第2章 稳频技术 2012.9.21.ppt

事实上，吸收管的气体在吸收线的中心处产生吸收凹陷的机理和兰姆凹陷相类似。对于υ=υ0的光 ，其正向传播和反向传播的两列行波光强均被υz =0的分子所吸收，即两列光强作用于同一群分子上，故吸收容易达到饱和 ；而对于υ≠ υ0的光，则正向传播和反向传播的两列光强分别被纵向速度为+ vz及- vz的两群(少于υz =0）分子所吸收，所以吸收不易达到饱和，在吸收线的υ0处出现吸收凹陷，如图6.4-2(b)所示。 * * 图6.4-2 反兰姆凹陷 增益管增益曲线 (b)吸收管吸收曲线 (c)激光器输出功率曲线 吸收线在中心处的凹陷，意味着吸收最小，故激光器输出功率(光强)在υ0处出现一个尖峰, 通常称为反兰姆凹陷, 如图6.4-2(c)所示。反兰姆凹陷可以作为一个很好的稳频参考点。其稳频工作程序与兰姆凹陷稳频相似，在此不予重复。 * vv0 同相 vv0 反相 v=v0 倍频 * 由于激光频率精度极高，欲直接测量频率的稳定度是很困难的，用一般电子仪器也无法将极高的光频变化显示出来；所以通常利用拍频的方法进行相对测量。它类似于电子技术中的差频技术，将两列光波进行混频，所得差频信号为无线电射频级，频谱分析仪及频率计均可对此拍频信号产生响应。对频谱分析仪来说，其输出电平正比于拍频信号的谱密度，而频率计测量的则是拍频频率。其数据采用阿仑(Allan)方差进行处理。 6.6 频率稳定性及复现性的测量 * 激光的相干性好，当两束光叠加在一起时, 初相位的差值是暂时稳定的或缓慢变化的，因而会产生干涉现象。两束光波之间的可相干性，为测量光波频率稳定性提供了一种方法—拍频测量法。 式中Ac1，Ac2为两光波之振幅。当这两束光(传播方向平 (6.6-1) 设频率相差很小的两束光波，瞬时频率分别为υ1(t) 及υ2(t)，其光场分别为 一.拍频的原理 * 行且重合)垂直入射到光电探测器上时，其输出的合成振动正比于光强(光场的平方), 即输出的光电流为 式中，第一、二项的平均值，即余弦函数平方的平均值等于1/2，而第三项(和频项)的频率很高，现有的光探测器无法响应，其平均值为零，第四项(差频项)相对于光频来说要缓慢得多, (6.6-2) * 可以看出，差频信号电流的频率(υ1-υ2)随两束光的频率υ1 、υ2成比例地变化；若激光器I相对于激光器Ⅱ的频率稳定性很高，可以认为υ1≈ υo(作为参考频率)，拍频Δυ= υ1- υ2 = υ0- υ2 ，因此拍频频率值的变化主要是由激光器Ⅱ的频率漂移的作用引起的。激光器Ⅱ相对于激光器 I 的频率稳定性为Δυ/ υo 。 (6.6-3) 当差频信号的频率低于光电探测的截止频率时, 即有（交流）光电流输出，即 * 图6.6-1 拍频法原理 拍频法的原理如图6.6-1所示。两信号之差频υB具有较低的数值, 用计数器测定其M个周期的长度为τ， * 因为同一批型号的He -Ne激光器的频率稳定度和复现性是不同的,因此,要用拍频技术对它们的相对频率稳定度和复现性作出评定。首先将各激光器与氪 基准波长进行干涉比对。 二、拍频技术测量的频率稳定性和复现性 * 拍频测量实验装置如图6.6-2所示。图中SL1和SL2是两台稳频的激光器，各自通过稳频器稳定(锁定)在参考基准中心；两台激光器输出的光经全反射镜R和部分反射透射镜S后完全重合, 并射到光电探测器上得到一差频电信号， 图6.6-2 拍频测量实验装置 * 继而进行放大输入到拍频测量及数据处理系统。通过频谱分析仪可直接进行观察；另外，通过频率计数器可读取拍频频率值。 设SL1作为参考频率 υ0=4.74×1014Hz(λ0=632.99142nm)，SL2为各待测激光器，在相同的运转条件下，先后测得各激光器相对于参考激光器的拍频频率。如其中某一激光器相对于参考激光器的Δυ1， Δ υ2，‥‥ Δ υN等等，N为取样测量次数。激光频率偏差的双取样阿仑方差为 * * v0 v=v0 频率 图6.2-3兰姆凹陷稳频原理 v0 下图示出了激光输出功率—频率曲线。输出功率在原子谱线中心频率υ0处有一极小值，选择它作为频率稳定点。其稳频工作过程如下： 输出一负直流电压馈送到压电陶瓷（外表面）上，这电压使压电陶瓷环缩短，从而使腔长伸长，于是激光振荡频率又回到υ0处。 * 因某种外界因素使腔长变长，工作频率变小，则通过上述过程，将使腔长缩短，自动地补偿了外界因素引起的频率变化，直到使激光工作频率稳定在兰姆凹陷中心频率v0上运转为止。 应当指出，兰姆凹陷