1、第二章 激光諧振腔技術、選模及穩頻技術,任課教師：左青卉,光電子技術基礎,1,本章內容提要,激光諧振腔設計基礎 激光模式及選模技術 激光縱模及選頻、穩頻技術,激光諧振腔技術、選模及穩頻技術,2,激光諧振腔技術、選模及穩頻技術,激光諧振腔設計基礎,光學諧振腔是常用激光器的三個主要組成部分之一,與微波腔相比，光頻腔的主要特點是：,側面敞開以抑制振蕩模式，軸向尺寸遠大于光波長和腔的橫向尺寸。 從理論上分析時，通常認為其側面沒有邊界， 因此，將其稱為開放式光學諧振腔。,圖2-1 開放式光學諧振腔結構,3,激光諧振腔技術、選模及穩頻技術,激光諧振腔設計基礎,本章中只研究無源諧振腔，即無激活介質存在的腔。

2、,雖然處于運轉狀態的激光器的諧振腔都是存在增益介質的有源腔(又稱激活腔或主動腔)，但理論和實踐表明，對于中、低增益的激光器，無源腔的模式理論可以作為有源腔模式的良好近似。對于高增益激光器，適當加以修正也是適用的。,無源諧振腔,指雖有激光工作物質，但未被激發，從而無放大作用的激光器諧振腔。,有源諧振腔,經過激發有放大作用的激光器諧振腔。,4,光學諧振腔的作用主要有兩方面:,（1）提供軸向光波模的光學正反饋；,通過諧振腔鏡面的反射，軸向光波模可在腔內往返傳播，多次通過激活介質而得到受激輻射放大，從而在腔內建立和維持穩定的自激振蕩。光腔的這種光學反饋作用主要取決于腔鏡的反射率、幾何形狀以及之間的組合

3、方式。這些因素的改變將引起光學反饋作用的變化，即引起腔內光波模損耗的變化。,（2）產生對振蕩光束的控制作用,由于激光模式的特性由光腔結構決定，因此，可通過改變腔參數實現對光波模特性的控制。通過對腔的適當設計以及采取特殊的選模措施，可有效控制腔內實際振蕩的模式數目，使大量光子集中在少數幾個狀態中，從而提高光子簡并度，獲得單色性和方向性好的相干光。通過調節腔的幾何參數可直接控制激光模的橫向分布特性、光斑半徑、諧振頻率以及遠場發散角等。,光學諧振腔的作用,激光諧振腔設計基礎,5,光學諧振腔的損耗,光學諧振腔一方面具有光學正反饋作用，另一方面也存在各種損耗。損耗的大小是評價諧振腔質量的一個重要指標，決

4、定了激光振蕩的閾值和激光的輸出能量。,一、損耗及其描述,（1）幾何偏折損耗,光線在腔內往返傳播時，可能從腔的側面偏折出去，我們稱這種損耗為幾何偏折損耗。其大小首先取決于腔的類型和幾何尺寸。,（2）衍射損耗,從波動光學觀點來看，由于腔反射鏡面幾何尺寸是有限的，光波在腔內往返傳播時必然因腔鏡邊緣的衍射效應而產生損耗。如果在腔內插入其他光學元件，還應當考慮其邊緣或孔徑的衍射引起的損耗。通常將這類損耗稱為衍射損耗，其大小與腔的菲涅耳數、腔的幾何參數以及橫模階數等有關。,激光諧振腔設計基礎,6,（3）腔鏡反射不完全引起的損耗,激光諧振腔設計基礎,光學諧振腔的損耗,這部分損耗包括鏡中的吸收、散射及鏡的透射

5、損耗。通常光腔至少有一個反射鏡是部分透射的，有時透射率可能很高（如某些固體激光器的輸出鏡透射率可以50），另一個反射鏡即通常所稱的“全反射”鏡，其反射率也不可能做到100。,（4）材料中的非激活吸收、散射，腔內插入物（如布儒斯特鏡，調Q元件、調 制器等)所引起的損耗等。,上述（1）、（2）兩種損耗又常稱為選擇損耗，不同模式的幾何損耗與衍射損耗各不相同。（3）、（4）兩種損耗稱為非選擇損耗，通常情況下它們對各個模式大體一樣。,7,不論損耗的起源如何，均可用“平均單程功率損耗率”又稱稱單程損耗因子)來定量描述。該因子的定義為：如果初始光強為I0，在無源腔內往返一次后，光強衰減為I1則：,如果損耗是

