稳频技术

《稳频技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《稳频技术（36页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、天津大学精密仪器与光电子工程学院 第六章 稳频技术 主讲： 韩 群副教授 Frequency-Stabilization Techniques 主要内容主要内容 6.1 概述概述 6.2 兰姆凹陷稳频兰姆凹陷稳频 6.3 赛曼效应稳频赛曼效应稳频 6.4 饱和吸收稳频饱和吸收稳频 6.5 激光强度的稳定激光强度的稳定 6.6 频率稳定性及复现性测量频率稳定性及复现性测量 第六章小结第六章小结 6.1 概述概述 一、一、稳频的目的稳频的目的 二、二、频率的稳定度和复现性频率的稳定度和复现性 三、三、影响激光频率稳定的因素影响激光频率稳定的因素 四、四、稳频的一般原理稳频的一般原理 一、稳频的目的

2、一、稳频的目的 目的：目的：使频率本身稳定，即不随使频率本身稳定，即不随时间时间、地点地点变化。（气体中应用多）变化。（气体中应用多） 稳频是实际的要求稳频是实际的要求: 例如：精密干涉测量精密干涉测量，它是利用光束的相干性，进行测量的。为了提 高相干长度，必须提高单色性选模。它是以激光波长（或频率）作为“尺 子”，利用光干涉的原理来测定各种物理量，因此，为了提高测量的精度， 必须要求尺子是唯一的，且准确稳定准确稳定。 激光单一频率，进行选模。（尺子是唯一的） 单一频率本身稳定（尺子不变）单一频率本身稳定（尺子不变）本章解决的问题。本章解决的问题。 二、频率稳定二、频率稳定度度和复现性和复现性

3、 1. 频率的稳定度：频率的稳定度： 分类：分类：根据观测时间不同分长期稳定长期稳定度度和短期稳定短期稳定度度 长期稳定度：长期稳定度：即观测的时间较长，t 0大多数应用要求 短期稳定度：短期稳定度：即观测的时间较短，t 0； dP和d 反相则 0时时，相位相位 相同相同，输出一正的直流电压加到压电陶瓷的内表面，压电陶瓷缩短， L ， ，回到 0。 当当 0时，时，左旋光强大于右旋光强，合成 光和左旋光同相位，与调制电压反相位， 经过电路系统的反馈，产生和 0时相反 电压。 压电陶瓷使L 、 0。 。 当当 = 0时，时， 左 左、 、 右 右对称的分布在 0两侧， 右旋光和左旋光强相同，输出

4、光强是稳定 值，光电接受到的是一直流讯号，选频放 大器输出为0，频率不变。 4. 稳定度：稳定度： 塞曼效应稳频的稳定度为 S-110-10，比比兰姆兰姆凹陷凹陷稳频稳频高高1个数量级个数量级。 但同样受放电条件等的影响，由于 0有漂移。复现性R 10-7。再现性差， 稳定受到限制。 二者共同特点：参考频率为增益曲线的中心频率参考频率为增益曲线的中心频率。若利用更稳定的 外界频率可以得到更高的稳定度和复现性下节饱和吸收稳频。 6.4 饱和吸收稳频饱和吸收稳频 一、一、反兰姆凹陷稳频反兰姆凹陷稳频 二、二、塞曼效应吸收稳频塞曼效应吸收稳频 前述兰姆凹陷和塞曼效应双频稳频法都是以原子增益谱线的中心

5、频率以原子增益谱线的中心频率 0作为标准频率作为标准频率，但 0受管内气体压力、放电条件、电磁场等的影响而发 生变化，频率的复现性差。为了提高频率的稳定度和复现性，必须找到一 个稳定的频率做标准频率。下面介绍两种以外界频率做标准频率以外界频率做标准频率的稳频方 法：（均利用吸收介质的饱和吸收特性吸收介质的饱和吸收特性） 一、反兰姆凹陷稳频一、反兰姆凹陷稳频 1. 反兰姆凹陷：反兰姆凹陷： 兰姆兰姆凹陷凹陷是在中心频率 0处输出功率最小，因此出现凹陷凹陷。反反兰姆兰姆凹凹 陷陷在 0处输出功率出现尖峰尖峰。 反兰姆凹陷主要在激光器中加入饱和吸收介质，利用吸收介质的饱和利用吸收介质的饱和 吸收特性

