第三講 激光穩(wěn)頻技術(shù)

1、第三講第三講 激光穩(wěn)頻技術(shù)激光穩(wěn)頻技術(shù)電子工程學(xué)院光電子技術(shù)系電子工程學(xué)院光電子技術(shù)系主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容一、概述一、概述二、蘭姆凹陷穩(wěn)頻二、蘭姆凹陷穩(wěn)頻三、塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻三、塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻四、飽和吸收穩(wěn)頻四、飽和吸收穩(wěn)頻（反蘭姆凹陷穩(wěn)頻）（反蘭姆凹陷穩(wěn)頻）五、其他穩(wěn)頻激光器五、其他穩(wěn)頻激光器六、頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性的測量六、頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性的測量 如精密干涉測量是以激光波長作為“尺子”，利用光干涉的原理來測定各種物理量(如長度、位移、速度等)的，所以，激光波長(或頻率)的準(zhǔn)確度會直接影響測量的精度。本章主要介紹幾種應(yīng)用較多的He-Ne激光器的穩(wěn)頻方法及原理。一、一、 概概 述述1.1 頻率的穩(wěn)

2、定性穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性復(fù)現(xiàn)性 為了衡量頻率的穩(wěn)定性穩(wěn)定性(度度)，可以從時域和頻域兩方面進(jìn)行描述，既可以用它隨時間的變化，也可以用它的頻譜分布加以討論；本章將采用時域的描述方法本章將采用時域的描述方法，頻率穩(wěn)定度通常系指激光器在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時，在一定的觀測時頻率穩(wěn)定度通常系指激光器在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時，在一定的觀測時間間內(nèi)頻率的平均值內(nèi)頻率的平均值 與該時間內(nèi)頻率的變化量與該時間內(nèi)頻率的變化量之比之比，即)()(S常說穩(wěn)定度為10-8，10-9等，就是這個意思。)(1)(S用頻率的穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)性這兩個物理量來表示激光頻率穩(wěn)定的程度。顯然，變化量 ()越小，則S越大，表示頻率的穩(wěn)定性越好。習(xí)慣上，有時把S的倒數(shù)

3、作為穩(wěn)定度的量度，即 激光的頻率或波長隨時間變化，既表現(xiàn)為短期抖動，又表現(xiàn)為長期漂移。 頻率穩(wěn)定度又可分為短期穩(wěn)定度和長期穩(wěn)定度，二者劃分的基準(zhǔn)是，以探測系統(tǒng)的響應(yīng)以探測系統(tǒng)的響應(yīng)(分辨分辨)時間時間0與測量儀與測量儀器的觀測取樣時間器的觀測取樣時間之間的關(guān)系來定之間的關(guān)系來定：當(dāng) 0時，測得的頻率穩(wěn)定度稱為短期穩(wěn)定度；當(dāng) 0時, 測得的穩(wěn)定度則屬于長期穩(wěn)定度。比較恰當(dāng)?shù)谋硎痉ㄊ?，在穩(wěn)定度數(shù)值后面標(biāo)明取樣時間值，例如， S () =1010(=10s)。 )(R另外，對于作為頻率或波長基準(zhǔn)的激光器，不僅要求穩(wěn)定度高，而且要求頻率重復(fù)性的精度也高要求頻率重復(fù)性的精度也高。這種在不同這種在不同地點(diǎn)

4、、時間、環(huán)境下穩(wěn)定頻率的偏差量與它們的平均頻地點(diǎn)、時間、環(huán)境下穩(wěn)定頻率的偏差量與它們的平均頻率的比值稱之為頻率復(fù)現(xiàn)性率的比值稱之為頻率復(fù)現(xiàn)性，以表示之。 為被測激光器系列的平均頻率或同一臺激光器的標(biāo)準(zhǔn)頻率； 為頻率的偏差量。頻率的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性是兩個不同的概念。對一臺穩(wěn)頻激光器，不僅要看其穩(wěn)定度，而且還要看它的頻率復(fù)現(xiàn)性。)(ccmmcmcm)( 從激光原理激光原理可知，激光振蕩頻率既受原子躍遷譜線頻率m的影響,又受光學(xué)諧振腔諧振頻率c的影響，若原子躍遷譜線的寬度為m，諧振腔的譜線寬度為c，則激光振蕩頻率可表示為1.2 影響激光頻率穩(wěn)定的因素影響激光頻率穩(wěn)定的因素近紅外和可見光波段，其多普勒線