6、由多種因素引起的，每一種原因引起的損耗以相應的損耗因子i描述，則有：,激光諧振腔設計基礎,光學諧振腔的損耗,顯然，當損耗很小時，這樣定義的單程損耗因子與前面定義的指數損耗因子是一致的,一、平均單程功率損耗率,8,以r1和r2分別表示腔的兩個鏡面的反射率(即功率反射系數)，則初始強度為I0的光，在腔內經兩個鏡面反射往返一周后，其強度I1應為,激光諧振腔設計基礎,光學諧振腔的損耗,常見損耗舉例:,（1）由鏡反射不完全所引起的損耗,按的定義，對由鏡面反射不完全所引入的損耗因子1，應有,因此：,當r1r2 1時,9,激光諧振腔設計基礎,光學諧振腔的損耗,（2）衍射損耗,由衍射引起的損耗隨腔的類型、具體

7、幾何尺寸及振蕩模式而不同，是一個很復雜的問題。這里只就均勻平面波在平面孔徑上的Fraunhofer衍射對腔的損耗作一粗略的估計。,圖2-2 Fraunhofer衍射示意圖,10,激光諧振腔設計基礎,光學諧振腔的損耗,如果忽略掉第一暗環以外的光，并假設在中央亮斑內光強均勻分布，則射到第二個孔徑以外的光能與總光能之比應等于該孔闌被中央亮斑所照亮的孔外面積與總面積之比，即：,描述由衍射所引起的單程能量相對損耗百分數d, 當衍射損耗不太大時，應與平均單程指數損耗因子d，相等,11,激光諧振腔設計基礎,光學諧振腔的損耗,N稱為腔的菲涅耳數，即從一個鏡面中心看到另一個鏡面上可以劃分的菲 涅耳半周期帶的數目

8、(對平面波陣面面言)。N是衍射現象中的一個特征參 數，表征著衍射損耗的大小； 在描述光學諧振腔的工作特性時，經常用到菲涅耳數這個概念。它是從一 個鏡面中心看到另一個鏡面上可以劃分的菲涅耳半波帶數，也是衍射光在 腔內的最大往返次數； N愈大，損耗愈小。,12,R稱為腔的時間常數，是描述光腔性質的重要參數，當t =R時，,設初始光強為I0的光束在腔內往返M次后光強變為Im，如果取c0時刻的 光強為I0，則到t時刻為止光在腔內往返的次數m應為：,激光諧振腔設計基礎,光學諧振腔的損耗,二、光子在腔內的平均壽命,13,激光諧振腔設計基礎,光學諧振腔的損耗,R的物理意義,可以將R解釋為“光子在腔內的平均壽

9、命”。設t時刻腔內光子數密度為N，N與光強I(t)的關系為:,V為光在諧振腔的傳播速度，所以有：,N0表示t=0時刻的光子密度。,經過R時間后，腔內光強衰減為初始值的1/e。愈大，R愈小，說明腔的損耗愈大，腔內光強衰減得愈快。,14,激光諧振腔設計基礎,光學諧振腔的損耗,上式表明：,由于損耗存在，腔內光子數密度將隨時間按指數衰減，t=R時刻，衰減為N0的1/e；,腔內光子的平均壽命R與腔的損耗有關， 損耗越小， R越大，腔內的光子的平均說明越長,這（-dN）個光子的壽命為t，若在經過dt時間后，將不在腔內。N0個光子的平均壽命為：,在t-t+dt時間內減少的光子數目為,15,激光諧振腔設計基礎

10、,光學諧振腔的損耗,三、無源腔的品質因數Q值,在無線電技術中，LC振蕩回路、微波諧振腔、光學諧振腔是光頻段電磁波、損耗的大小用品質出數Q來衡量。Q的定義：,式中E為儲存在腔內的總能量，P為單位時間內損耗的能量，v為諧振頻率，為角頻率 設光學諧振腔的體積為V，則總能量E=NhvV 則單位時間損耗的光能為：,16,激光諧振腔設計基礎,光學諧振腔的損耗,所以：,可見,腔的損耗愈小，Q值愈高。Q值高，表示腔的儲能性好，光子在腔內的平均壽命長。,返回,17,激光腔模式及選模技術,激光腔模式,無論是閉腔或是開腔，都將對腔內的電磁場施以一定的約束。一切被約束在空 間有限范圍內的電磁場都將只能存在于一系列分立

