光電子技術(shù)穩(wěn)頻激光器

1、東 北 石 油 大 學(xué)課 程 設(shè) 計(jì)課 程 光電子技術(shù)基礎(chǔ) 題 目 穩(wěn)頻激光器的設(shè)計(jì) 院 系 電子科學(xué)學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 電子08-1 學(xué)生姓名 白宇峰 學(xué)生學(xué)號(hào) 080901240125 指導(dǎo)教師 2012年3月9日東北石油大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)課程 光電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)題目 穩(wěn)頻激光器的設(shè)計(jì)專業(yè) 電子科學(xué)與技術(shù) 姓名 白宇峰 學(xué)號(hào) 080901240125 主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等1、主要內(nèi)容：根據(jù)激光技術(shù)中穩(wěn)頻技術(shù)的理論，從激光原理出發(fā)設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)頻激光器。2、基本要求要求在論文中寫(xiě)出激光穩(wěn)頻的工作原理和主要的穩(wěn)頻方法。2、參考文獻(xiàn)：1王雨三，張中華，林殿陽(yáng)編著，光電子學(xué)原理與應(yīng)用，哈

2、爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004年2安毓英，劉繼芳，李慶輝編著，光電子技術(shù)，電子工業(yè)出版社，2003年3繆家鼎，徐文娟，牟同升編著，光電技術(shù)，浙江大學(xué)出版社，2004年完成期限 2012.2.27 2012.3.2 指導(dǎo)教師 專業(yè)負(fù)責(zé)人 年 月 日第1章 概述世界上第一個(gè)激光器的成功演示距今已經(jīng)40余年了。40余年來(lái)，激光科學(xué)技術(shù)以其強(qiáng)大的生命力譜寫(xiě)了一部典型的學(xué)科交叉的創(chuàng)造發(fā)明史。激光的應(yīng)用已經(jīng)遍及科技、經(jīng)濟(jì)、軍事和社會(huì)發(fā)展的許多領(lǐng)域，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了40余年前人們?cè)械念A(yù)想。20世紀(jì)50年代初，電子學(xué)、微波技術(shù)的應(yīng)用提出了將無(wú)線電技術(shù)從微波推向光波的需求。這就需要一種能像微波振蕩器一樣地產(chǎn)生可以被控

3、制的光波的振蕩器，即激光器。激光器的普遍應(yīng)用標(biāo)志著激光學(xué)科以及與激光密切相關(guān)的光子學(xué)正在孕育著突破性進(jìn)展，從各個(gè)角度看激光的未來(lái)發(fā)展充滿著巨大的機(jī)遇、挑戰(zhàn)和創(chuàng)新空間。激光的一些特性及影響激光的特點(diǎn)之一是單色性好，即其線寬與頻率的比值/很小。自發(fā)輻射噪聲引起的激光線寬極限確實(shí)很小，但由于各種不穩(wěn)定因素的影響，實(shí)際激光頻率的漂移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線寬極限。在精密干涉測(cè)量、光頻標(biāo)、光通信、激光陀螺及精密光譜研究等應(yīng)用領(lǐng)域中，需要頻率穩(wěn)定的激光。當(dāng)諧振腔內(nèi)折射率均勻時(shí)，單縱模橫模激光器的縱模頻率q為 環(huán)境溫度的起伏、激光管的發(fā)熱及機(jī)械振動(dòng)都會(huì)引起諧振腔幾何長(zhǎng)度的改變。溫度的變化、介質(zhì)中反轉(zhuǎn)集居數(shù)的起伏以及大氣的

4、氣壓、濕度變化都會(huì)影響激光工作物質(zhì)及諧振腔裸露于大氣部分的折射率。以上因素使腔長(zhǎng)L及折射率都在一定范圍L、內(nèi)變化，因此頻率q也在范圍內(nèi)漂移?？杀硎緸?通常定義頻率穩(wěn)定性來(lái)描述激光器的頻率穩(wěn)定特性，它表示在某一測(cè)量時(shí)間間隔內(nèi)頻率的漂移量與頻率的平均值之比。一個(gè)管壁材料為硬玻璃的內(nèi)腔式氦氖激光器，當(dāng)溫度漂移時(shí)，由于腔長(zhǎng)變化引起的頻率漂移已超出增益曲線范圍。因此，在不加任何穩(wěn)頻措施時(shí)，單縱模氦氖激光器的頻率穩(wěn)定性為 因而在計(jì)量等技術(shù)應(yīng)用中，必須采用穩(wěn)頻技術(shù)以改善激光器的頻率穩(wěn)定性。為了改善頻率穩(wěn)定性通常采用電子伺服控制激光頻率，當(dāng)激光頻率偏離標(biāo)準(zhǔn)頻率時(shí)，鑒頻器給出誤差信號(hào)控制腔長(zhǎng)，使激光頻率自動(dòng)回到

