珀羅干涉儀介紹

1、2021/3/141AI0v v v1/2BC振蕩閾值振蕩閾值增益曲線增益曲線法布里法布里- -珀羅干涉儀（珀羅干涉儀（Fabry-Perot InterferometerFabry-Perot Interferometer） 法布里珀羅干涉儀法布里珀羅干涉儀就是一種相位差相同的多光束干涉就是一種相位差相同的多光束干涉儀器。儀器。2021/3/142 光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔 光學(xué)諧振腔由兩個(gè)或兩個(gè)以上的反射鏡構(gòu)成,如果由兩個(gè)反射鏡組成，按照組成諧振腔的兩個(gè)反射鏡的形狀以及他們的相對(duì)位置，又可以分為，平行平面腔，平凹腔，共焦腔，共心腔等，F(xiàn)P干涉儀實(shí)際上是一種特殊的兩鏡腔-平行平面腔。 作為諧振腔

2、的原理:非單色平行光進(jìn)入FP干涉儀，在兩個(gè)反射鏡之間來(lái)回反射，形成多光束干涉，使得透射光中只有某些特定的波長(zhǎng)成分出現(xiàn)干涉極大，當(dāng)兩個(gè)反射鏡之間的距離比較大，而橫向鏡面尺寸比較小時(shí)，入射角不為0的光束經(jīng)有限次反射后將移出干涉儀，只有入射角接近0的光束能夠形成多光束干涉。因而激光諧振腔的作用有:選擇光波的方向和頻率。1.縱模間隔 2.精細(xì)度FSRc2nt241RFR2021/3/143 (1) 提高單色性提高單色性 將一非單色光輸入F-P腔之后得到的輸出曲線圖,頻率是等間隔的,每條單模的譜線寬度隨R和H的增大而減小,即F-P腔對(duì)輸入的非單色光起挑選波長(zhǎng),壓窄線寬,從而提高單色性的作用.這點(diǎn)在激光技

3、術(shù)中得到重要的應(yīng)用.F-P腔在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用腔在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用1 F-P1 F-P腔在光譜學(xué)中的應(yīng)用腔在光譜學(xué)中的應(yīng)用2021/3/144(2) 用于超精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析用于超精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析 主要用在光譜線超精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究方面.由于原子核磁矩的影響,有的光譜線分裂成幾條十分接近的譜線,這叫做光譜線的超精細(xì)結(jié)構(gòu).設(shè)想入射光中包含兩個(gè)十分接近的波長(zhǎng)和=+.它們產(chǎn)生的等傾干涉條紋有稍微不同的半徑.如果每根干涉條紋的寬度較大,則兩個(gè)波長(zhǎng)的干涉條紋就會(huì)重疊在一起無(wú)法分辨.經(jīng)F-P腔后干涉條紋的細(xì)銳對(duì)提高譜線分辨率本領(lǐng)是極為有利的因素. 2021/3/145銣銣87原子原子超精細(xì)能超精細(xì)能級(jí)結(jié)構(gòu)級(jí)結(jié)構(gòu)20

4、21/3/1469 9個(gè)精細(xì)結(jié)構(gòu)個(gè)精細(xì)結(jié)構(gòu)5 5個(gè)精細(xì)結(jié)構(gòu)個(gè)精細(xì)結(jié)構(gòu)3 3個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)核自旋在晶體場(chǎng)中分裂為三個(gè)能級(jí):21 ,23 ,25m) 1 (43H) 1 (21DPr:Y2SiO5的能級(jí)2021/3/147Pr:Y2SiO5的線寬) 1 (43H) 1 (12D 20K(0.1%)1.4K(0.02%)605.977(SITE1)605.977(SITE1)607.934(SITE2)607.933(SITE2)吸收峰不均勻線寬4.4GHz(SITE1)30GHz(SITE1)2.5GHz(SITE2)10GHz(SITE2) 1 (43H能級(jí)間隔10.19(S

5、ITE1)10.17(SITE1)17.3(SITE1)17.28(SITE1)線寬30kHz(SITE1)70kHz(SITE1)1/23/21/23/23/25/23/25/2) 1 (12D熒光壽命) 1SITE( 51641sT)2SITE( 52221sT均勻線寬) 1SITE( 30970)(1HzT)2SITE( 16717)(1HzT3.5K(0.05%)9.5GHz(SITE1)605.977(SITE1) 1SITE( 41112sT2021/3/148穩(wěn)頻技術(shù)是從事若干量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要問(wèn)題,直接應(yīng)響著實(shí)驗(yàn)結(jié)果的好壞,穩(wěn)頻技術(shù)的提高將促使我們對(duì)微觀世間進(jìn)一步了解和認(rèn)識(shí)及前

6、沿學(xué)科的發(fā)展.穩(wěn)頻技術(shù)不僅在高精度光學(xué)測(cè)量,光學(xué)通信等方面具有重要的應(yīng)用前景,而且它是從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用研究的各種實(shí)驗(yàn)不可缺少的環(huán)節(jié).F-P腔是一種分辨波長(zhǎng)微小變化的元件,同時(shí),也能以相同的精度分辨出頻率的改變,因而可用作激光穩(wěn)頻基準(zhǔn).它突出的優(yōu)點(diǎn)是較寬頻率動(dòng)態(tài)工作范圍.2 F-P腔穩(wěn)頻技術(shù)腔穩(wěn)頻技術(shù) 2021/3/1493 F-P作為反饋元件的應(yīng)用作為反饋元件的應(yīng)用 在自由運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下,半導(dǎo)體激光器譜線一般較寬,由于低Q腔和電場(chǎng)振幅相位之間的相互耦合，使光的振幅和相位噪聲較大，在光通信、量子光學(xué)、BEC等應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)中，要求窄線寬，頻率穩(wěn)定性高的單頻低噪聲光源。大量研究表明，通過(guò)外加光反饋如光柵外

