半导体激光器频率的稳定主要内容.PPT

* * * 影响激光频率稳定的因素 克服机械振动 光学平台和抗震支撑腿设计 为了减小温度影响，激光谐振腔间隔器多采用殷钢材料制成，但殷钢的磁致伸缩性质可能引起腔长的变化，如1.15μm波长的He-Ne激光器，仅由于地磁场效应可以产生140kHz的频移。因而地磁场效应和周围电子仪器的散磁场对于高稳定激光器影响必须加以考虑。 4.磁场的影响 综上所述，环境温度的变化、机械振动等外界干扰对激光频率稳定性影响很大，因而自然联想到，最直接的稳频办法就是恒温、防震、密封隔声、稳定电源等。 稳频方法(被动稳频) 被动稳频主要方法： 1. 采用全封闭式的光学腔或在激光器外设置屏蔽隔离器。 因为激光器有些部分暴露在空气中，空气的折射率与气压、温度、湿度，都可引起频率变化，通风时的气流亦会引起激光频率的起伏，这类变化引起的波动可达10－6。因此，要设法采用全封闭式的光学腔或在激光器外设置屏蔽隔离器。 2. 对激光器系统进行控温以及使用热膨胀系数较小的材料来做腔体。 3. 采用防振措施来隔离地面传来的机械振动，我们采用压缩空气式防振台。机械振动也是导致光学谐振腔频率变化的重要因素之一，它们可以从地面或空气传入，因此，需要采用防振措施来隔离地面传来的机械振动，我们采用压缩空气式防振台，对低频机械振动仍有良好的防振能力。 以上措施的被动稳频方法，结构简单，使用方便，但是只能使激光器的频率稳定在10－7量级上，光频变化在几十兆赫兹数量级上。所以，我们必须采用主动稳频技术来提高频率的稳定度。 稳频方法(被动稳频) 被动稳频主要方法： 稳频方法(主动稳频) 主动稳频概念 主动稳频技术的主要思想是：选取某一频率作为稳定的参考标准频率，当外界变化影响到激光器的频率，使其偏离这个特定的标准频率时,设法进行鉴别，同时产生出一个反映这个偏差的误差信号，该误差信号不但能指明偏离标准频率值的大小，而且还能指明是偏大还是偏小，然后将误差信号转变为执行信号反馈给激光器的伺服机构，通过控制系统自动调节激光器的腔长，使激光器工作频率稳定地在特定的标准频率上运转。总之，稳频技术实质上就是保持激光器谐振腔光程长度的稳定性问题。 稳频方法(主动稳频) 主动稳频概念 主动稳频技术问题的关键在于如下两点： 1）参考频标的选取，要求它的稳定度必须高于所测系统的稳定度。鉴频器：中心频率要稳定，标准频率不能有漂移；灵敏度要高，微小变化能够鉴别。 2）反馈系统的信号要求与所测系统的调制信号必须同步进行。频率稳定好坏主要取决于鉴频曲线，鉴频曲线越好，所测系统频率的稳定精度越高。 稳频方法 几种主动稳频方法： 以增益曲线作为稳定激光频率的标准，但很难达到较高的稳定度，仅为10－9；比如：可利用兰姆凹陷稳频法. 它以增益曲线中心频率作为参考标准频率。兰姆凹陷稳频是以原子跃迁谱线中心频率作为参考标准的，故中心频率本身的漂移会直接影响频率的长期稳定性和复现性的精度。气压造成的压力位移，放电条件的不同都将使得兰姆凹陷中心频率发生变化，这些扰动都不能用伺服系统来调整，只能尽量减小其影响。 所以很难达到较高的稳定度。 兰姆凹陷稳频原理 兰姆凹陷稳频法是以增益曲线中心频率 υ0作为参考标准频率，通过电子伺服系统驱动压电陶瓷环来控制激光器腔长的，它可使频率稳定于υ0处，其稳频装如图6.2-2所示。激光管是采用热膨胀系数很小的石英做成外腔式结构，谐振腔的两个反射镜安置在殷钢架上，其中一个贴在压电陶瓷环上；陶瓷环的长度约为几厘米，环的内外表面接有两个电极，加有频率为f的调制电压，当外表面为正电压, 内表面为负电压时陶瓷环伸长, 反之则缩短。改变陶瓷环上的电压即可调整谐振腔的长度，以补偿外界因素所造成的腔长变化。光电接收器一般采用硅光电三极管，它能将光信号转变成相应的电信号。 6.2-2 兰姆凹陷稳频装置示意图 加有频率为f的调制电压，当外表面为正电压, 内表面为负电压时陶瓷环伸长, 反之则缩短。 稳频方法 兰姆凹陷稳频法. 稳频激光器不仅要求是单横模，而且还要求必须是单纵模。 频率稳定性与兰姆凹陷中心两侧的斜率有关，斜率越大，误差信号就越大，因而灵敏度高，稳定性就越好。（一般要求兰姆凹陷的深度为输出功率的1/8） 兰姆凹陷线型的对称性也影响频率的稳定性。（氖的不同同位素的原子谱线中心有一定频差。充普通氖气的氦氖激光器兰姆凹陷曲线不对称且不够尖锐,制作单频稳频激光器时应充以单一同位素Ne20或Ne22）。 兰姆凹陷稳频是以原子跃迁谱线中心频率υ0作为参考标准的。（如果光强本身有起伏,特别是