激光原理及技術(shù)實(shí)驗(yàn)講義2012

1、激光原理及技術(shù)實(shí)驗(yàn)講義吳麗瑩主編系另g班級(jí)姓名哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院2006年6月實(shí)驗(yàn)一橫向塞曼效應(yīng)HlNe激光器的頻率穩(wěn)定FrequencyStabilizationofTransverseZeemanHNeLaser(FSTZL)一、簡(jiǎn)述激光器為什么需要穩(wěn)頻？這是精密計(jì)量的需要。許多幾何量的計(jì)量都以長(zhǎng)度為基礎(chǔ)，所以長(zhǎng)度基準(zhǔn)是非常重要的。長(zhǎng)度單位“一米”的定義是光在真空中1秒所走距離的299,792,458分之一。這是一個(gè)絕對(duì)的定義。實(shí)際上用激光波長(zhǎng)作為測(cè)量的基準(zhǔn)，這個(gè)基準(zhǔn)的再現(xiàn)度可達(dá)到10-11-10-12He-Ne激光器同其它光源相比，頻率和波長(zhǎng)已經(jīng)很純了，但是在連續(xù)運(yùn)行過程

2、中，會(huì)產(chǎn)生頻率飄移，即頻率值隨時(shí)間變化。頻率的變化就等于波長(zhǎng)產(chǎn)生變化，給精密計(jì)量帶來誤差，所以必須采用穩(wěn)頻技術(shù)。頻率的穩(wěn)定程度用穩(wěn)定度指標(biāo)衡量，穩(wěn)定度是指激光器在一次連續(xù)工作時(shí)間內(nèi)的頻率漂移V與振蕩頻率V之比1秒；1秒，可以是數(shù)分鐘或幾小時(shí)S的值越小，頻率穩(wěn)定度越高。短期穩(wěn)定度：觀察取樣時(shí)間小于長(zhǎng)期穩(wěn)定度：觀察取樣時(shí)間大于二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康慕Y(jié)合儀器實(shí)物學(xué)習(xí)橫向塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻激光器儀器結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)組成、穩(wěn)頻原理；掌握穩(wěn)頻的控制方法與技術(shù)、實(shí)現(xiàn)激光頻率的穩(wěn)定；了解橫向塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻激光器的性能、特點(diǎn)。（例如：頻率穩(wěn)定度高，10-10，偏振性能好，拍頻頻率低，易接收等）三、實(shí)驗(yàn)原理3.1橫向塞曼效應(yīng)原子能級(jí)在外

3、加磁場(chǎng)的作用下發(fā)生分裂的現(xiàn)象稱為塞曼效應(yīng)。外加磁場(chǎng)方向與諧振光軸方向垂直，稱為橫向塞曼效應(yīng)IHHe-Ne激光器置于橫向磁場(chǎng)中塞曼效應(yīng)導(dǎo)致Ne原子上下能級(jí)分II橫向塞曼激光器輸出光的兩頻率分量為正交的線偏振光，具有良好的偏振特性，頻差數(shù)值在幾十千赫至幾百千赫之間變化，一般不會(huì)大于1兆赫；兩分量在45度方向疊加可以產(chǎn)生差拍干涉。（圖1）3.2差拍信號(hào)設(shè)頻率分別為f1和f2的單色光波的振動(dòng)方程分別為：Eacos2二f|tE2=acos2二f2t-;2兩個(gè)光波迭加得：二2acos1122n(f-f2)t-(殲血)1cos22n(ff2)t-(0血)1&二-f2是兩分量之間的頻差，頻率為幾十千赫芝到幾百

4、千赫芝，也即差拍?？衫斫忸l率為（f1-f2）的振動(dòng)對(duì)頻率為（ff2）振動(dòng)的調(diào)制，光強(qiáng)信號(hào)能用光電元件接受。3.3橫向磁場(chǎng)的產(chǎn)生橫向磁場(chǎng)的產(chǎn)生方法如圖2:用鐵磁材料板將各分立磁塊勻排連接。圖2磁鐵布局方式3.4激光諧振條件（駐波條件）n激光介質(zhì)的折射率；l諧振腔長(zhǎng)度；入一一振蕩光波長(zhǎng)；q正整數(shù)只有諧振腔的光學(xué)長(zhǎng)度等于半波長(zhǎng)整數(shù)倍的光波，才能形成穩(wěn)定的振蕩。頻率為2nlc真空中的光速q可取任意正整數(shù)。原則上諧振腔內(nèi)有無限多個(gè)頻率和振蕩方式，稱為“縱模”圖3諧振頻率與縱模間隔諧振腔起了頻率選擇作用。增益大于損耗（閾值條件）的頻率才能發(fā)振。兩個(gè)諧振頻率的間隔厶U為cccW2nl（q1）2niqJnl通

5、過磁場(chǎng)強(qiáng)度的控制改變?cè)鲆鎺У膶挾?，得到單縱模。3.5調(diào)諧曲線激光管處于特征磁場(chǎng)下，差拍信號(hào)的頻率隨諧振腔長(zhǎng)度的伸縮呈周期性變化，描述該變化的曲線稱為拍頻調(diào)諧曲線。差拍穩(wěn)定，激光頻率也穩(wěn)定。利用拍頻調(diào)諧曲線上的線性段MN，將拍頻穩(wěn)定在工作點(diǎn)P，達(dá)到穩(wěn)定激光頻率的目的。3.6頻率穩(wěn)定控制方案風(fēng)冷法，用電扇控制氣流量，使其與激光放電產(chǎn)生的熱量平衡，達(dá)到使激光管長(zhǎng)度恒定的目的。測(cè)量與偏差量為差拍頻率，輸出量為風(fēng)扇控制電壓，運(yùn)用比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律?？刂圃矸娇驁D如圖5所示。4a單片F(xiàn).H莊桂栽-丁門：7丸三乜寸辻氓圖5橫向塞曼穩(wěn)頻激光器原理方框圖四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備橫向塞曼效應(yīng)HlNe穩(wěn)頻激光器，控制器、計(jì)算機(jī)，

