相干激光技術(shù)PPT課件

1、Coherent Laser TechnologyLaser Frequency Stable & Phase LockMain ContentThe coherent condition of two beam :nLaser frequency stable (mode)nPolarization constantnPhase locked：nLock the frequency of the two laser to a standardnLock one Laser to another選?？v模橫模Mode selectionLaser run with only one freque

2、ncy. The others should be restricted.Laser operation Pumping population conversion stimulated amplification in the cavitz Laser operationThe mode of Laser 諧振腔腔內(nèi)的光波用腔模描畫，腔的有限尺寸決議了腔的分立諧振條件本征模。 只需與腔模場匹配的光模場可以在諧振腔內(nèi)存在； 諧振腔腔長決議激光的縱模; 諧振腔的截面尺寸決議橫模； 單縱模一定是單橫模，但是單橫模能夠多縱模橫模-光場分布光場強(qiáng)的截面分布m 和 n 分別代表正交方向的模級數(shù)TEM00

3、 是 Gaussian分布.諧振腔駐波場諧振條件:2nL=N激光器實(shí)踐輸出波長：增益線型內(nèi)超出閾值部分的縱模nL22縱模激光頻率單模運(yùn)轉(zhuǎn)-短腔短腔法：縮短諧振腔長度,可增大相鄰縱模間隔,以致在熒光譜線有效寬度內(nèi),只存在一個縱模,G閾GFvFqLc2那么只需縮短腔長，使：那么只需縮短腔長，使：時可以實(shí)現(xiàn)單縱模諧振。時可以實(shí)現(xiàn)單縱模諧振。單模運(yùn)轉(zhuǎn)-選縱模光柵選模：諧振腔本征模與光柵某衍射級重合1.300251061.30031061.300351061.30041061.3004510600.20.40.60.812.77 103I ( )I1 ( )1.3 1061.3 106(sinsin )

4、 diKF-P選模：振蕩頻率不僅符合諧振腔共振條件，還要對規(guī)范具有最大的透過率，F(xiàn)-P自在光譜區(qū)大于增益帶寬1.300251061.30031061.300351061.30041061.3004510600.20.40.60.812.77 103I ( )I1 ( )1.3 1061.3 106M1M2激活介質(zhì)0.97mmShRS22.21RSR斜置法F-P準(zhǔn)具選縱模：振蕩頻率不僅符合諧振腔共振條件，還要對規(guī)范具有最大的透過率，F(xiàn)-P自在光譜區(qū)大于增益帶寬1.300251061.30031061.300351061.30041061.3004510600.20.40.60.812.77 10

5、3I ( )I1 ( )1.3 1061.3 106法布里法布里-珀羅規(guī)范具法表示圖珀羅規(guī)范具法表示圖222sin2dmcm222sin2dcm環(huán)形腔行波腔：振蕩頻率符合諧振腔共振條件的正、反兩個模，經(jīng)過隔離器得到單模M2M1輸出M3單向器Nd: YVO4M4泵浦光NPRO (non-planar ring oscillator)環(huán)形腔構(gòu)造線偏振輸出面鍍偏振模外加磁場，光場偏振產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)穩(wěn)定度已到達(dá)10-910-13， 復(fù)現(xiàn)性在10-710-12.實(shí)踐運(yùn)用中,要求穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)性都能在10-8以上.激光穩(wěn)頻穩(wěn)頻技術(shù)全封鎖的光學(xué)腔 防震措施 以增益曲線作為規(guī)范 利用塞曼效應(yīng)或斯塔克效應(yīng)穩(wěn)定激光頻率

6、利用分子原子吸收譜線 利用光學(xué)元件穩(wěn)定激光頻率 被動穩(wěn)頻自動穩(wěn)頻頻率穩(wěn)定度激光器在一次延續(xù)任務(wù)時間內(nèi)的頻率漂移與振蕩頻率之比頻率復(fù)現(xiàn)性激光器在不同地點(diǎn)、時間、環(huán)境下運(yùn)用時頻率的相對變化量激光器頻率： SR()LnLn 鑒頻器：是穩(wěn)頻的關(guān)鍵部件。義務(wù)：a.提供規(guī)范頻率。b.頻率鑒別：當(dāng)激光器振蕩頻率偏離規(guī)范頻率時，可以鑒別出來。對鑒頻器的要求：a.中心頻率要穩(wěn)定，規(guī)范頻率不能有漂移。b.靈敏度要高，微小變化能鑒別。 LaserFrequency sensorError signalPID藍(lán)姆凹陷法非均勻加寬介質(zhì)，參考頻率是激光器原子譜線的中心頻率塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻法加一縱向磁場, 由于塞曼效應(yīng), 原子

