激光原理及激光技術(shù)-完整第8章

1、 激光具有良好的單色性和相干性，在許多應(yīng)用場合，如：精密計量、光通信、光頻標(biāo)、高分辨率光譜學(xué)，不僅要求激光具有單頻的特性，而且要求激光頻率本身穩(wěn)定。普通自由運轉(zhuǎn)激光器，受工作環(huán)境條件影響，輸出頻率往往是不穩(wěn)定的，要想提高其穩(wěn)定性，就必須采用穩(wěn)頻技術(shù)。一、頻率的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性頻率的穩(wěn)定度：( )( )vS 定義：在一定的觀測時間 內(nèi)頻率的平均值 與該時間內(nèi)頻率的變化量 之比。有時也把其倒數(shù)作為穩(wěn)定度的量度。 第八章 穩(wěn)頻技術(shù) 8.1 概述頻率復(fù)現(xiàn)性：對一臺穩(wěn)頻激光器，不僅要看其穩(wěn)定度，還要看它的復(fù)現(xiàn)性。 在不同時間、地點、環(huán)境下穩(wěn)定頻率的偏差量與它們的平均頻率比值稱為頻率復(fù)現(xiàn)性。1( )( )v

2、S ( )vR 如穩(wěn)定度為 表示為 （可見光波段）， 。 頻率或波長隨時間的變化，既表現(xiàn)為短期的抖動又表現(xiàn)為長期的漂移。因此觀測時間不同測量結(jié)果不同。所以通常在穩(wěn)定度后面標(biāo)明取樣時間。810814( )10 ;10 6( )10 Hz 二、影響激光頻率穩(wěn)定的因素 一般情況下，第二部分的頻率牽引很小，因此，激光頻率的穩(wěn)定性主要取決于諧振腔諧振頻率的穩(wěn)定性。2cqnL 激光振蕩頻率決定于原子躍遷中心頻率 ，譜線寬度 ，諧振腔諧振頻率 ，諧振腔線寬 。mmcc()mcmcmmcc 通常情況下有： ，上式可簡化為：mc?()ccmcm()LnLnLnLn 故激光頻率的穩(wěn)定問題，歸結(jié)為如何保持腔長及折射

3、率穩(wěn)定的問題。影響頻率穩(wěn)定的外界因素及被動穩(wěn)頻辦法。1.溫度變化的影響溫度變化的影響 外界環(huán)境溫度的變化或激光管工作變熱，會使腔材料隨著溫度變化而伸縮。 克服辦法：采用熱膨脹系數(shù)小的石英玻璃做激光管，殷鋼材料做支架，并對整個激光器進(jìn)行恒溫控制。2.大氣變化大氣變化 大氣的溫度、濕度、氣壓的起伏會導(dǎo)致大氣折射率的起伏，從而使激光器的光學(xué)腔長發(fā)生變化。 克服措施：外腔式激光器暴露在大氣中的部分盡可能少。并減少空氣流動（可密封）。3.機械振動機械振動 外部環(huán)境中的各種機械振動會導(dǎo)致腔長的振動。 克服措施：防震措施(氣墊平臺，密封)三、激光器主動穩(wěn)頻的方法 實質(zhì)是保持諧振腔光程長度的穩(wěn)定性。主動穩(wěn)頻：

4、選取一個穩(wěn)定的頻率參考標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)外界影響使激光頻率偏離標(biāo)準(zhǔn)頻率時，采用光電子伺服系統(tǒng)鑒別出來并自動調(diào)節(jié)腔長，使激光頻率回復(fù)到特定的標(biāo)準(zhǔn)頻率上，達(dá)到穩(wěn)頻目的。 主動穩(wěn)頻方法大致可分為兩類：1. 利用原子譜線中心頻率作為鑒別器進(jìn)行穩(wěn)頻，如蘭姆凹陷穩(wěn)頻法；2. 利用外界參考頻率作為鑒別器進(jìn)行穩(wěn)頻，如飽和吸收穩(wěn)頻。4.磁場磁場 地磁場及激光器周圍電子儀器產(chǎn)生的磁場會引起腔體上殷鋼材料的磁致伸縮，從而引起腔長變化。 克服措施：磁屏蔽試驗證明：采用被動穩(wěn)頻辦法， 激光器的長期頻率穩(wěn)定度可達(dá) 量級，要進(jìn)一步提高穩(wěn)定度，就要采取主動穩(wěn)頻措施。7102CO對參考標(biāo)準(zhǔn)頻率的要求：（）譜線中心頻率的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性要好