5、寬m一般不小于108109Hz， c約為106107Hz量級，利用泰勒展開， ，取到一次方，注意x= c/ m（可認(rèn)為是小量） 2!2)0()0()0()(xxffxffmc 可見激光器的振蕩頻率是由原子躍遷譜線及諧振腔的諧振頻率共同決定的，二者的變化均會引起激光頻率的不穩(wěn)定；譜線對振譜線對振蕩頻率的影響由上式中的第二項(xiàng)以頻率牽引蕩頻率的影響由上式中的第二項(xiàng)以頻率牽引效應(yīng)表示出來效應(yīng)表示出來,牽引效應(yīng)的比例系數(shù)牽引效應(yīng)的比例系數(shù)為：mccmc)(q為縱模的序數(shù)。從式中可以看出，若腔長或腔內(nèi)的折射率n兩者都發(fā)生變化，則激光振蕩頻率也將變化，(類似于偏微分,再把上式代入可得下式) 故激光頻率的穩(wěn)定

6、問題，可以歸結(jié)為如何設(shè)法保持腔保持腔長和折射率穩(wěn)定長和折射率穩(wěn)定的問題。 在不考慮原子躍遷譜線頻率微小變化的情況下，激光振蕩頻率主要由諧振腔的諧振頻率決定，即有 nLcq2)()(2222nnLLLnnnLLqcnnLL(注2nL=q)1）溫度變化的影響）溫度變化的影響 環(huán)境溫度的起伏或者是激光管工作時發(fā)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 影響頻率穩(wěn)定的外界因素主要有以下幾個方面。（溫度，大氣變化，機(jī)械振動，磁場等）式中，T為溫度的變化量；為諧振腔間隔材料的線膨脹系數(shù)，硬質(zhì)玻璃=10-5/oC，石英玻璃=610-7/oC，殷鋼=910-7/oC。一般難以獲得優(yōu)于10-

7、8的頻率穩(wěn)定度。LLT 對于外腔式激光器，設(shè)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，從而導(dǎo)致激光振蕩頻率的變動。設(shè)環(huán)境溫度T=20oC，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(shù)分別為PaPapCdHdnnHdpdnnodTdnnT/108)(/105)(/103 . 9)(6151712）大氣變化的影響）大氣變化的影響hPahPaCdtdHdtdpdtdT/6 .656,/3 .133min,/01. 00又設(shè)測量中溫度、氣壓及濕度的時間變化率

8、分別為則引起激光波長的變動分別為 9)(9)(9)(108 .4106103 .9dtdHHHdtdpppdtdTTT式中，為測量時間，對示波器=35s，對XY記錄儀1min。 機(jī)械振動也是導(dǎo)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(xué)長度改變, 導(dǎo)致振蕩頻率的漂移；3）機(jī)械振動的影響機(jī)械振動的影響對于L=100cm的光腔，當(dāng)機(jī)械振動引起10-6cm的腔長改變時，頻率將有110-8的變化。因此，要克服機(jī)械振動的影響，穩(wěn)頻激光器必須采取良好的防震措施。 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(zhì)可能引起腔長的變