7、吸收線相對于原初始中心線會分裂為兩條吸收線偏頻鎖定技術(shù)Laser鑒頻器PD1PD2Servo Amp1.299981061.31061.300021061.300041061.300061061.3000810600.20.40.60.812.77103I ( )1.3 1061.3 106跳頻、范圍小邊帶鎖頻技術(shù)激光腔 基準(zhǔn)頻率LaserF-PPD1Servo AmpEOMPhase shiftRFdriverSASPDH邊頻鎖定頻率調(diào)制光譜誤差信號：類色散曲線PDH邊帶鎖頻技術(shù)Pound-Drever-Hall techniqueThe technique was invented for

8、 stabilizing the frequency of a laser by locking it to a Fabry-Perot reference cavity,The basic layout for locking a cavity to a laser. Solid lines are optical paths, and dashed lines are signal paths. The signal going to the far mirror of the cavity controls its position.激光相位調(diào)制101000100010100 (sin)

9、( )()exp ()( 1)()exp () 2( )()exp()()exp () exp () MkkMkMkkMMEE exp itMtccE tEjMiktjMiktME tE j MitE j MititLaserF-PPD1Servo AmpEOMPhase shiftRFdriverisolator/4f0fcf0反射場+泄露場fc-f0)-0The basic layout for locking a Laser to a cavity. -3-2-10123f00.20.40.60.81Ad2P-F腔色散曲線21122222122211()sin()cosr rrAtgr

10、rrr rr反射光場：振幅相位1222221222 1122222221 212()cos()sin(12cos)r rrr rr rrArrr r -4-2024f-0.6-0.4-0.200.20.40.6AQ222121 21iiARinir erEA eErr e入射光：EOM：M1，k=1，J0M=1，J 1M= M/2exp21)(0101tiEtE110010101( )()exp () ()2kmkE tEj MiktEE exp i傳輸相移調(diào)制頻率調(diào)制深度K階Besel函數(shù)1100001( )exp()exp()exp()222mmMME tEititititit相位調(diào)制邊帶

11、FP反射光場：Tk表示被FP反射相位和振幅的變化10001020( )exp()exp()exp()22RmmMMEtETitTititTitit21111012341()cos(2)sincossinsin()RRmmSmmrfmIC ECMtMtUCC AtC AtUCt常數(shù)吸收相移exp()0,1, 1kkkTik混頻輸出U0Us*Urf，濾波m后=0，誤差信號掃描光學(xué)腔，可以從混頻輸出得到系統(tǒng)的色散曲線，即鑒頻曲線。經(jīng)過PID調(diào)理器反響控制激光器的腔長?？刂品秶?倍調(diào)制頻率，0.47Hz012cossinUC AC A01UC A-2-1012f-1.5-1-0.500.511.5Aq

12、調(diào)制光譜轉(zhuǎn)移四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生調(diào)制轉(zhuǎn)移光譜，具有類色散線型，轉(zhuǎn)移光譜的邊帶與未調(diào)制光拍頻，進(jìn)展光外差相關(guān)檢測，產(chǎn)生的外差拍頻電流再經(jīng)雙平衡混頻器在調(diào)制頻率處解調(diào)，解調(diào)后信號可寫為：( )Re ( )cosIm ( )sinYSS頻率調(diào)制光譜穩(wěn)頻飽和吸收介質(zhì)n將兩個激光器進(jìn)展相位鎖定master光學(xué)鎖相星間測距n將一個激光光束的微弱信號注入另一個激光(振蕩)器中，注入的光信號作為“種籽控制激光振蕩的產(chǎn)生，使激光振蕩不再是從噪聲中開展起來n延續(xù)從動激光器輸出光束的頻率由外注入信號0決議；所以兩個激光器相位鎖定。注入鎖定Laser system for LCGTn150W Output： Inject

13、ion locking + MOPA100-W Power lasernInjection locking with 2-W master laser (NPRO)Laser for GEO600: Injection Locked Ring Laser12WLaser Phase Locking注入鎖定-1以Master為頻率基準(zhǔn)，鎖定SlaverMasterSlaverEMOisolatorPDLocking electronicsdriverPhase shift/2/4Laser Phase Locking-2以FP為頻率基準(zhǔn),將Master和Slaver鎖定FPSlaver/4EOM2iso