6、来形成的吸收特性来形成的。 2. 结构原理：结构原理： 在结构上除了在激光腔内加一 饱和吸收介质以外，其他和兰姆凹 陷稳频时的结构完全相同。 加入的吸收介质的吸收中心频率和激光器的中心频率相匹配吸收介质的吸收中心频率和激光器的中心频率相匹配。由于吸收介 质的吸收率是频率的函数，在中心频率处吸收率最大。 与兰姆凹陷类似，对非均匀展宽非均匀展宽谱线 的吸收介质，只有沿管轴方向速度为零 （vz=0）的原子或分子吸收频率为 0的光子， 而偏离中心频率的 处，则有vz=(-0)c/0 的两部分原子或分子吸收频率为的光子。 所以 0处更容易达到饱和，因此在吸收线中 心处形成一个凹陷，相应的在功率增益曲线

7、上会出现一个突起的尖峰反兰姆凹陷，尖 峰对应的频率是吸收介质的中心频率 0。 稳频时，以 0作为标准频率。在 0处输 出功率为P0。当激光频率偏离 0时，输出的 功率与P0比较得到误差信号dP。 反兰姆凹陷稳频的工作过程与兰姆凹 陷稳频基本相同（鉴相结果相反）。 稳定度稳定度可达可达 S-110-13：比比塞曼双频稳频塞曼双频稳频（10-10）高高3个数量级个数量级、比兰比兰 姆凹陷稳频姆凹陷稳频（10-9）高高4个数量级个数量级 复现性复现性可达可达 R10-12：比比其他两种其他两种 （R10-7）提提高高了了5个数量级个数量级 3. 稳定度和复现性：稳定度和复现性： 吸收介质一般是分子气

8、体。如甲烷（He-Ne）气体。气体的吸收 是在分子的基态和振转能级的吸收，不需要采用放电激励吸收就可以 很强。因此气压可以很低气压可以很低碰撞碰撞线宽很小线宽很小。 高能态振转能级寿命长高能态振转能级寿命长 自然线宽小自然线宽小（E和 成反比）。所以分子的吸收谱线很窄输出功率 尖峰谱宽窄（1053105Hz） dP/d 大 即是 的微小变化，产生 的误差讯号dP大大 灵敏度高。 主要是因为吸收 0比较稳定。利用吸收中心频率作标准，由于吸 收管内的气压低，一般只有10-210-3托。受气压及放电条件变化的影 响小，吸收中心频率 0相当稳定 不漂移。 （He-Ne利用I2同位素分子的稳频 S-11

9、0-1110-12，R10-10） 二、塞曼效应吸收稳频二、塞曼效应吸收稳频 利用吸收介质的吸收中心 0作标准频率，在吸收管上加一磁场吸收管上加一磁场（而不 是激光管），产生塞曼效应，结果对不同旋光的光吸收差别对不同旋光的光吸收差别来稳定频率。 吸收管中充有低压的Ne气，加磁场以后，由于塞曼效应，吸收曲线分 离成左右旋光的两条吸收线，它对频率相同、旋光方向不同的圆偏光吸收 不同。从激光器输出的线偏光通过加有交变的矩形电压V/4晶体，变成左、 右旋光。经吸收管后的功率差dP作为误差信号，负反馈电路根据根据其大 小和相位产生控制信号，控制腔长实现稳频。 稳定度、复现性同反兰姆凹陷稳频。稳定度、复现

