激光原理與激光技術(shù)完整

激光原理與激光技術(shù)完整第一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日頻率復(fù)現(xiàn)性：對一臺穩(wěn)頻激光器，不僅要看其穩(wěn)定度，還要看它的復(fù)現(xiàn)性。

在不同時間、地點(diǎn)、環(huán)境下穩(wěn)定頻率的偏差量與它們的平均頻率比值稱為頻率復(fù)現(xiàn)性。

如穩(wěn)定度為表示為（可見光波段），。頻率或波長隨時間的變化，既表現(xiàn)為短期的抖動又表現(xiàn)為長期的漂移。因此觀測時間不同測量結(jié)果不同。所以通常在穩(wěn)定度后面標(biāo)明取樣時間。第二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日二、影響激光頻率穩(wěn)定的因素

一般情況下，第二部分的頻率牽引很小，因此，激光頻率的穩(wěn)定性主要取決于諧振腔諧振頻率的穩(wěn)定性。

激光振蕩頻率決定于原子躍遷中心頻率，譜線寬度，諧振腔諧振頻率，諧振腔線寬。通常情況下有：，上式可簡化為：第三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日故激光頻率的穩(wěn)定問題，歸結(jié)為如何保持腔長及折射率穩(wěn)定的問題。影響頻率穩(wěn)定的外界因素及被動穩(wěn)頻辦法。1.溫度變化的影響外界環(huán)境溫度的變化或激光管工作變熱，會使腔材料隨著溫度變化而伸縮。克服辦法：采用熱膨脹系數(shù)小的石英玻璃做激光管，殷鋼材料做支架，并對整個激光器進(jìn)行恒溫控制。2.大氣變化

大氣的溫度、濕度、氣壓的起伏會導(dǎo)致大氣折射率的起伏，從而使激光器的光學(xué)腔長發(fā)生變化。克服措施：外腔式激光器暴露在大氣中的部分盡可能少。并減少空氣流動（可密封）。3.機(jī)械振動外部環(huán)境中的各種機(jī)械振動會導(dǎo)致腔長的振動?？朔胧悍勒鸫胧?氣墊平臺，密封)第四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日三、激光器主動穩(wěn)頻的方法

實(shí)質(zhì)是保持諧振腔光程長度的穩(wěn)定性。主動穩(wěn)頻：選取一個穩(wěn)定的頻率參考標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)外界影響使激光頻率偏離標(biāo)準(zhǔn)頻率時，采用光電子伺服系統(tǒng)鑒別出來并自動調(diào)節(jié)腔長，使激光頻率回復(fù)到特定的標(biāo)準(zhǔn)頻率上，達(dá)到穩(wěn)頻目的。主動穩(wěn)頻方法大致可分為兩類：1.利用原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；2.利用外界參考頻率作為鑒別器進(jìn)行穩(wěn)頻，如飽和吸收穩(wěn)頻。4.磁場

地磁場及激光器周圍電子儀器產(chǎn)生的磁場會引起腔體上殷鋼材料的磁致伸縮，從而引起腔長變化。克服措施：磁屏蔽試驗(yàn)證明：采用被動穩(wěn)頻辦法，激光器的長期頻率穩(wěn)定度可達(dá)量級，要進(jìn)一步提高穩(wěn)定度，就要采取主動穩(wěn)頻措施。第五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日對參考標(biāo)準(zhǔn)頻率的要求：（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。（３）有足夠的信噪比。（４）譜線頻率與受控激光器頻率要匹配。§

8.２穩(wěn)頻方法介紹一、蘭姆凹陷穩(wěn)頻特點(diǎn)：裝置比較簡單，主要用于氣體激光器，頻率穩(wěn)定度為量級。缺點(diǎn)：復(fù)現(xiàn)性（量級）差（激光管充氣壓力的差別及使用過程中的氣壓變化導(dǎo)致的壓力頻移）。第六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日調(diào)制信號裝置示意圖蘭姆凹陷穩(wěn)頻原理音頻振蕩光電探測直流放大選頻放大相敏檢波調(diào)制升壓整流第七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日選頻放大器——只對特定的某一頻率f通過。相敏機(jī)檢波器——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。同相位，相敏輸出的直流電壓為正，反之為負(fù)。且直流電壓大小正比于光電接收的激光功率的變化幅度。二、飽和吸收穩(wěn)頻（反蘭姆凹陷穩(wěn)頻）