11、的本征狀態之中，場的每一 個本征態將具有一定的振蕩頻率和一定的空間分布。在激光技術的術語中，通 常將光學諧振腔內可能存在的電磁場的本征態稱為腔的模式。從光子的觀點來 看，激光模式也就是腔內可能區分的光子的狀態。,同一模式內的光子具有完全相同的狀態。每一種模式都具有確定的基本特 征，主要包括 ：,電磁場分布，特別是在腔的橫截面內的場分布； 諧振頻率； 在腔內往返一次所經受的相對功率損耗； 相對應的激光束的發散角,18,由于腔內電磁場的本征態由Maxwell方程組和腔的邊界條件決定,因 此不同類型和結構的諧振腔的模式也將各不相同。一旦給定了腔的 具體結構,其中振蕩模的特征也就隨之確定下來。光學諧振

12、腔理論 就是研究腔模式的基本特征,以及模與腔結構之間的具體依賴關系。 原則上說只要知道了腔的參數，就可以唯一地確定模的上述 特征。,腔內電磁場的空間分布可分解為沿傳播方向(腔軸線方向)的分布和在 垂直于傳播方向的橫截面內的分布。其中，腔模沿腔軸線方向的穩定 場分布稱為諧振腔的縱模，在垂直于腔軸的橫截面內的穩定場分布稱 為諧振腔的橫模,激光腔模式,激光腔模式及選模技術,19,多光束干涉理論可知，發生相長干涉的條件是：波從某一點出發， 經腔內往返一周再回到原來位置時，應與初始出發波同相。,（1）縱模,對于非均勻介質：,所以：,平面腔中沿軸向傳播的平面波的諧振條件。q 稱為腔的諧振波長，q 稱為 腔

13、的諧振頻率。平面腔中的諧振頻率是分立的,激光腔模式,激光腔模式及選模技術,20,可以將滿足的平面駐波場稱為腔的本征模式。其特點是：在腔的橫截面內場 分布是均勻的，而沿腔的軸線方向(縱向)形成駐波，駐波的波節數由q決定。 通常將由整數q所表征的腔內縱向場分布稱為腔的縱模。不同的q值相應于不 同的縱模。q稱為縱模序數。,當整個光腔內充滿折射率為n 的均勻物質時，有：,激光腔模式,激光腔模式及選模技術,由于光頻諧振腔的腔長遠大于光波波長，整數q通常具有104 -106 數量級。,腔的兩個相鄰縱模頻率之差q稱為縱模的頻率間隔，簡稱縱模間隔，,腔長L越小，縱模間隔越大。,21,激光腔模式,激光腔模式及選

14、模技術,（2）橫模,這種穩態場經一次往返后，唯一可能的變化僅是，鏡面上各點場的振幅按同樣的比例衰減，各點的相位發生同樣大小的滯后。,鏡面上各點場的振幅按同樣的比例衰減,各點的相位發生同樣大小的滯后。 這種在腔反射鏡面上形成的經過一次往返傳播后能自再現的穩定場分布稱 為自現模或橫模。,對于兩個鏡面完全相同的對稱腔來說，這種穩定場分布經單程傳播后即可實現自再現。 綜上所述，激光的橫模，實際上就是諧振腔所允許的(也就是在腔內往返傳播,能保持相對穩定不變的)光場的各種橫向穩定分布。,22,激光腔模式,激光腔模式及選模技術,不同的縱模和橫模具有不同的光場分布和振蕩頻率。但對于縱模來說，其光 場分布之間的