7、部反饋，F(xiàn)-P腔外部反饋等不但可將半導(dǎo)體激光器線寬壓窄，而且還可將頻率調(diào)到特定的波長(zhǎng)區(qū)，同時(shí)降低其強(qiáng)度和位相噪聲，降低閾值。光反饋是通過(guò)平面鏡、光柵、F-P腔等反饋元件將輸出光束的部分光反饋回半導(dǎo)體激光器，使特定的模式振蕩同時(shí)抑制其它模式的方法。2021/3/1410F-P F-P 腔腔 的的 調(diào)調(diào) 節(jié)節(jié)2021/3/1411 圖1 F-P腔剖面結(jié)構(gòu)圖 1.壓電陶瓷 2.腔鏡1 3.膠木 4.紫銅 5.珀耳帖件 6.螺旋微調(diào)塊 7.腔鏡2 8.鋁殼 9.殷鋼F-P腔結(jié)構(gòu)如圖腔結(jié)構(gòu)如圖1所示所示3 6 7 8 9 1 3 5 2 4 2021/3/1412圖2 F-P腔外觀結(jié)構(gòu)圖2021/3/1

8、413 為了減小空氣的流動(dòng),采用了密封的腔體,即用鋁罩將腔體封住;為了減小溫度的影響,采用了熱膨脹系數(shù)較小的殷鋼材料(線膨脹系數(shù)為=910-7/),同時(shí)用控溫精度為0.3的控溫儀,通過(guò)珀耳帖元件和熱敏電阻來(lái)控溫(為了避免殷鋼導(dǎo)熱性差對(duì)控溫時(shí)間的限制又在殷鋼外包了一層對(duì)熱反應(yīng)敏感的紫銅);為了防震,在紫銅的外邊包了一層膠木(起一定的保溫作用),并將整個(gè)裝置放在防震臺(tái)上。2021/3/1414 F-P腔對(duì)光路的要求非常嚴(yán)格,它要求光能夠從它的兩面反射鏡的中心準(zhǔn)確地通過(guò),所以對(duì)光路的調(diào)節(jié)要求非常精確.不能使光路有左右或上下的一丁點(diǎn)的偏差.光路的調(diào)節(jié)如下圖3所示: F-P腔的腔的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 圖3 F-P

9、腔光路的調(diào)節(jié)2021/3/1415實(shí)驗(yàn)操作步驟如下實(shí)驗(yàn)操作步驟如下: （1 1）首先要對(duì)光路進(jìn)行初步的調(diào)節(jié),用兩個(gè)光闌b1和b2來(lái)準(zhǔn)直光路,使光路達(dá)到F-P腔的高度153mm。實(shí)驗(yàn)中激光的輸出光的高度大約為147mm，因此需借助兩個(gè)的全反鏡M1和M2結(jié)合兩個(gè)光闌來(lái)達(dá)到所需高度。（2 2）將兩個(gè)光闌（a1,a2）加在F-P腔上，把F-P腔放入到準(zhǔn)直后的光路中，若剛才準(zhǔn)直后的光高與F-P腔的所需光高有誤差，這時(shí)需再通過(guò)對(duì)的細(xì)調(diào)來(lái)達(dá)到所需高度，使光線水平準(zhǔn)直地通過(guò)兩個(gè)光闌. 2021/3/1416(3) a.粘貼腔的第一片腔鏡,由于粘貼后的腔鏡的軸線與準(zhǔn)直的光路不一定完全重合，可能存在誤差，因此，在

10、粘貼過(guò)程中需借助一個(gè)磁力座來(lái)減小這個(gè)誤差。把粘貼好的腔鏡裝置放在磁力座上進(jìn)行校正，這時(shí)也需借助光闌，調(diào)節(jié)的目的是使入射光斑與出射光斑的中心重合，調(diào)節(jié)過(guò)程中要在A-B膠未完全固化之前，通過(guò)旋轉(zhuǎn)鏡片使得入射光斑與反射光斑在最小誤差范圍內(nèi)達(dá)到重合，旋轉(zhuǎn)時(shí)注意手指不要接觸鏡面,否則可能造成對(duì)鏡面的損壞。調(diào)節(jié)過(guò)程持續(xù)15分鐘左右。由于磁力座不可能做的精確水平，因此粘貼好的腔鏡在校正后任可能存在較小的誤差。 2021/3/1417b.粘貼第二片鏡子。同樣需要用一個(gè)光闌來(lái)幫助調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)過(guò)程需要借助保險(xiǎn)絲來(lái)達(dá)到入射光斑與反射光斑重合的效果。第二片鏡子是粘貼在壓電陶瓷上的, 粘貼好后還要在壓電陶瓷上焊接高壓線（

11、注意壓電陶瓷是內(nèi)正外負(fù)在高壓線上作好標(biāo)志）。（4）兩片腔鏡粘貼好后,在F-P腔的前面加一個(gè)f=150mm的聚焦透鏡，使聚焦透鏡的焦點(diǎn)大致在腔的中心處。用CCD觀察出射的光斑（有兩個(gè)），使它們重合并達(dá)到很好的干涉效果（可以看到明暗閃爍），同時(shí)不斷調(diào)整腔長(zhǎng)，使腔長(zhǎng)最佳（L=100mm）。這些都是通過(guò)示波器來(lái)觀察和調(diào)整的。2021/3/1418半導(dǎo)體激光器頻率的穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器頻率的穩(wěn)定2021/3/1419主要內(nèi)容主要內(nèi)容:1. 為什么要穩(wěn)定激光器的頻率為什么要穩(wěn)定激光器的頻率2. 怎樣穩(wěn)定激光器的頻率怎樣穩(wěn)定激光器的頻率3. 激光器頻率的穩(wěn)定度激光器頻率的穩(wěn)定度2021/3/1420影響激光頻率

