長春理工大學(xué) 激光器件與技術(shù)第五章-2講

1、長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系Page: 1第第5章章穩(wěn)頻技術(shù)穩(wěn)頻技術(shù)第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系Page: 25.4 飽和吸收穩(wěn)頻飽和吸收穩(wěn)頻一一. 概述：概述：第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系Page: 35.4 飽和吸收穩(wěn)頻飽和吸收穩(wěn)頻二二. 飽和吸收穩(wěn)頻飽和吸收穩(wěn)頻第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系Page: 45.4 飽和吸收穩(wěn)頻飽和吸收穩(wěn)頻1. 反蘭姆凹陷：反蘭姆凹陷：第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技

2、術(shù)系Page: 55.4 飽和吸收穩(wěn)頻飽和吸收穩(wěn)頻2. 反蘭姆凹陷穩(wěn)頻工作過程：反蘭姆凹陷穩(wěn)頻工作過程：第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系Page: 65.4 飽和吸收穩(wěn)頻飽和吸收穩(wěn)頻目前多采用分子氣體來作為飽和吸收穩(wěn)頻的氣體。目前多采用分子氣體來作為飽和吸收穩(wěn)頻的氣體。分子氣體的吸收線作為參考標(biāo)準(zhǔn)頻率，如下優(yōu)點：分子氣體的吸收線作為參考標(biāo)準(zhǔn)頻率，如下優(yōu)點：第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系Page: 75.4 飽和吸收穩(wěn)頻飽和吸收穩(wěn)頻第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系Page:

3、85.4 飽和吸收穩(wěn)頻飽和吸收穩(wěn)頻蘭姆凹陷穩(wěn)頻和反蘭姆凹陷穩(wěn)頻蘭姆凹陷穩(wěn)頻和反蘭姆凹陷穩(wěn)頻蘭姆凹陷穩(wěn)頻蘭姆凹陷穩(wěn)頻的實質(zhì)是：以譜線的中心頻率的實質(zhì)是：以譜線的中心頻率0作為參考標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)激光振蕩頻作為參考標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)激光振蕩頻率偏離率偏離0時，即輸出一誤差信號時，即輸出一誤差信號通過伺服系統(tǒng)鑒別出頻率偏移的大小和方通過伺服系統(tǒng)鑒別出頻率偏移的大小和方向，輸出一直流電壓調(diào)節(jié)壓電陶瓷的伸縮來控制腔長向，輸出一直流電壓調(diào)節(jié)壓電陶瓷的伸縮來控制腔長把激光振蕩頻率自動把激光振蕩頻率自動的鎖定在蘭姆凹陷中心處。的鎖定在蘭姆凹陷中心處。 反蘭姆凹陷穩(wěn)頻反蘭姆凹陷穩(wěn)頻是在諧振腔中放入一個充有一個低壓氣體原子（或分子

4、）的是在諧振腔中放入一個充有一個低壓氣體原子（或分子）的吸收管，它有和激光振蕩頻率配合很好的吸收線，而且由于吸收管氣壓很低吸收管，它有和激光振蕩頻率配合很好的吸收線，而且由于吸收管氣壓很低，故碰撞加寬很小，可以忽略不計，吸收線中心頻率的壓力位移也很小。吸，故碰撞加寬很小，可以忽略不計，吸收線中心頻率的壓力位移也很小。吸收管一般沒有放電作用，故譜線中心頻率比較穩(wěn)定。吸收線在中心處的凹陷收管一般沒有放電作用，故譜線中心頻率比較穩(wěn)定。吸收線在中心處的凹陷，意味著吸收最小，故激光器輸出功率，意味著吸收最小，故激光器輸出功率(光強(qiáng)光強(qiáng))在在0處出現(xiàn)一個尖峰處出現(xiàn)一個尖峰, 通常稱為通常稱為反蘭姆凹陷，反

