激光器件與技術(shù)第五章 2講ppt課件

1、長春理工大學電子科學與技術(shù)系長春理工大學電子科學與技術(shù)系Page: 1第第5章章穩(wěn)頻技術(shù)穩(wěn)頻技術(shù)第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學電子科學與技術(shù)系長春理工大學電子科學與技術(shù)系Page: 25.4 飽和吸收穩(wěn)頻飽和吸收穩(wěn)頻一一. 概述：概述： 蘭姆凹陷穩(wěn)頻、塞曼效應穩(wěn)頻等，提高頻率的穩(wěn)定性和復現(xiàn)蘭姆凹陷穩(wěn)頻、塞曼效應穩(wěn)頻等，提高頻率的穩(wěn)定性和復現(xiàn)性的關(guān)鍵是如何選擇一個穩(wěn)定的和盡可能窄的參考頻率。它性的關(guān)鍵是如何選擇一個穩(wěn)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(fā)生變化，所以其

2、子躍遷的中心頻率易受放電條件等影響而發(fā)生變化，所以其穩(wěn)定性和復現(xiàn)性受到局限！穩(wěn)定性和復現(xiàn)性受到局限！蘭姆凹陷穩(wěn)頻：穩(wěn)定度蘭姆凹陷穩(wěn)頻：穩(wěn)定度10-9，復現(xiàn)性，復現(xiàn)性10-7；塞曼效應穩(wěn)頻：穩(wěn)定度塞曼效應穩(wěn)頻：穩(wěn)定度10-10，復現(xiàn)性，復現(xiàn)性10-7。 為了提高頻率的穩(wěn)定性和復現(xiàn)性，通常采用外界參考頻率標為了提高頻率的穩(wěn)定性和復現(xiàn)性，通常采用外界參考頻率標準進行穩(wěn)頻。準進行穩(wěn)頻。例如：飽和吸收穩(wěn)頻反蘭姆凹陷穩(wěn)頻）。例如：飽和吸收穩(wěn)頻反蘭姆凹陷穩(wěn)頻）。第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學電子科學與技術(shù)系長春理工大學電子科學與技術(shù)系Page: 35.4 飽和吸收穩(wěn)頻飽和吸收穩(wěn)頻二二. 飽和吸收穩(wěn)頻飽和吸收穩(wěn)

3、頻在諧振腔中放入一個充有低氣壓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光振蕩頻率配合很好的吸收線，吸收管氣壓很低，故碰撞加，吸收管氣壓很低，故碰撞加寬很小，可忽略不計，同時吸寬很小，可忽略不計，同時吸收管一般沒有放電作用，故譜收管一般沒有放電作用，故譜線中心頻率比較穩(wěn)定。這樣，線中心頻率比較穩(wěn)定。這樣，在吸收線中心處形成一個位置在吸收線中心處形成一個位置穩(wěn)定且寬度很窄的凹陷，以此穩(wěn)定且寬度很窄的凹陷，以此作為穩(wěn)頻的參考點，可使其頻作為穩(wěn)頻的參考點，可使其頻率穩(wěn)定性和復現(xiàn)性精度得到很率穩(wěn)定性和復現(xiàn)性精度得到很大的提高。大的提高。第

4、五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學電子科學與技術(shù)系長春理工大學電子科學與技術(shù)系Page: 45.4 飽和吸收穩(wěn)頻飽和吸收穩(wěn)頻1. 反蘭姆凹陷：反蘭姆凹陷：由于激光器中多了一個吸收管，激光器的由于激光器中多了一個吸收管，激光器的輸出功率輸出功率-頻率曲線在吸收物質(zhì)原子譜線頻率曲線在吸收物質(zhì)原子譜線中心中心v0附近出現(xiàn)一個尖峰，稱為反蘭姆附近出現(xiàn)一個尖峰，稱為反蘭姆凹陷。它比蘭姆凹陷寬度更窄，斜率更凹陷。它比蘭姆凹陷寬度更窄，斜率更大，所以能到更好的穩(wěn)頻效果。大，所以能到更好的穩(wěn)頻效果。對于對于v=v0的光，其正向傳播和反向傳播的的光，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兩列行波光強均被吸