12、穩(wěn)定的因素影響激光頻率穩(wěn)定的因素 由激光原理可知，激光振蕩頻率既受原子躍遷譜線頻率由激光原理可知，激光振蕩頻率既受原子躍遷譜線頻率 的影響的影響，又受光學(xué)諧振腔諧振頻率又受光學(xué)諧振腔諧振頻率 的影響的影響，若原子躍遷若原子躍遷譜線的寬度為譜線的寬度為 ，諧振腔的譜線寬度為諧振腔的譜線寬度為 ，則激光則激光振蕩頻率可表示為振蕩頻率可表示為: :（2）（1） 這是在小振幅時(shí)忽略了飽和效應(yīng)的一次近似式。在近紅外這是在小振幅時(shí)忽略了飽和效應(yīng)的一次近似式。在近紅外和可見光波段，其中和可見光波段，其中 （多普勒線寬）一般不小于（多普勒線寬）一般不小于10108 810109 9HzHz，而諧振腔的振蕩線寬

13、，而諧振腔的振蕩線寬 約為約為10106 610107 7HzHz量量級(jí)，所以級(jí)，所以 ，則上式可簡(jiǎn)化為，則上式可簡(jiǎn)化為2021/3/1421影響激光頻率穩(wěn)定的因素 在不考慮原子躍遷譜線頻率微小變化的情況下在不考慮原子躍遷譜線頻率微小變化的情況下,激光振蕩頻激光振蕩頻率主要由諧振腔的諧振頻率決定，即有率主要由諧振腔的諧振頻率決定，即有:其中其中L腔長(zhǎng)腔長(zhǎng),c為在真空中光傳播的速度，為在真空中光傳播的速度，n為腔內(nèi)介質(zhì)折射率，為腔內(nèi)介質(zhì)折射率，m是腔內(nèi)存在的半波數(shù)。振蕩腔的諧振頻率變化是腔內(nèi)存在的半波數(shù)。振蕩腔的諧振頻率變化:從式中可以看出從式中可以看出, ,若腔長(zhǎng)若腔長(zhǎng)L L或折射率或折射率n

14、 n發(fā)生變化，則激光振蕩頻率發(fā)生變化，則激光振蕩頻率也將變化。也將變化。如何設(shè)法保持腔長(zhǎng)和折射率穩(wěn)定的問(wèn)題。如何設(shè)法保持腔長(zhǎng)和折射率穩(wěn)定的問(wèn)題。2021/3/1422影響激光頻率穩(wěn)定的因素前面提到的激前面提到的激光波長(zhǎng)溫度漂光波長(zhǎng)溫度漂移僅對(duì)于激光移僅對(duì)于激光工作增益物質(zhì)工作增益物質(zhì)激光器可以輸出的激光頻率還要受到諧振腔的限制,只有頻率滿足v=kc/2nL,n和L分別為半導(dǎo)體材料的折射率和長(zhǎng)度，c為光速，k為大于0的整數(shù)。溫度對(duì)波長(zhǎng)的調(diào)諧2021/3/1423影響激光頻率穩(wěn)定的因素影響激光頻率穩(wěn)定的因素影響激光振蕩頻率穩(wěn)定的外界因素主要有以下幾個(gè)方面影響激光振蕩頻率穩(wěn)定的外界因素主要有以下幾個(gè)

15、方面: 溫度變化的影響溫度變化的影響 大氣變化的影響大氣變化的影響 機(jī)械振動(dòng)的影響機(jī)械振動(dòng)的影響 磁場(chǎng)的影響磁場(chǎng)的影響 2021/3/1424影響激光頻率穩(wěn)定的因素1. 溫度變化的影響溫度變化的影響 環(huán)境溫度的起伏或者激光管工作時(shí)發(fā)熱環(huán)境溫度的起伏或者激光管工作時(shí)發(fā)熱,都會(huì)使腔材料都會(huì)使腔材料隨著溫度的改變而伸縮，以致引起頻率的漂移，所以一隨著溫度的改變而伸縮，以致引起頻率的漂移，所以一般采用熱膨脹系數(shù)較小的殷鋼材料般采用熱膨脹系數(shù)較小的殷鋼材料(線膨脹系數(shù)為=910-7/)作腔的支架。對(duì)于作腔的支架。對(duì)于L=100cm的光諧振腔，的光諧振腔，當(dāng)機(jī)械振動(dòng)引起當(dāng)機(jī)械振動(dòng)引起10-6cm的腔長(zhǎng)改變

16、時(shí)，對(duì)于的腔長(zhǎng)改變時(shí)，對(duì)于780nm波長(zhǎng)波長(zhǎng)的光來(lái)說(shuō)，頻率將有的光來(lái)說(shuō)，頻率將有3840KHz的變化。的變化。 LLT式中式中,T為溫度的變化量為溫度的變化量;為諧振腔間隔材料的線膨脹系數(shù)，硬質(zhì)玻璃為諧振腔間隔材料的線膨脹系數(shù)，硬質(zhì)玻璃=10-5/0C，石英玻璃石英玻璃=610-7/0C，殷鋼殷鋼=910-7/0C。一般難以獲得優(yōu)一般難以獲得優(yōu)于于10-8的頻率穩(wěn)定度。的頻率穩(wěn)定度。2021/3/1425常用材料的線膨脹系數(shù)1材料溫 度 范 圍 ()201002020020300紫銅17.2X10-617.5X10-617.9X10-6黃銅17.8X10-618.8X10-620.9X10-6

