第5章

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穩頻技術§5.4飽和吸收穩頻一.概述：蘭姆凹陷穩頻、塞曼效應穩頻等，提高頻率的穩定性和復現性的關鍵是如何選擇一個穩定的和盡可能窄的參考頻率。它們都是利用激光本身的原子躍遷中心頻率作為參考點，但原子躍遷的中心頻率易受放電條件等影響而發生變化，所以其穩定性和復現性受到局限！蘭姆凹陷穩頻：穩定度10-9，復現性10-7；塞曼效應穩頻：穩定度10-10，復現性10-7。

為了提高頻率的穩定性和復現性，通常采用外界參考頻率標準進行穩頻。例如：飽和吸收穩頻（反蘭姆凹陷穩頻）?！?.4飽和吸收穩頻二.飽和吸收穩頻在諧振腔中放入一個充有低氣壓氣體原子的吸收管，它有和激光振蕩頻率配合很好的吸收線，吸收管氣壓很低，故碰撞加寬很小，可忽略不計，同時吸收管一般沒有放電作用，故譜線中心頻率比較穩定。這樣，在吸收線中心處形成一個位置穩定且寬度很窄的凹陷，以此作為穩頻的參考點，可使其頻率穩定性和復現性精度得到很大的提高。§5.4飽和吸收穩頻1.反蘭姆凹陷：由于激光器中多了一個吸收管，激光器的輸出功率-頻率曲線在吸收物質原子譜線中心v’0附近出現一個尖峰，稱為反蘭姆凹陷。它比蘭姆凹陷寬度更窄，斜率更大，所以能到更好的穩頻效果。對于v=v0的光，其正向傳播和反向傳播的兩列行波光強均被吸收管中速度為0的分子吸收，即兩列光強作用于同一群分子上，故吸收容易達到飽和；而對于v≠v0的光，則正向傳播和反向傳播的兩列行波光強分別被縱向速度為+V及-V的兩群分子所吸收，所以吸收不容易達到飽和，在吸收線的v0處出現吸收凹陷。意味著吸收最小，故激光器輸出功率在v0處出現一個尖峰?！?.4飽和吸收穩頻2.反蘭姆凹陷穩頻工作過程：穩頻時，以v0為標準頻率，在v0處輸出的光強為I0。當頻率偏離v0時，輸出的光強得到誤差信號，通過電路系統的處理，改變壓電陶瓷上加的直流電壓控制腔長L使v→v0。蘭姆凹陷穩頻：穩定度10-9，復現性10-7；塞曼效應穩頻：穩定度10-10，復現性10-7。反蘭姆凹陷穩頻：穩定度10-13，復現性10-12?！?.4飽和吸收穩頻目前多采用分子氣體來作為飽和吸收穩頻的氣體。分子氣體的吸收線作為參考標準頻率，如下優點：分子的振動躍遷壽命比Ne原子的壽命長，可達到10-2~10-3量級，因此分子譜線的自然寬度比原子譜線窄得多。分子吸收線產生于基態與振動能級間的躍遷，吸收管不需要放電激勵即有很強的吸收，因而避免了放電的擾動。吸收管氣壓較低，由分子碰撞引起的譜線加寬非常小，其反蘭姆凹陷的寬度只有105Hz以下極窄的譜線。分子的基態偶極距為零，所以斯塔克效應和塞曼效應都很小，由此而產生的頻移和加寬可忽略不計?！?.4飽和吸收穩頻飽和吸收穩頻激光器的頻率穩定度最終取決于吸收譜線的頻率穩定性，也和譜線的寬度以及信噪比有關，所以選擇理想的吸收介質十分重要，滿足：吸收譜線與激光增益譜線的頻率基本上相符；吸收系數要大，低能級最好是基態；激發態壽命較長，譜線自然寬度小；氣壓低，譜線碰撞加寬、頻移??；分子結構穩定，盡可能沒有固有電矩和磁矩，以減少碰撞、斯塔克和塞曼頻移與加寬?！?.4飽和吸收穩頻蘭姆凹陷穩頻和反蘭姆凹陷穩頻蘭姆凹陷穩頻的實質是：以譜線的中心頻率υ0作為參考標準，當激光振蕩頻率偏離υ0時，即輸出一誤差信號→通過伺服系統鑒別出頻率偏移的大小和方向，輸出一直流電壓調節壓電陶瓷的伸縮來控制腔長→把激光振蕩頻率自動的鎖定在蘭姆凹陷中心處。反蘭姆凹陷穩頻是在諧振腔中放入一個充有一個低壓氣體原子（或分子）的吸收管，它有和激光振蕩頻率配合很好的吸收線，而且由于吸收管氣壓很低，故碰撞加寬很小，可以忽略不計，吸收線中心頻率的壓力位移也很小。吸收管一般沒有放電作用，故譜線中心頻率比較穩定。吸收線在中心處的凹陷，意味著吸收最小，故激光器輸出功率(光強)在υ0處出現一個尖峰,通常稱為反蘭姆凹陷，反蘭姆凹陷可以作為一個很好的穩頻參考點。蘭姆凹陷穩頻是利用激光本身的原子躍遷中心頻率作為參考點，而原子躍遷的中心頻率易受放電條件等影響而發生變化，所以其穩定性和復現性就受到局限。反蘭姆凹陷穩頻是采用外界參考頻率標準進行穩頻，提高了頻率的穩定性和復現性。

