633nm穩(wěn)頻激光器頻率穩(wěn)定度測量系統(tǒng)設(shè)計

1、<p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　to that of National Institute of Metrology P. R. China, strongly suggest that our</p><p>　　system is correct in design principle and the measured results are

2、believable.</p><p>　　Keywords stabilized laser, heterodyne interference, laser frequency stability,</p><p>　　Allen variance</p><p><b>　　-IV-</b></p><p><

3、b>　　目錄</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　摘要 ...................................................................................................................... I Abstract.

4、............................................................................................................III第 1 章 緒論....................................................................................................

5、.....1 1.1 課題背景....................................................................................................1 1.2 激光頻率穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性 ...........</p><p><b>　　- I -</b></p><p>　　哈爾濱工

6、業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　激光器頻率穩(wěn)定度測量采樣組數(shù)選擇 ...................................................34</p><p>　　不同采樣時間激光器頻率穩(wěn)定度測量及分析 .......................................35</p><p>　　噪聲與激光頻率穩(wěn)定

7、度測量值的關(guān)系分析 ...........................................38</p><p>　　空氣折射率對激光器頻率穩(wěn)定度測量的影響分析 ...............................39</p><p>　　系統(tǒng)測量誤差簡析 .......................................................

8、...........................41</p><p>　　本章小節(jié)..................................................................................................43</p><p>　　結(jié)論 ......................................

9、..............................................................................44</p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明......................................................48</p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文使用授權(quán)書..

10、....................................................48</p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位涉密論文管理..........................................................48</p><p>　　致謝 ........................................

11、............................................................................49</p><p><b>　　- II -</b></p><p><b>　　第1 章 緒論</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b&

12、gt;</p><p><b>　　課題背景</b></p><p>　　本課題來源于黑龍江省科技攻關(guān)項目“快速超精密雙頻激光干涉儀的研</p><p><b>　　制”的子課題。</b></p><p>　　1960 年美國科學(xué)家梅曼研制出了世界上第一臺紅寶石激光器，激光的</p>

13、<p>　　問世導(dǎo)引了光學(xué)技術(shù)的一場巨大的變革，40 多年來這門新興的學(xué)科得到了</p><p>　　飛速的發(fā)展，科學(xué)家們已經(jīng)研制出眾多不同類型的激光器：固體激光器、半</p><p>　　導(dǎo)體激光器、氣體激光器、液體激光器等；激光器的輸出波長覆蓋了從紅外</p><p>　　到X光波段；激光器連續(xù)輸出功率可從幾微瓦到數(shù)萬瓦，超短脈沖激光器瞬</p&

14、gt;<p>　　時輸出功率可達(dá)太瓦級；經(jīng)過特定方法穩(wěn)頻的激光器頻率穩(wěn)定度可以高于</p><p>　　10-12。激光由于其亮度高以及高度的單色性、方向性、相干性，迅速滲透到</p><p>　　科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防軍事、航空航天等各個領(lǐng)域[1-4]，扮演著越來</p><p><b>　　越重要的角色。</b></

15、p><p>　　激光的問世使得利用光速定義長度單位成為現(xiàn)實，1983 年第 17 屆國際</p><p>　　計量大會正式通過了國際單位制中長度單位“米”的定義：“米”是光在真 空中，1/299 792 458S時間內(nèi)通過的路程的長度。1982 年至今一共有 12 種穩(wěn)頻激光器的波長(頻率)值被規(guī)定作為實現(xiàn)“米”定義的國際標(biāo)準(zhǔn)譜線[5],其 中 612nm與 640nm的碘穩(wěn)頻激光器是由中國

16、計量科學(xué)院的科學(xué)家研制的。激 光的輻射波長(頻率)被作為實現(xiàn)“米”定義的標(biāo)準(zhǔn)譜線，則要求其必須具有 高度的穩(wěn)定性，自由運轉(zhuǎn)的激光器由于受到各種因素的干擾，輸出激光頻率 會產(chǎn)生短期抖動和長期漂移，頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性變差，因此作為國際標(biāo)準(zhǔn) 的激光器都是通過特定的方法高度穩(wěn)頻的，目前采用碘飽和吸收的氣體激光 器的頻率穩(wěn)定性可優(yōu)于 10-12，復(fù)現(xiàn)性優(yōu)于 10-11[6]。在激光測試技術(shù)中，激 光的頻率穩(wěn)定度直接制約著測量結(jié)果的精度[7]，因為

17、此時是以激光的波長 (頻率)作為“標(biāo)尺”，用于間接測量長度、位移、速度等各種物理量。例如 廣泛應(yīng)用于精密定位與測長領(lǐng)域中激光干涉儀，如果要求 10m測量距離測量誤差不大于 1nm，則激光的頻率穩(wěn)定度不低于 10-10[8]，足夠高的頻率穩(wěn)定度 是激光干涉測量得以實現(xiàn)的保證</p><p><b>　　- 1 -</b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位

18、論文</p><p>　　信中，通常采用相干外差法接受信號光，激光的頻率穩(wěn)定度是影響信號接受</p><p>　　質(zhì)量的重要因素之一[9]。</p><p>　　激光的頻率穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)性是衡量激光器性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。激</p><p>　　光穩(wěn)頻技術(shù)的研究是激光器的研究的重要任務(wù)之一，60 年代至今，已經(jīng)有</p><

19、;p>　　多種穩(wěn)頻激光器問世。其中塞曼穩(wěn)頻激光器頻率穩(wěn)定度高、抗干擾能力強、</p><p>　　輸出功率大等優(yōu)點，在激光干涉超精密測量等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。塞</p><p>　　曼激光器包括縱向塞曼激光器和橫向塞曼激光器，橫向塞曼穩(wěn)頻激光器輸出</p><p>　　雙頻激光頻差在幾十到幾百KHz之間，是一種優(yōu)良的雙頻激光光源,但頻差</p>

20、<p>　　過小，限制了它的應(yīng)用范圍，縱向塞曼穩(wěn)頻激光器輸出雙頻激光頻差為MHz</p><p>　　級別，能夠滿足高速超精密測量的技術(shù)要求。上世紀(jì) 70 年代初，美國HP公 司研制出了世界上第一臺縱向塞曼激光器[11]，在此基礎(chǔ)上逐漸形成了一系 列激光器產(chǎn)品及相關(guān)集成設(shè)備，其中HP5501B激光頭及其后續(xù)產(chǎn)品真空波長精度達(dá)到 2×10-8，頻率穩(wěn)定度( Δf / f )達(dá)到 2