17、鋅33X10-6錫青銅17.6X10-617.9X10-618.2X10-6鉛29.1X10-6鋁青銅17.6X10-617.9X10-619.2X10-6鋁23.03X10-6碳鋼(10.612.2)X10-6(11.313)X10-6(12.113.5)X10-6鉻鋼11.2X10-611.8X10-612.4X10-630CrMnSiA11X10-63Cr1310.2X10-611.1X10-611.6X10-61Cr18Ni9Ti16.6X10-617.0X10-617.2X10-6鑄鐵(8.711.1)X10-6(8.511.6)X10-6(10.112.2)X10-6有機(jī)玻璃130

18、X10-6尼龍1010105X10-62021/3/1426V型折疊腔腔型圖Z型折疊腔腔型圖Z型折疊腔一方面保證了激光介型折疊腔一方面保證了激光介質(zhì)處光斑半徑較小質(zhì)處光斑半徑較小,另一方面又另一方面又突破了腔長(zhǎng)的限制。與直腔相突破了腔長(zhǎng)的限制。與直腔相比比, 折疊腔更利于獲得熱穩(wěn)定運(yùn)折疊腔更利于獲得熱穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)。2021/3/1427影響激光頻率穩(wěn)定的因素2. 大氣變化的影響大氣變化的影響 大氣的溫度、氣壓、濕度的變化都會(huì)引起大氣折射率大氣的溫度、氣壓、濕度的變化都會(huì)引起大氣折射率的變化的變化,從而導(dǎo)致激光振蕩頻率的變動(dòng)。實(shí)驗(yàn)證明從而導(dǎo)致激光振蕩頻率的變動(dòng)。實(shí)驗(yàn)證明:在外腔在外腔式激光器中通

19、風(fēng)引起的空氣抖動(dòng)，能在幾秒內(nèi)產(chǎn)生幾兆式激光器中通風(fēng)引起的空氣抖動(dòng)，能在幾秒內(nèi)產(chǎn)生幾兆赫的快速脈動(dòng)，所以要求外腔式激光器裸露在大氣中的赫的快速脈動(dòng)，所以要求外腔式激光器裸露在大氣中的部分應(yīng)盡可能減少，并且必須避免直接通風(fēng)。部分應(yīng)盡可能減少，并且必須避免直接通風(fēng)。 2021/3/1428 對(duì)于外腔式激光器對(duì)于外腔式激光器,設(shè)諧振腔長(zhǎng)為設(shè)諧振腔長(zhǎng)為L(zhǎng)，放電管長(zhǎng)度為，放電管長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，則暴露在大氣中部分的相對(duì)長(zhǎng)度為，則暴露在大氣中部分的相對(duì)長(zhǎng)度為(L- L0)/L，大氣，大氣的溫度、氣壓、濕度的變化都會(huì)引起大氣折射率的變化，的溫度、氣壓、濕度的變化都會(huì)引起大氣折射率的變化，從而導(dǎo)致激光振蕩頻率的變動(dòng)。

20、設(shè)環(huán)境溫度從而導(dǎo)致激光振蕩頻率的變動(dòng)。設(shè)環(huán)境溫度T=200C，氣壓氣壓p=1.013105Pa，濕度，濕度H=1.133kPa,則大氣對(duì)則大氣對(duì)633nm波長(zhǎng)光的折射率變化系數(shù)分別為波長(zhǎng)光的折射率變化系數(shù)分別為PaPapCdHdnnHdpdnndTdnnT/108)(/105)(/103 . 9)(61510712. 大氣變化的影響大氣變化的影響 2021/3/1429hPahPaCdtdHdtdpdtdT/6 .656,/3 .133min,/01. 00又設(shè)測(cè)量中溫度、氣壓及濕度的時(shí)間變化率分別為則引起激光波長(zhǎng)的變動(dòng)分別為 9)(9)(9)(108 .4106103 .9dtdHHHdtd

21、pppdtdTTT式中,為測(cè)量時(shí)間，對(duì)示波器=35s，對(duì)XY記錄儀1min。2021/3/1430影響激光頻率穩(wěn)定的因素北京優(yōu)立光太北京奧普光太德國(guó)Topic自制激光器激激光光防防風(fēng)風(fēng)罩罩2021/3/1431影響激光頻率穩(wěn)定的因素3. 機(jī)械振動(dòng)的影響機(jī)械振動(dòng)的影響 機(jī)械振動(dòng)也是導(dǎo)致光諧振腔諧振頻率變化的重要因素。它可以機(jī)械振動(dòng)也是導(dǎo)致光諧振腔諧振頻率變化的重要因素。它可以從地面或空氣傳到腔支架上從地面或空氣傳到腔支架上,如建筑物的振動(dòng)、車輛的通行、聲響如建筑物的振動(dòng)、車輛的通行、聲響等都會(huì)引起腔的支架振動(dòng)，從而使腔的光學(xué)長(zhǎng)度改變，導(dǎo)致振蕩等都會(huì)引起腔的支架振動(dòng)，從而使腔的光學(xué)長(zhǎng)度改變，導(dǎo)致振