15、差異很小，一般只從頻率的差異來區分不同的縱模。不同橫模 之間的光場分布差異較大，很容易從強度花樣來區分。需要注意的是，不同 的橫模之間，也存在頻率差異。,圖2-3 橫模光場分布圖,23,選模技術,激光腔模式及選模技術,激光的應用要求激光具有良好的方向性，有較為均勻的照明，即具有較小的 發散角，因此，就必須讓激光器做基模的輸出。而高階橫模的光強分布不均 勻，發散角大，往往不能滿足實際應用的要求,抑制高階橫模需要兩方面條件： （1）要求橫模光束的衍射損耗小，使得基模不僅滿足振蕩的閾值條件，而 且有較大的功率輸出； （2）要求高階橫模的衍射損耗足夠大，易于鑒別基模和高階橫模；,橫模的選擇方法大體上可

16、分為兩種：,（1）改變諧振腔的結構和參數，使高階橫模獲得更大的衍射損耗，提高諧 振腔的選模性能； （2）在一定的諧振腔內插入附加的選模器件（如光柵等）提高選模性能；,24,激光腔模式及選模技術,選模技術,常用的抑制高階橫模方法介紹。,（1）調節反射鏡,調整諧振腔的一塊反射鏡，使它們的軸線偏離一個角度，則各種模式的 衍射損耗都要增加，高階橫模的損耗比基模的損耗增加得快，故調節反 射鏡可造成高階橫模因損耗太大不能振蕩，而基模仍可振蕩的情況。這 種方法簡單易行，但激光的輸出功率往往也因此而顯著下降。,（2）腔內增加光闌,高階橫模的光束截面積比基模大，故減小增益介質的有效孔徑a，從而減 小菲涅耳數N，

17、就可以大大增加高階橫模的衍射損耗，以至于將它們完全 抑制掉。最簡單的方法就是在腔內靠近反射鏡的地方，放置一個光闌，調 節光闌開孔的大小能使得只有橫模可以通過，而高階橫模被抑制掉。,返回,25,相干光源,特點,非線性光,激光器,方向：發散很小 頻譜：單一 連續性：無限連續（穩定） 亮度：極高 在時間、空間上相位同步 傳輸增益，出射光強增強,激光縱模及選頻、穩頻技術,選頻和穩頻技術,26,激光縱模及選頻、穩頻技術,激光頻率的選擇,腔內盡量設法使希望形成激光振蕩的譜線有較小的損耗，讓其他譜線有較大的損耗，以造成它們在起振時閥值的大小有較大的區別。,（1）多層介質膜反射鏡,理論根據,主要方法,激光振蕩

18、的起震條件:,激光產生的閾值條件:,27,激光縱模及選頻、穩頻技術,激光頻率的選擇,（1）多層介質膜反射鏡,設想找到一種反射鏡，它只對某個波長有較高的反射率，而對其他波長反射率很低。用這種反射鏡構成諧振腔，就只對特定波長有低閥值，對其他波長則是高閥值。因此，在同一泵浦的情況下，這個被選定的波長就會先起振，從而得到希望得到的激光輸出。,方法原理,這種對不同波長具有不同反射率的反射鏡目前是由“多層介質膜片”來實現 的，反射帶寬可以做到0.01m左右。可以應用到如選擇氦氖激光器的0.633 m 、1.15 m和3.393 m條譜線中任一條。,28,激光縱模及選頻、穩頻技術,激光頻率的選擇,（2）色散

19、腔法,為了解決激光譜線相距很近、增益很高的激光頻率的選擇，通常可以在諧振腔內放入一個色散器件，稱之為色散腔法。 最簡單的色散腔的結構主要是在腔內加入一個棱鏡。由于棱鏡的色散，不同波長的譜線在同樣入射角下會以不同的方向出射，將腔的一個反射鏡調到某一特定的角度上，它只對某一譜線能垂直反射回去，而對其他波長的譜線則被反射離開諧振腔。這樣就達到了選取譜線的目的。 色散器件除了棱鏡外還可以采用反射光柵。色散腔法可以應用在氬離子 激光器中譜線0.5145 m和0.488m的選擇。,方法原理,29,激光縱模及選頻、穩頻技術,縱模的選擇,激光器中某一個縱模能否起振和維持振蕩主要取決于這一個縱模的增益與損耗值的