蘭姆凹陷穩(wěn)頻利用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，所以頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性受到局限。飽和吸收穩(wěn)頻：采用外界參考頻率標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行穩(wěn)頻，如在諧振腔中放入一個低氣壓的原子（分子）吸收管，氣壓很低，碰撞加寬很小，吸收線中心頻率的壓力位移也很小，吸收管無放電作用，故譜線中心頻率比較穩(wěn)定，譜線寬度較窄，所以在吸收線中心處形成一個位置穩(wěn)定且寬度很窄的凹陷，以此作為頻率的參考點(diǎn)，頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性得到很大提高。第八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日激光管吸收管激光管增益曲線激光管輸出功率曲線吸收管吸收曲線第九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日

三、以F-P腔的幅度特性構(gòu)成穩(wěn)頻系統(tǒng)

該方案采用F-P共焦干涉儀作為頻率基準(zhǔn)。穩(wěn)頻后可使激光器的短期穩(wěn)定性小于F-P共焦干涉儀的線寬之內(nèi)，但F-P腔腔長的改變會引起激光器的頻率漂移，因此為了改善長期穩(wěn)定性，需要對F-P腔進(jìn)行控溫。缺點(diǎn)：抗干擾能力差，激光頻率的微小改變（超過F-P線寬）就會導(dǎo)致系統(tǒng)失鎖。優(yōu)點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)任意波長激光器的鎖定（和飽和吸收穩(wěn)頻等不同，不需要有吸收譜線與激光器頻率一致的氣體）。校正網(wǎng)絡(luò)鎖相放大控溫放大電源振蕩器LD第十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日

四、外部飽和吸收穩(wěn)頻常用于半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)頻

外部飽和吸收穩(wěn)頻把吸收氣體室與激光器完全分離，簡化了試驗(yàn)裝置，（避免吸收氣體插入激光腔造成的不利影響）。同時消除了多普勒增寬對譜線的影響，可以實(shí)現(xiàn)高精度的穩(wěn)頻。校正網(wǎng)絡(luò)差分LD同步檢波LD電源第十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日

基本思想：將傳播方向相反而路徑基本重合的兩束泵浦光（或飽和光）與探測光、穿過氣體樣品，當(dāng)激光頻率掃描到原子或分子的超精細(xì)能級的共振頻率時，根據(jù)多普勒效應(yīng)，只有在探測光路徑上速度分量為零的那部分原子或分子由于其多普勒頻移為零，才能同時與泵浦光和探測光發(fā)生共振相互作用，由于較強(qiáng)的泵浦光使這部分原子在基態(tài)的數(shù)目減少，所以對探測光的吸收減少，因而譜線呈吸收減弱的尖峰即超精細(xì)躍遷峰。飽和吸收光譜多普勒頻背景無多普勒頻背景的飽和吸收光譜差分相減后：第十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日再經(jīng)過同步檢波獲得鑒頻曲線（一階微分信號）

五、F-P腔的相位特性穩(wěn)頻（Pound-Drever-Hall）校正網(wǎng)絡(luò)相移低通濾波LASER第十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日

當(dāng)F-P腔完全與入射激光共振時，兩邊頻被F-P腔反射的強(qiáng)度相等，它們與載頻產(chǎn)生拍頻后的信號大小相等，相位相反，故完全抵消，這時誤差信號為零。當(dāng)入射激光與F-P腔不完全共振，有一定失諧時，兩邊頻被F-P腔反射的強(qiáng)度不相等，它們與載頻產(chǎn)生拍頻后的信號相位相反，

首先利用電光調(diào)制晶體對激光作相位調(diào)制（調(diào)制頻率一般遠(yuǎn)大于腔的線寬）。結(jié)果在激光載波的兩側(cè)產(chǎn)生兩個等振幅，相位相反的邊頻（假設(shè)小信號調(diào)制，只考慮第一級邊頻，忽略高階邊頻）。頻譜圖掃描腔長透射峰第十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日而大小不相等，故誤差信號不再為零，此時為正或負(fù)（隨失諧的不同而不同）。這一誤差信號再經(jīng)過校正網(wǎng)絡(luò)，最后反饋到激光器的電源或腔長上，以調(diào)整激光器的頻率直至與F-P腔完全共振（這時誤差信號為零）。