5、。（）線寬要窄。（）有足夠的信噪比。（）譜線頻率與受控激光器頻率要匹配。 8. 穩(wěn)頻方法介紹一、蘭姆凹陷穩(wěn)頻特點：裝置比較簡單，主要用于氣體激光器，頻率穩(wěn)定度為 量級。缺點：復(fù)現(xiàn)性（量級）差（激光管充氣壓力的差別及使用過程中的氣壓變化導(dǎo)致的壓力頻移）。910910outP0CDBBCD調(diào)制信號000裝置示意圖蘭姆凹陷穩(wěn)頻原理音頻振蕩光電探測直流放大選頻放大相敏檢波調(diào)制升壓整流選頻放大器只對特定的某一頻率 f 通過。相敏機檢波器將選頻放大后的信號電壓與參考信號電壓進(jìn)行相位比較。同相位，相敏輸出的直流電壓為正，反之為負(fù)。且直流電壓大小正比于光電接收的激光功率的變化幅度。二、飽和吸收穩(wěn)頻（反蘭姆凹陷

6、穩(wěn)頻） 蘭姆凹陷穩(wěn)頻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，所以頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性受到局限。 飽和吸收穩(wěn)頻：采用外界參考頻率標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行穩(wěn)頻，如在諧振腔中放入一個低氣壓的原子（分子）吸收管，氣壓很低，碰撞加寬很小，吸收線中心頻率的壓力位移也很小，吸收管無放電作用，故譜線中心頻率比較穩(wěn)定，譜線寬度較窄，所以在吸收線中心處形成一個位置穩(wěn)定且寬度很窄的凹陷，以此作為頻率的參考點，頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性得到很大提高。激光管吸收管G( )0a( )0P0激光管增益曲線激光管輸出功率曲線吸收管吸收曲線 三、以F-P腔的幅度特性構(gòu)成穩(wěn)頻系統(tǒng) 該方案采用F-P共焦干

7、涉儀作為頻率基準(zhǔn)。穩(wěn)頻后可使激光器的短期穩(wěn)定性小于F-P共焦干涉儀的線寬之內(nèi)，但F-P腔腔長的改變會引起激光器的頻率漂移，因此為了改善長期穩(wěn)定性，需要對F-P腔進(jìn)行控溫。 缺點：抗干擾能力差，激光頻率的微小改變（超過 F-P線寬 ）就會導(dǎo)致系統(tǒng)失鎖。 優(yōu)點：可以實現(xiàn)任意波長激光器的鎖定（和飽和吸收穩(wěn)頻等不同，不需要有吸收譜線與激光器頻率一致的氣體） 。校正網(wǎng)絡(luò)鎖相放大控溫放大電源振蕩器LD 四、外部飽和吸收穩(wěn)頻常用于半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)頻 外部飽和吸收穩(wěn)頻把吸收氣體室與激光器完全分離，簡化了試驗裝置，（避免吸收氣體插入激光腔造成的不利影響）。同時消除了多普勒增寬對譜線的影響，可以實現(xiàn)高精度的穩(wěn)頻。

8、校正網(wǎng)絡(luò)差分LD同步檢波LD電源 基本思想：將傳播方向相反而路徑基本重合的兩束泵浦光（或飽和光）與探測光、穿過氣體樣品，當(dāng)激光頻率掃描到原子或分子的超精細(xì)能級的共振頻率時，根據(jù)多普勒效應(yīng)，只有在探測光路徑上速度分量為零的那部分原子或分子由于其多普勒頻移為零，才能同時與泵浦光和探測光發(fā)生共振相互作用，由于較強的泵浦光使這部分原子在基態(tài)的數(shù)目減少，所以對探測光的吸收減少，因而譜線呈吸收減弱的尖峰即超精細(xì)躍遷峰。飽和吸收光譜多普勒頻背景無多普勒頻背景的飽和吸收光譜差分相減后：再經(jīng)過同步檢波獲得鑒頻曲線（一階微分信號） 五、F-P腔的相位特性穩(wěn)頻（Pound-Drever-Hall）校正網(wǎng)絡(luò)相移低通濾

9、波LASER 當(dāng)F-P腔完全與入射激光共振時，兩邊頻被F-P腔反射的強度相等，它們與載頻產(chǎn)生拍頻后的信號大小相等，相位相反，故完全抵消，這時誤差信號為零。當(dāng)入射激光與F-P腔不完全共振，有一定失諧時，兩邊頻被F-P腔反射的強度不相等，它們與載頻產(chǎn)生拍頻后的信號相位相反， 首先利用電光調(diào)制晶體對激光作相位調(diào)制（調(diào)制頻率一般遠(yuǎn)大于腔的線寬）。結(jié)果在激光載波的兩側(cè)產(chǎn)生兩個等振幅，相位相反的邊頻（假設(shè)小信號調(diào)制，只考慮第一級邊頻 ，忽略高階邊頻）。頻譜圖掃描腔長透射峰而大小不相等，故誤差信號不再為零，此時為正或負(fù)（隨失諧的不同而不同）。這一誤差信號再經(jīng)過校正網(wǎng)絡(luò)，最后反饋到激光器的電源或腔長上，以調(diào)整