21、5;10-9/hr，HP5528、5529 等系 列激光干涉儀已經(jīng)成為快速超精密位移檢測和監(jiān)測的得力工具，并被廣泛應(yīng) 用于大型尖端設(shè)備中。</p><p>　　鑒于快速超精密激光干涉測量技術(shù)及設(shè)備對工業(yè)、國防裝備的重要性，</p><p>　　近年來，我國包括中國科學(xué)院、中國計量科學(xué)技術(shù)研究院、哈爾濱工業(yè)大</p><p>　　學(xué)、清華大學(xué)在內(nèi)的大批研究機(jī)構(gòu)和院校，

22、開展了大量的科研工作對此進(jìn)行</p><p>　　反復(fù)的理論研究和技術(shù)攻關(guān)[12-18]，但是由于技術(shù)基礎(chǔ)薄弱、資金設(shè)備缺乏 以及發(fā)達(dá)國家的技術(shù)封鎖等因素，研究工作進(jìn)展緩慢，目前我國自主研制的產(chǎn)品性能參數(shù)遠(yuǎn)落后于國外同類產(chǎn)品，因此激光穩(wěn)頻技術(shù)成為我國激光測量領(lǐng)域一個迫在眉睫的研究重點和熱點。</p><p>　　穩(wěn)頻激光器在研制、調(diào)試、改進(jìn)過程中需要經(jīng)常與標(biāo)準(zhǔn)參考源進(jìn)行比對，以便及

23、時了解激光穩(wěn)頻激光器的特征參數(shù)，進(jìn)而調(diào)整改進(jìn)穩(wěn)頻激光器的 系統(tǒng)技術(shù)方案和設(shè)計參數(shù)。此外，穩(wěn)頻激光器樣機(jī)在啟用前需要進(jìn)行頻率 （波長）的初步標(biāo)定校準(zhǔn)，在正常的使用周期中也需要進(jìn)行定期的評定，以 保證激光器相關(guān)性能參數(shù)的可靠性。因此，穩(wěn)頻激光技術(shù)的研究過程和激光 器的使用過程都缺少不了標(biāo)準(zhǔn)的參考源和激光頻率穩(wěn)定度評估系統(tǒng)，鑒于 此，各大穩(wěn)頻激光器研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)商等都有自己的激光頻率穩(wěn)定度評估系 統(tǒng)。Renishaw通過公司內(nèi)的碘

24、穩(wěn)頻激光確保每一臺激光器的可溯源性，該碘 激光源可直接與英國國家物理實驗室 (NPL) 的碘穩(wěn)頻激光相溯源；而 Agilent公司的碘穩(wěn)頻激光器則可與美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)所 (NIST)光波長標(biāo) 準(zhǔn)溯源。</p><p><b>　　- 2 -</b></p><p><b>　　第1 章 緒論</b></p><p>

25、　　綜上所述，本文的主要任務(wù)就是利用實驗室現(xiàn)有的設(shè)備條件，研制一套</p><p>　　適用于普通實驗室的 633nm 激光頻率穩(wěn)定度測量裝置，作為本所激光器研</p><p><b>　　究的輔助工具。</b></p><p>　　激光頻率穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性</p><p>　　自由運轉(zhuǎn)的激光器因受周圍環(huán)境各種因素的擾動，

26、激光頻率經(jīng)常隨時間</p><p>　　變動。如果采用一定的穩(wěn)頻措施來自動補償其外界擾動所引起的頻率起伏，</p><p>　　則輸出頻率的變化就可減至很小。衡量激光頻率的穩(wěn)定性，可以從時域和頻</p><p>　　域兩方面進(jìn)行描述，即既可以用它隨時間的變化，也可以用它的頻譜分布加</p><p>　　以討論。但是對于頻率不穩(wěn)定的噪聲譜密度，

27、無論在概念的建立或在測試技</p><p>　　術(shù)上都比較困難，通常采用時域的描述方法，用頻率的穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)性這兩</p><p>　　個物理量來表示激光頻率穩(wěn)定的程度[20]。</p><p>　　激光頻率穩(wěn)定度 S 通常是指激光器在連續(xù)運轉(zhuǎn)時，在一定的觀測時間τ內(nèi)頻率的平均值υ 與該時間內(nèi)的頻率變化量Δυ 之比，即</p><p>　　

28、顯然，變化量Δυ(τ)越小，則 S 越大，表示頻率的穩(wěn)定性越好。習(xí)慣</p><p>　　上，有時把S 的倒數(shù)作為穩(wěn)定度的量度，即</p><p>　　? (τ ) = (1-2)</p><p><b>　　1 Δυ(τ)</b></p><p><b>　　S</b></p>&l

29、t;p><b>　　υ</b></p><p><b>　　υ</b></p><p>　　各種頻率源的頻率值由于受內(nèi)外因素的影響，總是在不斷地變化著，這</p><p>　　些變化大體上可分為：（1）系統(tǒng)性的或確定性的變化，如構(gòu)成頻率源的元器</p><p>　　件的老化或系統(tǒng)性漂移；環(huán)境溫

30、度、供電電壓等外界條件變化所引起的頻率</p><p>　　漂移。（2）非確定性的或隨機(jī)性的變化，其主要原因是各種噪聲對輸出信號</p><p>　　進(jìn)行寄生調(diào)頻和調(diào)相，從而產(chǎn)生頻率的隨機(jī)起伏。因此頻率或波長隨時間的</p><p>　　變化，既表現(xiàn)為短期抖動，又表現(xiàn)為長期漂移，對頻率或波長的觀測時間</p><p>　?。ú蓸訒r間）不同，其

31、測量結(jié)果也不同。故頻率穩(wěn)定度又可分為短期穩(wěn)定度</p><p>　　和長期穩(wěn)定度，它們與測量時的采樣時間有關(guān)，因此比較恰當(dāng)?shù)谋硎痉ㄊ牵?在穩(wěn)定度數(shù)值后面標(biāo)明取樣時間τ 值，例如， ( ) 10 ( 10 )</p><p><b>　　S</b></p><p>　　υ τ = ?10 τ = s 。 對于作為頻率或波長基準(zhǔn)的激光器，不僅要求穩(wěn)