F-P腔的反射信號中，包括兩種頻率成分：和，經(jīng)過和調(diào)制本地信號混頻后，利用低通濾波器濾掉高頻成分（拍頻信號），只保留直流或低頻的信號（遠(yuǎn)小于?），從而把直流信號從其它項中選取出來。優(yōu)點(diǎn)：１．同其他穩(wěn)頻方法相比，Ｐ－Ｄ－Ｈ方法不需要在激光頻率上加一低頻擾動，從而穩(wěn)頻后，激光器頻率原則上嚴(yán)格等于F-P腔共振頻率。而其它方法，如利用F-P腔的幅度特性穩(wěn)頻的方法，即使嚴(yán)格穩(wěn)頻后，激光器的頻率上始終存在一個的小擾動。２．與利用F-P腔的幅度特性穩(wěn)頻的方法相比，邊帶穩(wěn)頻鎖定的帶寬要大得多，前者為F-P腔的線寬，約為ＭＨｚ量級，后者為２?，可達(dá)上百ＭＨｚ。第十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日F-P腔的透射特性Pound–Drever–Hall穩(wěn)頻原理一、定性理解模型F-P腔只允許與其共振的頻率的光通過（如右圖）。當(dāng)激光的頻率精確地等于某個共振頻率時，激光能全部透過F-P腔，如果激光的頻率稍微偏離某個共振頻率，則激光只有一部分能透過F-P腔。這樣，由于頻率的微小變化引起了透射光強(qiáng)的變化（而光強(qiáng)的變化是可探測到的），我們就可以通過探測光強(qiáng)得到與頻率偏差相聯(lián)系的信號并將其反饋?zhàn)饔玫郊す馄魃弦苑€(wěn)定激光頻率。第十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日F-P腔的反射特性

但是上述方法有缺陷：因?yàn)橛锌赡芡活l率激光本身在強(qiáng)度上有波動，這樣反饋信號就不準(zhǔn)確。于等Pound等人在此基礎(chǔ)上提出了基于F-P腔反射光強(qiáng)的辦法。

如左圖，我們通過對激光頻率加一微小的調(diào)制，就可以通過反射光強(qiáng)的變化推斷激光頻率是偏大還是偏小。第十七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日

將腔的頻率鎖定到激光頻率上裝置示意圖（圖中實(shí)線代表光，虛線代表電信號）第十八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日二、定量理解模型為一復(fù)數(shù)F-P腔腔前入射光場：對于兩鏡參數(shù)對稱的F-P腔，在與入射光場同一點(diǎn)的整個腔的反射光場：定義腔的反射系數(shù)：長L的腔的自由光譜區(qū)1.腔對單頻激光的反射第十九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日F-P腔的反射系數(shù)的強(qiáng)度隨激光頻率的變化F-P腔的反射系數(shù)的相位隨激光頻率的變化第二十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日

由前面兩圖可見：在共振處，入射光與反射光相位相差，由此導(dǎo)致腔的反射光強(qiáng)為0。當(dāng)激光的頻率稍微偏離共振頻率時，就會有反射光，通過間接測量反射光的相位，我們即可判斷激光頻率偏大或偏小。2.測量反射光的相位

如何測量反射光的相位呢？我們可以通過調(diào)制激光的頻率（或相位），就會產(chǎn)生與入射光及反射光有固定相位關(guān)系的邊帶，若我們將邊帶與反射光相干涉，就會產(chǎn)生拍頻信號（調(diào)制頻率），而我們能夠測量拍頻信號的相位。3.調(diào)制激光產(chǎn)生邊帶調(diào)制后：展開成第二十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日當(dāng)時，入射總功率：總的反射光場：每個邊帶功率：載頻功率：4.反射的調(diào)制光：誤差信號我們只對?相關(guān)項感興趣，因?yàn)樗鼈兡芊从撤瓷涔獾南辔?。第二十二頁，共五十頁，編輯?023年，星期日上式（3.3）中，?項包含正弦和余弦項，無論?大還是小，我們都是通過當(dāng)即高調(diào)制頻率時，則只有正弦項存在來判斷激光頻率。為純實(shí)數(shù)，則只有余弦項存在即低調(diào)制頻率時，當(dāng)?shù)诙?，共五十頁，編輯?023年，星期日?小時：相位調(diào)制光束的瞬時頻率：因反射光功率進(jìn)一步通過定量模型表達(dá)出所圈部分：（泰勒展開）有：第二十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日誤差信號：誤差信號令：第二十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日?大時：推導(dǎo)可得誤差信號為：誤差信號其中：第二十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日5.提取誤差信號

