激光稳频技术.ppt

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1、第三讲激光稳频技术段作梁电子工程学院光电子技术系主要内容一、概述二、兰姆凹陷稳频三、塞曼效应稳频四、饱和吸收稳频（反兰姆凹陷稳频）五、其他稳频激光器六、频率稳定性和复现性的测量如精密干涉测量是以激光波长作为“尺子”，利用光干涉的原理来测定各种物理量(如长度、位移、速度等)的，所以，激光波长(或频率)的准确度会直接影响测量的精度。本章主要介绍几种应用较多的He-Ne激光器的稳频方法及原理。一、概述1.1频率的稳定性和复现性为了衡量频率的稳定性(度)，可以从时域和频域两方面进行描述，既可以用它随时间的变化，也可以用它的频谱分布加以讨论；本章将采用时域的描述方法，频率稳定度通常系指激

2、光器在连续运转时，在一定的观测时间τ内频率的平均值与该时间内频率的变化量Δυ之比，即常说稳定度为10-8，10-9等，就是这个意思。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。显然，变化量Δυ(τ)越小，则S越大，表示频率的稳定性越好。习惯上，有时把S的倒数作为稳定度的量度，即激光的频率或波长随时间变化，既表现为短期抖动，又表现为长期漂移。频率稳定度又可分为短期稳定度和长期稳定度，二者划分的基准是，以探测系统的响应(分辨)时间τ0与测量仪器的观测取样时间τ之间的关系来定：当τ≤τ0时，测得的频率稳定度称为短期稳定度；当τ＞τ0时,测得的稳定度则属于长期稳定度。比

3、较恰当的表示法是，在稳定度数值后面标明取样时间τ值，例如，Sυ(τ)=10－10(τ=10s)。另外，对于作为频率或波长基准的激光器，不仅要求稳定度高，而且要求频率重复性的精度也高。这种在不同地点、时间、环境下稳定频率的偏差量与它们的平均频率的比值称之为频率复现性，以表示之。为被测激光器系列的平均频率或同一台激光器的标准频率；为频率的偏差量。频率的稳定性和复现性是两个不同的概念。对一台稳频激光器，不仅要看其稳定度，而且还要看它的频率复现性。从激光原理可知，激光振荡频率既受原子跃迁谱线频率υm的影响,又受光学谐振腔谐振频率υc的影响，若原子跃迁谱线的宽度为Δυm，谐振腔的谱线宽度

4、为Δυc，则激光振荡频率可表示为1.2影响激光频率稳定的因素近红外和可见光波段，其多普勒线宽Δυm一般不小于108~109Hz，Δυc约为106~107Hz量级，利用泰勒展开，，取到一次方，注意x=Δυc/Δυm（可认为是小量）可见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；谱线对振荡频率的影响由上式中的第二项以频率牵引效应表示出来,牵引效应的比例系数为：q为纵模的序数。从式中可以看出，若腔长或腔内的折射率n两者都发生变化，则激光振荡频率也将变化，(类似于偏微分,再把上式代入可得下式)故激光频率的稳定问题，可以归结为如何设法

5、保持腔长和折射率稳定的问题。在不考虑原子跃迁谱线频率微小变化的情况下，激光振荡频率主要由谐振腔的谐振频率决定，即有(注2nL=qλ)1）温度变化的影响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，即影响频率稳定的外界因素主要有以下几个方面。（温度，大气变化，机械振动，磁场等）式中，△T为温度的变化量；α为谐振腔间隔材料的线膨胀系数，硬质玻璃α=10-5/oC，石英玻璃α=6×10-7/oC，殷钢α=9×10-7/oC。一般难以获得优于10-8的频率稳定度。对于外腔式激光器，设谐振腔长为L，放电管长度为L0，则暴露在大气中部分的相对长

6、度为(L-L0)/L，大气的温度、气压、湿度的变化都会引起大气折射率的变化，从而导致激光振荡频率的变动。设环境温度T=20oC，气压p=1.013×105Pa，湿度H=1.133kPa,则大气对633nm波长光的折射率变化系数分别为2）大气变化的影响又设测量中温度、气压及湿度的时间变化率分别为则引起激光波长的变动分别为式中，τ为测量时间，对示波器τ=3~5s，对XY记录仪τ≤1min。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；3）机械振动的影响对于L=100cm的光腔，当机械振动引

7、起10-6cm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震措施。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1.15μm波长的He-Ne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。4）磁场的影响综上所述，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恒温、防震、