激光原理、技术与应用课件：4_2 激光器的稳频.pptVIP

影响频率稳定的因素 腔长变化的影响 温度变化：一般选用热膨胀系数小的材料做为谐振腔 机械振动：采取减震措施 折射率变化的影响 内腔激光器: 由于谐振腔封闭在放电管内，温度T、气压P、湿度h的变化很小，可以忽略 外腔和半内腔激光器: 腔的一部分处于大气之中，温度T、气压P、湿度h的变化较放电管内显著。应尽量减小暴露于大气的部分，同时还要屏蔽通风以减小T 、 P、 h的脉动 * * * 4.2 激光器的稳频 激光的特点之一是单色性好,即其线宽Δν与频率ν的比值Δν/ν很小。但由于各种不稳定因素的影响,实际激光频率的漂移远远大于线宽极限。在精密干涉测量、光频标、光通信、激光陀螺及精密光谱研究等应用领域中,要求激光器所发出的激光有较高的频率稳定性. 频率漂移——激光器通过选模获得单频率振荡后,由于内部和外界条件的变化,谐振频率仍然在整个线型宽度内移动的现象。 稳频目的：使频率本身稳定，即不随时间、地点变化。 用频率的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。 频率稳定度——激光器在一次连续工作时间内的频率漂移与振荡频率之比 频率复现性——激光器在不同地点、时间、环境下使用时频率的相对变化量 目前, 稳定度已达到10-9～10-13而复现性在10-7～10-12. 实际应用中,要求稳定度和复现性都能在10-8以上. 4.2.1 影响频率稳定的因素 对共焦腔的TEM00模来说，谐振频率的公式可以简化为： 环境温度的起伏、激光管的发热及机械振动都会引起谐振腔几何长度的改变。温度的变化、介质中反转集居数的起伏以及大气的气压、湿度变化都会影响激光工作物质及谐振腔裸露于大气部分的折射率。以上因素使腔长L及折射率率都在一定范围内变化,当L的变化为?L，?的变化为??时，引起的频率相对变化为： 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℃时,由于腔长变化引起的频率漂移已超出增益曲线范围。 腔长变化、折射率变化都是影响频率稳定的因素 1.温度变化的影响 环境温度的起伏或者是激光管工作时发热，都会使腔材料随着温度的改变而伸缩，以致引起频率的漂移，即 式中，△T为温度的变化量；α为谐振腔间隔材料的线膨胀系数，硬质玻璃α=10-5/0C，石英玻璃α=6×10-7/0C，殷钢α=9×10-7/0C。一般难以获得优于10-8的频率稳定度。 2.大气变化的影响 对于外腔式激光器，设谐振腔长为L，放电管长度为L0，则暴露在大气中部分的相对长度为(L- L0)/L，大气的温度、气压、湿度的变化都会引起大气折射率的变化，从而导致激光振荡频率的变动。设环境温度T=200C，气压p=1.013×105Pa，湿度H=1.133kPa,则大气对633nm波长光的折射率变化系数分别为 又设测量中温度、气压及湿度的时间变化率分别为 则引起激光波长的变动分别为 式中，τ为测量时间，对示波器τ=3~5s，对XY记录τ≤1min。 机械振动也是导致光腔谐振频率变化的重要因素。如建筑物的振动、车辆的通行、声响等都会引起腔的支架振动, 使腔的光学长度改变, 导致振荡频率的漂移； 3.机械振动的影响 对于L=100cm的光腔，当机械振动引起10-6cm的腔长改变时，频率将有1×10-8的变化。因此，要克服机械振动的影响，稳频激光器必须采取良好的防震措施。 为了减小温度影响，激光谐振腔间隔器多采用殷钢材料制成，但殷钢的磁致伸缩性质可能引起腔长的变化，如1.15μm波长的He-Ne激光器，仅由于地磁场效应可以产生140kHz的频移。因而地磁场效应和周围电子仪器的散磁场对于高稳定激光器影响必须加以考虑。 4.磁场的影响 综上所述，环境温度的变化、机械振动等外界干扰对激光频率稳定性影响很大，因而自然联想到，最直接的稳频办法就是恒温、防震、密封隔声、稳定电源等。 图 单频CO2激光器防震、恒温装置 1.激光器 2.减震器 3.石英玻璃管 4.铅筒(外绕加热丝) 图所示的是一台CO2激光器的防震、恒温装置。它采用了恒温措施，温度可恒定在35±0.030C。为了防震，在所有部件之间都置有海绵垫，并将整个装置放在坚固稳定的防震台上；还采用了稳压稳流电源。 实验证明，采用恒温度、防震装置后, CO2激光器的长期频率稳定度