穩(wěn)頻技術(shù)

1、激光技術(shù)及控制基礎(chǔ),第六章 穩(wěn)頻技術(shù),第六章 穩(wěn)頻技術(shù),基本概念穩(wěn)頻方法,概 述,穩(wěn)頻目的：使頻率本身穩(wěn)定，即不隨時(shí)間、地點(diǎn)變化，穩(wěn)頻是實(shí)際的要求。頻率的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性 1.頻率的穩(wěn)定性 激光器連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在一定的時(shí)間間隔內(nèi)平均頻率 與該時(shí)間內(nèi)頻率的變化量 之比，用s表示。2.頻率的復(fù)現(xiàn)性 激光器在不同的時(shí)間、地點(diǎn)等條件下頻率重復(fù)或再現(xiàn)的精度，用R表示。結(jié)論：頻率穩(wěn)定性表示激光頻率在平均頻率附近的漂移

2、，頻率的再現(xiàn)性表示平均頻率本身的變化。,,影響激光頻率穩(wěn)定的因素：頻率的穩(wěn)定性主要取決于n，L的穩(wěn)定 1.引起n，L變化的外界因素： ① 溫度變化的影響。 ② 大氣變化的影響。③ 機(jī)械振動的影響。④ 磁場的影響。2.引起頻率變化的內(nèi)部因素：① 激光管內(nèi)充氣壓比例不同，氣壓、放電電流變化引起頻率變化。 ② 由于原子自發(fā)輻射造成的無規(guī)則噪聲影響到頻率。,穩(wěn)頻的一般原理： 穩(wěn)頻的實(shí)質(zhì)：保持n、L不變。1.穩(wěn)頻的原理:采

3、用負(fù)反饋電路控制穩(wěn)頻技術(shù)。選取一個(gè)穩(wěn)定的參考標(biāo)準(zhǔn)頻率，當(dāng)外界影響使激光頻率偏離標(biāo)準(zhǔn)頻率時(shí)，鑒頻器給出誤差訊號,通過負(fù)反饋電路去控制腔長，使激光頻率自動回到標(biāo)準(zhǔn)頻率上。2.鑒頻器：是穩(wěn)頻的關(guān)鍵部件。①任務(wù)：a.提供標(biāo)準(zhǔn)頻率。b.頻率鑒別：當(dāng)激光器振蕩頻率偏離標(biāo)準(zhǔn)頻率時(shí)，能夠鑒別出來。②對鑒頻器的要求：a.中心頻率要穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)頻率不能有漂移。b.靈敏度要高，微小變化能鑒別。 ③ 鑒頻器的類型：以原子譜線本身作為鑒頻器以外界標(biāo)準(zhǔn)頻率做

4、鑒頻器,藍(lán)姆凹陷穩(wěn)頻,穩(wěn)頻原理： 1.藍(lán)姆凹陷：對非均勻加寬激光介質(zhì)，激光器輸出的功率（或光強(qiáng)）在中心頻率處最小。2.結(jié)構(gòu)和原理：主要由三部分組成：①單縱模激光器。其中一塊反射鏡固定在壓電陶瓷上，利用壓電陶瓷的伸縮來調(diào)整腔長L。 ②光探測器。利用光電轉(zhuǎn)換裝置，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?作為電路的信號。③電路系統(tǒng)。將誤差訊號轉(zhuǎn)成一直流電壓加到壓電陶瓷上，以改變腔長。,3.工作過程：dI是極重要的參量，叫誤差信號。它是由激光器

5、輸出的光強(qiáng)和標(biāo)準(zhǔn)頻率 輸出的光強(qiáng)比較得到的信號。 不同I不同，可用曲線的斜率 表示。dI的大小表明 的大小，相位表明 偏離 的方向。 dI由在壓電陶瓷上加一調(diào)制電壓得到，加一直流偏壓和頻率為f的調(diào)制電壓。加偏壓的目的是在工作前調(diào)整激光器的振蕩頻率為凹陷的中心頻率 ，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)頻率并不是固定不變的。 加調(diào)制電壓的目的是給出dI的大小和方向，對光強(qiáng)進(jìn)行低頻調(diào)制。,,,,,穩(wěn)定度：穩(wěn)頻最關(guān)心的是穩(wěn)定度。要提高頻

6、率的穩(wěn)定度，希望頻率微小的變化就能產(chǎn)生大的可以分辨的誤差訊號dI，即要求 大--靈敏度高。①凹陷的深度越大，dI大，則 大。一般要求凹陷的深度大約等于輸出光強(qiáng)1/8，穩(wěn)定性好。增加深度的辦法：a.降低腔內(nèi)損耗－降低閾值。b.提高信號增益，可以調(diào)節(jié)放電電流，使工作在最佳狀態(tài)。 ②要求凹陷線型對稱。這樣在 的兩側(cè) 相同。如果兩側(cè)誤差訊號不對稱，小的一側(cè)dI小，靈敏度小。 ③ 利用藍(lán)姆凹陷穩(wěn)頻最

7、高可達(dá)s-1＝10-9。漂移再現(xiàn)性誤差R＝10-7。穩(wěn)定度和再現(xiàn)性受到限制。,塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻,塞曼效應(yīng)： 1.定義：在磁場的作用下，光譜線發(fā)生分裂的現(xiàn)象。2.穩(wěn)頻原理：由于原子譜線在磁場的作用下發(fā)生分裂，因此利用V左、V右光強(qiáng)差別來進(jìn)行穩(wěn)頻。 原理：利用塞曼分裂后左、右旋光增益曲線的交點(diǎn) 作為標(biāo)準(zhǔn)頻率，當(dāng) 偏離 時(shí)，根據(jù)V左、V右光強(qiáng)的變化做誤差訊號，利用電路反饋系統(tǒng)控制激光器腔長，使 - =0。結(jié)構(gòu)：①激光器-反射鏡加