9、化殷鋼的磁致伸縮性質(zhì)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(yīng)可以產(chǎn)生140kHz的頻移。因而地磁場效應(yīng)和周圍電子儀器的散磁場對于高穩(wěn)定激光器影響必須加以考慮。4）磁場的影響）磁場的影響 綜上所述，環(huán)境溫度的變化、機(jī)械振動等外界干擾綜上所述，環(huán)境溫度的變化、機(jī)械振動等外界干擾對激光頻率穩(wěn)定性影響很大，因而自然聯(lián)想到，最直接對激光頻率穩(wěn)定性影響很大，因而自然聯(lián)想到，最直接的穩(wěn)頻辦法就是恒溫、防震、密封隔聲、穩(wěn)定電源等。的穩(wěn)頻辦法就是恒溫、防震、密封隔聲、穩(wěn)定電源等。圖1 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1

10、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(jiān)固穩(wěn)定的防震臺上；還采用了穩(wěn)壓穩(wěn)流電源。 實(shí)驗(yàn)證明，采用恒溫度、防震裝置后, CO2激光器的長期頻率穩(wěn)定度可達(dá)到10-7量級。但要提高到量級10-8以上，單靠這種被被動式穩(wěn)頻方法動式穩(wěn)頻方法就很難達(dá)到了，必須采用 伺服 （隨動，servo)控制系統(tǒng)對激光器進(jìn)行自動控制穩(wěn)頻，即主動穩(wěn)頻主動穩(wěn)頻的方法。 穩(wěn)頻技術(shù)的實(shí)質(zhì)就是保持諧振腔光程長度的穩(wěn)定性。主動穩(wěn)頻技術(shù)就是選取一個穩(wěn)定的參考標(biāo)準(zhǔn)頻率，當(dāng)外主動穩(wěn)頻技術(shù)就是選取一個穩(wěn)定的參考標(biāo)準(zhǔn)頻率，當(dāng)外界影響使激

11、光頻率偏離此特定的標(biāo)準(zhǔn)頻率時，能設(shè)法鑒界影響使激光頻率偏離此特定的標(biāo)準(zhǔn)頻率時，能設(shè)法鑒別出來，再人為地通過控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)腔長，將激光別出來，再人為地通過控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)腔長，將激光頻率回復(fù)到特定的標(biāo)準(zhǔn)頻率上，最后達(dá)到穩(wěn)頻的目的。頻率回復(fù)到特定的標(biāo)準(zhǔn)頻率上，最后達(dá)到穩(wěn)頻的目的。1.3 激光器主動穩(wěn)頻的方法激光器主動穩(wěn)頻的方法 主動穩(wěn)頻的方法大致可以分為兩類：一類是利用原原子譜線中心頻率作為鑒別器進(jìn)行穩(wěn)頻子譜線中心頻率作為鑒別器進(jìn)行穩(wěn)頻，如蘭姆凹陷穩(wěn)頻法；另一類是利用外界參考頻率作為鑒別器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行穩(wěn)外界參考頻率作為鑒別器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行穩(wěn)頻，如飽和吸收穩(wěn)頻法。蘭姆凹陷穩(wěn)頻裝置比較簡單，頻，如飽和吸收穩(wěn)頻

12、法。蘭姆凹陷穩(wěn)頻裝置比較簡單，是應(yīng)用較早的一種氣體激光穩(wěn)頻方法，其頻率穩(wěn)定度為是應(yīng)用較早的一種氣體激光穩(wěn)頻方法，其頻率穩(wěn)定度為10-9量級，主要缺點(diǎn)是復(fù)現(xiàn)性差，原因是有約量級，主要缺點(diǎn)是復(fù)現(xiàn)性差，原因是有約150kHz/Pa的壓力頻移。的壓力頻移。(3)有足夠的信噪比。(4)譜線頻率要與受控激光器頻率匹配，即參考譜線的頻率應(yīng)落在受控激光器增益曲線的峰值附近。 (1)譜線中心頻率的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性要好。(2)線寬要窄，主要就設(shè)法消除多普勒加寬、碰撞加寬等。 既然主動穩(wěn)頻的方法，一類是利用原子譜線中心頻率作為鑒頻器，另一類是利用外參考頻率作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行穩(wěn)頻的，因此對參考標(biāo)準(zhǔn)譜線有如下要求：1.4 對參