5、收管中速度為0的分的分子吸收，即兩列光強作用于同一群分子子吸收，即兩列光強作用于同一群分子上，故吸收容易達到飽和；而對于上，故吸收容易達到飽和；而對于vv0的光，則正向傳播和反向傳播的兩列行的光，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波光強分別被縱向速度為+V及及-V的兩群的兩群分子所吸收，所以吸收不容易達到飽和分子所吸收，所以吸收不容易達到飽和，在吸收線的，在吸收線的v0處出現(xiàn)吸收凹陷。意味處出現(xiàn)吸收凹陷。意味著吸收最小，故激光器輸出功率在著吸收最小，故激光器輸出功率在v0處處出現(xiàn)一個尖峰。出現(xiàn)一個尖峰。第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學電子科學與技術(shù)系長春理工大學電子科學與技術(shù)系Pa

6、ge: 55.4 飽和吸收穩(wěn)頻飽和吸收穩(wěn)頻2. 反蘭姆凹陷穩(wěn)頻工作過程：反蘭姆凹陷穩(wěn)頻工作過程： 穩(wěn)頻時，以穩(wěn)頻時，以v0為標準頻率，在為標準頻率，在v0處輸處輸出的光強為出的光強為I0。當頻率偏離。當頻率偏離v0時，輸時，輸出的光強得到誤差信號，通過電路系出的光強得到誤差信號，通過電路系統(tǒng)的處理，改變壓電陶瓷上加的直流統(tǒng)的處理，改變壓電陶瓷上加的直流電壓控制腔長電壓控制腔長L使使vv0。第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學電子科學與技術(shù)系長春理工大學電子科學與技術(shù)系Page: 65.4 飽和吸收穩(wěn)頻飽和吸收穩(wěn)頻目前多采用分子氣體來作為飽和吸收穩(wěn)頻的氣體。目前多采用分子氣體來作為飽和吸收穩(wěn)頻的氣體。分

7、子氣體的吸收線作為參考標準頻率，如下優(yōu)點：分子氣體的吸收線作為參考標準頻率，如下優(yōu)點：分子的振動躍遷壽命比分子的振動躍遷壽命比Ne原子的壽命長，可達到原子的壽命長，可達到10-210-3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(chǎn)生于基態(tài)與振動能級間的躍遷，吸收管不需要放電激收線產(chǎn)生于基態(tài)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。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蘭姆

8、凹陷的寬度只有105Hz以下極窄的譜線。以下極窄的譜線。分子的基態(tài)偶極距為零，所以斯塔克效應和塞曼效應都很小分子的基態(tài)偶極距為零，所以斯塔克效應和塞曼效應都很小，由此而產(chǎn)生的頻移和加寬可忽略不計。，由此而產(chǎn)生的頻移和加寬可忽略不計。第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學電子科學與技術(shù)系長春理工大學電子科學與技術(shù)系Page: 75.4 飽和吸收穩(wěn)頻飽和吸收穩(wěn)頻第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學電子科學與技術(shù)系長春理工大學電子科學與技術(shù)系Page: 85.4 飽和吸收穩(wěn)頻飽和吸收穩(wěn)頻蘭姆凹陷穩(wěn)頻和反蘭姆凹陷穩(wěn)頻蘭姆凹陷穩(wěn)頻和反蘭姆凹陷穩(wěn)頻蘭姆凹陷穩(wěn)頻的實質(zhì)是：以譜線的中心頻率蘭姆凹陷穩(wěn)頻的實質(zhì)是：以譜線的中心頻率

9、0作為參考標準，當激作為參考標準，當激光振蕩頻率偏離光振蕩頻率偏離0時，即輸出一誤差信號時，即輸出一誤差信號通過伺服系統(tǒng)鑒別通過伺服系統(tǒng)鑒別出頻率偏移的大小和方向，輸出一直流電壓調(diào)節(jié)壓電陶瓷的伸出頻率偏移的大小和方向，輸出一直流電壓調(diào)節(jié)壓電陶瓷的伸縮來控制腔長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(wěn)頻是在諧振腔中放入一個充有一個低壓氣體原子或反蘭姆凹陷穩(wěn)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