22、蕩頻率的漂移頻率的漂移;對(duì)于對(duì)于L=100cm的光諧振腔，當(dāng)機(jī)械振動(dòng)引起的光諧振腔，當(dāng)機(jī)械振動(dòng)引起10-6cm的腔長(zhǎng)改變時(shí)，對(duì)于的腔長(zhǎng)改變時(shí)，對(duì)于780nm波長(zhǎng)的光來(lái)說(shuō)，頻率將有波長(zhǎng)的光來(lái)說(shuō)，頻率將有3840KHz的的變化。因此，要克服機(jī)械振動(dòng)的影響，穩(wěn)頻激光器必須采取良好變化。因此，要克服機(jī)械振動(dòng)的影響，穩(wěn)頻激光器必須采取良好的防震措施。的防震措施。 2021/3/1432影響激光頻率穩(wěn)定的因素克服機(jī)械振動(dòng)克服機(jī)械振動(dòng)光學(xué)平臺(tái)和抗光學(xué)平臺(tái)和抗震支撐腿設(shè)計(jì)震支撐腿設(shè)計(jì)2021/3/1433 為了減小溫度影響為了減小溫度影響,激光諧振腔間隔器多采用殷鋼激光諧振腔間隔器多采用殷鋼材料制成，但殷鋼的

23、磁致伸縮性質(zhì)可能引起腔長(zhǎng)的變化，材料制成，但殷鋼的磁致伸縮性質(zhì)可能引起腔長(zhǎng)的變化，如如1.15m波長(zhǎng)的波長(zhǎng)的He-Ne激光器，僅由于地磁場(chǎng)效應(yīng)可激光器，僅由于地磁場(chǎng)效應(yīng)可以產(chǎn)生以產(chǎn)生140kHz的頻移。因而地磁場(chǎng)效應(yīng)和周圍電子儀的頻移。因而地磁場(chǎng)效應(yīng)和周圍電子儀器的散磁場(chǎng)對(duì)于高穩(wěn)定激光器影響必須加以考慮。器的散磁場(chǎng)對(duì)于高穩(wěn)定激光器影響必須加以考慮。4.磁場(chǎng)的影響磁場(chǎng)的影響 綜上所述綜上所述,環(huán)境溫度的變化、機(jī)械振動(dòng)等外界干擾環(huán)境溫度的變化、機(jī)械振動(dòng)等外界干擾對(duì)激光頻率穩(wěn)定性影響很大，因而自然聯(lián)想到，最直接對(duì)激光頻率穩(wěn)定性影響很大，因而自然聯(lián)想到，最直接的穩(wěn)頻辦法就是恒溫、防震、密封隔聲、穩(wěn)定電

24、源等。的穩(wěn)頻辦法就是恒溫、防震、密封隔聲、穩(wěn)定電源等。2021/3/1434穩(wěn)頻方法穩(wěn)頻方法(被動(dòng)穩(wěn)頻被動(dòng)穩(wěn)頻)被動(dòng)穩(wěn)頻主要方法被動(dòng)穩(wěn)頻主要方法:1. 采用全封閉式的光學(xué)腔或在激光器外設(shè)置屏蔽隔離器。采用全封閉式的光學(xué)腔或在激光器外設(shè)置屏蔽隔離器。 因?yàn)榧す馄饔行┎糠直┞对诳諝庵幸驗(yàn)榧す馄饔行┎糠直┞对诳諝庵?空氣的折射率與氣空氣的折射率與氣壓、溫度、濕度，都可引起頻率變化，壓、溫度、濕度，都可引起頻率變化，通風(fēng)時(shí)的氣流亦通風(fēng)時(shí)的氣流亦會(huì)引起激光頻率的起伏，這類變化引起的波動(dòng)可達(dá)會(huì)引起激光頻率的起伏，這類變化引起的波動(dòng)可達(dá)106。因此，要設(shè)法采用全封閉式的光學(xué)腔或在激光器外設(shè)置因此，要設(shè)法采用

25、全封閉式的光學(xué)腔或在激光器外設(shè)置屏蔽隔離器屏蔽隔離器。2. 對(duì)激光器系統(tǒng)進(jìn)行控溫以及使用熱膨脹系數(shù)較小的材對(duì)激光器系統(tǒng)進(jìn)行控溫以及使用熱膨脹系數(shù)較小的材料來(lái)做腔體。料來(lái)做腔體。 2021/3/14353. 采用防振措施來(lái)隔離地面?zhèn)鱽?lái)的機(jī)械振動(dòng)采用防振措施來(lái)隔離地面?zhèn)鱽?lái)的機(jī)械振動(dòng),我們采用我們采用壓縮空氣式防振臺(tái)壓縮空氣式防振臺(tái)。機(jī)械振動(dòng)也是導(dǎo)致光學(xué)諧振腔頻機(jī)械振動(dòng)也是導(dǎo)致光學(xué)諧振腔頻率變化的重要因素之一，它們可以從地面或空氣傳入，率變化的重要因素之一，它們可以從地面或空氣傳入，因此，需要采用防振措施來(lái)隔離地面?zhèn)鱽?lái)的機(jī)械振動(dòng)，因此，需要采用防振措施來(lái)隔離地面?zhèn)鱽?lái)的機(jī)械振動(dòng)，我們采用壓縮空氣式防振