10、激光器的頻率直至與F-P腔完全共振（這時誤差信號為零）。 F-P腔的反射信號中，包括兩種頻率成分： 和 ，經(jīng)過和調(diào)制本地信號混頻后，利用低通濾波器濾掉高頻成分（拍頻信號），只保留直流或低頻的信號（遠(yuǎn)小于 ） ，從而把直流信號從其它項中選取出來。 優(yōu)點：同其他穩(wěn)頻方法相比，方法不需要在激光頻率上加一低頻擾動，從而穩(wěn)頻后，激光器頻率原則上嚴(yán)格等于F-P腔共振頻率。而其它方法，如利用 F-P腔的幅度特性穩(wěn)頻的方法，即使嚴(yán)格穩(wěn)頻后，激光器的頻率上始終存在一個的小擾動。與利用 F-P腔的幅度特性穩(wěn)頻的方法相比，邊帶穩(wěn)頻鎖定的帶寬要大得多，前者為F-P腔的線寬，約為量級，后者為，可達(dá)上百。2t F-P腔的

11、透射特性PoundDreverHall 穩(wěn)頻原理穩(wěn)頻原理一、定性理解模型 F-P腔只允許與其共振的頻率的光通過（如右圖）。 當(dāng)激光的頻率精確地等于某個共振頻率時，激光能全部透過F-P腔，如果激光的頻率稍微偏離某個共振頻率，則激光只有一部分能透過F-P腔。這樣，由于頻率的微小變化引起了透射光強的變化（而光強的變化是可探測到的），我們就可以通過探測光強得到與頻率偏差相聯(lián)系的信號并將其反饋作用到激光器上以穩(wěn)定激光頻率。 F-P腔的反射特性 但是上述方法有缺陷：因為有可能同一頻率激光本身在強度上有波動，這樣反饋信號就不準(zhǔn)確。于等 Pound 等人在此基礎(chǔ)上提出了基于F-P腔反射光強的辦法。 如左圖，我

12、們通過對激光頻率加一微小的調(diào)制，就可以通過反射光強的變化推斷激光頻率是偏大還是偏小。 將腔的頻率鎖定到激光頻率上裝置示意圖（圖中實線代表光，虛線代表電信號）二、定量理解模型為一復(fù)數(shù)F-P腔腔前入射光場：對于兩鏡參數(shù)對稱的F-P腔，在與入射光場同一點的整個腔的反射光場：定義腔的反射系數(shù)腔的反射系數(shù)：長 L 的腔的自由光譜區(qū)fsr2fsrr(exp(i)-1)E=E1exp(i)refincr1.腔對單頻激光的反射腔對單頻激光的反射 F-P腔的反射系數(shù)的強度強度隨激光頻率的變化 F-P腔的反射系數(shù)的相位相位隨激光頻率的變化 由前面兩圖可見：在共振處，入射光與反射光相位相差 ，由此導(dǎo)致腔的反射光強為

13、0。 當(dāng)激光的頻率稍微偏離共振頻率時，就會有反射光，通過間接測量反射光的相位，我們即可判斷激光頻率偏大或偏小。01802.測量反射光的相位測量反射光的相位 如何測量反射光的相位呢？我們可以通過調(diào)制激光的頻率（或相位），就會產(chǎn)生與入射光及反射光有固定相位關(guān)系的邊帶，若我們將邊帶與反射光相干涉，就會產(chǎn)生拍頻信號（調(diào)制頻率），而我們能夠測量拍頻信號的相位。3.調(diào)制激光產(chǎn)生邊帶調(diào)制激光產(chǎn)生邊帶調(diào)制后：展開成當(dāng) 時，入射總功率：總的反射光場：每個邊帶功率：載頻功率：4.反射的調(diào)制光：誤差信號反射的調(diào)制光：誤差信號我們只對相關(guān)項感興趣，因為它們能反映反射光的相位。上式（3.3）中， 項包含正弦和余弦項，無