32、定度高，而且要求頻率</p><p>　　復(fù)現(xiàn)性的精度也高。比方說，平時用尺子測量長度，不但要求尺子的長度穩(wěn)</p><p>　　定，而且要求尺子本身的長度要符合標(biāo)準(zhǔn)。用激光進(jìn)行精密測量也有類似的</p><p><b>　　- 3 -</b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p>&

33、lt;p>　　問題，如用同樣方法穩(wěn)頻的甲激光器和乙激光器的頻率可能有差別，盡管兩</p><p>　　只激光器的結(jié)構(gòu)和運轉(zhuǎn)條件等都相同?；蛘哂猛慌_穩(wěn)頻的激光器，在甲地</p><p>　　使用時穩(wěn)定度為 ，頻率穩(wěn)定在 上，在乙地使用時穩(wěn)定度雖然不變，但</p><p><b>　　10? υ</b></p><p&g

34、t;<b>　　6</b></p><p><b>　　1</b></p><p>　　是穩(wěn)定在 上；或者在同一地點測量時某一天頻率穩(wěn)定在υ</p><p>　　υ ′上，相隔數(shù)天后</p><p><b>　　2</b></p><p>　　穩(wěn)定度未變

35、，但是頻率卻穩(wěn)定在υ′′上，如此等等。由于每次所穩(wěn)定的頻率</p><p>　　值有微小的差別，故測量的數(shù)值就不準(zhǔn)確。把這種在不同地點、時間、環(huán)境</p><p>　　下穩(wěn)定頻率的偏差量與它們的平均頻率的比值稱之為頻率復(fù)現(xiàn)性，以</p><p>　　表示之。式中，υ 為被測激光器系列的平均頻率或者同一臺激光器的標(biāo)準(zhǔn)頻</p><p>　　率（

36、或原始工作頻率）；δυ 為頻率的偏差量。由此可見，頻率的穩(wěn)定性和復(fù)</p><p>　　現(xiàn)性是兩個不同的概念。對一臺穩(wěn)頻激光器，不僅要看其穩(wěn)定度而且還要看</p><p><b>　　它的頻率復(fù)現(xiàn)性</b></p><p><b>　　[21]。</b></p><p>　　激光振蕩頻率的影響因素&

37、lt;/p><p>　　單模工作的激光器輸出的光束只包含一個頻率值，但實際情況下輸出光</p><p>　　束的線寬不是無限窄的，縱模頻率(u = cq/2nl) 只是指它的中心頻率，每一</p><p><b>　　q</b></p><p>　　個縱模還有一個頻率范圍，即有一定的線寬，稱為諧振腔的線寬，它的大小</

38、p><p>　　由諧振腔的損耗決定。由于諧振腔里存在各種損耗，光子在諧振腔里不可能</p><p><b>　　1 cα</b></p><p>　　Δυ = = (1-4)</p><p><b>　　c</b></p><p><b>　　2π nl</b&g

39、t;</p><p>　　上式給出的諧振腔的線寬是在沒有考慮諧振腔里存在激活介質(zhì)時的情況，有</p><p>　　激活介質(zhì)存在，激光振蕩頻率的線寬還要窄得多，因為腔內(nèi)加入激活介質(zhì)</p><p>　　后，受激發(fā)射作用，光子在腔里來回傳播的過程中不斷得到放大，相當(dāng)于降</p><p>　　低了腔內(nèi)的損耗，因此其線寬應(yīng)該變窄。</p>

40、<p>　　激光振蕩頻率既受光學(xué)諧振腔諧振頻率υ 的影響，又受原子躍遷譜線</p><p><b>　　c</b></p><p><b>　　- 4 -</b></p><p><b>　　第 1 章 緒論</b></p><p>　　這是在小振幅是忽略了飽和效

41、應(yīng)的一次近似式。在近紅外和可見光波段，其</p><p>　　多普勒線寬 Δυ 一般不小于108 —109 Hz，而諧振腔的振蕩線寬 Δυ 約為106</p><p><b>　　m c</b></p><p>　　上式說明：激光器的振蕩頻率是由原子躍遷譜線頻率及諧振腔的諧振頻率共</p><p>　　同決定的，譜線對振

42、蕩頻率的影響由(1-6)式中的第二項以頻率牽引效應(yīng)表</p><p>　　示，牽引效應(yīng)的比例系數(shù) Δυc /Δυ ，在一般情況下很小，而諧振腔的諧振頻</p><p><b>　　m</b></p><p>　　率對環(huán)境影響很敏感，故激光頻率的穩(wěn)定性主要取決于諧振腔諧振頻率的穩(wěn)</p><p>　　定性。在不考慮原子躍遷

43、譜線頻率微小變化的情況下，激光振蕩頻率主要是</p><p>　　由諧振腔的諧振頻率決定，即</p><p><b>　　c</b></p><p>　　υ = q (1-7) 2nL</p><p>　　式中 L 是諧振腔腔長，c 是光速（m/s）， n 是腔內(nèi)介質(zhì)的折射率，q 是縱模</p><

44、p>　　的序數(shù)。若腔長或腔內(nèi)的折射率 n 發(fā)生變化，則激光振蕩頻率也將發(fā)生變化</p><p><b>　　即得</b></p><p>　　Δυ = ΔL + Δn (1-9) υ L n</p><p>　　因此可見，激光頻率的穩(wěn)定問題可以歸結(jié)為如何設(shè)法保持腔長和折射率穩(wěn)定</p><p>　　的問題。影響頻

45、率穩(wěn)定的外界因素主要有以下幾個方面：（1）溫度變化的影</p><p>　　響，環(huán)境溫度的起伏或者是激光管工作時發(fā)熱，都會使腔材料隨著溫度的改</p><p>　　變而伸縮，以致引起頻率的漂移，即</p><p>　　βΔ = ΔL = Δυ (1-10)</p><p><b>　　T</b></p>&

46、lt;p><b>　　L υ</b></p><p>　　式中 ΔT 是溫度的變化量， β 是諧振腔間隔材料的線膨脹系數(shù)，該系數(shù)的大</p><p>　　小與材料種類有關(guān)，溫度的改變還影響折射率 的改變，這就更使頻率的穩(wěn)</p><p><b>　　n</b></p><p>　　定性變壞。另