26、臺(tái)，對(duì)低頻機(jī)械振動(dòng)仍有良我們采用壓縮空氣式防振臺(tái)，對(duì)低頻機(jī)械振動(dòng)仍有良好的防振能力。好的防振能力。 以上措施的被動(dòng)穩(wěn)頻方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，以上措施的被動(dòng)穩(wěn)頻方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，但是只能使激光器的頻率穩(wěn)定在但是只能使激光器的頻率穩(wěn)定在107量級(jí)上，量級(jí)上，光頻變光頻變化在化在幾十兆赫茲數(shù)量級(jí)上幾十兆赫茲數(shù)量級(jí)上。所以，我們必須采用。所以，我們必須采用主動(dòng)主動(dòng)穩(wěn)頻技術(shù)穩(wěn)頻技術(shù)來(lái)提高頻率的穩(wěn)定度來(lái)提高頻率的穩(wěn)定度。 穩(wěn)頻方法穩(wěn)頻方法(被動(dòng)穩(wěn)頻被動(dòng)穩(wěn)頻)被動(dòng)穩(wěn)頻主要方法被動(dòng)穩(wěn)頻主要方法:2021/3/1436穩(wěn)頻方法穩(wěn)頻方法(主動(dòng)穩(wěn)頻主動(dòng)穩(wěn)頻)主動(dòng)穩(wěn)頻概念主動(dòng)穩(wěn)頻概念 主動(dòng)穩(wěn)頻技術(shù)的主要思

27、想是主動(dòng)穩(wěn)頻技術(shù)的主要思想是:選選取某一頻率作為取某一頻率作為穩(wěn)定的參考標(biāo)準(zhǔn)頻率穩(wěn)定的參考標(biāo)準(zhǔn)頻率,當(dāng)外界變化影響到激光器的頻當(dāng)外界變化影響到激光器的頻率，使其偏離這個(gè)特定的標(biāo)準(zhǔn)頻率時(shí)率，使其偏離這個(gè)特定的標(biāo)準(zhǔn)頻率時(shí),設(shè)法進(jìn)行鑒別，設(shè)法進(jìn)行鑒別，同時(shí)產(chǎn)生出一個(gè)反映這個(gè)偏差的誤差信號(hào)，該誤差同時(shí)產(chǎn)生出一個(gè)反映這個(gè)偏差的誤差信號(hào)，該誤差信號(hào)不但能指明偏離標(biāo)準(zhǔn)頻率值的大小，而且還能信號(hào)不但能指明偏離標(biāo)準(zhǔn)頻率值的大小，而且還能指明是偏大還是偏小，然后將誤差信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行指明是偏大還是偏小，然后將誤差信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行信號(hào)反饋給激光器的伺服機(jī)構(gòu)，信號(hào)反饋給激光器的伺服機(jī)構(gòu)，通過(guò)控制系統(tǒng)自動(dòng)通過(guò)控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)

28、節(jié)調(diào)節(jié)激光器的腔長(zhǎng)激光器的腔長(zhǎng)，使激光器工作頻率穩(wěn)定地在特，使激光器工作頻率穩(wěn)定地在特定的標(biāo)準(zhǔn)頻率上運(yùn)轉(zhuǎn)?？傊?，定的標(biāo)準(zhǔn)頻率上運(yùn)轉(zhuǎn)?？傊?，穩(wěn)頻技術(shù)穩(wěn)頻技術(shù)實(shí)質(zhì)上就是實(shí)質(zhì)上就是保持激光器諧振腔光程長(zhǎng)度的穩(wěn)定性問(wèn)題保持激光器諧振腔光程長(zhǎng)度的穩(wěn)定性問(wèn)題。2021/3/1437穩(wěn)頻方法穩(wěn)頻方法(主動(dòng)穩(wěn)頻主動(dòng)穩(wěn)頻)主動(dòng)穩(wěn)頻概念主動(dòng)穩(wěn)頻概念 主動(dòng)穩(wěn)頻技術(shù)問(wèn)題的關(guān)鍵在于如下兩點(diǎn)主動(dòng)穩(wěn)頻技術(shù)問(wèn)題的關(guān)鍵在于如下兩點(diǎn): 1）參考頻標(biāo)的選取參考頻標(biāo)的選取,要求它的穩(wěn)定度必須高于所測(cè)要求它的穩(wěn)定度必須高于所測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定度。系統(tǒng)的穩(wěn)定度。鑒頻器鑒頻器:中心頻率要穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)頻率中心頻率要穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)頻率不能有漂移不能有漂移

29、;靈敏度要高，微小變化能夠鑒別。靈敏度要高，微小變化能夠鑒別。 2）反饋系統(tǒng)的信號(hào)要求與所測(cè)系統(tǒng)的調(diào)制信號(hào)必反饋系統(tǒng)的信號(hào)要求與所測(cè)系統(tǒng)的調(diào)制信號(hào)必須同步進(jìn)行。頻率穩(wěn)定好壞主要取決于鑒頻曲線，須同步進(jìn)行。頻率穩(wěn)定好壞主要取決于鑒頻曲線，鑒頻曲線越好，所測(cè)系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定精度越高。鑒頻曲線越好，所測(cè)系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定精度越高。2021/3/1438穩(wěn)頻方法穩(wěn)頻方法幾種主動(dòng)穩(wěn)頻方法幾種主動(dòng)穩(wěn)頻方法: 以增益曲線作為穩(wěn)定激光頻率的標(biāo)準(zhǔn)以增益曲線作為穩(wěn)定激光頻率的標(biāo)準(zhǔn),但很難達(dá)到但很難達(dá)到較高的穩(wěn)定度，僅為較高的穩(wěn)定度，僅為109;比如比如:可利用蘭姆凹陷穩(wěn)頻可利用蘭姆凹陷穩(wěn)頻法法. 它以增益曲線中心頻率作