20、相對大小。對于同一個橫模的不同縱模而言，其損耗是相同的，但是不同縱模間卻存在著增益差異，因此，利用不同縱模之間的增益差異，在腔內引入一定的選擇性損耗，使欲選的縱模損耗最小，而其余縱模的附加損耗較大，只有中心頻率附近的少數增益大的縱模建立起振蕩。最終形成并得到放大的是增益最大的中心頻率所對應的單縱模。,基本思想,（1）短腔法,主要方法,（2）法布里-珀羅標準具法,（3）復合腔法,30,激光振蕩的可能縱模數主要由工作物質的增益線寬0和諧振腔的縱模間隔 q決定。而縱模間隔 與腔長成反比，因此選擇單縱模的方法之 一是縮短諧振腔的長度, 以增大q，使得在0范圍內只存在一個縱模， 而其余的縱模都位于0之外

21、，如圖2-5所示。,激光縱模及選頻、穩頻技術,短腔法,方法原理,其中0表示增益曲線高于閾值部分的寬度， 相鄰縱模的頻率間隔為q，則可能同時振蕩 的縱模數n,圖2-4,31,如He-Ne激光器，當L=1m時，其縱模間隔 =150MHz(設n=1)。0 = 1500 MHz，若要求單縱模振蕩就要求L=0.1m以下。,激光縱模及選頻、穩頻技術,短腔法,故短腔法只適用于增益線寬較窄的激光器。由于腔長縮短，激光輸出功率必然受到限制。因此在大功率單縱模輸出場合，此法不適用。,圖2-5 短腔法選模原理,應用舉例,32,式中， 為標準具的精細度；r為標準具對光的反射率；是標準具中 參與多光束干涉效應的相鄰兩出

22、射光線的相位差，即 。其中， d為標準具的厚度(即兩平行面的間隔)； n為標準具介質的折射率；為光束 進入標準具后的折射角，一般很小近似為 1)。 T()是波長、和r的函數。,激光縱模及選頻、穩頻技術,法布里-珀羅標準具法,法布里-珀羅(F-P)標準具,是由一對平行的光學平面所構成的一種光學器件，它相當于一塊濾光片，對不同波長的光束具有不同的透過率，可以用下式表示：,33,激光縱模及選頻、穩頻技術,法布里-珀羅標準具法,圖2-6 F-P標準具法選縱模,法線,圖2-6所示的是標準具選縱模裝置示意圖。,34,激光縱模及選頻、穩頻技術,法布里-珀羅標準具法,圖2-7 F-P標準具的透過率曲線,圖2-

23、7示出了當r取不同值時，T()與的變化曲線。由圖可以看出，標準具 有反射率r越大，則透射曲線越窄，選擇性就越好。,35,激光縱模及選頻、穩頻技術,法布里-珀羅標準具法,在激光器的諧振腔內插入標準具, 并選擇適當的厚度和反射率 , 使m與激 光工作物質的增益線寬相當, 如圖2-8所示, 處于中心頻率的縱模與標準具最大 透過率的m相一致，故該模損耗最小，即Q值最大，可以起振，而其余的 縱模則由于附加損耗太大，Q值過低而不能形成激光振蕩。調節標準具的傾斜 角以改變，即可使m與不同縱模頻率重合，以獲得不同頻率的單縱模激 光輸出。,36,激光縱模及選頻、穩頻技術,法布里-珀羅標準具法,在激光器的諧振腔內

24、插入標準具, 并選擇適當的厚度和反射率 , 使m與激 光工作物質的增益線寬相當, 如圖2-8所示, 處于中心頻率的縱模與標準具最大 透過率的m相一致，故該模損耗最小，即Q值最大，可以起振，而其余的 縱模則由于附加損耗太大，Q值過低而不能形成激光振蕩。調節標準具的傾斜 角以改變，即可使m與不同縱模頻率重合，以獲得不同頻率的單縱模激 光輸出。,圖2-8 F-P標準具選擇單縱模,F-P標準具選縱模的優點在于標準具平 行平面板間的厚度可以做得很薄，由 于腔長沒有縮短，輸出功率仍可很大。,37,激光縱模及選頻、穩頻技術,法布里-珀羅標準具法,氣體激光器的熒光線寬一般比較窄，用 標準具法選縱模時，只要一個

