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1、 长春理工大学电子科学与技术系Page: 1 第5章 稳频技术 第 五 章 稳 频 技 术 长春理工大学电子科学与技术系Page: 2 5.4 饱和吸收稳频 一. 概述： 兰姆凹陷稳频、塞曼效应稳频等，提高频率的稳定性和复现性的关键是兰姆凹陷稳频、塞曼效应稳频等，提高频率的稳定性和复现性的关键是 如何选择一个稳定的和尽可能窄的参考频率。它们都是利用激光本身的如何选择一个稳定的和尽可能窄的参考频率。它们都是利用激光本身的 原子跃迁中心频率作为参考点，但原子跃迁的中心频率易受放电条件等原子跃迁中心频率作为参考点，但原子跃迁的中心频率易受放电条件等 影响而发生变化，所以其稳定性和复现性受到局限！影响
2、而发生变化，所以其稳定性和复现性受到局限！ 兰姆凹陷稳频：稳定度兰姆凹陷稳频：稳定度1010-9 -9，复现性 ，复现性1010-7 -7； ； 塞曼效应稳频：稳定度塞曼效应稳频：稳定度1010-10 -10，复现性 ，复现性1010-7 -7。 。 为了提高频率的稳定性和复现性，通常采用外界参考频率标准进行稳频为了提高频率的稳定性和复现性，通常采用外界参考频率标准进行稳频 。 例如：饱和吸收稳频（反兰姆凹陷稳频）。例如：饱和吸收稳频（反兰姆凹陷稳频）。 第 五 章 稳 频 技 术 长春理工大学电子科学与技术系Page: 3 5.4 饱和吸收稳频 二. 饱和吸收稳频 在谐振腔中放入一个充有低气
3、压气在谐振腔中放入一个充有低气压气 体原子的吸收管，它有和激光振荡体原子的吸收管，它有和激光振荡 频率配合很好的吸收线，吸收管气频率配合很好的吸收线，吸收管气 压很低，故碰撞加宽很小，可忽略压很低，故碰撞加宽很小，可忽略 不计，同时吸收管一般没有放电作不计，同时吸收管一般没有放电作 用，故谱线中心频率比较稳定。这用，故谱线中心频率比较稳定。这 样，在吸收线中心处形成一个位置样，在吸收线中心处形成一个位置 稳定且宽度很窄的凹陷，以此作为稳定且宽度很窄的凹陷，以此作为 稳频的参考点，可使其频率稳定性稳频的参考点，可使其频率稳定性 和复现性精度得到很大的提高。和复现性精度得到很大的提高。 第 五 章
4、 稳 频 技 术 长春理工大学电子科学与技术系Page: 4 5.4 饱和吸收稳频 1. 反兰姆凹陷： 由于激光器中多了一个吸收管，激光器的输出由于激光器中多了一个吸收管，激光器的输出 功率功率- -频率曲线在吸收物质原子谱线中心频率曲线在吸收物质原子谱线中心v v 0 0 附近附近 出现一个尖峰，称为出现一个尖峰，称为反兰姆凹陷反兰姆凹陷。它比兰姆凹。它比兰姆凹 陷宽度更窄，斜率更大，所以能到更好的稳频陷宽度更窄，斜率更大，所以能到更好的稳频 效果。效果。 对于对于v v= =v v 0 0 的光的光，其正向传播和反向传播的两列行，其正向传播和反向传播的两列行 波光强均被吸收管中速度为波光强
5、均被吸收管中速度为0 0的分子吸收，即两的分子吸收，即两 列光强作用于同一群分子上，故吸收容易达到列光强作用于同一群分子上，故吸收容易达到 饱和；而饱和；而对于对于v v v v0 0 的光的光，则正向传播和反向传，则正向传播和反向传 播的两列行波光强分别被纵向速度为播的两列行波光强分别被纵向速度为+V+V及及-V-V的的 两群分子所吸收，所以吸收不容易达到饱和，两群分子所吸收，所以吸收不容易达到饱和， 在吸收线的在吸收线的v v 0 0 处出现吸收凹陷。意味着吸收最小处出现吸收凹陷。意味着吸收最小 ，故激光器输出功率在，故激光器输出功率在v v 0 0 处出现一个尖峰。处出现一个尖峰。 第
