激光技术

第二十章 激光技术

第一节 激光稳频技术

一、概述

　　在许多实际应用中，不仅要求激光器实现单频输出，而且还要求单频激光器的频率本身稳定。要使激光器频率稳定则要通过稳频技术来实现。本节重点介绍几种常用的稳频技术。

　　1．频率的稳定性和复现性。通常用频率的稳定性（又称稳定度）和复现性这两个物理量来表示激光频率稳定的程度。

　　频率稳定性通常指激光器在连续运转时，在一定的时间间隔内平均频率（v）与该时间内频率的变化量（Δv）之比。

　　S=v/Δv　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(20-1)

　　显然，变化量Δv越小，则S越大，频率的稳定性愈好。

　　频率稳定度分为短期稳定度和长期稳定度，常用1s作为界限，观测 时间τ大于1s的称为长期稳定度。

　　频率复现性是表示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。

　　复现性定义为：

　　R＝v/δv　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（20－2）

　　式中v为平均频率，δv表示在不同情况下的频率改变量。

　　由此可见频率的稳定和复现性是两个不同概念。所以考查一台激光器的稳频精度，需用稳定度和复现性来衡量。

　　2．影响激光频率稳定的因素。由（18－7）式，激光的纵模频率为：

　　v_q=(c/2nL)q　　　　　　　　　　　　　　　　　　(20-3)

　　如果上式中腔长L和介质折射率n发生变化，将引起频率v_q的变化。

　　将上式微分，得到：

　　Δv/v=-(ΔL/L+Δn/n)　　　　　　　　　　　　　　　　　　(20-4)

　　由此可见，激光频率的稳定受下列因素影响：

　　（1）温度引起腔长变化。则有

　　Δv/v=-ΔL/L=-aΔT　　　　　　　　　　　　　　　　　　(20-5)

　　ΔT是温度变化量，a是构成谐振腔材料和线膨胀系数；石英玻璃a=6×10^-7/度；殷钢a=9×10^-7/度。所以稳频激光器采用石英玻璃作为激光管，用殷钢材料作为支架。

　　（2）大气变化引起折射率的变化。当空气温度、气压和湿度变化时，频率变化为

　　|Δv/v|=9.3×10^-7ΔT+3.6×10^-7ΔP+5.7×10^-7ΔP_H

　　（3）机械振动对频率稳定性的影响。机械振动可引起腔长变化，也会使布氏窗片法线与光轴夹角变化，从而引起频率的相对变化，变化量为：

　　Δv/v=dΔβ/nLsinβ　　　　　　　　　　　　　　　　（20－6）

　　式中d为窗片厚度，Δβ为窗片法线与光轴夹角变化量。

二、激光频率的稳定方法

　　激光频率的稳定方法大体上分被动式稳频和主动式稳频两大类。

　　1．被动式稳频方法。这种方法是将激光器谐振腔反射镜之间的间隔器采用膨胀系数小的材料制作，同时对整个激光器谐振腔系数进行恒温控制。也可选用膨胀系数分别为正和负的两种材料以一定长度比例组合成谐振腔间隔器。在一定的温度范围内，两种材料的长度变化相互补偿。通常选用具有正膨胀系数的石英和具有负膨胀系数的玻璃、陶瓷组合，用这种方法制作的稳频激光器，在温度变化范围达±1.5℃时，频率的相对变化也不超过5.5×10^-8。

　　2．主动式稳频方法（见图20－1）。这种稳频激光器有一个固定在压电陶瓷上的反射镜，当激光器的频率偏离特定的标准频率时，通过一伺服控制系统，将频率的偏离变成驱动压电陶瓷的误差信号，由压电陶瓷的伸缩来控制腔长，使其振荡频率重新靠近特定的标准频率，以达到稳频的目的。根据此方法依据的原理不同，又分为蓝姆凹陷稳频、塞曼效应稳频及饱和吸收稳频等几种主动式稳频方法。

　　稳定度可达10^-12-10^-14，再现性达10^-7－10^-9。



图20－1