47、外，管內(nèi)溫度的不均勻性會使管子變形以及窗口、鏡片產(chǎn)生熱</p><p>　　畸變，從而導(dǎo)致光學(xué)長度的改變，造成諧振頻率的變動。（2）大氣變化的影</p><p>　　響：對于外腔式激光器，設(shè)諧振腔長為 L，放電管長度為 L ，則暴露在大氣</p><p><b>　　0</b></p><p><b>　　-

48、5 -</b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　中部分的相對長度為(L- L )/L，大氣的溫度、氣壓、濕度的變化都會引起大</p><p><b>　　0</b></p><p>　　氣折射率的變化，從而導(dǎo)致激光振蕩頻率的變動。實驗證明：在外腔式激光</p>

49、;<p>　　器中通風(fēng)引起的空氣抖動，能在幾秒鐘內(nèi)產(chǎn)生幾兆赫茲的快速脈動，所以要</p><p>　　求外腔式激光器裸露在大氣中的部分應(yīng)該盡可能減少，并且必須避免直接通</p><p>　　風(fēng)。（3）機(jī)械振動的影響：機(jī)械振動也是導(dǎo)致光腔諧振頻率變化的重要原</p><p>　　因，它可以從地面或空氣傳到腔支架上，如建筑物的振動、車輛的通行、聲</

50、p><p>　　響等都會引起腔的支架振動，造成腔的光學(xué)長度改變，導(dǎo)致振蕩頻率的漂</p><p>　　移。因此，要克服機(jī)械振動的影響，穩(wěn)頻激光器必須采取良好的防震措施。</p><p>　　以上幾點是造成頻率不穩(wěn)定的外部因素，對頻率穩(wěn)定性影響很大，可以采取</p><p>　　一定措施加以控制。此外，諸如管內(nèi)所充氣體的成分比例、激光管內(nèi)的氣<

51、;/p><p>　　壓、放電電流的變化、由于原子的自發(fā)發(fā)射所造成的無規(guī)則噪聲等內(nèi)部因素</p><p>　　也會影響頻率的穩(wěn)定性。前者可以采用穩(wěn)壓穩(wěn)流裝置而人為地加以控制，而</p><p>　　后者是無法完全控制的，因此它是最后限制激光頻率穩(wěn)定性的內(nèi)在因素。</p><p><b>　　激光穩(wěn)頻技術(shù)概述</b></p

52、><p>　　穩(wěn)頻技術(shù)的實質(zhì)就是保持諧振腔光程長度的穩(wěn)定性。穩(wěn)頻方法大致分為</p><p>　　兩類[22]:（1）被動穩(wěn)頻方法:主要是利用熱膨脹系數(shù)低的材料制作諧振腔的</p><p>　　間隔器，或使用膨脹系數(shù)為負(fù)值的材料和膨脹系數(shù)為正值的材料按一定的長</p><p>　　度配合，以便熱膨脹互相抵消，這種辦法一般用于工程上穩(wěn)頻精度要求不高

53、</p><p>　　的情況。（2）主動穩(wěn)頻方法:目前采用的穩(wěn)頻方法基本原理是大體相同的，</p><p>　　即是把單頻激光器的頻率與某個穩(wěn)定的參考頻率相比較，當(dāng)振蕩頻率偏離參</p><p>　　考頻率時，鑒頻器就產(chǎn)生一個正比于偏離量的誤差信號。這個誤差信號經(jīng)放</p><p>　　大后又通過反饋系統(tǒng)回來控制腔長，使振蕩頻率回到標(biāo)準(zhǔn)的參考

54、頻率上，這</p><p>　　樣的系統(tǒng)常稱作伺服系統(tǒng)。主動穩(wěn)頻技術(shù)就是選取一個穩(wěn)定的參考標(biāo)準(zhǔn)頻</p><p>　　率，當(dāng)外界影響使激光頻率偏離這個特定的標(biāo)準(zhǔn)頻率時，能夠設(shè)法鑒別出</p><p>　　來，再人為地通過控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)腔長，將激光頻率回復(fù)到特定的標(biāo)準(zhǔn)頻</p><p>　　率上，最后達(dá)到穩(wěn)頻的目的。主動穩(wěn)頻的方法大致可以分為

55、兩類：一類是利</p><p>　　用激光器中原子躍遷的中心頻率作為參考頻率，把激光頻率鎖定到躍遷的中</p><p>　　心頻率上，屬于這類方法的有蘭姆凹陷穩(wěn)頻法、塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻法等等；另一</p><p>　　類方法是把振蕩頻率鎖定在外界的參考頻率上，如飽和吸收穩(wěn)頻法。</p><p><b>　　- 6 -</b>&

56、lt;/p><p><b>　　第1 章 緒論</b></p><p><b>　　蘭姆凹陷穩(wěn)頻法</b></p><p>　　蘭姆凹陷穩(wěn)頻法利用的是非均勻展寬線型增益曲線的燒“孔”效應(yīng)。非</p><p>　　均勻展寬線型激光器中，一個振蕩頻率在增益曲線上能燒兩個“孔”（對稱</p>&

57、lt;p>　　于中心頻率），稱為“原孔”和“像孔”，孔的面積與激活介質(zhì)中參與受激輻</p><p>　　射的有貢獻(xiàn)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)成正比，燒孔面積越大，激光器輸出的功率越強。</p><p>　　不同的振蕩頻率對應(yīng)的燒孔深度不相同，連續(xù)改變激光振蕩頻率使其向中心</p><p>　　頻率靠近，當(dāng)振蕩頻率位于譜線的中心頻率處時，兩個孔就就合二為一了，</p&g

58、t;<p>　　氣孔的面積小于偏離譜線中心較近的兩孔面積之和，輸出功率達(dá)到極小值，</p><p>　　曲線在υ 處出現(xiàn)一個凹陷，稱為蘭姆凹陷，如圖1-1 所示。</p><p><b>　　0</b></p><p><b>　　Power</b></p><p><b>

59、　　υ</b></p><p><b>　　0</b></p><p>　　圖1-1 蘭姆凹陷現(xiàn)象</p><p>　　Fig1-1 Lamb dip phenomenon</p><p>　　蘭姆凹陷穩(wěn)頻法是以增益曲線中心頻率υ 作為參考標(biāo)準(zhǔn)頻率，通過電</p><p><b&