13、考標(biāo)準(zhǔn)頻率對參考標(biāo)準(zhǔn)頻率(參考譜線參考譜線)的要求的要求 在激光原理中介紹了非均勻加寬線型增益曲線的燒“孔”效應(yīng)，并指出在多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的非均勻加寬線型中，一個振蕩頻率在其增益曲線上能燒兩個“孔”(對稱于中心頻率0 ), 出現(xiàn)在振蕩頻率上的稱為 “原孔” ， 在增益曲線對稱位置上的稱為“像孔”如圖2-1(a)所示，當(dāng)振蕩頻率位于譜線的中心頻率處時，二、蘭姆凹陷穩(wěn)頻二、蘭姆凹陷穩(wěn)頻2.1蘭姆凹陷蘭姆凹陷兩個“孔”就合二為一了，其孔的面積小于偏離譜線中心較近的兩孔面積之和，表明有貢獻(xiàn)的粒子數(shù)減少，故輸出功率達(dá)到極小值，曲線在0處出現(xiàn)一凹陷，如圖2.1(b)所示，此即稱為蘭姆凹陷。關(guān)于蘭姆凹陷產(chǎn)生的

14、機(jī)理，可參閱激光原理圖2.1 (a)增益曲線的燒孔效應(yīng)和(b)蘭姆凹陷非均勻多普勒展寬躍遷中的燒孔現(xiàn)象，這種躍遷使得激光光譜學(xué)成為可能。頻率為的激光減少在基態(tài)粒子數(shù)分布中共振的那部分粒子，而在激發(fā)態(tài)粒子分布中產(chǎn)生一個異常峰。因而吸收線輪廓的線型與圖a相似。電子信號處理法能分離出線型與圖b相似的干擾。 abV=c( ab-)/ abNb(v)Na(v)0v0飽和吸收，光譜燒孔非均勻加寬介質(zhì)大信號反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度和頻率的關(guān)系。1 入射光很弱的小信號情況2 入射光（頻率1）很強(qiáng)的大信號情況2.2蘭姆凹陷穩(wěn)頻原理蘭姆凹陷穩(wěn)頻原理 蘭姆凹陷穩(wěn)頻法是以增益曲線中心頻率 0作為參考標(biāo)準(zhǔn)頻率，通過電子伺服系統(tǒng)驅(qū)

15、動壓電陶瓷環(huán)來控制激光器腔長的，它可使頻率穩(wěn)定于0處，其穩(wěn)頻裝如圖2.2所示。激光管是采用熱膨脹系數(shù)很小的石英做成外腔式結(jié)構(gòu)，諧振腔的兩個反射鏡安置在殷鋼架上，其中一個貼在壓電陶瓷環(huán)上；陶瓷環(huán)的長度約為幾厘米，環(huán)的內(nèi)外表面接有兩個電極，加有頻率為f的調(diào)制電壓，當(dāng)外表面為正電壓, 內(nèi)表面為負(fù)電壓時陶瓷環(huán)伸長, 反之則縮短。改變陶瓷環(huán)上的電壓即可調(diào)整諧振腔的長度，以補(bǔ)償外界因素所造成的腔長變化。光電接收器一般采用硅光電三極管，它能將光信號轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電信號。加有頻率為加有頻率為f的調(diào)制電壓，當(dāng)外表面為正電壓的調(diào)制電壓，當(dāng)外表面為正電壓, 內(nèi)內(nèi)表面為負(fù)電壓時陶瓷環(huán)伸長表面為負(fù)電壓時陶瓷環(huán)伸長, 反之

