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激光頻率穩定的影響因素與有效方法

時間:2018-10-08 來源:現代信息科技 作者:黃治涵 本文字數:3863字

  摘    要: 激光穩頻技術是激光物理學、光譜學和電子學高度結合的產物, 它隨著激光應用的發展而發展。本文概述了激光穩頻技術的基本原理, 分析了各種影響He-Ne激光光源頻率穩定性的因素, 并介紹了He-Ne激光器單模雙模穩定技術以及國內外一些常見的穩頻技術。

  關鍵詞: 激光穩頻; 激光應用; 國內外穩頻技術;
 

激光頻率穩定的影響因素與有效方法
 

  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

  激光穩頻技術是激光物理學、光譜學和電子學高度結合的產物, 是隨著激光應用的發展而發展的。目前, 作為現代科學技術重要標志之一的激光已經在諸多領域得到了廣泛的應用, 為激光穩頻技術的發展奠定了基礎。激光穩頻技術是基礎科學研究的重要工具, 也是尖端科學的關鍵組成部分, 在現代科學中發揮著越來越重要的作用。

  激光穩頻工作的初期, 注意力集中在參數穩定、工作狀態和周圍條件的控制方面, 但收效不大;上世紀60年代, 當開始使用甲烷吸收線穩定激光頻率后, 光頻穩定進入了另一個新階段。隨著研究的深入, 人們發現了更多可資利用的物理現象, 使激光穩頻技術更加完善。

  1、 基本原理

  激光單元技術之一。激光器的輸出波長或頻率在某些應用場合下不希望發生無規變化, 特別是用作高精度光譜測量或有關計量標準時, 不但要求輸出激光具有盡可能高的單色性 (為此可采用選縱模技術) , 還進一步要求振蕩激光的精確頻率位置不發生隨機式的漂移變化[1], 因此, 必須采用專門的激光穩頻技術。一般而言, 激光振蕩頻率的漂移式變化是共振腔的等價腔長 (光程長度) 的漂移變化引起的, 因此, 為穩定激光的振蕩頻率, 首先應保證幾何腔長和腔內各固定元件的機械穩定性, 并同時保證器件運轉環境和有關物理參量 (特別是溫度和腔內通光媒質的折射率) 的穩定。在做到上述各點的基礎上, 由于激光振蕩過程多種因素的影響, 仍然有可能使振蕩頻率發生微小程度地漂移和變化, 因此, 可進一步采取更有效的頻率自動穩定控制系統。此系統通常由以下三部分組成:

  (1) 誤差信號監測裝置。該裝置的作用是監測輸出激光頻率變動, 并給出與偏移量成正比的光電誤差信號;法布里-珀羅干涉儀、頻譜分析儀、具有固定窄吸收峰的飽和吸收媒質以及具有穩頻本機振蕩器的光學外差接收器等裝置, 均可起到上述監測作用;

  (2) 誤差信號反饋放大裝置。通常為一組電子線路, 其功能是將誤差信號以電信號的形式加以檢測放大, 然后反饋輸入到自動校正裝置;

  (3) 頻率自動校正裝置。激光振蕩頻率的嚴格數值由共振腔光學長度決定, 因此, 當實際振蕩頻率偏離預定的數值時, 由反饋系統輸入的誤差信號可通過壓電作用調整共振腔反射鏡的前后位置, 以改變幾何腔長, 或者通過線性電光效應改變置于腔內的電光晶體的折射率 (相當于改變腔的光程長度) , 使激光振蕩頻率向相反的方向發生變動, 以抵消已產生的偏差影響, 從而可實現實際激光振蕩頻率的自動穩定控制。

  2、 影響激光頻率穩定的因素

  激光利用置放于光學諧振腔內的激活介質產生激光振蕩, 如果腔的機械長度l或者腔鏡片之間的介質的折射率M發生變化, 就會引起頻率的變化, 所以造成諧振腔幾何長度和折射率改變的因素很多, 主要有以下幾點。