6、打印機(jī)五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及記錄1. 打開儀器蓋板，觀察儀器結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)組成；找到后光束，思考穩(wěn)頻激光差拍信號(hào)的取出原理，信號(hào)處理方法；2. 開機(jī)預(yù)熱，觀察拍頻曲線的產(chǎn)生、形狀、速度，打印出調(diào)諧曲線；15分鐘后，切換到自動(dòng)調(diào)節(jié)程序，觀察輸出頻率的穩(wěn)定情況，打印出調(diào)諧曲線;(3、4兩項(xiàng)可參考圖6給出的曲線。)手動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)諧曲線，使其輸出平穩(wěn)，打印出調(diào)諧曲線；6思考從信號(hào)取出到風(fēng)扇控制的硬件方框圖；7思考從信號(hào)取出到風(fēng)扇控制的軟件方框圖；(a)預(yù)熱段調(diào)諧曲線(b)由預(yù)熱段轉(zhuǎn)入頻率穩(wěn)定控制圖6實(shí)際拍頻調(diào)諧控制曲線六、討論問題以實(shí)驗(yàn)小組為單位，討論并寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告1簡(jiǎn)單分析影響頻率穩(wěn)定的因素；2描述并分析穩(wěn)頻控制從

7、開機(jī)到自動(dòng)穩(wěn)定的調(diào)諧曲線變化；3分析調(diào)諧曲線的走向與控制技術(shù)的關(guān)系；4畫出控制系統(tǒng)電路原理方框圖；5畫出控制系統(tǒng)控制軟件原理方框圖；6試列表比較縱向塞曼效應(yīng)、橫向塞曼效應(yīng)各自穩(wěn)頻的特點(diǎn)成績(jī)實(shí)驗(yàn)二橫向塞曼效應(yīng)HeNe激光器的頻率穩(wěn)定度評(píng)定一、簡(jiǎn)述在做橫向塞曼效應(yīng)He-Ne激光器的頻率穩(wěn)定度評(píng)定時(shí)，因?yàn)楣忸l頻率太高，無法直接測(cè)量，只能測(cè)到差拍信號(hào)，頻率的數(shù)量級(jí)在幾百K到1MHz左右。通過差拍信號(hào)的穩(wěn)定情況間接評(píng)定激光的頻率穩(wěn)定度。1、頻率穩(wěn)定度Av頻率穩(wěn)定度的定義為:(2-1)式中，v參考頻率;v激光頻率的變化值2、復(fù)現(xiàn)度激光器在不同時(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境下使用時(shí)頻率的相對(duì)變化量(2-2)式中，v參考頻

8、率;Sv激光頻率的改變值二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠冒惙讲罘ǘ孔鳈M向塞曼效應(yīng)HeNe激光器的頻率穩(wěn)定度評(píng)定，包括短期穩(wěn)定度和長(zhǎng)期穩(wěn)定度的測(cè)量。三、實(shí)驗(yàn)原理阿侖方差的表達(dá)式為212二2(N,T,)=lim：(N,T,)(2-3)(2-3)m-護(hù)my以T表示測(cè)量周期，以T表示測(cè)量時(shí)的取樣長(zhǎng)度，也即測(cè)量時(shí)間，取N=2(每組采樣個(gè)數(shù)),一般情況下，相鄰兩次測(cè)量間存在間隙，如圖所示:234567S910(T-.)稱為測(cè)量的間隔時(shí)間或間隙，數(shù)值一般大于零。(T-)等于零時(shí)，稱為無間隙阿侖方差。由于“死時(shí)間”為零，所以采樣更合理,更能準(zhǔn)確地反映頻率穩(wěn)定度。具體應(yīng)用的阿侖方差用第k次和第k+1次測(cè)量頻率偏差值表示，云屮

9、山/廠)(2-4)(*表示對(duì)無窮組測(cè)量結(jié)果取平均，yk41和yk是相鄰平均頻率偏差值，即:0式中fk某段時(shí)間間隔內(nèi)的平均頻率;(2-5)信號(hào)源標(biāo)稱頻率。相鄰兩次測(cè)量沒有間隔，此時(shí)阿侖方差表示為：yk取樣結(jié)束的同時(shí)，是yki取樣的開始，即死時(shí)間為零。9cry(.m)1mHmm：M1-yQ22(2-6)測(cè)量中使用f更方便，公式變?yōu)?120Zi-2fi1()-fi()(2-7)fiC）第i次測(cè)得的頻率值;(2-8)(2-8)fi1（）第i+1次測(cè)得的頻率值m0。2丿用于長(zhǎng)度計(jì)量的激光器，短、長(zhǎng)期穩(wěn)定度要求都較高，所以采樣時(shí)間最短為0.1秒,最長(zhǎng)為1000秒，也可設(shè)置更長(zhǎng)些。按等比系數(shù)510取采樣間隔，即=0.1s，0.16s，0.4s，160s，1000s。為了保證測(cè)量結(jié)果的不確定度盡量小，應(yīng)適當(dāng)增加采樣次數(shù)。這里m取100-200次。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1）橫向塞曼效應(yīng)He-Ne穩(wěn)頻激光器1）橫向塞曼效應(yīng)He-Ne穩(wěn)頻激光器