10、加寬很小，可以忽略不計，吸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，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(wěn)定。吸收線在中心處的凹陷，意味著吸故譜線中心頻率比較穩(wěn)定。吸收線在中心處的凹陷，意味著吸收最小，故激光器輸出功率收最小，故激光器輸出功率(光強光強)在在0處出現(xiàn)一個尖峰處出現(xiàn)一個尖峰, 通常稱通常稱為反蘭姆凹陷，反蘭姆凹陷可以作為一個很好的穩(wěn)頻參考點。為反蘭姆凹陷，反蘭姆凹陷可以作為一個很好的穩(wěn)頻參考點。蘭姆凹陷穩(wěn)頻是利用激光本身的原子躍遷中心頻率作為參考點，而蘭姆凹陷穩(wěn)頻是利用激光本身的

11、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(fā)生變化，所以其原子躍遷的中心頻率易受放電條件等影響而發(fā)生變化，所以其穩(wěn)定性和復現(xiàn)性就受到局限。反蘭姆凹陷穩(wěn)頻是采用外界參考穩(wěn)定性和復現(xiàn)性就受到局限。反蘭姆凹陷穩(wěn)頻是采用外界參考頻率標準進行穩(wěn)頻，提高了頻率的穩(wěn)定性和復現(xiàn)性。頻率標準進行穩(wěn)頻，提高了頻率的穩(wěn)定性和復現(xiàn)性。 第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學電子科學與技術(shù)系長春理工大學電子科學與技術(shù)系Page: 9飽和吸收穩(wěn)頻飽和吸收穩(wěn)頻 小結(jié)小結(jié) 飽和吸收穩(wěn)頻法的穩(wěn)定度和復現(xiàn)性都遠遠優(yōu)于蘭姆凹陷飽和吸收穩(wěn)頻法的穩(wěn)定度和復現(xiàn)性都遠遠優(yōu)于蘭姆凹陷穩(wěn)頻法和塞曼效應穩(wěn)頻法。作為飽和吸收穩(wěn)頻激

12、光器，穩(wěn)頻法和塞曼效應穩(wěn)頻法。作為飽和吸收穩(wěn)頻激光器，其頻率穩(wěn)定度最終取決于吸收譜線的頻率穩(wěn)定性，譜線其頻率穩(wěn)定度最終取決于吸收譜線的頻率穩(wěn)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的寬度以及信噪比，基于此，請簡要回答理想的吸收介質(zhì)應具備哪些條件？質(zhì)應具備哪些條件？ 比較蘭姆凹陷穩(wěn)頻與反蘭姆凹陷穩(wěn)頻的異同點。比較蘭姆凹陷穩(wěn)頻與反蘭姆凹陷穩(wěn)頻的異同點。第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學電子科學與技術(shù)系長春理工大學電子科學與技術(shù)系Page: 105.5 其他穩(wěn)頻激光器其他穩(wěn)頻激光器 He-Ne激光器激光器 激光原子譜線本身、外界飽和吸收譜線激光原子譜線本身、外界飽和吸收譜線 CO2激光器

13、的穩(wěn)頻激光器的穩(wěn)頻 熒光穩(wěn)頻法熒光穩(wěn)頻法 脈沖運轉(zhuǎn)激光器的穩(wěn)頻脈沖運轉(zhuǎn)激光器的穩(wěn)頻 共焦干涉儀法共焦干涉儀法 半導體激光器的穩(wěn)頻半導體激光器的穩(wěn)頻 共焦干涉儀法、共焦干涉儀法、Cs原子飽和吸收原子飽和吸收第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學電子科學與技術(shù)系長春理工大學電子科學與技術(shù)系Page: 115.5 其他穩(wěn)頻激光器其他穩(wěn)頻激光器脈沖運轉(zhuǎn)激光器的穩(wěn)頻脈沖運轉(zhuǎn)激光器的穩(wěn)頻固體脈沖激光器單模運轉(zhuǎn)存在困難：固體脈沖激光器單模運轉(zhuǎn)存在困難：固體激光器增益帶寬較寬；固體激光器增益帶寬較寬；脈沖激光器增益太高；脈沖激光器增益太高；不穩(wěn)定因素：不穩(wěn)定因素：抽運源大電流工作時輸出功率、波長存在變化；抽運源大電流工