16、則縮短。反之則縮短。圖2.2 蘭姆凹陷穩(wěn)頻裝置示意圖選頻放大器只是對某一特定頻率 f 信號進(jìn)行有選擇性的放大與輸出。相敏檢波器的作用是將選頻放大后的信號電壓與參考信號電壓進(jìn)行相位比較。當(dāng)選頻放大信號為零時，相敏輸出為零；當(dāng)選頻放大信號和參考信號同相位時，相敏輸出的直流電壓為正，反之則為負(fù)。音頻振蕩器除供給相敏檢波器以參考信號電壓外，還給出一個頻率為 f 的正弦調(diào)制信號加到壓電陶瓷環(huán)上對腔長進(jìn)行調(diào)制。下面討論利用蘭姆凹陷穩(wěn)頻的原理。 圖2.3示出了激光輸出功率頻率曲線。輸出功率在原子譜線中心頻率0處有一極小值，選擇它作為頻率穩(wěn)定點(diǎn)。其穩(wěn)頻工作過程如下：在壓電陶瓷上加有兩種電壓，頻率圖2.3蘭姆凹

17、陷穩(wěn)頻原理v0v=v0v0下圖示出了激光輸出功率頻率曲線。輸出功率在原子譜線中心頻率0處有一極小值，選擇它作為頻率穩(wěn)定點(diǎn)。其穩(wěn)頻工作過程如下：輸出一負(fù)直流電壓饋送到壓電陶輸出一負(fù)直流電壓饋送到壓電陶瓷上，這電壓使壓電陶瓷環(huán)縮短，瓷上，這電壓使壓電陶瓷環(huán)縮短，從而使腔長伸長，于是激光振蕩從而使腔長伸長，于是激光振蕩頻率又回到頻率又回到0處。處。nLcq2在壓電陶瓷上加有兩種電壓，一個是直流電(0300V)，用來控制激光工作頻率的；另一個是頻率為f(如1kHz)的調(diào)制電壓，用來對腔長L即激光振蕩頻率進(jìn)行調(diào)制, 從而使激光功率P也受到相應(yīng)的調(diào)制。如果激光振蕩頻率剛好與譜線的中心頻率重合(即 =0),

18、 則調(diào)制電壓使振蕩頻率在0附近以頻率f變化(圖中的C點(diǎn)處)，因而激光輸出功率將以2f的頻率周期性變化(C點(diǎn)附近)。由于選頻放大器工作在特定的頻率f處, 所以它不能通過選頻放大器，伺服系統(tǒng)無輸出信號送至壓電陶瓷上，激光器繼續(xù)工作于0處。如果激光器受到外界的擾動，使激光振蕩頻率偏離0 ，例如 0(圖中D點(diǎn)外)，則激光功率將按頻率f變化(如圖中的fD)，其變化幅度p即為鑒別器的誤差信號，它的相位與調(diào)制信號電壓相同；此光信號被光電接收器變換成相應(yīng)的電信號，經(jīng)過選頻放大后送入相敏檢波器，與從音頻振蕩器輸入的頻率為f的調(diào)制信號進(jìn)行相位比較得到一個直流電壓，此電壓的大小與誤差信號成正比，它的正負(fù)取決于誤差信

19、號與調(diào)制信號的相位關(guān)系，此時由于二者同相位，從相敏檢波器輸出一負(fù)直流電壓，繼而經(jīng)過直流放大、調(diào)制升壓與整流，饋送到壓電陶瓷上，這電壓使壓電陶瓷環(huán)縮短，從而使腔長伸長，于是激光振蕩頻率又回到0處。同樣，如果激光頻率0 (圖中B點(diǎn)處)時，則輸出功率雖然仍按頻率f變化(如圖中fB)，幅度仍為p，但其相位與調(diào)制信號相反，此時，從相敏檢波器輸出一正的直流電壓，這電壓使壓電陶瓷環(huán)伸長，腔長縮短，因而激光振蕩頻率又自動回到0處。 總之，蘭姆凹陷穩(wěn)頻的實(shí)質(zhì)是：經(jīng)譜線的中心頻總之，蘭姆凹陷穩(wěn)頻的實(shí)質(zhì)是：經(jīng)譜線的中心頻率率0作為參考標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)激光振蕩頻率偏離作為參考標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)激光振蕩頻率偏離0 時，即輸時，即輸出一誤