5、蘭姆凹陷可以作為一個很好的穩(wěn)頻參考點。反蘭姆凹陷，反蘭姆凹陷可以作為一個很好的穩(wěn)頻參考點。蘭姆凹陷穩(wěn)頻是利用激光本身的原子躍遷中心頻率作為參考點，而原子躍遷蘭姆凹陷穩(wěn)頻是利用激光本身的原子躍遷中心頻率作為參考點，而原子躍遷的中心頻率易受放電條件等影響而發(fā)生變化，所以其穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性就受到的中心頻率易受放電條件等影響而發(fā)生變化，所以其穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性就受到局限。反蘭姆凹陷穩(wěn)頻是采用外界參考頻率標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行穩(wěn)頻，提高了頻率的穩(wěn)局限。反蘭姆凹陷穩(wěn)頻是采用外界參考頻率標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行穩(wěn)頻，提高了頻率的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性。定性和復(fù)現(xiàn)性。 第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系Page:

6、9飽和吸收穩(wěn)頻飽和吸收穩(wěn)頻 小結(jié)小結(jié) 飽和吸收穩(wěn)頻法的穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于蘭姆凹陷飽和吸收穩(wěn)頻法的穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于蘭姆凹陷穩(wěn)頻法和塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻法。作為飽和吸收穩(wěn)頻激光器，穩(wěn)頻法和塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻法。作為飽和吸收穩(wěn)頻激光器，其頻率穩(wěn)定度最終取決于吸收譜線的頻率穩(wěn)定性，譜線其頻率穩(wěn)定度最終取決于吸收譜線的頻率穩(wěn)定性，譜線的寬度以及信噪比，基于此，請簡要回答理想的吸收介的寬度以及信噪比，基于此，請簡要回答理想的吸收介質(zhì)應(yīng)具備哪些條件？質(zhì)應(yīng)具備哪些條件？第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系Page: 105.5 其他穩(wěn)頻激光器其他穩(wěn)頻激光器 He-Ne激光器

7、激光器 激光原子譜線本身、外界飽和吸收譜線激光原子譜線本身、外界飽和吸收譜線 CO2激光器的穩(wěn)頻激光器的穩(wěn)頻 熒光穩(wěn)頻法熒光穩(wěn)頻法 脈沖運轉(zhuǎn)激光器的穩(wěn)頻脈沖運轉(zhuǎn)激光器的穩(wěn)頻 共焦干涉儀法共焦干涉儀法 半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)頻 共焦干涉儀法、共焦干涉儀法、Cs原子飽和吸收原子飽和吸收第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系Page: 115.5 其他穩(wěn)頻激光器其他穩(wěn)頻激光器脈沖運轉(zhuǎn)激光器的穩(wěn)頻脈沖運轉(zhuǎn)激光器的穩(wěn)頻固體脈沖激光器單模運轉(zhuǎn)存在困難：固體激光器增益帶寬較寬；脈沖激光器增益太高；不穩(wěn)定因素：抽運源大電流工作時輸出功率、波長存在變化；激光介質(zhì)溫度

8、變化激烈；消除空間燒空注入鎖頻被動穩(wěn)頻做到最佳的基礎(chǔ)上開展主動穩(wěn)頻！第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系Page: 125.5 其他穩(wěn)頻激光器其他穩(wěn)頻激光器 在腔外放置一個無源共焦干涉儀。F-P干涉儀的透過率隨光頻率的變化發(fā)生變化；激光頻率的變化會引起透過F-P干涉儀光功率的變化。 F-P干涉儀主動穩(wěn)頻：采用一種特殊的搜索電路以保證每一個光脈沖的頻率都能對準(zhǔn)共焦干涉儀的透射峰值。 具體操作： 在光脈沖出現(xiàn)的瞬間，搜索電路開始工作，用一個掃描電壓改變腔長，當(dāng)光電檢測器接收到F-P干涉儀的共振信號，搜索電路就會自動轉(zhuǎn)換成補(bǔ)償信號電壓，其補(bǔ)償量的大小是預(yù)先經(jīng)過測定

