第一章激光原理与技术讲义.ppt

1967年，国际上定义在零磁场下铯原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的9192631770个周期持续的时间为一秒。 原子钟 任何具有周期性变化的自然现象都可以用来测量时间 天文秒 地球自传的八万六千四百分之一 原子秒 原子钟 实现上述定义的装置称为原子钟，精度为1×10-14左右，即三百万年不差一秒。 1989年，W.保罗（德国人）、H.G.德默尔特、N.F.拉姆齐（美国人）?创造了世界上最准确的时间计测方法—原子钟，为物理学测量作出杰出贡献?。 1969年以后，科学家们成功地测定了甲烷稳频3.39μm氦氖激光器的绝对频率值，又以氪86波长为基准测定了该激光的真空波长值，再经过国际间的平均与核对，得到了新的真空波长值，此值不受精度限制。 1983年第17届国际计量大会将米定义为光在真空中1/299792458s的时间间隔内行程的长度。 特点 把真空中的光速值作为一个固定不变的物理常数固定下来，光速值从此不在是一个物理学中可测量的量，而成为一个换算常数；长度测量可通过时间或频率测量导出，从而使时间单位和长度单位结合了起来。 新的米定义产生的原因或根据 以氪86波长的原米定义的复现精度（4×10-9）已不能满足各方面的需要； 稳频激光器的进展使激光器的频率的复现性大大优于氪86； 稳频激光器频率测量技术的进展和所测得的真空光速值的准确度受到了原米定义的限制； 保持真空光速值不变，对天文学、空间科学及大地测量学非常有利； 建立在真空光速值基础上的新的米定义，不会对长度单位量值的延续性带来影响； 70年代末和80年代初已经实验证明真空光速值在10-14范围内，没有发现真空光速值存在方向差异和光的色散效应。 2005年，诺贝尔物理学奖授予 美国科罗拉多大学的约翰·L·霍尔 哈佛大学的罗伊·J·格劳贝尔 德国慕尼黑大学的特奥多尔·亨施 米定义的复现 一、飞行时间法 二、真空波长法 三、稳频激光器 激光测量技术Laser Measurement Technology 在精密计量中，通常以波长为基准， 测量精度很大程度上决定于波长的精确程度。 §1.5 激光的稳频技术 频率稳定度 稳频的必要性： 频率再现性 要求 ——同一激光器在不同时间、不同地点、不同条件下频率的重复性 激光器输出单频的同时，频率变动尽可能小 表示频率变动的两个物理量 频率漂移远大于线宽极限!!! 一、频率变化原因 温度：任何材料的物体的线性尺寸都会随温度而变化 振动：引起腔镜位置变化、激光管变形，使腔长发生变化 同时，温度变化会引起介质折射率的变化 激光频率 频率变化 引起变化的原因 温度变化源于环境温度的起伏和激光管的发热 例：一个管壁材料为硬玻璃的内腔式氦氖激光器，当温度漂移±1?C时，由于腔长变化引起频率变化为 不加任何稳频措施，单纵模氦氖激光器的频率稳定性为 腔长变化引起频率漂移已超出增益曲线范围 在精密干涉计量、光频标、激光陀螺及精密光谱研究等应用领域中，需采用稳频技术以改善激光器的频率稳定性。 二、稳频方法 （一）被动稳频 1)控制温度：如 2)采用正负线膨胀系数的材料组合 3)防振、密封 （二）主动稳频 措施 基本原理 采用电子伺服控制激光频率，当激光频率偏离标准频率时，鉴频器给出误差信号控制腔长，使激光频率自动回到标准频率上。 利用激光器的输出功率P和频率v的关系曲线上的凹陷反应，在凹陷处输出功率随频率变化比较敏感，使激光器的频率起伏值Δv转换成输出功率的起伏值ΔP，从而获得误差信号,用此误差信号反馈控制谐振腔的长度，使激光器输出频率趋近中心频率v0 1.兰姆(Lamb)下陷法 Lamb下陷： 由于增益介质的增益饱和，在激光器的输出功率P和频率v的关系曲线上，在中心频率v0处输出功率出现凹陷的现象 稳频原理： A处，与激励信号，同频反相 B处，同频同相 V0处，2倍频 输出功率变化的规律不仅反映了激光器工作频率偏离中心频率的大小，而且反映了激光器工作频率偏离标准频率的方向，可作为差值信号。 鉴频方法：谐振腔镜在音频激励信号下振动 稳频装置示意图 缺点： 中心频率易受放电条件、压力位移等因素的影响，对中心频率的改变，无控制作用；而且线宽较宽，限制了频率稳定度的提高。 兰姆下陷稳频以激光工作物质原子谱线本身的中心频率为标准频率。 特点： 采用兰姆下陷法，632.8nm He-Ne激光的频率稳定度可达10-9，再现度只有10-7。 激光器输出激光的光强和频率均有微小的音频调制。 2. 饱和吸收法 原理: 利用外界频率标准进行高稳定度的稳频方法 方法: 在一外腔管中放入激光管的同时再装一吸收管 装置示意图 增益、吸收曲线 反兰姆凹陷的宽度比兰姆凹陷的宽度更窄，峰的位置更稳定，下陷的斜率也更大。 吸收介质对不同频率的光吸收是非线性的，对于