20、差信息出一誤差信息 通過伺服系統(tǒng)鑒別出頻率偏離的大通過伺服系統(tǒng)鑒別出頻率偏離的大小和方向，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制腔長 把激光振蕩頻率自動地鎖定在蘭姆凹陷中心把激光振蕩頻率自動地鎖定在蘭姆凹陷中心處。處。(1)穩(wěn)頻激光器不僅要求是單橫模單橫模，而且還要求必須是單縱模單縱模。(2)根據(jù)以上討論可見，頻率穩(wěn)定性與蘭姆凹陷中心兩側(cè)的斜率有關(guān)，斜率越大斜率越大，誤差信號就越大，因而靈敏度高，穩(wěn)定性就越好。(3)蘭姆凹陷線型的對稱性也影響頻率的穩(wěn)定性。(4)蘭姆凹陷穩(wěn)頻是以原子躍遷譜線中心頻率0作為參考標(biāo)準(zhǔn)的。2.3 應(yīng)用蘭姆凹陷穩(wěn)頻時應(yīng)

21、注意的問題應(yīng)用蘭姆凹陷穩(wěn)頻時應(yīng)注意的問題 一個發(fā)光的原子系統(tǒng)置于(強(qiáng))磁場中時，其原子譜線在磁場的作用下會發(fā)生分裂，這種現(xiàn)象稱為塞曼效應(yīng)。三、三、 塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻3.1 塞曼效應(yīng)塞曼效應(yīng) 若在光束方向施加縱向磁場，則沿磁場方向可觀察到，一條譜線對稱地分裂成兩條譜線，一條是左旋圓偏振光, 它的頻率高于未加磁場時的譜線，為0 +；另一條是右旋圓偏振光，頻率低于未加磁場時的譜線，為0 （如圖3.1)。這兩條譜線的頻率差為：hHg2g是朗道因子；是玻爾磁子；h為普朗克常量；H是磁場強(qiáng)度。圖3.1 塞曼效應(yīng)無磁場在平行于磁場B方向上觀測在垂直于磁場B方向上觀測BB B這兩條分裂譜線的交點(diǎn)正是原

22、譜線的中心頻率。這就是縱向塞曼效應(yīng)。 （若在垂直磁場方向觀察呢？） 產(chǎn)生塞曼效應(yīng)的原因是原子的能級在外磁場的作用下發(fā)生分裂，如圖3.2所示。當(dāng)未加磁場(H=0)時，原子從高能級躍遷到低能級, 發(fā)出頻率為0 的光；當(dāng)加磁場之后，這兩個能級就發(fā)生分裂，如圖3.2右邊所示，當(dāng)原子在這些能級之間按選擇定則從高能級躍遷到低能級時,便發(fā)生三種頻率(1 =0 +，0 ，2= 0 )的偏振光。 H=0圖3.2 在磁場中原子能級的分裂H=0書中畫錯了H0圖3.2 在磁場中原子能級的分裂 由圖3.1可以看出，當(dāng)激光振蕩頻率正好處于0時，左旋圓偏振光和右旋圓偏振光相等；若激光振蕩頻率偏離了0(如在處)，則右旋光的光

23、強(qiáng)(I右)大于左旋光的光強(qiáng)(I左)；反之, 則有I右ILtIRGR，因此(ILIR)，這時光電接收器輸出的誤差信號的相位與調(diào)制電壓反相；反之，如果 0，如圖(c)所示，則GLGR ，ILIR，那么光電接收器輸出的誤差信號的相位與調(diào)制電壓相同。此誤差信號經(jīng)選頻放大后，由電子伺服系統(tǒng)輸出相應(yīng)的電壓，這電壓可控制壓電陶瓷以調(diào)節(jié)腔長、使激光振蕩頻率回復(fù)到兩譜線的交點(diǎn)處，從而達(dá)到穩(wěn)頻的目的。 在精密干涉測量中，雙頻穩(wěn)頻激光器較之單頻穩(wěn)頻激光器具有更多優(yōu)點(diǎn)，這主要是前者用拍頻方法測量其頻率差，故具有更強(qiáng)的抗干擾能力，對工作條件（溫度、濕度、清潔度等）的要求不是太高，在無恒溫條件下也能長時間連續(xù)工作，這對工