9、的，以保證脈沖激光器頻率在整個脈沖周期內(nèi)對準(zhǔn)F-P的中心。 激光頻率的起伏可能仍然較大，在前述操作基礎(chǔ)上，再加一套快速鎖定系統(tǒng)，該系統(tǒng)能比較檢測器1和檢測器2上的激光功率大小，并通過比較光脈沖功率和F-P干涉儀透射的功率得到一個誤差信號，再經(jīng)過鎖定環(huán)路伺服系統(tǒng)改變激光器的光學(xué)長度，使振蕩的光頻率穩(wěn)定在F-P腔透射曲線的最大斜率處，構(gòu)成快速穩(wěn)頻環(huán)路。 第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系Page: 135.5 頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性的測量頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性的測量第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系Page: 145.5 頻率穩(wěn)定

10、性和復(fù)現(xiàn)性的測量頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性的測量 2222221122112212121212cos2cos2cos 2cos 2pcccccciIEtE vEvAvtAv tA AvvtA Avvt 11112222cos 2cos 2ccE vAvtEvAv t)cos(21)cos(21coscosBABABA第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系Page: 155.5 頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性的測量頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性的測量1212cos 2pcciA Avvt第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系Page: 165.5 頻率穩(wěn)定性和

11、復(fù)現(xiàn)性的測量頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性的測量拍頻法的原理示意圖拍頻法的原理示意圖第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系Page: 175.5 頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性的測量頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性的測量兩信號的差頻表示為：兩信號的差頻表示為：MTB111B的周期的周期=MT1M個個周期周期考慮到頻率的不穩(wěn)定性考慮到頻率的不穩(wěn)定性T1=T0+T1B= B0+ B = 0+ 相應(yīng)于相應(yīng)于T0= 0/MT1 = /MT1 / T1 = B/ B B T1 /T02=M T/ 02根據(jù)誤差理論根據(jù)誤差理論因此，在因此，在 t 時刻，時刻， 取樣長度下的頻率相對起伏為取樣長度下的頻率相對起

12、伏為 B/ B =M T/ 0 02第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系Page: 185.5 頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性的測量頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性的測量拍頻法測量激光器輸出頻率穩(wěn)定性的實例拍頻法測量激光器輸出頻率穩(wěn)定性的實例可直接進(jìn)行可直接進(jìn)行觀察觀察直接讀取拍直接讀取拍頻的頻率值頻的頻率值第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系Page: 195.5 頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性的測量頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性的測量對于同一批型號的對于同一批型號的He-Ne激光器，取其中一臺激光器的輸出頻率作為參考頻激光器，取其中一臺激光器的輸出頻率作為參考頻率，記

13、作率，記作SL1，則，則SL2為各待測的激光器。為各待測的激光器。在相同的運轉(zhuǎn)條件下，先后測得其中一臺激光器相對于在相同的運轉(zhuǎn)條件下，先后測得其中一臺激光器相對于SL1的拍頻頻率，分的拍頻頻率，分別記作別記作1、2、 N，N為取樣測量的次數(shù)。為取樣測量的次數(shù)。由于頻率起伏是隨機(jī)的，所以頻率穩(wěn)定度常采用統(tǒng)計的由于頻率起伏是隨機(jī)的，所以頻率穩(wěn)定度常采用統(tǒng)計的阿倫方差阿倫方差進(jìn)行處理。進(jìn)行處理。激光頻率偏差的雙取樣阿倫方差為激光頻率偏差的雙取樣阿倫方差為 則激光頻率穩(wěn)定度的雙取樣阿倫方差為則激光頻率穩(wěn)定度的雙取樣阿倫方差為21122221, 2NiiiNNSNiii2211, 22112222i、 2i-1為取樣平均時間為取樣平均時間內(nèi)連續(xù)測量內(nèi)連續(xù)測量兩個相鄰的