60、gt;　　0</b></p><p>　　子伺服系統(tǒng)驅(qū)動壓電陶瓷環(huán)來控制激光器腔長，使頻率穩(wěn)定于υ 處，其裝</p><p><b>　　0</b></p><p>　　置如圖 1-2 所示。蘭姆凹陷穩(wěn)頻的實質(zhì)是：以譜線的中心頻率υ 作為參考標(biāo)</p><p><b>　　0</b>&l

61、t;/p><p>　　準(zhǔn)，當(dāng)激光的振蕩頻率偏離υ 時，即輸出一個誤差反饋信號，通過伺服系</p><p><b>　　0</b></p><p>　　統(tǒng)鑒別出頻率偏離的大小和方向，輸出一直流電壓調(diào)節(jié)壓電陶瓷的伸縮來控</p><p>　　制腔長，從而把激光振蕩頻率自動地鎖定在蘭姆凹陷中心處</p><p&

62、gt;<b>　　[23]。蘭姆凹陷</b></p><p>　　穩(wěn)頻裝置相對比較簡單，是應(yīng)用較早的一種氣體激光穩(wěn)頻方法，其穩(wěn)頻頻率</p><p>　　穩(wěn)定度可達(dá)到 10-9～l0-10量級，但參考標(biāo)準(zhǔn)頻率 容易受放電條件的影響從</p><p><b>　　υ</b></p><p><b

63、>　　0</b></p><p>　　而頻率復(fù)現(xiàn)性較差，一般為 1×l0</p><p>　　-7，最高可達(dá) 10-8。1965 年，中國計量科</p><p>　　學(xué)研究院與中國科學(xué)院電子研究所合作成功研制出蘭姆凹陷穩(wěn)頻He-Ne激光</p><p>　　器[24]，穩(wěn)定度達(dá)到 5×10-8。蘭姆凹陷穩(wěn)

64、頻的不足之處是激光管外壁是用低</p><p><b>　　- 7 -</b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　膨脹石英玻璃或者微晶玻璃做的，靠壓電晶體控制腔長，價格昂貴，而且激</p><p>　　光管必須是外腔或者半外腔式的。</p><p><b

65、>　　壓電陶瓷 激光器</b></p><p><b>　　光電接收 選頻放大</b></p><p>　　整流 調(diào)制升壓 直流放大 相敏檢波</p><p><b>　　音頻震蕩</b></p><p>　　圖1-2 蘭姆凹陷法穩(wěn)頻示意圖</p><p>

66、　　Fig1-2 Stabilized frequency facilities of Lamb dip</p><p><b>　　氣體飽和吸收穩(wěn)頻法</b></p><p>　　提高激光穩(wěn)頻精度的方法之一是提高蘭姆凹陷的銳度，降低諧振腔內(nèi)氣</p><p>　　體的氣壓可以做到這一點，但激光器不能在過低的氣壓下工作。為了解決這</p&

67、gt;<p>　　一問題，可以在外腔激光管的腔內(nèi)放置一氣體吸收室，如圖 1-3 所示，由于</p><p>　　吸收曲線上的燒孔效應(yīng)，當(dāng)將激光振蕩頻率調(diào)諧到吸收曲線的中心處時，吸</p><p>　　收將會變得很小，在激光輸出頻率曲線上出現(xiàn)一尖銳的峰值，稱為吸收峰。</p><p>　　出現(xiàn)吸收峰的原理與增益管中出現(xiàn)蘭姆凹陷的原理是相同的，只是方向相&

68、lt;/p><p>　　反，即所謂的“反蘭姆凹陷”，圖1-4 給出了方蘭姆凹陷的形成示意圖。</p><p>　　吸收室內(nèi)吸收氣體的氣壓很低(1-10Pa)，氣體的碰撞線寬與自然線寬都</p><p>　　很小，反蘭姆凹陷的銳度非常高，利用吸收峰頻率作為穩(wěn)頻的參考頻率可以</p><p>　　有效地提高穩(wěn)頻的精度。此外，通常利用氣體分子的基態(tài)與振

69、轉(zhuǎn)能級間飽和</p><p>　　吸收進(jìn)行穩(wěn)，無需放電激勵，從而激光頻率復(fù)現(xiàn)也比較好。例如 3.39 μm的</p><p>　　He ? Ne 激光器采用甲烷作為吸收氣體。反蘭姆凹陷的寬度約為 100-</p><p>　　300KHz，激光器的頻率穩(wěn)定度可達(dá) 10</p><p>　　-12-10-13 ，復(fù)現(xiàn)性為 10-11-10-12

70、 ；</p><p>　　nm的He ? Ne 激光器利用碘同位素蒸氣分子的飽和吸收來穩(wěn)頻，其頻率</p><p><b>　　穩(wěn)定性可達(dá) 10</b></p><p>　　-11-10-12，復(fù)現(xiàn)性 10-11。上世紀(jì) 70 年代中后期，中國計量科 學(xué)研究院研制的 3.39 μm甲烷穩(wěn)頻激光器和 633nm碘穩(wěn)頻激光器，頻率穩(wěn)定</p&

71、gt;<p>　　度達(dá)到 10-12，為國際計量界重新定義“米”長度基準(zhǔn)作出了杰出貢獻(xiàn)。由</p><p><b>　　- 8 -</b></p><p><b>　　第1 章 緒論</b></p><p>　　于飽和吸收激光器具有很高的頻率，已經(jīng)有多種飽和吸收穩(wěn)頻激光器波長</p><p

72、>　　(頻率)被國際上規(guī)定作為實現(xiàn)米定義的標(biāo)準(zhǔn)譜線。</p><p>　　壓電陶瓷 激光器 吸收室</p><p><b>　　光電接收</b></p><p><b>　　穩(wěn)頻系統(tǒng)</b></p><p>　　圖1-3 氣體飽和吸收穩(wěn)頻示意圖</p><p>　　Fi

73、g1-3 Stabilized frequency facilities of saturable absorption</p><p>　　β(ν ) P(ν )</p><p>　　圖1-4 左：吸收曲線的燒孔效應(yīng) 右：激光輸出功率曲線(反蘭姆凹陷) Fig1-4 left: Hole-burning effect of absorption curve right: Laser ou

74、tput power curve</p><p><b>　　塞曼激光穩(wěn)頻法</b></p><p>　　塞曼效應(yīng)描述的是：磁矩不為零的原子(分子)受磁場作用繞磁場方向作</p><p>　　旋進(jìn)運動產(chǎn)生附加能量，由于原子角動量的量子化，附加能量也是非連續(xù)</p><p>　　的，從而原子(分子)能級產(chǎn)生分裂，分裂數(shù)目為