24、業(yè)用干涉儀特別有利。 塞曼效應(yīng)吸收穩(wěn)頻的裝置如圖3.7所示。它是在單頻激光器腔外的光路上設(shè)置一個塞曼吸收管, 管內(nèi)充以低氣壓的Ne氣，并在吸收管內(nèi)通以一定的電流, 一些受3.3 塞曼效應(yīng)吸收穩(wěn)頻塞曼效應(yīng)吸收穩(wěn)頻激發(fā)的Ne原子能吸收入射到Ne管的激光, 但因吸收譜線較寬，不宜直接作為參考頻率。圖3.7 塞曼效應(yīng)吸收穩(wěn)頻裝置若在Ne管上加一縱向磁場, 由于塞曼效應(yīng), Ne原子吸收線相對于原初始中心線會分裂為兩條吸收線, 如圖3.8所示。因此，Ne吸收變?yōu)殡p向色散性，即它對于頻率相同、方向相反的左、右旋圓偏振光, 具有不同吸收系數(shù), 僅在譜線中心0處，兩圓偏振光的吸收相等。圖3.8 Ne吸收線的塞曼

25、分裂 塞曼效應(yīng)吸收穩(wěn)頻的原理：從單模He-Ne激光器輸出的線偏振光通過加有正負(fù)交變的 V/4矩形電壓的電光晶體, 變成交替變化的左旋和右旋圓偏振光，然后再通過加了縱向磁場的Ne吸收管，交變的兩圓偏振光在吸收管中就將得到調(diào)制，結(jié)果形成誤差信號，該誤差信號的振幅與偏離的頻率差的大小成正比，其相位與偏離的方向有關(guān)。這個誤差信號由光電接收器接收，再經(jīng)過放大和伺服系統(tǒng)去控制腔長的伸縮, 從而保證激光振蕩頻率穩(wěn)定在0處。圖3.9 塞曼效應(yīng)吸收穩(wěn)頻的原理vv0v=v0 從前面所討論的蘭姆凹陷穩(wěn)頻和雙頻穩(wěn)頻等方法可知，提高頻率的穩(wěn)定性和復(fù)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。上述穩(wěn)頻方法都是利用

26、激光本身的原子躍遷中心頻率作為參考點(diǎn)，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，所以其穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性就受到局限。為了提高頻率的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性，為了提高頻率的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性，通常采用外界參考頻率標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行穩(wěn)頻通常采用外界參考頻率標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行穩(wěn)頻。四、飽和吸收穩(wěn)頻四、飽和吸收穩(wěn)頻(反蘭姆凹陷穩(wěn)頻反蘭姆凹陷穩(wěn)頻)例如，利用飽和吸收穩(wěn)頻，即在諧振腔中放入一個充有低氣壓氣體原子(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(jì)，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(wěn)定。所以在吸收線中心處形成一個位置穩(wěn)定且寬

27、度很窄的凹陷，以此作為穩(wěn)頻的參考點(diǎn)，可使其頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性精度得到很大的提高。 圖4.1 飽和吸收穩(wěn)頻裝置飽和吸收穩(wěn)頻如圖 4.1所示。激光管和吸收管串聯(lián)，放到外腔型諧振腔中，后者對激光震蕩頻率處有強(qiáng)吸收峰。另外，吸收管中氣體的氣壓很低（1Pa左右），因而，受氣壓及放電條件的變化的影響小。 事實(shí)上，吸收管的氣體在吸收線的中心處產(chǎn)生吸收凹陷的機(jī)理和蘭姆凹陷相類似。對于=0的光 ，其正向傳播和反向傳播的兩列行波光強(qiáng)均被z =0的分子所吸收，即兩列光強(qiáng)作用于同一群分子上，故吸收容易達(dá)到飽和 ；而對于 0的光，則正向傳播和反向傳播的兩列光強(qiáng)分別分別被縱向速度為+ vz及- vz的兩群(少于z =0）