25、標準具就 可以實現；但是對于固體激光器, 由于 熒光線寬很寬, 只有一個標準具往往難 以實現，如果標準具的自由光譜區很 大，它的帶寬也就比較寬，因而就難以 保證單縱模振蕩，所以不得再插入第二 個自由光譜區較小的標準具才能獲得單 縱模(如圖2-9所示)。,圖2-9 雙標準具選擇單縱模,38,激光縱模及選頻、穩頻技術,復合腔法,如果用一個反射干涉儀系統取代諧振腔中的一個反射鏡，則其組合反射率 是光波長(頻率)的函數。圖2-10所示的是兩種組合干涉復合腔的原理圖。,圖2-10 復合腔選模,方法原理,39,對圖2-10所示的邁克爾復合腔可以看成是又兩個子腔組合而成：全反射鏡 M和M1組成一子腔，腔長為

26、（L+l1）,諧振頻率 ，式中qi為正整數， 假設折射率為1；另一子腔由全反射鏡M和M2組成，腔長為（L+l2），諧振頻 率為 。組合后的諧振腔必須同時滿足兩個腔的頻率條件，令兩等 式相等，并假設第一個子腔經過N個頻率間隔后正好和第二個子腔經過N+1 個頻率間隔后再次相等，則有,激光縱模及選頻、穩頻技術,復合腔法,式中和“為同時滿足上兩式的兩個相鄰的頻率，令= ”- ， 計算可得 ，即為復合腔的頻率間隔。,40,激光縱模及選頻、穩頻技術,復合腔法,適當選擇l1及l2，可以使復合腔的頻率間隔足夠大，即兩相鄰縱模間隔足 夠大，與增益線寬相比擬時，即可實現單縱模運轉。,41,激光縱模及選頻、穩頻技術

27、,穩頻技術,激光的特點之一是單色性好,即其線寬與頻率的比值/很小。 但由于各種不穩定因素的影響,實際激光頻率的漂移遠遠大于線寬極限。 在精密干涉測量、光頻標、光通信、激光陀螺及精密光譜研究等應用領 域中,要求激光器所發出的激光有較高的頻率穩定性.,頻率漂移 激光器通過選模獲得單頻率振蕩后,由于內部和外界條件的變化,諧振頻率仍然在整個線型寬度內移動的現象。,穩頻目的 使頻率本身穩定，即不隨時間、地點變化。,42,激光縱模及選頻、穩頻技術,穩頻技術-影響頻率穩定的因素,對共焦腔的TEM00模來說，諧振頻率的公式可以簡化為：,環境溫度的起伏、激光管的發熱及機械振動都會引起諧振腔幾何長度的改變。溫度的

28、變化、介質中反轉粒子數的起伏以及大氣的氣壓、濕度變化都會影響激光工作物質及諧振腔裸露于大氣部分的折射率。以上因素使腔長L及折射率市都在一定范圍內變化,當L的變化為L，的變化為時，引起的頻率相對變化為：,一個管壁材料為硬玻璃的內腔式氦氖激光器,當溫度漂移1時,由于腔長變化引起的頻率漂移已超出增益曲線范圍。,腔長變化、折射率變化都是影響頻率穩定的因素,43,激光縱模及選頻、穩頻技術,穩頻技術,用頻率的穩定度和復現性這兩個物理量來表示激光頻率穩定的程度。,頻率穩定度 激光器在一次連續工作時間內的頻率漂移與振蕩頻率之比，即,頻率復現性 激光器在不同地點、時間、環境下使用時頻率的相對變化量，即,目前,

29、穩定度已達到10-910-13，而復現性在10-710-12，實際應用中，要 求穩定度和復現性都能在10-8以上.,44,影響頻率穩定的因素,對共焦腔的TEM00模來說，諧振頻率的公式可以簡化為：,環境溫度的起伏、激光管的發熱及機械振動都會引起諧振腔幾何長度的改變。 溫度的變化、介質中反轉集居數的起伏以及大氣的氣壓、濕度變化都會影響激 光工作物質及諧振腔裸露于大氣部分的折射率。以上因素使腔長L及折射率都 在一定范圍內變化,當L的變化為L，n的變化為n時，引起頻率相對變化為：,一個管壁材料為硬玻璃的內腔式氦氖激光器,當溫度漂移1時,由于腔長變化引起的頻率漂移已超出增益曲線范圍。,腔長變化和折射率