75、2J +1，J 為原子(分子)的總</p><p>　　角動量量子數(shù)，在遵循角動量守恒原理的情況下，原子(分子)能級躍遷輻射</p><p>　　的譜線也相應(yīng)分裂為多條譜線。</p><p>　　當(dāng)將氦氖激光器至于縱向磁場中，激光器的工作譜線由于塞曼效應(yīng)分裂</p><p>　　為左旋與右旋兩條譜線(觀察方向與磁場一致)。隨著譜線的分裂，激光

76、器的</p><p><b>　　- 9 -</b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　益，輸出光功率相等；反之，則左右旋偏振光存在光功率差，可將此差值作</p><p><b>　　g</b></p><p><b>　　原曲

77、線</b></p><p><b>　　左旋光 右旋光</b></p><p><b>　　vL v0 vR</b></p><p>　　圖 1-5 增益曲線的塞曼分裂 Fig1-5 Zeeman spilt of gain curve</p><p>　　塞曼穩(wěn)頻激光器的頻 10 。輸

78、出雙頻激光的</p><p>　　率穩(wěn)定度可達(dá) 10-8，復(fù)現(xiàn)性 -7</p><p>　　頻差一般在 3MHz以下。塞曼穩(wěn)頻雙頻激光器被廣泛地應(yīng)用于精密干涉測量</p><p>　　設(shè)備中，例如HP5527-5529 系列激光干涉儀采用的就是塞曼穩(wěn)頻的激光頭。</p><p>　　本課題所屬項目研制的激光器也屬于這一類型。</p>

79、;<p>　　激光頻率穩(wěn)定度測量的幾種方法</p><p>　　激光的頻率穩(wěn)定度可以通過測量波長變化計算得到，目前市場上已經(jīng)有</p><p>　　現(xiàn)成的此類測量設(shè)備，如 Agilent 公司的 HP86120B、HP86120C 等光波長</p><p>　　計，其測量精度為 2～5PPM，只適用于激光頻率穩(wěn)定度較低的情況，如光</p>

80、<p>　　通信常用的半導(dǎo)體激光器。此外，光波長計的測量速度比較低，一般不超過</p><p>　　5 次/秒，無法測量 0.1S 秒以下的激光頻率穩(wěn)定度。</p><p>　　激光器的某些物理參數(shù)也可以從一定程度上間接反映激光的頻率穩(wěn)定</p><p>　　度，如塞曼穩(wěn)頻激光器，其輸出雙頻激光之間的拍頻為幾百 KHz 到幾 MHz</p>

81、<p>　　之間，可以直接測量，通常拍頻越穩(wěn)定，激光器的頻率穩(wěn)定度也越高，但是</p><p>　　目前還沒有建立激光器自身拍頻與激光頻率穩(wěn)定度之間定量的數(shù)學(xué)關(guān)系。</p><p><b>　　-10-</b></p><p><b>　　第1 章 緒論</b></p><p>　　測量

82、激光器頻率穩(wěn)定度最常用的方法是外差干涉法，其基本原理是將被</p><p>　　測激光器與高穩(wěn)定度的參考激光器進(jìn)行混頻，通過測量兩者拍頻的變化來計</p><p>　　算被測激光器的頻率穩(wěn)定度，由于其中高穩(wěn)定度參考激光器昂貴的造價使得</p><p>　　整個頻率穩(wěn)定度測量系統(tǒng)的成本非常高，并且對工作環(huán)境的要求及其苛刻，</p><p>　　

83、這樣的系統(tǒng)不適合于普通的實驗室，常見于計量機(jī)構(gòu)與激光器生產(chǎn)商。</p><p><b>　　被測激光器</b></p><p>　　光學(xué)混頻 拍頻測量 計算頻率穩(wěn)定度</p><p><b>　　高穩(wěn)定度參考激光器</b></p><p>　　圖 1-6 外差干涉法測量激光頻率穩(wěn)定度原理圖</

84、p><p>　　Fig1-6 Schematic diagram of laser frequency measurement by heterodyne interference</p><p><b>　　課題主要研究內(nèi)容</b></p><p>　　本課題的目的是利用實驗室現(xiàn)有的設(shè)備條件，研制一套適用于普通實驗</p><

85、p>　　室的、低成本的激光頻率穩(wěn)定度測量裝置，作為本所激光器研制、改進(jìn)過程</p><p>　　中的輔助工具。主要工作包括兩大方面：</p><p>　?。?） 633nm 激光器頻率穩(wěn)定性比對系統(tǒng)研制，包括：</p><p>　?。╝） 光學(xué)外差與光電探測光路設(shè)計；</p><p>　?。╞） 高頻信號處理單元研制；</p>

86、;<p>　　（c） 頻率測量與顯示面板電路設(shè)計；</p><p>　?。╠） 上位機(jī)軟件編寫。</p><p>　?。?） 測量系統(tǒng)測量驗證及測量誤差分析。</p><p>　?。╝） 對本所研制的縱向塞曼穩(wěn)頻激光器進(jìn)行實際測量，并與中國</p><p>　　計量院的校準(zhǔn)曲線作比較。</p><p>　

87、?。╞） 對測量系統(tǒng)的誤差影響因素作分析，給出的量系統(tǒng)的測量不</p><p><b>　　確定度</b></p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了課題研究的背景、內(nèi)容和意義，激光器頻率穩(wěn)定度及復(fù)</p><p><b>　　-11-</b&g

88、t;</p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　現(xiàn)性的定義及其主要影響因素，并介紹了目前主要的激光穩(wěn)頻技術(shù)及其特</p><p>　　點，激光頻率穩(wěn)定度的幾種測量方法。</p><p><b>　　-12-</b></p><p>　　第2 章 激光頻率穩(wěn)定度表征&l

89、t;/p><p>　　第2章 激光頻率穩(wěn)定度表征</p><p>　　激光頻率穩(wěn)定度測量原理</p><p>　　激光器輸出激光通常具有很高的頻率，3.39 μm 的氦氖激光器頻率為</p><p>　　5×1013Hz，632.8nm的氦氖激光器頻率為 4.74×1014 Hz，如果直接對激</p><p

