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1、1,第七讲 激光技术之,一、选模技术 二、稳频技术,2,激光器通常是多模振荡，包括多纵模和多横模。前者按频率区分模数，后者按空间区分模数。尽管谐振腔对纵模和横模都有限制作用，但是在有些情况下，还需要进一步选模，即选择特定的模式允许其振荡。极限情况下，将要求单纵模、单横模的振荡输出。,一、选模技术,激光振荡的条件是增益大于损耗，即 。如果使需要输出的模式具有小的损耗，满足振荡条件，而不需要的模式具有大的损耗，不满足振荡条件，则可达到选模的目的。,3,（一）横模选择,激光在谐振腔内振荡的过程中，横向光强分布不均匀，在光束横截面上形成各种不同形式的稳定分布，这种稳定分布，称为横向模式。,光阑法选模
2、（1）小孔光阑选模 （2）聚焦光阑法,4,（二）纵模选择,1、短腔法 缩短谐振腔长度以增大相邻纵模频率间隔，使得在荧光谱线宽度内只存在一个纵模振荡，从而实现单纵模输出。 2、色散腔法 在腔内插入棱镜或光栅等色散元件，将工作物质发出的不同波长的光束在空间分离，然后设法只使较窄波长区域内的光束在腔内形成振荡，其他波长的光束因不具反馈能力而被抑制掉。,5,3、干涉选模法（F - P 标准具法）,6,由于多光束反射，对满足 频率条件的光有极高的反射率(接近100%) 。 式中c 为真空中光速，i2为平板中的折射角，k是正整数。,7,图（a）：不选模时有5个纵模，二模之间的间距为激光器的纵模间隔 。,图
3、（b）：标准具的透射曲线，在vk-1，vk，vk+1 有高透射率，且间距大于激光器的纵模间隔。,图（c）：5个纵模中只有一个能通过标准具，因而形成振荡输出激光的只有一个纵模频率。,8,稳频的目的 使频率本身稳定，不随时间、地点变化，稳频是实际的要求。 1、频率的质量指标 （1）频率的稳定性 激光器连续运转时，在一定的时间间隔内平均频率与该时间内频率的变化量之比，用 S 表示。,二、稳频技术,通常把 S 的倒数作为稳定度的量度,9,（2）频率的复现性 激光器在不同的时间、地点等条件下频率重复或再现的精度，用R表示。 频率稳定性表示激光频率在平均频率附近的漂移，频率的再现性表示平均频率本身的变化。
4、,10,2、影响激光频率稳定的因素 频率的稳定性主要取决于折射率n和腔长L的稳定。 引起n，L变化的外界因素 温度变化的影响； 大气变化的影响； 机械振动的影响； 磁场的影响。 引起频率变化的内部因素 激光管内充气压比例不同，气压、放电电流变化引起频率变化； 由于原子自发辐射造成的无规则噪声影 响到频率。,11,3、稳频的一般原理 1、采用负反馈电路控制稳频技术。选取一个稳定的参考标准频率，当外界影响使激光频率偏离标准频率时，鉴频器给出误差讯号,通过负反馈电路去控制腔长，使激光频率自动回到标准频率上。 稳频的实质：保持n、L不变。,The end,2、鉴频器：是稳频的关键部件。 任务：a.提供
5、标准频率。b.频率鉴别：当激光器振荡频率偏离标准频率时，能够鉴别出来。 对鉴频器的要求：a.中心频率要稳定，标准频率不能有漂移。b.灵敏度要高，微小变化能鉴别。 鉴频器的类型：以原子谱线本身作为鉴频器以外界标准频率做鉴频器,12,蓝姆凹陷稳频,稳频原理： 1.蓝姆凹陷：对非均匀加宽激光介质，激光器输出的功率（或光强）在中心频率处最小。 2.结构和原理： 主要由三部分组成： 单纵模激光器。其中一块反射镜固定在压电陶瓷上，利用压电陶瓷的伸缩来调整腔长L。 光探测器。利用光电转换装置，将光信号转变为电信号 作为电路的信号。 电路系统。将误差讯号转成一直流电压加到压电陶瓷上，以改变腔长。,13,3.工
6、作过程： dI是极重要的参量，叫误差信号。它是由激光器输出的光强和标准频率 输出的光强比较得到的信号。 不同I不同，可用曲线的斜率 表示。 dI的大小表明 的大小，相位表明 偏离 的方向。 dI由在压电陶瓷上加一调制电压得到，加一直流偏压和频率为f的调制电压。 加偏压的目的是在工作前调整激光器的振荡频率为凹陷的中心频率 ，因为标准频率并不是固定不变的。 加调制电压的目的是给出dI的大小和方向，对光强进行低频调制。,14,稳定度： 稳频最关心的是稳定度。要提高频率的稳定度，希望频率微小的变化就能产生大的可以分辨的误差讯号dI，即要求 大-灵敏度高。 凹陷的深度越大，dI大，则 大。 一般要求凹陷