14、論大還是小，我們都是通過當(dāng)即高調(diào)制頻率時，則只有正弦項存在來判斷激光頻率。為純實數(shù)，則只有余弦項存在即低調(diào)制頻率時，當(dāng)小時：相位調(diào)制光束的瞬時頻率：因反射光功率進(jìn)一步通過定量模型表達(dá)出所圈部分：（泰勒展開）有：誤差信號：誤差信號：誤差信號令：大時：推導(dǎo)可得誤差信號為： 誤差信號其中：5.提取誤差信號提取誤差信號 上述三式中，當(dāng) 時，前兩式有直流項，而第三式直流項為0（不能產(chǎn)生誤差信號）。 我們可以通過將反射光信號 與調(diào)制的振蕩信號 混頻，結(jié)果只有反射光信號的 項混頻后能產(chǎn)生直流項，通過低通濾波器，提取出直流項，而里面恰好包含了誤差信號。 (,2)refPsin() t因為：1cos()cos(

15、)cos() cos() 2tttt相位匹配相位不匹配又因為：調(diào)制信號為：sin() t相位不匹配 ，(,2)refP只取項相連的誤差信號故我們必須引入移相器使兩路信號相位匹配（如下圖）。 8. 穩(wěn)率穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性測量一、拍頻的原理由于光頻極高，一般光電測量儀器無法響應(yīng)到這么高的頻率，同時一般電子儀器也無法將這么高的頻率顯示出來。因此，直接測量頻率的穩(wěn)定度目前是很困難的。目前采用的辦法是利用拍頻的辦法進(jìn)行相對測量：將兩列光波混頻，差頻信號的頻率為無線電射頻級，目前的光電探測器及頻譜分析儀均可產(chǎn)生響應(yīng)。1410 HzLASER 1LASER 2頻率計頻率計兩激光器的光（電）場分別為：當(dāng)兩光場傳播

16、方向平行且重合時，發(fā)生干涉：光電探測器的輸出正比于光強（電場的平方）：第一、二、三項的頻率很高，探測器無法直接響應(yīng)如此高的頻率，只能響應(yīng)其平均值，而最后一項差頻項探測器可以響應(yīng)。11c1122c22E ()=Acos(2t)E ()=Acos(2t)1122E =E ()+E ()22p11222222c11c22c1c212c1c212i =I=E =E ()+E ()=Acos (2t)Acos (2t)A Acos2 (+)tA Acos2 ()t 相對起伏為：pc1c212iA Acos2() t 若激光器相對于激光器的穩(wěn)定性很高，可以認(rèn)為（參考頻率），拍頻頻率值的變化主要是激光器的頻

17、率漂移引起的。10pc1c210iAAcos2() t 設(shè)兩信號的差頻為，下面求解時刻起，取樣長度下頻率相對起伏量：B201BB211T1TT 為差拍的周期1T2211BB2220MMT,TMM 1T,MM為取樣時間 內(nèi)的差拍周期數(shù)B2000M 一批同型號的激光器頻率穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)性是不同的，利用拍頻方法可求出相對頻率穩(wěn)定度。首先求出共同參考波長，然后利用穩(wěn)頻系統(tǒng)鎖定在參考中心。二、利用拍頻技術(shù)測量的頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性2N2iiii-1i 11(2, )()N2為取樣時間 內(nèi)差頻信號的頻率iiii-1, 以激光器作為參考頻率測出激光器等相對于的拍頻頻率，如對，取樣次，每次取樣時間，則激光頻率的雙

18、取樣阿侖方差為：LASER 1LASER 2頻率計頻率計頻譜分析儀頻譜分析儀激光頻率穩(wěn)定度的雙取樣阿侖方差為：N222i2ii 1()(2, )11Si2N散粒噪聲散粒噪聲自發(fā)輻射自發(fā)輻射 噪聲噪聲強度起伏強度起伏相位起伏相位起伏相位起伏相位起伏8.4自差拍干涉法測激光線寬自差拍干涉法測激光線寬兩獨立光束差拍干涉兩獨立光束差拍干涉待測光待測光光電接收、光電接收、譜分析儀譜分析儀條件：頻率有差值、相位不相干條件：頻率有差值、相位不相干12 12本底光本底光缺點：缺點： 本振（參考）光需更穩(wěn)定、更窄線寬（需通過測量比較，本振（參考）光需更穩(wěn)定、更窄線寬（需通過測量比較，復(fù)雜化）復(fù)雜化）至少要兩者相當(dāng)至少要兩者相當(dāng)傳統(tǒng)延遲自差拍干涉（傳統(tǒng)延遲自差拍干涉（DSHI）- 1980Delayed Self-Heterodyne Interferometer延時至延時至相干長度外相干長度外頻率有差值頻率有差值相位不相干相位不相干頻移頻移兩獨立光束兩獨立光束傳統(tǒng)傳統(tǒng)DSHI 的理論模型的理論模型高斯過程高斯過程理論上，可用于任何