30、變化都是影響頻率穩定的因素,激光縱模及選頻、穩頻技術,45,溫度變化的影響 環境溫度的起伏或者是激光管工作時發熱，都會使腔材料隨著溫度的改變而伸縮，以致引起頻率的漂移，即,式中，T為溫度的變化量；為諧振腔間隔材料的線膨脹系數，一般應選用小的材料，硬質玻璃=10-5/0C，石英玻璃=610-7/0C，殷鋼=910-7/0C。一般難以獲得優于10-8的頻率穩定度。,影響頻率穩定的因素,激光縱模及選頻、穩頻技術,46,(2) 大氣變化的影響,對于外腔式激光器，設諧振腔長為L，放電管長度為L0，則暴露在大氣中部分的相對長度為(L- L0)/L，大氣的溫度、氣壓、濕度的變化都會引起大氣折射率的變化，從而

31、導致激光振蕩頻率的變動。設環境溫度T=200C，氣壓p=1.013105Pa，濕度H=1.133kPa，則大氣對633nm波長光的折射率變化系數分別為,影響頻率穩定的因素,激光縱模及選頻、穩頻技術,47,又設測量中溫度、氣壓及濕度的時間變化率分別為,則引起激光波長的變動分別為,式中，為測量時間，對示波器=35s，對XY記錄1min。,影響頻率穩定的因素,激光縱模及選頻、穩頻技術,48,機械振動也是導致光腔諧振頻率變化的重要因素。如建筑物的振動、車輛的通行、聲響等都會引起腔的支架振動，使腔的光學長度改變， 導致振蕩頻率的漂移。,（3）機械振動的影響,對于L=100cm的光腔，當機械振動引起10-

32、6cm的腔長改變時，頻率將有110-8的變化。因此，要克服機械振動的影響，穩頻激光器必須采取良好的防震措施。,影響頻率穩定的因素,激光縱模及選頻、穩頻技術,49,為了減小溫度影響，激光諧振腔間隔器多采用殷鋼材料制成，但殷鋼的磁致伸縮性質可能引起腔長的變化，如1.15m波長的He-Ne激光器，僅由于地磁場效應可以產生140kHz的頻移。因而地磁場效應和周圍電子儀器的散磁場對于高穩定激光器影響必須加以考慮。,（4）磁場的影響,綜上所述，環境溫度的變化、機械振動等外界干擾對激光頻率穩定性影響很大，因而自然聯想到，最直接的穩頻辦法就是恒溫、防震、密封隔聲、穩定電源等。,影響頻率穩定的因素,激光縱模及選

33、頻、穩頻技術,50,圖2-11 單頻CO2激光器防震、恒溫裝置 1.激光器 2.減震器 3.石英玻璃管 4.鉛筒(外繞加熱絲),圖所示的是一臺CO2激光器的防震、恒溫裝置。它采用了恒溫措施，溫度可恒定在350.030C。為了防震，在所有部件之間都置有海綿墊，并將整個裝置放在堅固穩定的防震臺上；還采用了穩壓穩流電源。,影響頻率穩定的因素,激光縱模及選頻、穩頻技術,實驗證明，采用恒溫度、防震裝置后, CO2激光器的長期頻率穩定度可達到10-7量級。但要提高到量級10-8以上，單靠這種被動式穩頻方法就很難達到了，必須采用主動穩頻的方法進行自動控制穩頻。,51,激光縱模及選頻、穩頻技術,穩頻方法概述,

34、穩頻原理 保持、L不變。,（1） 被動式穩頻,利用熱膨脹系數低的材料制做諧振腔的間隔器；或用膨脹系數為負 值的材料和膨脹系數為正值的材料按一定長度配合。,采用負反饋電路控制穩頻技術。選取一個穩定的參考標準頻率，當 外界影響使激光頻率偏離標準頻率時，鑒頻器給出誤差訊號，通過 負反饋電路去控制腔長，使激光頻率自動回到標準頻率上。,（2）主動式穩頻,穩頻方法,52,激光縱模及選頻、穩頻技術,穩頻方法概述,鑒頻器是穩頻的關鍵部件 任務 a.提供標準頻率； b.頻率鑒別，當激光器振蕩頻率偏離標準頻率時，能夠鑒別出來。 對鑒頻器的要求 a.中心頻率要穩定，標準頻率不能有漂移； b.靈敏度要高，微小變化能鑒