8、到壓電陶瓷上。②電光晶體。③P-檢偏器 ④電路系統(tǒng)－給出偏差電壓dv。⑤光電轉(zhuǎn)換裝置。,,,,,3.工作過程： 在激光器上加磁場以后，由于塞曼效應(yīng)，輸出的左旋光和右旋光進(jìn)入電光調(diào)制器。 電光調(diào)制器上加一交變的電壓,由于在電光晶體上加頻率為f的調(diào)制電壓，因此在光電接收器上收到的是一個(gè)周期變化的頻率為f的調(diào)制光。合成光強(qiáng)的大小和相位輸出一直流電壓去控制壓電陶瓷使L變化達(dá)到穩(wěn)頻。 穩(wěn)頻關(guān)鍵是左右旋光強(qiáng)的大小，即是激

9、光振蕩的頻率是否偏離及偏離多少，只要偏離，則左右旋光有差別，則合成光的大小、相位改變可以鑒別出來 － 靈敏度比藍(lán)姆凹陷高。穩(wěn)定度：s-1＝10-10比藍(lán)姆凹陷高一個(gè)數(shù)量級,由于 有漂移，受放電條件的影響R＝10-7。再現(xiàn)性差，穩(wěn)定受到限制。,,飽和吸收穩(wěn)頻,反藍(lán)姆凹陷穩(wěn)頻：1.反藍(lán)姆凹陷：藍(lán)姆凹陷是在中心頻率處輸出功率出現(xiàn)凹陷。反藍(lán)姆凹陷是在中心頻率處輸出功率出現(xiàn)尖峰。反藍(lán)姆凹陷主要在激光器中加入飽和介質(zhì)，利用吸收介質(zhì)的飽和吸收

10、特性來形成的。 2.結(jié)構(gòu)原理：在結(jié)構(gòu)上除了在激光腔內(nèi)加一飽和吸收介質(zhì)以外，其他和藍(lán)姆凹陷的結(jié)構(gòu)完全相同。穩(wěn)頻時(shí)，以 為標(biāo)準(zhǔn)頻率，在 處輸出的光強(qiáng)為I0。當(dāng)頻率偏離 時(shí)，輸出的光強(qiáng)得到誤差信號，通過電路系統(tǒng)的處理，改變壓電陶瓷上加的直流電壓控制腔長L使 → 。3.穩(wěn)定度：s-1＝10-13比雙頻提高三個(gè)數(shù)量級10-10、10-9。復(fù)現(xiàn)性R＝10-12 比雙頻藍(lán)姆R＝10-7高的多。,,,,,,塞曼效應(yīng)吸收穩(wěn)頻：利用吸收介質(zhì)的

11、吸收中心 作標(biāo)準(zhǔn)頻率，在吸收管上加一磁場，產(chǎn)生塞曼效應(yīng)，結(jié)果對不同旋光的光吸收差別來穩(wěn)定頻率。結(jié)構(gòu)原理：吸收管中充有低壓的Ne氣，加磁場以后，由于塞曼效應(yīng)，吸收曲線分離成左右旋光的兩條吸收線，它對頻率相同、旋光方向不同的圓偏光吸收不同。 穩(wěn)頻過程：利用吸收曲線的中心頻率作標(biāo)準(zhǔn)頻率，利用左右旋光的光強(qiáng)差作誤差信號dI，采用一套負(fù)反饋電路控制系統(tǒng)。從激光器輸出的線偏光通過加有交變的矩形電壓Vλ/4晶體，變成左右旋光。又因右旋光和調(diào)

12、制訊號同相位，dI大小和相位即可判別。,,,激光強(qiáng)度的穩(wěn)定,穩(wěn)頻實(shí)質(zhì)是穩(wěn)定腔長，而在穩(wěn)頻中通過激光輸出光強(qiáng)的變化作誤差信號－通過電路的處理控制腔長從而達(dá)到穩(wěn)頻的目的。 為了達(dá)到穩(wěn)頻的目的，要求激光輸出的強(qiáng)度除了頻率的漂移造成的光強(qiáng)度變化之外，其他因素造成的光強(qiáng)變化應(yīng)該盡力避免。如放電電流、電壓變化造成的光強(qiáng)變化，否則干擾頻率的穩(wěn)定－甚至無法穩(wěn)頻。 為了排除其他因素造成的激光強(qiáng)度變化采取的措施：1.激光器的電源加穩(wěn)壓穩(wěn)流裝置。激光強(qiáng)

13、度穩(wěn)定到n％2.采用穩(wěn)定激光強(qiáng)度控制裝置。,頻率穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性測量,由于激光的頻率極高，直接測量頻率的穩(wěn)定度是很困難的，通常采用拍頻的方法進(jìn)行相對測量。拍頻： 把兩臺穩(wěn)頻激光器的輸出頻率進(jìn)行比較測得相對穩(wěn)定性。因此兩光波的頻率一定相差很小，△ω小 。 兩束光混合之后，激光的相干性強(qiáng)，每列波初相位不變－產(chǎn)生干涉。合成光波的光強(qiáng)周期性的變化，變化的頻率由差頻△ω決定。光強(qiáng)變化的頻率△ω/2,,用拍頻技術(shù)測量頻率的穩(wěn)