10、性同反兰姆凹陷稳频。 原因：原因：从前述稳频原理可以看出，稳频实质是稳定腔长稳频实质是稳定腔长，而在稳频中通过 激光光强的变化作误差讯号光强的变化作误差讯号通过电路的处理控制腔长，从而实现 稳频。为了达到稳频的目的，要求除了频率的漂移造成的光强度要求除了频率的漂移造成的光强度 变化之外变化之外，其他因素造成的光强变化应该尽力避免其他因素造成的光强变化应该尽力避免。如放电电流、 电压变化造成的光强变化。否则干扰频率的稳定，甚至无法稳频。 措施：措施： 激光器的电源加稳压稳流装置。激光强度可稳定到n 采用稳定激光强度的控制装置。 6.5 激光强度的稳定激光强度的稳定 原理：原理：P1和P2的夹角一

11、定（90o或45o）， 中间放置法拉第旋转器，当光 强变化时，把光转化为电通过 电流控制器加到法拉第旋转器 上，线圈的电流变化-磁场变化， 光的偏振方向旋转角变化，使 激光光强自动得到补偿。 6.6 频率稳定性及复现性测量频率稳定性及复现性测量 1. 拍频原理：拍频原理： 由于激光的频率极高，直接测量频率的稳定度是很困难的，通常采用 拍频的方法进行相对测量。 设频差很小的两列叠加，则其合振动为 1122 coscos cc y tAtAt 2112 t 其中，、与 无关。利用和差化积公式，得 1 2 2cocoss c y ttAt 合振动的振幅是时间的慢变函数，对应的光强 221 2 4co

12、s c I tAt 光强在0变化，其频率由 决定= /2 -拍频 2 4 c A 2 12 1 2 2 2. 用拍频技术测量频率稳定性及复现性：用拍频技术测量频率稳定性及复现性： 根据拍频的原理可知，将两台同样结构同样结构、同样运转条件同样运转条件的激光器所输 出的两束光进行混合，当它们频率不同时，得到一拍频信号，即合成光的 光强周期性变化。通过分析与测量差频信号的频率起伏来确定每台激光器 频率的稳定性。 两台激光器输出的光经过混合到光电接收器上得到一差频讯号。经过 宽带放大器的放大，在一定的取样时间内在一定的取样时间内用数字频率计显示差频的平均值。 也可以用宽带高频示波器、频谱分析仪等进行观

13、察。一般取的不是瞬时频一般取的不是瞬时频 率差率差，采用统计的阿仑方差的方法求平均值采用统计的阿仑方差的方法求平均值。 激光频率偏差的双取样阿仑方差表示式为： 2 2221 1 1 2, 2 N ii i vv N 221ii vv N 其中、为取样时间 内连续测量两个相邻的差频信号的频率， 相邻差频频率序列数。 激光频率稳定度用双取样阿仑方差的表示式是： 2 2 221 1 2 2 , 1 1 2 N ii i v v vv S N 1 2 式中激光平均频率；假定每台激光器对差频频率起伏具有相同作用。 通过上式即可计算出取样时间 内每台激光器的频率稳定度。 第六章第六章 小结小结 一、一、频

14、率的稳定度和再现性频率的稳定度和再现性： 二、二、引起频率变化的因素：引起频率变化的因素： 1 S R 反应频率在平均频率（标准频率）附近的漂移。 反应平均频率本身的漂移。在不同时间、地点等条件下 频率重复或再现的精度。 , 2 qcnL nn LL nlnL ， 由温度、机械振动、大气等因素引起。主要是腔长L变化。 采取恒温、防震等措施S-1=10-7. 三、三、稳频原理稳频原理： 00 0 L ddIdVP TLZ 电路负反馈 1. 以原子谱线本身做鉴频器：以原子谱线本身做鉴频器： (1) 兰姆凹陷稳频兰姆凹陷稳频: 以凹陷中心频率 0作标准频率， 偏离 0时，产生误差信号 dP， dP 大小表示 偏离 0的程度， 相位表示 偏离 0的方向。 S-1=10-9，R=10-7 (2) 塞曼效应稳频。塞曼效应稳频。 加磁场光谱线分裂两条 左 左和 右右 偏离 0的大小和方向影响 左 左和 右右的光强 影响总光强的大小和相位。 S-1=10-10，R=10-7 2. 以外界的某一频率做标准频率以外界的某一频率做标准频率：饱和吸收稳频 (1) 反兰姆凹陷： S-1=10-