30、為參考標(biāo)準(zhǔn)頻率它以增益曲線中心頻率作為參考標(biāo)準(zhǔn)頻率。蘭姆蘭姆凹陷穩(wěn)頻是以原子躍遷譜線中心頻率作為參考標(biāo)準(zhǔn)凹陷穩(wěn)頻是以原子躍遷譜線中心頻率作為參考標(biāo)準(zhǔn)的，故中心頻率本身的漂移會(huì)直接影響頻率的長(zhǎng)期的，故中心頻率本身的漂移會(huì)直接影響頻率的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性的精度。氣壓造成的壓力位移，放穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性的精度。氣壓造成的壓力位移，放電條件的不同都將使得蘭姆凹陷中心頻率發(fā)生變化，電條件的不同都將使得蘭姆凹陷中心頻率發(fā)生變化，這些擾動(dòng)都不能用伺服系統(tǒng)來(lái)調(diào)整，只能盡量減小這些擾動(dòng)都不能用伺服系統(tǒng)來(lái)調(diào)整，只能盡量減小其影響。其影響。 所以所以很難達(dá)到較高的穩(wěn)定度很難達(dá)到較高的穩(wěn)定度。2021/3/1439蘭姆凹

31、陷穩(wěn)頻原理蘭姆凹陷穩(wěn)頻原理 蘭姆凹陷穩(wěn)頻法是以增益曲線中心頻率蘭姆凹陷穩(wěn)頻法是以增益曲線中心頻率 0作為參考標(biāo)準(zhǔn)頻作為參考標(biāo)準(zhǔn)頻率率,通過(guò)電子伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷環(huán)來(lái)控制激光器腔長(zhǎng)的，它可通過(guò)電子伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷環(huán)來(lái)控制激光器腔長(zhǎng)的，它可使頻率穩(wěn)定于使頻率穩(wěn)定于0處，其穩(wěn)頻裝如圖處，其穩(wěn)頻裝如圖6.2-2所示。激光管是采用熱膨所示。激光管是采用熱膨脹系數(shù)很小的石英做成外腔式結(jié)構(gòu)，諧振腔的兩個(gè)反射鏡安置在脹系數(shù)很小的石英做成外腔式結(jié)構(gòu)，諧振腔的兩個(gè)反射鏡安置在殷鋼架上，其中一個(gè)貼在壓電陶瓷環(huán)上殷鋼架上，其中一個(gè)貼在壓電陶瓷環(huán)上;陶瓷環(huán)的長(zhǎng)度約為幾厘陶瓷環(huán)的長(zhǎng)度約為幾厘米，環(huán)的內(nèi)外表面接有兩個(gè)

32、電極，加有頻率為米，環(huán)的內(nèi)外表面接有兩個(gè)電極，加有頻率為f的調(diào)制電壓，當(dāng)?shù)恼{(diào)制電壓，當(dāng)外表面為正電壓外表面為正電壓, 內(nèi)表面為負(fù)電壓時(shí)陶瓷環(huán)伸長(zhǎng)內(nèi)表面為負(fù)電壓時(shí)陶瓷環(huán)伸長(zhǎng), 反之則縮短。改反之則縮短。改變陶瓷環(huán)上的電壓即可調(diào)整諧振腔的長(zhǎng)度，以補(bǔ)償外界因素所造變陶瓷環(huán)上的電壓即可調(diào)整諧振腔的長(zhǎng)度，以補(bǔ)償外界因素所造成的腔長(zhǎng)變化。光電接收器一般采用硅光電三極管，它能將光信成的腔長(zhǎng)變化。光電接收器一般采用硅光電三極管，它能將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電信號(hào)。號(hào)轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電信號(hào)。2021/3/1440 6.2-2 蘭姆凹陷穩(wěn)頻裝置示意圖加有頻率為加有頻率為f的調(diào)制電壓的調(diào)制電壓,當(dāng)外表面為正電壓當(dāng)外表面為正

33、電壓, 內(nèi)內(nèi)表面為負(fù)電壓時(shí)陶瓷環(huán)伸長(zhǎng)表面為負(fù)電壓時(shí)陶瓷環(huán)伸長(zhǎng), 反之則縮短。反之則縮短。2021/3/1441穩(wěn)頻方法穩(wěn)頻方法蘭姆凹陷穩(wěn)頻法蘭姆凹陷穩(wěn)頻法. 穩(wěn)頻激光器不僅要求是穩(wěn)頻激光器不僅要求是單橫模單橫模,而且還要求必須是而且還要求必須是單縱模單縱模。 頻率穩(wěn)定性與蘭姆凹陷中心兩側(cè)的斜率有關(guān)，斜率越大，誤差信號(hào)就越大，因頻率穩(wěn)定性與蘭姆凹陷中心兩側(cè)的斜率有關(guān)，斜率越大，誤差信號(hào)就越大，因而靈敏度高，穩(wěn)定性就越好。（而靈敏度高，穩(wěn)定性就越好。（一般要求蘭姆凹陷的深度為輸出功率的一般要求蘭姆凹陷的深度為輸出功率的1/8） 蘭姆凹陷線型的蘭姆凹陷線型的對(duì)稱性對(duì)稱性也影響頻率的穩(wěn)定性。（氖的不同