5、標(biāo)準(zhǔn)頻率上。穩(wěn)頻 通常所說(shuō)的頻率穩(wěn)定特性包含著頻率穩(wěn)定性及頻率復(fù)現(xiàn)性兩個(gè)方面。頻率穩(wěn)定性描述激光頻率在參考標(biāo)準(zhǔn)頻率s附近的漂移，而頻率復(fù)現(xiàn)性則是指參考標(biāo)準(zhǔn)頻率s本身的變化。例如這一臺(tái)激光器與另一臺(tái)激光器參考標(biāo)準(zhǔn)頻率的不同，同一臺(tái)激光器這一工作期間和另一工作期間參考標(biāo)準(zhǔn)頻率的變化。設(shè)參考標(biāo)準(zhǔn)頻率s的最大偏移量為，則頻率復(fù)現(xiàn)性以度量。當(dāng)激光器應(yīng)用于計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，頻率復(fù)現(xiàn)性也是影響精度的重要參量。第2章 基本原理與總體設(shè)計(jì)在激光精密計(jì)量、激光通信、高分辨光譜學(xué)等應(yīng)用領(lǐng)域中，不僅要求激光是單品的，而且要求頻率具有一定的穩(wěn)定性。對(duì)于普通自由運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器，因?yàn)槭艿焦ぷ鳝h(huán)境條件等影響，激光器輸出頻率往往是不穩(wěn)

6、定的，是以個(gè)隨時(shí)間變化的無(wú)規(guī)律的起伏量。要使激光頻率穩(wěn)定，就要利用各種穩(wěn)頻技術(shù)。 穩(wěn)頻原理與總體設(shè)計(jì)一個(gè)普通自由運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器，振蕩頻率可在原子譜線寬度范圍內(nèi)漂移。例如He-Ne激光器，設(shè)其多普勒線寬D=1.5×109Hz，激光頻率為=4.7×1014Hz，則它的穩(wěn)定度為D/10-6量級(jí)，這對(duì)于精密測(cè)量來(lái)說(shuō)是很不夠的，因此要對(duì)其采取穩(wěn)頻措施。穩(wěn)頻方法分為被動(dòng)穩(wěn)頻方法和主動(dòng)穩(wěn)頻方法兩大類。被動(dòng)穩(wěn)頻不采用人為伺服控制，而是盡量將激光器與變化的外界環(huán)境隔離開(kāi)來(lái)，如恒溫、防震、選取小膨脹系數(shù)材料、采用穩(wěn)壓穩(wěn)流電源等，可以減小外界環(huán)境對(duì)激光器的擾動(dòng)。這種穩(wěn)頻方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，但穩(wěn)

7、定度不高，一般只能達(dá)到10-7，提高到10-8都很困難。主動(dòng)穩(wěn)頻是采用人為伺服控制的方法，其主要思想是，選取一個(gè)穩(wěn)定的參考標(biāo)準(zhǔn)頻率，采用電子學(xué)中伺服回路技術(shù)獎(jiǎng)激光器頻率鎖定在這一頻率上。主動(dòng)穩(wěn)頻很容易實(shí)現(xiàn)10-8以上的穩(wěn)定度，目前已有10-14的報(bào)導(dǎo)。主動(dòng)穩(wěn)頻的方法很多，對(duì)于不同類型、不同運(yùn)轉(zhuǎn)方式的激光器，采用的方法也不同，如He-Ne激光器，常采用蘭姆凹陷法、飽和吸收法、塞曼效應(yīng)法進(jìn)行穩(wěn)頻，下面只介紹蘭姆凹陷方法。蘭姆凹陷穩(wěn)頻蘭姆凹陷穩(wěn)頻法是以增益曲線中心頻率（即蘭姆凹陷底所對(duì)應(yīng)的頻率）0作為參考標(biāo)準(zhǔn)頻率，通過(guò)電子伺服系統(tǒng)控制激光器腔長(zhǎng)，使頻率穩(wěn)定與0處。激光管用膨脹系數(shù)較小的石英做成外腔式

8、結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)0.1m左右，以保證單縱模輸出。放電管內(nèi)充以單一同位素Ne20或Ne22+(普通He-Ne激光器中所充氖氣含有Ne22和Ne20兩種同位素，二者普賢中心頻率相差890MHz，因此蘭姆凹陷曲線不對(duì)稱且不夠尖銳)。諧振腔的兩個(gè)反射鏡安置在殷鋼架上，其中一個(gè)貼在壓電陶瓷環(huán)上。陶瓷環(huán)的內(nèi)外表面加油頻率為（1kHz）的音頻調(diào)制電壓，當(dāng)外表面為正電壓、內(nèi)表面為負(fù)電壓時(shí)，陶瓷環(huán)伸長(zhǎng)（相當(dāng)于諧振腔的長(zhǎng)度變短），反之則縮短（相當(dāng)于腔變長(zhǎng)），以此來(lái)調(diào)整諧振腔的長(zhǎng)度，以補(bǔ)償外界因素所造成腔長(zhǎng)的變化。選頻放大器只對(duì)頻率為（調(diào)制電壓頻率）的信號(hào)進(jìn)行放大與輸出，對(duì)其他頻率信號(hào)不起作用。音頻振蕩器給出一個(gè)頻率為的正