  2.1、 溫度影響

  溫度變化的影響與任何物體的線性尺寸和溫度都有關系。激光管所用的玻璃、金屬支架的尺寸都隨溫度的變化而變化 (一般滿足熱漲冷縮的原理) , 故引起頻率的漂移。

  2.2、 機械影響

  外界的機械振動, 如建筑物的震動、車輛的通行和聲響等都會引起腔的支架振動, 使諧振腔的光學長度發生變化, 從而導致振蕩頻率的漂移。為了克服機械振動的影響, 穩頻激光器必須準備良好的防震措施。

  2.3、 磁場的影響

  激光器諧振腔間隔器多采用殷鋼材料, 但殷鋼的磁致伸縮性質可能引起腔長的變化, 所以必須考慮地磁場效應和激光器周圍電子儀器的雜散磁場對高穩定激光器或由磁場效應穩頻的激光器的影響。除此之外, 大氣變化等造成空氣折射率變化激光器內的氣壓、放電電流的變化, 還有自發輻射造成的無規則噪聲等內部因素也會影響頻率的穩定性。通過以上分析可知, 最直接的穩頻辦法是恒溫、防震、密封隔聲和穩定電源等, 但是這些措施只可使頻率穩定度達10-7量級, 要提高到10-8量級以上[4], 必須使用伺服系統對激光器進行自動控制穩頻, 即主動穩頻的方法。

  3、 常見穩頻方法

  3.1、 蘭姆凹陷穩頻法

  蘭姆凹陷穩頻裝置及其工作原理的示意圖如圖1所示。光腔的全反鏡裝在一段壓電陶瓷管上, 管內外壁加電壓, 管長隨之變化, 即腔長隨之變化, 亦稱腔長掃描。

  圖1 蘭姆穩頻裝置

圖1 蘭姆穩頻裝置

  蘭姆凹陷穩頻穩定度可達到10-9~l0-10量級;其頻率再現性較差, 一般為1×l0-7;這種方法的激光管外壁用低膨脹石英玻璃或者微晶玻璃制作, 靠壓電晶體控制腔長, 所以價格昂貴, 還要求激光管必須是外腔或者半外腔式的。

  3.2、 保和吸收穩頻法

  分子飽和吸收法是一種利用外界頻率標準具有高穩定度的穩頻方法, 故不會像蘭姆凹陷法那樣受壓力位移等因素的影響。用甲烷作為吸收氣體所構成的He-Ne:CH4穩頻系統具有極高的頻率穩定度和再現度。對He-Ne激光器的3.39μm譜線, 已獲得10-13的頻率穩定度和10-12的再現度[2,3]。由于其裝置較復雜, 而且對環境要求高, 一般用于計量檢定部門作為標準。

  3.3、 塞曼效應穩頻原理

  用永久磁環 (或激磁線圈) 套在激光管上, 產生一個縱向磁場H。塞曼效應使6328埃的譜線分裂為左圓偏振光和右圓偏振光。當兩頻率相對于兩增益曲線焦點為對稱時, 兩者強度相等。這種穩頻方法的短期穩定性可達10-8以上, 重復性也受壓力頻移的影響, 為10-7量級。與蘭姆凹陷法相比, 其輸出功率和頻率均不需低頻調制;不足之處是價格昂貴, 頻率達到穩定所需時間較長。

  3.4、 熱穩頻法

  除上面討論的幾種穩頻方法外, 還有一種常用、簡單、方便的穩頻新方法——熱穩頻法, 即通過直接控制放電管中氣體的溫度, 進而穩定激光器輸出光頻。按有無加熱器作為分類標準, 熱穩頻法可分為兩類:一類是有加熱器的熱穩頻法, 如電阻絲加熱法、冷風扇法和循環水法;另一類是直接熱穩頻法, 如雙縱模熱穩頻法。