90、>　　光的頻率進(jìn)行測量，則要求光電探測器具有極高的響應(yīng)速度，同時測量系統(tǒng)</p><p>　　需要有超高的帶寬，當(dāng)前的技術(shù)條件下這是無法做到的。目前國際上普遍使</p><p>　　用光學(xué)外差法測量激光器的頻率穩(wěn)定度，其測量裝置原理如圖 2-1 所示(以</p><p>　　被測激光器為塞曼雙頻激光器為例),圖中的參考激光器通常是氣體飽和吸收</p>

91、;<p>　　穩(wěn)頻激光器，從第一章可知此種類型的激光器比蘭姆凹陷穩(wěn)頻與塞曼穩(wěn)頻的</p><p>　　激光器要高出 2-3 個數(shù)量級，因此可以用其作為一把“標(biāo)尺”，用來衡量其</p><p>　　它激光器的頻率穩(wěn)定度。兩個激光器的出射光經(jīng)特定的光學(xué)器件處理到同一</p><p>　　傳播方向上，通過起偏器(PLR)后形成光學(xué)拍頻信號，由光電探測器(AP

92、D)接</p><p>　　收、信號處理電路處理送入計算器數(shù)據(jù)處理，得出被測激光器的頻率穩(wěn)定</p><p><b>　　度。</b></p><p>　　PBS PLR APD</p><p>　　Measured Laser</p><p>　　Processing Unit</p&g

93、t;<p>　　Mirror I2 Stabilized Laser</p><p>　　圖2-1 激光頻率穩(wěn)定度測量裝置圖</p><p>　　Fig2-1 Measurement system of laser frequency stability</p><p>　　設(shè)通過起偏器后被測激光與參考激光的振動方程分別為</p><

94、;p><b>　　-13-</b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　E (t) = a cos(2π f t +? (t))</p><p><b>　　s s s s</b></p><p>　　E (t) = a cos(2π f t +? (t))

95、</p><p><b>　　r r r r</b></p><p><b>　　合成光振動為</b></p><p>　　E(t)= E (t)+ E (t)</p><p><b>　　s r</b></p><p>　　= a cos(2π f t

96、 +? (t)) + a cos(2π f t +? (t)) + (a ? a ) cos(2π f t +? (t))</p><p>　　s s s s r r r s r r</p><p>　　( f f ) (t) (t) ( f f ) (t) (t)</p><p>　　+ ? +? ? ? ?? (2-1)</p><p>

97、　　= 2 a cos(2π s r t + s r ) cos(2π s r t + s r )</p><p><b>　　s</b></p><p>　　2 2 2 2 + (a ? a ) cos(2π f t +? (t))</p><p><b>　　r s r r</b></p><p&g

98、t;　　上式中第一項為純拍頻信號，第二項為剩余正弦信號，令被測光與參考光的</p><p>　　振幅比為R = a / a ，圖 2-2 給出了R =0.25，0.50，0.75，1.0 時合成光振動</p><p><b>　　s r</b></p><p>　　波形，隨著 R 的增加，合成信號拍頻化愈明顯。因為如圖 2-1 所示裝置中起&l

99、t;/p><p>　　偏器的偏振方向是 360 度可調(diào)的，總可以找到一個方向使R ≈1.0，此時合成</p><p><b>　　信號為純拍頻振蕩。</b></p><p><b>　　2</b></p><p><b>　　0</b></p><p>&l

100、t;b>　　-2</b></p><p>　　-0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2</p><p><b>　　2</b></p><p><b>　　0</b></p><p><b>　　-2</b></

101、p><p>　　-0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2</p><p><b>　　2</b></p><p><b>　　0</b></p><p><b>　　-2</b></p><p>　　-0.2 -0.

102、15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2</p><p><b>　　2</b></p><p><b>　　0</b></p><p><b>　　-2</b></p><p>　　-0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0

103、.15 0.2 time</p><p>　　圖2-2 合成拍頻信號振蕩波形圖 Fig2-2 Beat wave of two laser beam</p><p><b>　　-14-</b></p><p>　　第 2 章 激光頻率穩(wěn)定度表征</p><p>　　為了得到光電探測器輸出信號的表達(dá)式，將被測激光與參考

104、激光用復(fù)振</p><p>　　幅分別表示為U (t) 、U (t) ，即</p><p><b>　　s r</b></p><p>　　U (t) = a exp[ j(2π f t +? (t))]</p><p><b>　　s s s s</b></p><p>　

105、　U (t) = a exp[ j(2π f t +? (t))]</p><p><b>　　r r r r</b></p><p>　　光學(xué)混頻后合成振蕩信號的光強為</p><p>　　I = (U (t) +U (t)) (U (t) +U (t))</p><p><b>　　*</b>&

106、lt;/p><p><b>　　s r s r</b></p><p>　　= a2 + a2 +</p><p><b>　　s r</b></p><p>　　a a exp{j[2π ( f ? f )t + (? (t) ?? (t)]}+</p><p>　　s r s

107、 r s r</p><p>　　a a exp ? j[2π ( f ? f )t + (? (t) ?? (t)]</p><p>　　{ } s r s r s r</p><p>　　= a2 + a2 + a a π f ? f t + ? t ?? t )</p><p>　　2 cos(2 ( ) ( ( ) ( ) s r s

108、 r s r s r</p><p>　　u(t) = Acos(2πΔft + Δ?(t)) (2-2)</p><p>　　其中 A = 2Ka a ，K 為光電探測器的光電靈敏度，如果通過起偏器之前被測</p><p><b>　　s r</b></p><p>　　光與參考光的振幅分別為 a' 與 a&#

109、39; ，起偏器與 a' 偏振方向的夾角為θ ，那么</p><p><b>　　s r s</b></p><p>　　A = 2Ka a = 2Ka cosθa cos(π / 2 ?θ) = Ka a sin 2θ (2-3)</p><p>　　' ' ' ' ' ' s r s

110、r s r</p><p>　　即θ = π / 4時，光電探測器輸出的交流信號最強。</p><p>　　氦氖激光器而言，這個頻率差一般為幾百 MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于激光器的振蕩頻</p><p>　　率，并且是可以直接測量的。相位 Δ?(t) = ? (t) ?? (t) 描述了輸出信號頻率</p><p><b>　　s r<

