求兰姆凹陷的深度为输 出功率的 1 8 图 4 11 不同同位素对兰姆凹陷的影响 出功率的 3 兰姆凹陷线型的对称性也影响频率的稳定性 氖的不同 同位素的原子谱线中心有一定频差 充 普通氖气 的氦氖激 光器兰姆凹陷曲线不对称且不够尖锐 制作单频稳频激光器 20 22 21 时应充以 单一同位素Ne 或Ne 4 兰姆凹陷稳频是以原子跃迁谱 线中心频率 0 作为参考标准的 如果光强本身有起伏 特别是 如果光强本身有起伏 特别是 光强的起伏频率接近于选频频 率 则无法实现稳频 因此 激光率 则无法实现稳频 因此 激光 器的激励电源是稳压和稳流 的 缺点 图 4 11 不同同位素对兰姆凹陷的影响 兰姆凹陷稳频采用的参考频率是激光器原子谱线的 中心频率 随激光器放电条件而改变 不可避免地会出现 频率漂移 所以频率复现度不高 仅达到 10 7 10 8 频率漂移 所以频率复现度不高 仅达到 22 4 2 4 饱和吸收法稳频 上述稳频方法是以增益曲线中心频率 0 作为参考标准频 率 但 v 0 易受放电条件的影响而发变化 因此 频率复现性 差 为了提高稳频率精度 希望 降低气压以提高兰姆下陷的 锐度 但激光管不能在过低的气压下工作 因此频率稳定性的 进 步提高受到限制 为了提高频率复现性及稳频精度 可采进 一 步提高受到限制 为了提高频率复现性及稳频精度 可采 用 饱和吸收稳频法 一 饱和吸收稳频装置如图 4 12一 所示 在外腔激光器的腔内置 一 吸收管 图 4 12 饱和吸收法稳频的装置示意图 在外腔激光器的腔内置 吸收管 吸收管内的气体 在激光振荡频率 处有强吸收峰 吸收管内气压很 图 低 通常只有 1 10Pa 低压气体 吸收峰的频率很稳定 因此频率复 现性好 高福斌高福斌 27 23 现性好 图 4 12 饱和吸收法稳频的装置示意图图 由于吸收管气压很低 故碰撞加宽很小 可以忽略 不计 吸收线中心频率的压力位移也很小 吸收管 一般没有放电作用 故谱线中心频率比较稳定 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 以此作为稳频的参考点 可使其 频率稳定性 和复现性精度得到很大的提高 高福斌高福斌 27 24 设吸收管内物质的吸收系数为 A v 当入射光足够强时 由于下能级粒子数的减少和上能级粒子数的增加 A v 将随 入射光强之增加而减小 这就是 吸收饱和现象 图 4 12 饱和吸收法稳频的装置示意图 对于 v v 0 的光 其正向传播和反向传播的两列行波光强均被 z 图 4 13 吸收介质的吸收曲线 0的分子所吸收 即两列光强作用于同一群分子上 故吸收容 易达到饱和 而对于 v v 的光 则正向传播和反向传播的两列易达到饱和 而对于 0 的光 则正向传播和反向传播的两列 光强分别被纵向速度为 z 及 z 的两群 少于 z 0 分子所吸 收 所以吸收不易达到饱和 在吸收线的 处出现吸收凹陷 高福斌高福斌 27 25 收 所以吸收不易达到饱和 在吸收线的 v 0 处出现吸收凹陷 二 与激光输出功率曲线的兰姆凹陷相似 在吸收介质的吸收曲 线上也有一个吸收凹陷 在谐振腔中放置 收管时谐振腔的在谐振腔中放置 吸 收管时谐振腔的 单程损耗为 LA 00 vv 图 4 13 吸收介质的吸收曲线 式中 为未放置吸收管时谐振腔的单 程损耗 L 为吸收管长度 由于 A 0 曲线的尖锐凹陷 激光器输出功 0 曲线的尖锐凹陷 激光器输出功 率在 0 处出现一个尖锐的尖峰 称为 反兰姆凹陷 如图 b 所示 利用反 兰姆凹陷 可使激光器的频率稳定在 0 其稳频系统与兰姆凹陷法类似 高福斌高福斌 27 26 三 激光通过激光管和吸收管时所得到的单程净增益应该是激 光管中的单程增益 和吸收管中的单程吸收 的差 G A 即 A G G 净净 如图4 14 a 只有频率调到 0 附近激光才能振荡 如图4 14 b 频率在整个线宽范围内调谐均能振荡 高福斌高福斌 27 27 图 4 14 反转兰姆凹陷