6、五 章 稳 频 技 术 长春理工大学电子科学与技术系Page: 5 5.4 饱和吸收稳频 2. 反兰姆凹陷稳频工作过程： 稳频时，以稳频时，以v v 0 0 为标准频率，在为标准频率，在v v 0 0 处输出的光处输出的光 强为强为I I 0 0 。当频率偏离。当频率偏离v v 0 0 时，输出的光强得到时，输出的光强得到 误差信号，通过电路系统的处理，改变压电误差信号，通过电路系统的处理，改变压电 陶瓷上加的直流电压控制腔长陶瓷上加的直流电压控制腔长L L使使v vv v 0 0 。 兰姆凹陷稳频：稳定度兰姆凹陷稳频：稳定度1010-9 -9，复现性 ，复现性1010-7 -7； ； 塞曼效
7、应稳频：稳定度塞曼效应稳频：稳定度1010-10 -10，复现性 ，复现性1010-7 -7。 。 反兰姆凹陷稳频：稳定度反兰姆凹陷稳频：稳定度1010-13 -13，复现性 ，复现性1010-12 -12。 。 第 五 章 稳 频 技 术 长春理工大学电子科学与技术系Page: 6 5.4 饱和吸收稳频 目前多采用分子气体来作为饱和吸收稳频的气体。 分子气体的吸收线作为参考标准频率，如下优点： 分子的振动跃迁寿命比分子的振动跃迁寿命比NeNe原子的寿命长，可达到原子的寿命长，可达到1010-2 -210 10-3 -3量级，因此分 量级，因此分 子谱线的自然宽度比原子谱线窄得多。分子吸收线产
8、生于基态与振动能子谱线的自然宽度比原子谱线窄得多。分子吸收线产生于基态与振动能 级间的跃迁，吸收管不需要放电激励即有很强的吸收，因而避免了放电级间的跃迁，吸收管不需要放电激励即有很强的吸收，因而避免了放电 的扰动。的扰动。 吸收管气压较低，由分子碰撞引起的谱线加宽非常小，其反兰姆凹陷的吸收管气压较低，由分子碰撞引起的谱线加宽非常小，其反兰姆凹陷的 宽度只有宽度只有1010 5 5 HzHz以下极窄的谱线。以下极窄的谱线。 分子的基态偶极距为零，所以斯塔克效应和塞曼效应都很小，由此而产分子的基态偶极距为零，所以斯塔克效应和塞曼效应都很小，由此而产 生的频移和加宽可忽略不计。生的频移和加宽可忽略不
9、计。 第 五 章 稳 频 技 术 长春理工大学电子科学与技术系Page: 7 5.4 饱和吸收稳频 饱和吸收稳频激光器的频率稳定度最终取决于吸收谱线的频饱和吸收稳频激光器的频率稳定度最终取决于吸收谱线的频 率稳定性，也和谱线的宽度以及信噪比有关，所以选择理想率稳定性，也和谱线的宽度以及信噪比有关，所以选择理想 的吸收介质十分重要，满足：的吸收介质十分重要，满足： 吸收谱线与激光增益谱线的频率基本上相符；吸收谱线与激光增益谱线的频率基本上相符； 吸收系数要大，低能级最好是基态；吸收系数要大，低能级最好是基态； 激发态寿命较长，谱线自然宽度小；激发态寿命较长，谱线自然宽度小； 气压低，谱线碰撞加宽
10、、频移小；气压低，谱线碰撞加宽、频移小； 分子结构稳定，尽可能没有固有电矩和磁矩，以减少碰撞、分子结构稳定，尽可能没有固有电矩和磁矩，以减少碰撞、 斯塔克和塞曼频移与加宽。斯塔克和塞曼频移与加宽。 第 五 章 稳 频 技 术 长春理工大学电子科学与技术系Page: 8 5.4 饱和吸收稳频 兰姆凹陷稳频和反兰姆凹陷稳频 兰姆凹陷稳频的实质是：以谱线的中心频率0作为参考标准，当激光振荡频 率偏离0时，即输出一误差信号通过伺服系统鉴别出频率偏移的大小和方 向，输出一直流电压调节压电陶瓷的伸缩来控制腔长把激光振荡频率自动 的锁定在兰姆凹陷中心处。 反兰姆凹陷稳频是在谐振腔中放入一个充有一个低压气体原
11、子（或分子）的 吸收管，它有和激光振荡频率配合很好的吸收线，而且由于吸收管气压很低 ，故碰撞加宽很小，可以忽略不计，吸收线中心频率的压力位移也很小。吸 收管一般没有放电作用，故谱线中心频率比较稳定。吸收线在中心处的凹陷 ，意味着吸收最小，故激光器输出功率(光强)在0处出现一个尖峰, 通常称为 反兰姆凹陷，反兰姆凹陷可以作为一个很好的稳频参考点。 兰姆凹陷稳频是利用激光本身的原子跃迁中心频率作为参考点，而原子跃迁 的中心频率易受放电条件等影响而发生变化，所以其稳定性和复现性就受到 局限。反兰姆凹陷稳频是采用外界参考频率标准进行稳频，提高了频率的稳 定性和复现性。 第 五 章 稳 频 技 术 长春