飽和吸收穩頻小結飽和吸收穩頻法的穩定度和復現性都遠遠優于蘭姆凹陷穩頻法和塞曼效應穩頻法。作為飽和吸收穩頻激光器，其頻率穩定度最終取決于吸收譜線的頻率穩定性，譜線的寬度以及信噪比，基于此，請簡要回答理想的吸收介質應具備哪些條件？比較蘭姆凹陷穩頻與反蘭姆凹陷穩頻的異同點。§5.5其他穩頻激光器He-Ne激光器激光原子譜線本身、外界飽和吸收譜線CO2激光器的穩頻熒光穩頻法脈沖運轉激光器的穩頻共焦干涉儀法半導體激光器的穩頻共焦干涉儀法、Cs原子飽和吸收§5.5其他穩頻激光器脈沖運轉激光器的穩頻固體脈沖激光器單模運轉存在困難：固體激光器增益帶寬較寬；脈沖激光器增益太高；不穩定因素：抽運源大電流工作時輸出功率、波長存在變化；激光介質溫度變化激烈；消除空間燒空注入鎖頻被動穩頻做到最佳的基礎上開展主動穩頻！§5.5其他穩頻激光器在腔外放置一個無源共焦干涉儀。F-P干涉儀的透過率隨光頻率的變化發生變化；激光頻率的變化會引起透過F-P干涉儀光功率的變化。F-P干涉儀主動穩頻：采用一種特殊的搜索電路以保證每一個光脈沖的頻率都能對準共焦干涉儀的透射峰值。具體操作：在光脈沖出現的瞬間，搜索電路開始工作，用一個掃描電壓改變腔長，當光電檢測器接收到F-P干涉儀的共振信號，搜索電路就會自動轉換成補償信號電壓，其補償量的大小是預先經過測定的，以保證脈沖激光器頻率在整個脈沖周期內對準F-P的中心。激光頻率的起伏可能仍然較大，在前述操作基礎上，再加一套快速鎖定系統，該系統能比較檢測器1和檢測器2上的激光功率大小，并通過比較光脈沖功率和F-P干涉儀透射的功率得到一個誤差信號，再經過鎖定環路伺服系統改變激光器的光學長度，使振蕩的光頻率穩定在F-P腔透射曲線的最大斜率處，構成快速穩頻環路。§5.5頻率穩定性和復現性的測量激光頻率極高，欲直接測量頻率的穩定度是很困難的。常利用拍頻的方法進行相對測量，類似于電子技術中的差頻技術，將兩列光波進行混頻，所得差頻信號為無線電射頻信號，利用頻譜分析儀及頻率計均可對此拍頻信號產生響應。激光的相干性好，當兩束光疊加在一起時，初相位的差值是暫時穩定的或緩慢變化的，因而會產生干涉現象。兩束光波之間的可相干性，為測量光波頻率穩定性提供了一種方法-拍頻測量法?！?.5頻率穩定性和復現性的測量設頻率相差很小的兩束光波，瞬時頻率分別為v1(t)和v2(t)，其光場分別為：拍頻原理：(2)(1)當這兩束光垂直入射到光電探測器上時，其輸出的合成振動正比于光強，即輸出的光電流為：(3)余弦函數平方的平均值等于1/2和頻項，頻率很高，現有光探測器無法響應，其平均值為零。差頻項，相對于光頻來說要緩慢很多?！?.5頻率穩定性和復現性的測量當差頻信號低于光電探測器的截止頻率時，即有光電流輸出：可見：差頻信號電流的頻率(v1-v2)隨兩束光的頻率v1、v2成比例變化。若激光器1相對于激光器2的頻率穩定性很高，可認為v1≈v0作為參考頻率，拍頻Δv=v1-v2=v0-v2，因此拍頻頻率值的變化主要是由激光器2的頻率漂移的作用引起的。激光器2相對于激光器1的頻率穩定性為Δv/v0。(4)§5.5頻率穩定性和復現性的測量拍頻法的原理示意圖兩信號的差頻vB具有較低的數值，用計數器測定其M個周期的長度為τ，由τ的起伏可計得兩信號源的穩定度。當作為參考信號的激光器1的穩定度高于被測信號的激光器2一個數量級時，可認為測得的結果全由被測信號的激光器2產生。§5.5頻率穩定性和復現性的測量兩信號的差頻表示為：(5)υB的周期τ=M·T1M個周期考慮到頻率的不穩定性T1=T0+ΔT1υB=υB0+ΔυBτ

=τ

0+Δτ相應于T0=τ

0/MΔT1

=Δτ/MΔT1/T1=ΔυB/

υBΔυB≈ΔT1/T02=MΔT/

τ

02根據誤差理論因此，在t時刻，τ

取樣長度下的頻率相對起伏為ΔυB/υB

=MΔT/υ0

τ

02(6)§5.5頻率穩定性和復現性的測量拍頻法測量激光器輸出頻率穩定性的實例可直接進行觀察直接讀取拍頻的頻率值§5.5頻率穩定性和復現性的測量對于同一批型號的He-Ne激光器，取其中一臺激光器的輸出頻率作為參考頻率，記作SL1，則SL2為各待測的激光器。在相同的運轉條件下，先后測得其中一臺激光器相對于SL1的拍頻頻率，分別記作Δυ1、Δυ2、…ΔυN，N為取樣測量的次數。由于頻率起伏是隨機的，所以頻率穩定度常采用統計的阿倫方差進行處理。激光頻率偏差的雙取樣阿倫方差為

則激光頻率穩定度的雙取樣阿倫方差為υ2i、υ2i-1為取樣平均時間τ內連續測量兩個相鄰的差頻信號的頻率。假定每一臺激光器對差頻頻率起伏具有相同的作用因子。激光的平均頻率(7)(8)頻率穩定性和復現性的測量小結激光頻率極高，欲直接測量頻率的穩定度是很困難的。所以常利用拍頻的方法進行測量，采用頻