28、分子所吸收，所以吸收不易達(dá)到飽和，在吸收線的0處出現(xiàn)吸收凹陷，如圖4.2(b)所示。 圖4.2 反蘭姆凹陷(a) 增益管增益曲線 (b)吸收管吸收曲線 (c)激光器輸出功率曲線吸收線在中心處的凹陷，吸收線在中心處的凹陷，意味著吸收最小，故激意味著吸收最小，故激光器輸出功率光器輸出功率(光強(qiáng)光強(qiáng))在在0處出現(xiàn)一個尖峰處出現(xiàn)一個尖峰, 通通常稱為反蘭姆凹陷常稱為反蘭姆凹陷, 如如圖圖6.4-2(c)所示。反蘭所示。反蘭姆凹陷可以作為一個很姆凹陷可以作為一個很好的穩(wěn)頻參考點(diǎn)。好的穩(wěn)頻參考點(diǎn)。其穩(wěn)頻工作程序與蘭姆凹陷穩(wěn)頻相似，在此不予重復(fù)。vv0 反相v=v0 倍頻五、其他穩(wěn)頻激光器（自學(xué)）五、其他穩(wěn)

29、頻激光器（自學(xué)）5.1 CO激光器的穩(wěn)頻激光器的穩(wěn)頻(熒光穩(wěn)頻法熒光穩(wěn)頻法)5.2 Ar+激光器穩(wěn)頻（飽和吸收法）激光器穩(wěn)頻（飽和吸收法）5.3 脈沖激光器的穩(wěn)頻脈沖激光器的穩(wěn)頻 由于激光頻率精度極高，欲直接測量頻率的穩(wěn)定度是很困難的，用一般電子儀器也無法將極高的光頻變化顯示出來；所以通常利用拍頻的方法進(jìn)行相對測量。它類似于電子技術(shù)中的差頻技術(shù)，將兩列光波進(jìn)行混頻，所得差頻信號為無線電射頻級，頻譜分析儀及頻率計(jì)均可對此拍頻信號產(chǎn)生響應(yīng)。對頻譜分析儀來說，其輸出電平正比于拍頻信號的譜密度，而頻率計(jì)測量的則是拍頻頻率。其數(shù)據(jù)采用阿侖(Allan)方差進(jìn)行處理。六、六、 頻率穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性的測量頻率

30、穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性的測量 激光的相干性好，當(dāng)兩束光疊加在一起時, 初相位的差值是暫時穩(wěn)定的或緩慢變化的，因而會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。兩束光波之間的可相干性，為測量光波頻率穩(wěn)定性提供了一種方法拍頻測量法。 式中Ac1，Ac2為兩光波之振幅。當(dāng)這兩束光(傳播方向平)2cos()()2cos()(22221111tAEtAEcc設(shè)頻率相差很小的兩束光波，瞬時頻率分別為1(t) 及2(t)，其光場分別為6.1 拍頻的原理拍頻的原理行且重合)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(qiáng)(光場的平方), 即輸出的光電流為：式中，第一、二項(xiàng)的平均值，即余弦函數(shù)平方的平均值等于1/2，而第三項(xiàng)(和頻項(xiàng))的頻率很高，現(xiàn)有的光探測器無法響應(yīng)，其平均值為零，第四項(xiàng)(差頻項(xiàng))相對于光頻來說要緩慢得多, )(2cos)(2cos)2(cos)2(cos)()()(2121212122