7、的深度大约等于输出光强1/8，稳定性好。 增加深度的办法：a.降低腔内损耗降低阈值。b.提高信号增益，可以调节放电电流，使工作在最佳状态。 要求凹陷线型对称。 这样在 的两侧 相同。如果两侧误差讯号不对称，小的一侧dI小，灵敏度小。 利用蓝姆凹陷稳频最高可达s-110-9。漂移再现性误差 R10-7。稳定度和再现性受到限制。,15,塞曼效应稳频,塞曼效应： 1.定义：在磁场的作用下，光谱线发生分裂的现象。 2.稳频原理：由于原子谱线在磁场的作用下发生分裂，因此利用V左、V右光强差别来进行稳频。 原理：利用塞曼分裂后左、右旋光增益曲线的交点 作为标准频率，当 偏离 时，根据V左、V右光强的变化做
8、误差讯号，利用电路反馈系统控制激光器腔长，使 - =0。 结构：激光器-反射镜加到压电陶瓷上。电光晶体。P-检偏器 电路系统给出偏差电压dv。光电转换装置。,16,3.工作过程： 在激光器上加磁场以后，由于塞曼效应，输出的左旋光和右旋光进入电光调制器。 电光调制器上加一交变的电压,由于在电光晶体上加频率为f的调制电压，因此在光电接收器上收到的是一个周期变化的频率为f的调制光。合成光强的大小和相位输出一直流电压去控制压电陶瓷使L变化达到稳频。 稳频关键是左右旋光强的大小，即是激光振荡的频率是否偏离及偏离多少，只要偏离，则左右旋光有差别，则合成光的大小、相位改变可以鉴别出来 灵敏度比蓝姆凹陷高。
9、稳定度：s-110-10比蓝姆凹陷高一个数量级,由于 有漂移，受放电条件的影响R10-7。再现性差，稳定受到限制。,17,饱和吸收稳频,反蓝姆凹陷稳频： 1.反蓝姆凹陷：蓝姆凹陷是在中心频率处输出功率出现凹陷。反蓝姆凹陷是在中心频率处输出功率出现尖峰。 反蓝姆凹陷主要在激光器中加入饱和介质，利用吸收介质的饱和吸收特性来形成的。 2.结构原理：在结构上除了在激光腔内加一饱和吸收介质以外，其他和蓝姆凹陷的结构完全相同。 稳频时，以 为标准频率，在 处输出的光强为I0。当频率偏离 时，输出的光强得到误差信号，通过电路系统的处理，改变压电陶瓷上加的直流电压控制腔长L使 。 3.稳定度：s-110-13
10、比双频提高三个数量级10-10、10-9。复现性R10-12 比双频蓝姆R10-7高的多。,18,塞曼效应吸收稳频： 利用吸收介质的吸收中心 作标准频率，在吸收管上加一磁场，产生塞曼效应，结果对不同旋光的光吸收差别来稳定频率。 结构原理：吸收管中充有低压的Ne气，加磁场以后，由于塞曼效应，吸收曲线分离成左右旋光的两条吸收线，它对频率相同、旋光方向不同的圆偏光吸收不同。 稳频过程：利用吸收曲线的中心频率作标准频率，利用左右旋光的光强差作误差信号dI，采用一套负反馈电路控制系统。从激光器输出的线偏光通过加有交变的矩形电压V/4晶体，变成左右旋光。又因右旋光和调制讯号同相位，dI大小和相位即可判别。
11、,19,激光强度的稳定,稳频实质是稳定腔长，而在稳频中通过激光输出光强的变化作误差信号通过电路的处理控制腔长从而达到稳频的目的。 为了达到稳频的目的，要求激光输出的强度除了频率的漂移造成的光强度变化之外，其他因素造成的光强变化应该尽力避免。如放电电流、电压变化造成的光强变化，否则干扰频率的稳定甚至无法稳频。 为了排除其他因素造成的激光强度变化采取的措施： 1.激光器的电源加稳压稳流装置。激光强度稳定到n 2.采用稳定激光强度控制装置。,20,频率稳定性及复现性测量,由于激光的频率极高，直接测量频率的稳定度是很困难的，通常采用拍频的方法进行相对测量。 拍频： 把两台稳频激光器的输出频率进行比较测得相对稳定性。因此两光波的频率一定相差很小，小 。 两束光混合之后，激光的相干性强，每列波初相位不变产生干涉。合成光波的光强周期性的变化，变化的频率由差频决定。光强变化的频率/2,21,用拍频技术测量频率的稳定性和复现性 将两台同样结构、同样运转条件的激光器所输出的两束光经过混合到光电接收器上得到一差频信号。经过宽带放大器的放大，在一定的取样时间内用数字频率计显示差频的平均值。一般取的不是瞬时频率差，采用统计的阿仑方差的方法求平均值。 1.激光频率偏差的双取样阿仑方差表示式 2.激光频率稳定度的双取样阿仑方差表示式,