  3.5、 電阻絲加熱穩頻法

  電阻絲穩頻法是用電阻絲加熱來對放電管的溫度進行補償, 美國休斯公司生產的He-Ne激光器就帶有這種穩頻系統。

  He-Ne激光器腔長250mm左右 (具備兩縱模同時并存的可能性) , 外面加一內外發黑的剛性套管, 以減小外界干擾, 增強管內溫度的傳遞性。渥拉斯頓棱鏡將He-Ne激光器的后光束分成偏振方向相互垂直的兩線偏振光, 并且光電池加工它們轉換為電信號, 送給差動放大器, 經過消噪聲放大電路和相移電路后, 將溫控電信號加在纏繞在He-Ne激光管壁上的電阻絲兩端。

  這種方法的頻率穩定度可達10-8量級, 但是這種方法所需時間長, 加熱效率低, 動態性能差。

  3.6、 雙縱模熱穩頻法

  雙縱模熱穩頻通過控制激光器的激勵電流而改變激光器等離子體管的溫度, 并調節腔長來達到穩頻的目的 (與之類似的有日本人的單模熱穩頻) 。雙縱模熱穩頻法裝置原理圖如圖2所示。圖中的數字1是He-Ne激光器、2和3是傾斜呈步儒斯特角, 且相互正交安裝的玻片、4和5為光電管、6為差動放大器、7為光電耦合器、8為時間比較電路、9為受控調壓電橋、10為高壓電源電路。

  圖2 雙縱模熱穩頻法裝置原理圖

圖2 雙縱模熱穩頻法裝置原理圖

  上圖中2和3將偏振方向正交的兩個模式激光分別反射一部分到光電管4和5, 兩只光電管差動連接, 如果有一個模減弱, 則接收改模的光電管輸出電壓下降, 經過放大后輸出控制電壓經光電耦合器7和受控調壓電橋9控制激光電源10的輸出電壓, 使激光器中放電電流加強或削弱, 從而使溫度變化, 引起諧振腔長作有利于正在減弱的那個模重新加強的變化, 最后使兩個相鄰縱模同時并存。其中的時間比較電路8可根據模式變化而自動控制激光管的預熱時間。

  這種方法既不需要使用壓電晶體, 也不要求用膨脹系數很小的材料做諧振腔, 無需外加磁場, 因而成本大大低于塞曼型和蘭姆凹陷型的光源。它直接控制放電電流即控制放電管中等離子體的溫度來改變諧振腔長度, 達到穩頻目的。以這種方式達到頻率穩定度為2×10-9, 再現性為10-8[4]。

  4、 結論

  本文對激光穩頻技術做了大概的總體介紹, 并介紹了一些目前國內外的激光穩頻技術, 由此可以看出, 沒有激光穩頻, 激光很難在各個精度要求比較高的領域中得到深入的應用。這種技術從一開始僅僅著手于提高激光器性能, 到使用負反饋系統, 方法模式發生了根本性的改變。相信未來會發現更適用于此系統的物理現象, 激光穩頻技術也會愈發成熟, 使激光廣泛地應用于各個領域中。

  參考文獻:

  [1]M.L.Chanin.A Doppler lidar for measuring winds in the middle atmosphere[J].Geophysical Research Letters, 1989, 16 (11) :1273-1276.
  [2]陳偉, 梁政, 鐘功祥, 等.哈利伯頓1400型壓裂泵動力端動力學虛擬仿真研究[J].機械研究與應用, 2004 (5) :111-113.
  [3]王世華, 周肇飛, 遲桂純.激光穩頻技術的新發展[J].成都科技大學學報, 2010.
  [4]鐘亮, 黃偉.He-Ne激光穩頻技術現狀與發展[J].機械, 2006 (9) :25-27.
  [5]卞正蘭, 黃崇德, 高敏, 等.PDH激光穩頻控制技術研究[J].中國激光, 2012, 39 (3) :7-11.

    論文來源參考:[1]黃治涵.激光穩頻技術簡析[J].現代信息科技,2018,2(09):40-42.
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