34、同位素的原子譜線中也影響頻率的穩(wěn)定性。（氖的不同同位素的原子譜線中心有一定頻差。充普通氖氣的氦氖激光器蘭姆凹陷曲線不對(duì)稱且不夠尖銳心有一定頻差。充普通氖氣的氦氖激光器蘭姆凹陷曲線不對(duì)稱且不夠尖銳,制作制作單頻穩(wěn)頻激光器時(shí)應(yīng)充以單一同位素單頻穩(wěn)頻激光器時(shí)應(yīng)充以單一同位素Ne20或或Ne22）。）。 蘭姆凹陷穩(wěn)頻是以原子躍遷譜線蘭姆凹陷穩(wěn)頻是以原子躍遷譜線中心頻率中心頻率0作為參考標(biāo)準(zhǔn)的。（如果光強(qiáng)本身作為參考標(biāo)準(zhǔn)的。（如果光強(qiáng)本身有起伏有起伏,特別是光強(qiáng)的起伏頻率接近于選頻頻率特別是光強(qiáng)的起伏頻率接近于選頻頻率,則無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻則無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻,因此因此,激光器的激光器的激勵(lì)電源是穩(wěn)壓和穩(wěn)流的。激勵(lì)

35、電源是穩(wěn)壓和穩(wěn)流的。缺點(diǎn)缺點(diǎn) :蘭姆凹陷穩(wěn)頻采用的參考頻率是激光器原子譜線的中心頻率蘭姆凹陷穩(wěn)頻采用的參考頻率是激光器原子譜線的中心頻率,隨激光隨激光器放電條件而改變器放電條件而改變,不可避免地會(huì)出現(xiàn)不可避免地會(huì)出現(xiàn)頻率漂移頻率漂移,所以頻率復(fù)現(xiàn)度不高所以頻率復(fù)現(xiàn)度不高,僅達(dá)僅達(dá)到到10-7 10-8。2021/3/1442穩(wěn)頻方法穩(wěn)頻方法幾種主動(dòng)穩(wěn)頻方法幾種主動(dòng)穩(wěn)頻方法:2. 2. 利用分（原）子譜線在外場(chǎng)（電磁場(chǎng)）中的物理效應(yīng)（塞利用分（原）子譜線在外場(chǎng)（電磁場(chǎng)）中的物理效應(yīng)（塞曼、斯塔克斯）穩(wěn)定頻率曼、斯塔克斯）穩(wěn)定頻率 , ,穩(wěn)定性達(dá)到穩(wěn)定性達(dá)到10109 9。塞曼穩(wěn)頻的穩(wěn)。塞曼穩(wěn)頻的

36、穩(wěn)頻基理是頻基理是: :當(dāng)一個(gè)發(fā)光的原子系統(tǒng)置于磁場(chǎng)中時(shí)，其原子譜線當(dāng)一個(gè)發(fā)光的原子系統(tǒng)置于磁場(chǎng)中時(shí)，其原子譜線在磁場(chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生分裂。這種現(xiàn)象稱為塞曼效應(yīng)。在沒在磁場(chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生分裂。這種現(xiàn)象稱為塞曼效應(yīng)。在沒有磁場(chǎng)作用下，原子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，發(fā)出頻率為有磁場(chǎng)作用下，原子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，發(fā)出頻率為0 0的光。在有外磁場(chǎng)的作用下，原子的能級(jí)將發(fā)生分裂，成為的光。在有外磁場(chǎng)的作用下，原子的能級(jí)將發(fā)生分裂，成為頻率高于未加磁場(chǎng)時(shí)的左旋圓偏振光，頻率為頻率高于未加磁場(chǎng)時(shí)的左旋圓偏振光，頻率為0 0，和，和頻率低于未加磁場(chǎng)時(shí)的右旋圓偏振光，頻率為頻率低于未加磁場(chǎng)時(shí)的右旋圓偏振光，頻率為

37、0 0。如。如果激光振蕩頻率正好處于果激光振蕩頻率正好處于0 0時(shí)，左旋圓偏振光和右旋圓偏振時(shí)，左旋圓偏振光和右旋圓偏振光的光強(qiáng)相等光的光強(qiáng)相等; ;若激光振蕩頻率偏離了若激光振蕩頻率偏離了0 0（如偏離右旋光），（如偏離右旋光），則右旋光的光強(qiáng)則右旋光的光強(qiáng)I I右右大于左旋光的光強(qiáng)大于左旋光的光強(qiáng)I I左左，反之，則有，反之，則有I I右右I0 ，激光頻率在參考點(diǎn)左邊;C u / 0 ，激光頻率在參考點(diǎn)右邊。鑒頻原理示意圖2021/3/1459穩(wěn)頻的基本原理思想總結(jié)為穩(wěn)頻的基本原理思想總結(jié)為: 通過(guò)加調(diào)制的方法改變激光器的外腔參數(shù)（通過(guò)加調(diào)制的方法改變激光器的外腔參數(shù)（腔長(zhǎng)腔長(zhǎng),光柵光柵轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角等）或其工作電流，工作溫度，使其輸出激光的頻率等）或其工作電流，工作溫度，使其輸出激光的頻率受到相應(yīng)的調(diào)制，從而在對(duì)應(yīng)的光譜輸出有相應(yīng)的強(qiáng)度變受到相應(yīng)的調(diào)制，從而在對(duì)應(yīng)的光譜輸出有相應(yīng)的強(qiáng)度變化，然后我們對(duì)光譜強(qiáng)度變化進(jìn)行一定處理，而得到激光化，然后我們對(duì)光譜強(qiáng)度變化進(jìn)行一定處理，而得到激光頻率偏移參考中心頻率的信息，再根據(jù)此信息由穩(wěn)頻系統(tǒng)頻率偏移參考中心頻率的信息，再根據(jù)此信息由穩(wěn)頻系統(tǒng)向