上述三式中，當(dāng)時，前兩式有直流項，而第三式直流項為0（不能產(chǎn)生誤差信號）。

我們可以通過將反射光信號與調(diào)制的振蕩信號混頻，結(jié)果只有反射光信號的?項混頻后能產(chǎn)生直流項，通過低通濾波器，提取出直流項，而里面恰好包含了誤差信號。因?yàn)椋合辔黄ヅ湎辔徊黄ヅ溆忠驗(yàn)椋赫{(diào)制信號為：相位不匹配第二十七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日只取?項相連的誤差信號故我們必須引入移相器使兩路信號相位匹配（如下圖）。第二十八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日§

8.３穩(wěn)率穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性測量一、拍頻的原理由于光頻極高，，一般光電測量儀器無法響應(yīng)到這么高的頻率，同時一般電子儀器也無法將這么高的頻率顯示出來。因此，直接測量頻率的穩(wěn)定度目前是很困難的。目前采用的辦法是利用拍頻的辦法進(jìn)行相對測量：將兩列光波混頻，差頻信號的頻率為無線電射頻級，目前的光電探測器及頻譜分析儀均可產(chǎn)生響應(yīng)。LASER1LASER2頻率計第二十九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日兩激光器的光（電）場分別為：當(dāng)兩光場傳播方向平行且重合時，發(fā)生干涉：光電探測器的輸出正比于光強(qiáng)（電場的平方）：第一、二、三項的頻率很高，探測器無法直接響應(yīng)如此高的頻率，只能響應(yīng)其平均值，而最后一項差頻項探測器可以響應(yīng)。第三十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日相對起伏為：若激光器１相對于激光器２的穩(wěn)定性很高，可以認(rèn)為（參考頻率），拍頻頻率值的變化主要是激光器２的頻率漂移引起的。設(shè)兩信號的差頻為，下面求解ｔ時刻起，取樣長度下頻率相對起伏量：為差拍的周期為取樣時間內(nèi)的差拍周期數(shù)第三十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日一批同型號的激光器頻率穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)性是不同的，利用拍頻方法可求出相對頻率穩(wěn)定度。首先求出共同參考波長，然后利用穩(wěn)頻系統(tǒng)鎖定在參考中心。二、利用拍頻技術(shù)測量的頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性為取樣時間內(nèi)差頻信號的頻率以激光器１作為參考頻率測出激光器２．３．．．等相對于１的拍頻頻率，如對２，取樣Ｎ次，每次取樣時間，則激光頻率的雙取樣阿侖方差為：LASER1LASER2頻率計頻譜分析儀第三十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日激光頻率穩(wěn)定度的雙取樣阿侖方差為：第三十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日散粒噪聲自發(fā)輻射噪聲強(qiáng)度起伏相位起伏相位起伏§8.4自差拍干涉法測激光線寬第三十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日兩獨(dú)立光束差拍干涉待測光光電接收、譜分析儀條件：頻率有差值、相位不相干本底光缺點(diǎn)：本振（參考）光需更穩(wěn)定、更窄線寬（需通過測量比較，復(fù)雜化）至少要兩者相當(dāng)?shù)谌屙?，共五十頁，編輯?023年，星期日傳統(tǒng)延遲自差拍干涉（DSHI）--1980DelayedSelf-HeterodyneInterferometer延時至相干長度外頻率有差值相位不相干頻移兩獨(dú)立光束第三十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日傳統(tǒng)DSHI的理論模型第三十七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日高斯過程第三十八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日第三十九頁，共五十頁，