光学论文
摘 要： 激光稳频技术是激光物理学、光谱学和电子学高度结合的产物, 它随着激光应用的发展而发展。本文概述了激光稳频技术的基本原理, 分析了各种影响He-Ne激光光源频率稳定性的因素, 并介绍了He-Ne激光器单模双模稳定技术以及国内外一些常见的稳频技术。
关键词： 激光稳频; 激光应用; 国内外稳频技术;
Abstract： Laser frequency stabilization technology is a highly integrated product of laser physics, spectroscopy and electronics. It develops with the development of laser applications. In this paper, the basic principle of laser frequency stabilization is summarized, the factors that affect the frequency stability of He-Ne laser light source are analyzed, and the single mode dual mode stabilization technology of He-Ne laser and some common frequency stabilization technologies at home and abroad are introduced.
Keyword： laser frequency stabilization; laser application; stabilization technology at home and abroad;
0、 引言
激光稳频技术是激光物理学、光谱学和电子学高度结合的产物, 是随着激光应用的发展而发展的。目前, 作为现代科学技术重要标志之一的激光已经在诸多领域得到了广泛的应用, 为激光稳频技术的发展奠定了基础。激光稳频技术是基础科学研究的重要工具, 也是尖端科学的关键组成部分, 在现代科学中发挥着越来越重要的作用。
激光稳频工作的初期, 注意力集中在参数稳定、工作状态和周围条件的控制方面, 但收效不大;上世纪60年代, 当开始使用甲烷吸收线稳定激光频率后, 光频稳定进入了另一个新阶段。随着研究的深入, 人们发现了更多可资利用的物理现象, 使激光稳频技术更加完善。
1、 基本原理
激光单元技术之一。激光器的输出波长或频率在某些应用场合下不希望发生无规变化, 特别是用作高精度光谱测量或有关计量标准时, 不但要求输出激光具有尽可能高的单色性 (为此可采用选纵模技术) , 还进一步要求振荡激光的精确频率位置不发生随机式的漂移变化[1], 因此, 必须采用专门的激光稳频技术。一般而言, 激光振荡频率的漂移式变化是共振腔的等价腔长 (光程长度) 的漂移变化引起的, 因此, 为稳定激光的振荡频率, 首先应保证几何腔长和腔内各固定元件的机械稳定性, 并同时保证器件运转环境和有关物理参量 (特别是温度和腔内通光媒质的折射率) 的稳定。在做到上述各点的基础上, 由于激光振荡过程多种因素的影响, 仍然有可能使振荡频率发生微小程度地漂移和变化, 因此, 可进一步采取更有效的频率自动稳定控制系统。此系统通常由以下三部分组成:
(1) 误差信号监测装置。该装置的作用是监测输出激光频率变动, 并给出与偏移量成正比的光电误差信号;法布里-珀罗干涉仪、频谱分析仪、具有固定窄吸收峰的饱和吸收媒质以及具有稳频本机振荡器的光学外差接收器等装置, 均可起到上述监测作用;
(2) 误差信号反馈放大装置。通常为一组电子线路, 其功能是将误差信号以电信号的形式加以检测放大, 然后反馈输入到自动校正装置;
(3) 频率自动校正装置。激光振荡频率的严格数值由共振腔光学长度决定, 因此, 当实际振荡频率偏离预定的数值时, 由反馈系统输入的误差信号可通过压电作用调整共振腔反射镜的前后位置, 以改变几何腔长, 或者通过线性电光效应改变置于腔内的电光晶体的折射率 (相当于改变腔的光程长度) , 使激光振荡频率向相反的方向发生变动, 以抵消已产生的偏差影响, 从而可实现实际激光振荡频率的自动稳定控制。
2、 影响激光频率稳定的因素
激光利用置放于光学谐振腔内的激活介质产生激光振荡, 如果腔的机械长度l或者腔镜片之间的介质的折射率M发生变化, 就会引起频率的变化, 所以造成谐振腔几何长度和折射率改变的因素很多, 主要有以下几点。
2.1、 温度影响
温度变化的影响与任何物体的线性尺寸和温度都有关系。激光管所用的玻璃、金属支架的尺寸都随温度的变化而变化 (一般满足热涨冷缩的原理) , 故引起频率的漂移。
2.2、 机械影响
外界的机械振动, 如建筑物的震动、车辆的通行和声响等都会引起腔的支架振动, 使谐振腔的光学长度发生变化, 从而导致振荡频率的漂移。为了克服机械振动的影响, 稳频激光器必须准备良好的防震措施。
2.3、 磁场的影响