111、/b></p><p>　　在中心頻率 Δf 附近波動的程度，當(dāng)參考激光器的相關(guān)性能參數(shù)已知的情況</p><p>　　下，可以通過測量拍頻信號頻率的變化來計算被測激光器的頻率穩(wěn)定度。</p><p><b>　　阿倫方差</b></p><p>　　（1-2）式定義的頻率穩(wěn)定度比較簡單直觀，但用其描述頻率的頻率穩(wěn)

112、</p><p><b>　　-15-</b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　定義的頻率穩(wěn)定度不能夠反映出這種差異。對于描述如圖 2-3 所示的頻率源</p><p>　　十小時，如圖 2-4 所示，由于這種低頻噪聲對頻率源的調(diào)制作用，使得即便</p><p&

113、gt;　　是在相當(dāng)長的測量時間內(nèi)，頻率源的中心頻率出現(xiàn)緩慢的單向漂移，其標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　方差不收斂，不適合描述頻率源的頻率穩(wěn)定度，因此需要尋找一種更好的方</p><p>　　式來表征頻率源的穩(wěn)定度。</p><p><b>　　Δf</b></p><p><b>　　1</b><

114、/p><p><b>　　f f</b></p><p><b>　　1</b></p><p><b>　　0</b></p><p><b>　　Δf</b></p><p><b>　　2</b></p

115、><p><b>　　f f</b></p><p><b>　　2 0</b></p><p><b>　　time</b></p><p>　　圖 2-3 相同標(biāo)稱頻率與相同頻率波動的兩個頻率源波形</p><p>　　Fig2-3 Two freque

116、ncy sources with same nominal frequency and same fluctuation</p><p><b>　　time/hour</b></p><p>　　圖 2-4 中心頻率有緩慢漂移的頻率源</p><p>　　Fig2-4 Frequency source with gradual shift o

117、f center frequency</p><p><b>　　-16-</b></p><p>　　第 2 章 激光頻率穩(wěn)定度表征</p><p>　　設(shè)任意信號源輸出的瞬時信號都可以表示為</p><p>　　u(t) = (u +ε(t)) sin(2π f t +?(t)) (2-4)</p>&

118、lt;p><b>　　0 0</b></p><p><b>　　其 中</b></p><p>　　f 是 信 號 源 的 標(biāo) 稱 頻 率 ， ε(t) 是 振 幅 的 隨 機(jī) 波 動 ， 一 般 情 形 下</p><p><b>　　0</b></p><p>&l

119、t;b>　　ε 行；</b></p><p>　?。?）阿侖方差的曲線與噪聲模型有一定的對應(yīng)關(guān)系，可以用阿侖方差</p><p>　　來進(jìn)行噪聲源的噪聲分析；</p><p>　?。?）阿侖方差是一種鄰頻相減的方差，所以便于實現(xiàn)自動的實時數(shù)據(jù)</p><p><b>　　處理。</b></p&g

120、t;<p>　　但是，阿侖方差也并不是一種完美無缺的方差，它也存在一些缺點：</p><p>　?。?）阿侖方差是一種鄰頻相減的方差，兩個相鄰頻率測量值的差值除</p><p>　　了由噪聲引起的隨機(jī)起伏外，還包含有系統(tǒng)的頻率漂移。在測短期穩(wěn)定度</p><p>　　時，頻漂可忽略不計，但測長期穩(wěn)定度時，頻漂較大，不能忽略，計算時應(yīng)</p>

121、<p><b>　　扣除；</b></p><p>　　（2）阿侖方差屬于頻率穩(wěn)定度的時域表征，但是當(dāng)τ <1ms 時就很難測</p><p><b>　　量了；</b></p><p>　?。?）阿侖方差的測量結(jié)果與測量系統(tǒng)的帶寬有關(guān)。測量系統(tǒng)的帶寬一</p><p>　　般并

122、不給出，當(dāng)測量系統(tǒng)的帶寬比被測頻率源的輸出帶寬更寬時，阿侖方差</p><p>　　的測量值就會更準(zhǔn)確。</p><p><b>　　-23-</b></p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　第3章 激光頻率穩(wěn)定度測量系統(tǒng)設(shè)計</p><p><b>　　

123、測量系統(tǒng)總體設(shè)計</b></p><p><b>　　光學(xué)混頻 光電轉(zhuǎn)換</b></p><p>　　頻譜分析 高頻信號處理</p><p><b>　　數(shù)碼顯示 頻率測量</b></p><p>　　圖 3-1 測量系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　Fig3-

124、1 Schematic diagram of laser frequency stability measurement system</p><p>　　由于本文的主要目的是為本研究所激光器的研究工作提供一個輔助工</p><p>　　具，本章中系統(tǒng)設(shè)計的描述也針對本所研制的穩(wěn)頻激光器。圖 3-1 給出激光</p><p>　　器頻率穩(wěn)定度測量系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖，圖中

125、的被測激光器是本研究所研制的縱</p><p>　　向塞曼穩(wěn)頻雙頻激光器，經(jīng)計量院校準(zhǔn)，其平均真空波長相對擴(kuò)展不確定度</p><p>　　u=1.2×10-8/2hour ， 即 Δλ / λ = 4×10?9 / 2 [19] ，參考激光器使用的是</p><p><b>　　s s hour</b></p>

126、<p>　　HP5518A激光頭，其真空波長穩(wěn)定度Δλ / λ 典型值為2×10?9 / hour [40]。由第</p><p><b>　　r r</b></p><p>　　2 章 2.3 節(jié)的論述，參考激光器引入的測量相對誤差不超過 30%，而本文的</p><p>　　任務(wù)是研制適合于普通實驗室的低成本的激光頻

127、率穩(wěn)定度測量系統(tǒng)，因此沒</p><p>　　有必要采用造價昂貴、使用條件苛刻的碘穩(wěn)頻激光器，使用HP5518A完全可</p><p><b>　　以達(dá)到測量要求。</b></p><p>　　測量系統(tǒng)主要包括光學(xué)混頻光路、光電轉(zhuǎn)換、高頻信號處理、頻率測</p><p>　　量、數(shù)碼顯示、計算機(jī)數(shù)據(jù)處理幾個單元。激光拍頻

128、由光學(xué)外差干涉光路形</p><p><b>　　-24-</b></p><p>　　第3 章 激光頻率穩(wěn)定度測量系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　成，光電接收器接收拍頻信號輸出電壓信號，輸出信號一分為二，一路送入</p><p>　　頻譜儀，對信號的頻譜成分進(jìn)行分析，以確定光學(xué)外差光路搭建的效果，保</p>