9、弦調(diào)制信號(hào)加到壓電陶瓷環(huán)上對(duì)腔長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)制外，還供給相敏檢波器一個(gè)參考信號(hào)電壓。蘭姆凹陷穩(wěn)頻過(guò)程如下：如果激光振蕩頻率剛好與譜線中心頻率重合（即=0），則調(diào)制電壓使振蕩頻率在0附近以頻率變化（圖中的C點(diǎn)處），而輸出功率將發(fā)生2（圖中標(biāo)為2c）的周期性變化，光電接收器將光信號(hào)變成頻率為2的電信號(hào)，這個(gè)頻率的信號(hào)不能通過(guò)選頻放大器，伺服系統(tǒng)無(wú)輸出信號(hào)送到壓電陶瓷上，因此激光器繼續(xù)工作于0處。如果激光的振蕩頻率偏離了0，并且0（圖中D點(diǎn)處），則激光功率將按頻率（圖中標(biāo)為D）變化，其變化幅度P即為鑒別器的誤差信號(hào)，它的相位與調(diào)制信號(hào)電壓相同，因此相敏檢波器將對(duì)該信號(hào)（經(jīng)光電接收器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)）放大，并輸

10、出一個(gè)負(fù)直流電壓，此電壓大小與誤差信號(hào)成正比。結(jié)果使壓電陶瓷縮短，腔變長(zhǎng)，激光振蕩頻率又回到0處。同理，可以分析<0的情形，這是，輸出功率仍按頻率變化（圖中B），但其相位與調(diào)制信號(hào)相反，相敏檢波器輸出的是一個(gè)正的直流電壓，使陶瓷伸長(zhǎng)，腔變短，激光頻率又被拉向0處。用蘭姆凹陷法穩(wěn)頻可使He-Ne激光器632.8nm譜線的頻率穩(wěn)定度達(dá)到10-7-10-8。此外，這種激光器輸出激光和頻率均有微小的音頻調(diào)制。通常定義頻率穩(wěn)定性來(lái)描述激光器的頻率穩(wěn)定特性，他表示在某一測(cè)量時(shí)間間隔頻率的漂移量與頻率的平均值之比。第3章 總結(jié)在窄線寬激光器的應(yīng)用領(lǐng)域中, 激光頻率穩(wěn)定度是一個(gè)極其重要的指標(biāo)參數(shù), 表征

11、頻率穩(wěn)定的程度?；诒粍?dòng)穩(wěn)頻和主動(dòng)穩(wěn)頻技術(shù)的實(shí)質(zhì)區(qū)別，有無(wú)穩(wěn)定的頻率參考, 主要針對(duì)主動(dòng)穩(wěn)頻技術(shù)綜述了激光穩(wěn)頻技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展,包括: 根據(jù)選用頻率標(biāo)準(zhǔn)的不同進(jìn)行分類; 分析了常用的激光穩(wěn)頻技術(shù)的原理及達(dá)到不同穩(wěn)頻精度的原因; 根據(jù)國(guó)內(nèi)外關(guān)于主動(dòng)穩(wěn)頻技術(shù)的研究報(bào)道, 將其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較分析。經(jīng)過(guò)反復(fù)對(duì)比, 相位調(diào)制光外差( PDH) 穩(wěn)頻技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì), 可以得到極高的頻率穩(wěn)定度。參考文獻(xiàn)1王雨三，張中華，林殿陽(yáng)編著，光電子學(xué)原理與應(yīng)用，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004年2安毓英，劉繼芳，李慶輝編著，光電子技術(shù)，電子工業(yè)出版社，2003年3繆家鼎，徐文娟，牟同升編著，光電技術(shù)，浙江大學(xué)出版社，2004年?yáng)|北石油大學(xué)課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)表課程名稱光電子技術(shù)基礎(chǔ)題目名稱穩(wěn)頻激光器的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名白宇峰 學(xué)號(hào)080901240125指導(dǎo)教師姓名職稱序號(hào)評(píng)價(jià)項(xiàng)目指 標(biāo)滿分評(píng)分1工作量、工作態(tài)度和出勤率按期圓滿的完成了規(guī)