35、別。 鑒頻器的類型 以原子譜線本身作為鑒頻器和以外界標準頻率做鑒頻器,（2）主動式穩頻,53,激光縱模及選頻、穩頻技術,蘭姆凹陷法穩頻,藍姆凹陷 對非均勻加寬激光介質，激光器輸出的功率在中心頻率處最小。,圖2-13 輸出功率曲線,一、利用原子譜線中心頻率作為鑒別器進行穩頻,54,激光縱模及選頻、穩頻技術,蘭姆凹陷法穩頻,結構和原理 （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整腔長L。 （2）光電接收器 利用光電轉換裝置，將光信號轉變為電信號作為電路的信號。 （3）電路系統 將誤差訊號轉成一直流電壓加到壓電陶瓷上，以改變腔長。,圖2-13 蘭姆凹陷法穩頻激光器的基

36、本結構,當壓電陶瓷外表面加正電壓、內表面加負電壓時壓電陶瓷伸長，反之則縮短，因而可利用壓電陶瓷的伸縮來控制腔長。,55,二、腔長自動補償系統的方框圖及主要功能,前,激光縱模及選頻、穩頻技術,蘭姆凹陷法穩頻,圖2-14 蘭姆凹陷法穩頻方框圖,56,頻率振蕩器 振蕩器給出一個頻率為 f (約為lkHz)、幅度很小(只有零點幾伏)的交流訊號，稱為“搜索訊號”的正弦調制信號，一路加到壓電陶瓷環上對腔長進行調制，使腔長產生頻率為f 、振幅為L的調制、相應的產生激光振蕩頻率 v 的變量 v 和激光輸出功率P 幅度為P的調制；另一路加到相敏整流器上做為參考信號。,選頻放大器 對輸入的波形信號進行選頗放大。它

37、有自己的中心頻率，只對頻率為f 的信號進行放大并輸入到相敏整流器上。,相敏整流器 對選頗放大后的信號電壓與振蕩器發出的正弦參考信號電壓進行相位比較，如果相位相同，則輸出負直流電壓，如果相位相反，則輸出正直流電壓。,激光縱模及選頻、穩頻技術,蘭姆凹陷法穩頻,57,穩頻原理,假如由于某種原因（例如溫度降低）使L縮短，引起激光頻率由 偏至 ， 與 的位相正好相同 ，于是光電接收器輸出一個頻率為f 的信號，經前置放大，選頻放大后送入相敏整流器，相敏整流器輸出一個負的直流電壓，經放大后加在壓電陶瓷的外表面，它使壓電陶瓷縮短，腔長伸長，于是頻率vB 被拉回到v0,假如由于某種原因（例如溫度升高）使L伸長，

38、引起激光頻率由 偏至 ， 與 的位相正好相反，相敏整流器輸出一個正的直流電壓，經放大后加在壓電陶瓷的外表面，它使壓電陶瓷伸長，腔長縮短，于是頻率vA 被拉回到v0。,激光縱模及選頻、穩頻技術,蘭姆凹陷法穩頻,在中心頻率附近0 ，不論是 小于0還是大于0 ，其結果都是使輸出功率P增加，而且此時P將以頻率2f 變化。這時工作頻率為f 的選頻放大器輸出為零，沒有附加的電壓輸送到壓電陶瓷上，腔長也就不被調整，于是激光器的輸出頻率就被鎖定在0 處了。,58,穩頻精度 工作波長為633nm和1.15m的He-Ne激光器,頻率穩定度可達 10-910-10量級,復現度優于510-8,圖2-15 蘭姆凹陷法穩頻原理,激光縱模及選頻、穩頻技術,蘭姆凹陷法穩頻,59,（1）穩頻激光器不僅要求是單橫模，而且還要求必須是單縱模。 （2）根據以上討論可見，頻率穩定性與蘭姆凹陷中心兩側的斜率有關， 斜率越大，誤差信號就越大，因而靈敏度高，穩定性就越好。（一般要 求蘭姆凹陷的深度為輸出功率的1/8） （3）蘭姆凹陷線型的對稱性也影響頻率的穩定性。（氖的不同同位素的 原子譜線中心有一定頻差。充普通氖氣的氦氖激光器蘭姆凹陷曲線不對 稱且不夠尖銳,制作單頻穩頻