12、理工大学电子科学与技术系Page: 9 饱和吸收稳频 小结 饱和吸收稳频法的稳定度和复现性都远远优于兰姆凹陷 稳频法和塞曼效应稳频法。作为饱和吸收稳频激光器， 其频率稳定度最终取决于吸收谱线的频率稳定性，谱线 的宽度以及信噪比，基于此，请简要回答理想的吸收介 质应具备哪些条件？ 比较兰姆凹陷稳频与反兰姆凹陷稳频的异同点。比较兰姆凹陷稳频与反兰姆凹陷稳频的异同点。 第 五 章 稳 频 技 术 长春理工大学电子科学与技术系Page: 10 5.5 其他稳频激光器 He-Ne激光器 激光原子谱线本身、外界饱和吸收谱线 CO2激光器的稳频 荧光稳频法 脉冲运转激光器的稳频 共焦干涉仪法 半导体激光器的
13、稳频 共焦干涉仪法、Cs原子饱和吸收 第 五 章 稳 频 技 术 长春理工大学电子科学与技术系Page: 11 5.5 其他稳频激光器 脉冲运转激光器的稳频 固体脉冲激光器单模运转存在困难： 固体激光器增益带宽较宽； 脉冲激光器增益太高； 不稳定因素： 抽运源大电流工作时输出功率、波长存在变化； 激光介质温度变化激烈； 消除空间烧空 注入锁频 被动稳频做到最佳的基础上 开展主动稳频！ 第 五 章 稳 频 技 术 长春理工大学电子科学与技术系Page: 12 5.5 其他稳频激光器 在腔外放置一个无源共焦干涉仪。F-P干涉仪的透过率随光频率的变化发生变化；激光 频率的变化会引起透过F-P干涉仪光
14、功率的变化。 F-P干涉仪主动稳频：采用一种特殊的搜索电路以保证每一个光脉冲的频率都能对准共 焦干涉仪的透射峰值。 具体操作： 在光脉冲出现的瞬间，搜索电路开始工作，用一个扫描电压改变腔长，当 光电检测器接收到F-P干涉仪的共振信号，搜索电路就会自动转换成补偿信号电压，其补偿 量的大小是预先经过测定的，以保证脉冲激光器频率在整个脉冲周期内对准F-P的中心。 激光频率的起伏可能仍然较大，在前述操作基础上，再加一套快速锁定系统，该系统 能比较检测器1和检测器2上的激光功率大小，并通过比较光脉冲功率和F-P干涉仪透射的功 率得到一个误差信号，再经过锁定环路伺服系统改变激光器的光学长度，使振荡的光频率
15、 稳定在F-P腔透射曲线的最大斜率处，构成快速稳频环路。 第 五 章 稳 频 技 术 长春理工大学电子科学与技术系Page: 13 5.5 频率稳定性和复现性的测量 激光频率极高，欲直接测量频率的稳定度是很困难的。激光频率极高，欲直接测量频率的稳定度是很困难的。 常利用拍频的方法进行相对测量，类似于电子技术中的差频技术，常利用拍频的方法进行相对测量，类似于电子技术中的差频技术， 将两列光波进行混频，所得差频信号为无线电射频信号，利用频谱将两列光波进行混频，所得差频信号为无线电射频信号，利用频谱 分析仪及频率计均可对此拍频信号产生响应。分析仪及频率计均可对此拍频信号产生响应。 激光的相干性好，当两束光叠加在一起时，初相位的差值是暂时稳激光的相干性好，当两束光叠加在一起时，初相位的差值是暂时稳 定的或缓慢变化的，因而会产生干涉现象。两束光波之间的可相干定的或缓慢变化的，因而会产生干涉现象。两束光波之间的可相干 性，为测量光波频率稳定性提供了一种方法性，为测量光波频率稳定性提供了一种方法- -拍频测量法拍频测量法。 第 五 章 稳 频 技 术 长春理工大学电子科学与技术系Page: 14 5.5 频率稳定性和复现性的测量 设频率相差很小的两束光波，瞬时频率分别为设频率相差很小的两束光波，瞬时频率分别为v v 1 1 ( (t t) )和和v v 2 2 ( (t t) )，其光