激光器谐振腔间隔器多采用殷钢材料, 但殷钢的磁致伸缩性质可能引起腔长的变化, 所以必须考虑地磁场效应和激光器周围电子仪器的杂散磁场对高稳定激光器或由磁场效应稳频的激光器的影响。除此之外, 大气变化等造成空气折射率变化激光器内的气压、放电电流的变化, 还有自发辐射造成的无规则噪声等内部因素也会影响频率的稳定性。通过以上分析可知, 最直接的稳频办法是恒温、防震、密封隔声和稳定电源等, 但是这些措施只可使频率稳定度达10-7量级, 要提高到10-8量级以上[4], 必须使用伺服系统对激光器进行自动控制稳频, 即主动稳频的方法。
3、 常见稳频方法
3.1、 兰姆凹陷稳频法
兰姆凹陷稳频装置及其工作原理的示意图如图1所示。光腔的全反镜装在一段压电陶瓷管上, 管内外壁加电压, 管长随之变化, 即腔长随之变化, 亦称腔长扫描。
图1 兰姆稳频装置
兰姆凹陷稳频稳定度可达到10-9~l0-10量级;其频率再现性较差, 一般为1×l0-7;这种方法的激光管外壁用低膨胀石英玻璃或者微晶玻璃制作, 靠压电晶体控制腔长, 所以价格昂贵, 还要求激光管必须是外腔或者半外腔式的。
3.2、 保和吸收稳频法
分子饱和吸收法是一种利用外界频率标准具有高稳定度的稳频方法, 故不会像兰姆凹陷法那样受压力位移等因素的影响。用甲烷作为吸收气体所构成的He-Ne:CH4稳频系统具有极高的频率稳定度和再现度。对He-Ne激光器的3.39μm谱线, 已获得10-13的频率稳定度和10-12的再现度[2,3]。由于其装置较复杂, 而且对环境要求高, 一般用于计量检定部门作为标准。
3.3、 塞曼效应稳频原理
用永久磁环 (或激磁线圈) 套在激光管上, 产生一个纵向磁场H。塞曼效应使6328埃的谱线分裂为左圆偏振光和右圆偏振光。当两频率相对于两增益曲线焦点为对称时, 两者强度相等。这种稳频方法的短期稳定性可达10-8以上, 重复性也受压力频移的影响, 为10-7量级。与兰姆凹陷法相比, 其输出功率和频率均不需低频调制;不足之处是价格昂贵, 频率达到稳定所需时间较长。
3.4、 热稳频法
除上面讨论的几种稳频方法外, 还有一种常用、简单、方便的稳频新方法——热稳频法, 即通过直接控制放电管中气体的温度, 进而稳定激光器输出光频。按有无加热器作为分类标准, 热稳频法可分为两类:一类是有加热器的热稳频法, 如电阻丝加热法、冷风扇法和循环水法;另一类是直接热稳频法, 如双纵模热稳频法。
3.5、 电阻丝加热稳频法
电阻丝稳频法是用电阻丝加热来对放电管的温度进行补偿, 美国休斯公司生产的He-Ne激光器就带有这种稳频系统。
He-Ne激光器腔长250mm左右 (具备两纵模同时并存的可能性) , 外面加一内外发黑的刚性套管, 以减小外界干扰, 增强管内温度的传递性。渥拉斯顿棱镜将He-Ne激光器的后光束分成偏振方向相互垂直的两线偏振光, 并且光电池加工它们转换为电信号, 送给差动放大器, 经过消噪声放大电路和相移电路后, 将温控电信号加在缠绕在He-Ne激光管壁上的电阻丝两端。
这种方法的频率稳定度可达10-8量级, 但是这种方法所需时间长, 加热效率低, 动态性能差。
3.6、 双纵模热稳频法
双纵模热稳频通过控制激光器的激励电流而改变激光器等离子体管的温度, 并调节腔长来达到稳频的目的 (与之类似的有日本人的单模热稳频) 。双纵模热稳频法装置原理图如图2所示。图中的数字1是He-Ne激光器、2和3是倾斜呈步儒斯特角, 且相互正交安装的玻片、4和5为光电管、6为差动放大器、7为光电耦合器、8为时间比较电路、9为受控调压电桥、10为高压电源电路。
图2 双纵模热稳频法装置原理图
上图中2和3将偏振方向正交的两个模式激光分别反射一部分到光电管4和5, 两只光电管差动连接, 如果有一个模减弱, 则接收改模的光电管输出电压下降, 经过放大后输出控制电压经光电耦合器7和受控调压电桥9控制激光电源10的输出电压, 使激光器中放电电流加强或削弱, 从而使温度变化, 引起谐振腔长作有利于正在减弱的那个模重新加强的变化, 最后使两个相邻纵模同时并存。其中的时间比较电路8可根据模式变化而自动控制激光管的预热时间。
这种方法既不需要使用压电晶体, 也不要求用膨胀系数很小的材料做谐振腔, 无需外加磁场, 因而成本大大低于塞曼型和兰姆凹陷型的光源。它直接控制放电电流即控制放电管中等离子体的温度来改变谐振腔长度, 达到稳频目的。以这种方式达到频率稳定度为2×10-9, 再现性为10-8[4]。
4、 结论
本文对激光稳频技术做了大概的总体介绍, 并介绍了一些目前国内外的激光稳频技术, 由此可以看出, 没有激光稳频, 激光很难在各个精度要求比较高的领域中得到深入的应用。这种技术从一开始仅仅着手于提高激光器性能, 到使用负反馈系统, 方法模式发生了根本性的改变。相信未来会发现更适用于此系统的物理现象, 激光稳频技术也会愈发成熟, 使激光广泛地应用于各个领域中。
参考文献：
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