14、作時輸出功率、波長存在變化；激光介質(zhì)溫度變化激烈；激光介質(zhì)溫度變化激烈；消除空間燒空注入鎖頻被動穩(wěn)頻做到最佳的基礎(chǔ)上開展主動穩(wěn)頻！第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學電子科學與技術(shù)系長春理工大學電子科學與技術(shù)系Page: 125.5 其他穩(wěn)頻激光器其他穩(wěn)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(fā)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(wěn)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(xiàn)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

15、索電路就會自動轉(zhuǎn)換成補償信號電壓，其補償量的大小是預先經(jīng)過測定的，以保證脈沖激光器頻率在整個脈沖周期內(nèi)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(chǔ)上，再加一套快速鎖定系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(jīng)過鎖定環(huán)路伺服系統(tǒng)改變激光器的光學長度，使振蕩的光頻率穩(wěn)定在F-P腔透射曲線的最大斜率處，構(gòu)成快速穩(wěn)頻環(huán)路。 第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學電子科學與技術(shù)系長春理工大學電子科學與技術(shù)系Page: 135.5 頻率穩(wěn)定性和復現(xiàn)性的測量頻率穩(wěn)定性和復現(xiàn)性的測量第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學電子科學與技術(shù)

16、系長春理工大學電子科學與技術(shù)系Page: 145.5 頻率穩(wěn)定性和復現(xiàn)性的測量頻率穩(wěn)定性和復現(xiàn)性的測量 2222221122112212121212cos2cos2cos 2cos 2pcccccciIEtE vEvAvtAv tA AvvtA Avvt 11112222cos 2cos 2ccE vAvtEvAv t)cos(21)cos(21coscosBABABA第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學電子科學與技術(shù)系長春理工大學電子科學與技術(shù)系Page: 155.5 頻率穩(wěn)定性和復現(xiàn)性的測量頻率穩(wěn)定性和復現(xiàn)性的測量1212cos 2pcciA Avvt第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學電子科學與技術(shù)系長

17、春理工大學電子科學與技術(shù)系Page: 165.5 頻率穩(wěn)定性和復現(xiàn)性的測量頻率穩(wěn)定性和復現(xiàn)性的測量拍頻法的原理示意圖拍頻法的原理示意圖第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學電子科學與技術(shù)系長春理工大學電子科學與技術(shù)系Page: 175.5 頻率穩(wěn)定性和復現(xiàn)性的測量頻率穩(wěn)定性和復現(xiàn)性的測量兩信號的差頻表示為：MTB111B的周期的周期=MT1M個周期個周期考慮到頻率的不穩(wěn)定性考慮到頻率的不穩(wěn)定性T1=T0+T1B= B0+ B = 0+ 相應于相應于T0= 0/MT1 = /MT1 / T1 = B/ B B T1 /T02=M T/ 02根據(jù)誤差理論根據(jù)誤差理論因此，在因此，在 t 時辰，時辰， 取樣長

18、度下的頻率相對起伏為取樣長度下的頻率相對起伏為 B/ B =M T/ 0 02第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學電子科學與技術(shù)系長春理工大學電子科學與技術(shù)系Page: 185.5 頻率穩(wěn)定性和復現(xiàn)性的測量頻率穩(wěn)定性和復現(xiàn)性的測量拍頻法測量激光器輸出頻率穩(wěn)定性的實例拍頻法測量激光器輸出頻率穩(wěn)定性的實例可直接進行可直接進行觀察觀察直接讀取拍直接讀取拍頻的頻率值頻的頻率值第五章 穩(wěn)頻技術(shù)長春理工大學電子科學與技術(shù)系長春理工大學電子科學與技術(shù)系Page: 195.5 頻率穩(wěn)定性和復現(xiàn)性的測量頻率穩(wěn)定性和復現(xiàn)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(zhuǎn)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1、2、 N，N為取樣測量的次數(shù)。由于頻率起伏是隨機的，所以頻率穩(wěn)定度常采用統(tǒng)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(wěn)