激光原理及技术实验讲义.docx

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激光原理及技术实验讲义

激光原理及技术

实验讲义

吴丽莹主编

系别

班级

姓名

哈尔滨工业大学

电气工程及自动化学院

2006年6月

实验一

横向塞曼效应He—Ne激光器的频率稳定

FrequencyStabilizationofTransverseZeemanHe—NeLaser（FSTZL）

一、简述

激光器为什么需要稳频？

这是精密计量的需要。

许多几何量的计量都以长度为基础，所以长度基准是非常重要的。

长度单位“一米”的定义是光在真空中1秒所走距离的299,792,458分之一。

这是一个绝对的定义。

实际上用激光波长作为测量的基准，这个基准的再现度可达到10-11—10-12。

He-Ne激光器同其它光源相比，频率和波长已经很纯了，但是在连续运行过程中，会产生频率飘移，即频率值随时间变化。

频率的变化就等于波长产生变化，给精密计量带来误差，所以必须采用稳频技术。

频率的稳定程度用稳定度指标衡量,稳定度是指激光器在一次连续工作时间内的频率漂移Δν与振荡频率ν之比

S的值越小，频率稳定度越高。

短期稳定度：

观察取样时间小于1秒；

长期稳定度：

观察取样时间大于1秒，可以是数分钟或几小时

二、实验目的

结合仪器实物学习横向塞曼效应稳频激光器仪器结构、系统组成、稳频原理；

掌握稳频的控制方法与技术、实现激光频率的稳定；

了解横向塞曼效应稳频激光器的性能、特点。

（例如：

频率稳定度高，10-10，偏振性能好，拍频频率低，易接收等）

三、实验原理

3.1横向塞曼效应

原子能级在外加磁场的作用下发生分裂的现象称为塞曼效应。

外加磁场方向与谐振光轴方向垂直，称为横向塞曼效应

He-Ne激光器置于横向磁场中

塞曼效应导致Ne原子上下能级分裂

横向塞曼激光器输出光的两频率分量为正交的线偏振光，具有良好的偏振特性，频差数值在几十千赫至几百千赫之间变化，一般不会大于1兆赫；

两分量在45度方向叠加可以产生差拍干涉。

（图1）

图1差拍干涉示意图

3.2差拍信号

设频率分别为

和

的单色光波的振动方程分别为：

两个光波迭加得：

是两分量之间的频差，频率为几十千赫芝到几百千赫芝，也即差拍。

可理解频率为（

）的振动对频率为（

）振动的调制，光强信号能用光电元件接受。

3.3横向磁场的产生

横向磁场的产生方法如图2：

用铁磁材料板将各分立磁块匀排连接。

图2磁铁布局方式

3.4激光谐振条件（驻波条件）

n——激光介质的折射率；l——谐振腔长度；

——振荡光波长；q——正整数

只有谐振腔的光学长度等于半波长整数倍的光波，才能形成稳定的振荡。

频率为

c—真空中的光速

谐振腔起了频率选择作用。

增益大于损耗（阈值条件）的频率才能发振。

两个谐振频率的间隔

为

q可取任意正整数。

原则上谐振腔内有无限多个频率和振荡方式，称为“纵模”。

通过磁场强度的控制改变增益带的宽度，得到单纵模。

图3谐振频率与纵模间隔

✧激光管处于特征磁场下，差拍信号的频率随谐振腔长度的伸缩呈周期性变化，描述该变化的曲线称为拍频调谐曲线。

✧差拍稳定，激光频率也稳定。

利用拍频调谐曲线上的线性段MN，将拍频稳定在工作点P，达到稳定激光频率的目的。

3.5调谐曲线

图4拍频调谐曲线

3.6频率稳定控制方案

风冷法，用电扇控制气流量，使其与激光放电产生的热量平衡，达到使激光管长度恒定的目的。

测量与偏差量为差拍频率，输出量为风扇控制电压，运用比例积分调节规律。

控制原理方框图如图5所示。

图5横向塞曼稳频激光器原理方框图

四、实验设备

横向塞曼效应He—Ne稳频激光器，控制器、计算机，打印机

五、实验内容及记录

1.打开仪器盖板，观察仪器结构、系统组成；

2.找到后光束，思考稳频激光差拍信号的取出原理，信号处理方法；

3.开机预热，观察拍频曲线的产生、形状、速度，打印出调谐曲线；

4.15分钟后，切换到自动调节程序，观察输出频率的稳定情况，打印出调谐曲线；

（3、4两项可参考图6给出的曲线。

）

5.手动调节调谐曲线，使其输出平稳，打印出调谐曲线；

6.思考从信号取出到风扇控制的硬件方框图；

7.思考从信号取出到风扇控制的软件方框图；

（a）预热段调谐曲线（b）由预热段转入频率稳定控制

图6实际拍频调谐控制曲线

六、讨论问题

以实验小组为单位，讨论并写出实验报告。

1．简单分析影响频率稳定的因素；

2．描述并分析稳频控制从开机到自动稳定的调谐曲线变化；

3．分析调谐曲线的走向与控制技术的关系；

4．画出控制系统电路原理方框图；

5．画出控制系统控制软件原理方框图；

6．试列表比较纵向塞曼效应、横向塞曼效应各自稳频的特点。

成绩

实验二

横向塞曼效应He—Ne激光器的频率稳定度评定

一、简述

在做横向塞曼效应He—Ne激光器的频率稳定度评定时，因为光频频率太高，无法直接测量，只能测到差拍信号，频率的数量级在几百K到1MHz左右。

通过差拍信号的稳定情况间接评定激光的频率稳定度。

1、频率稳定度

频率稳定度的定义为：

（2-1）

式中，ν—参考频率；Δν—激光频率的变化值。

2、复现度

激光器在不同时间、地点、环境下使用时频率的相对变化量。

（2-2）

式中，ν—参考频率；δν—激光频率的改变值。

二、实验目的

用阿伦方差法定量作横向塞曼效应He—Ne激光器的频率稳定度评定，包括短期稳定度和长期稳定度的测量。

三、实验原理

阿仑方差的表达式为

（2-3）

以T表示测量周期，以τ表示测量时的取样长度，也即测量时间，取N=2（每组采样个数），一般情况下，相邻两次测量间存在间隙，如图所示：

称为测量的间隔时间或间隙，数值一般大于零。

等于零时，称为无间隙阿仑方差。

由于“死时间”为零，所以采样更合理，更能准确地反映频率稳定度。

具体应用的阿仑方差用第k次和第k+1次测量频率偏差值表示，

（2-4）

表示对无穷组测量结果取平均，

和是相邻平均频率偏差值，即：

（2-5）

式中——某段时间间隔内的平均频率；

——信号源标称频率。

相邻两次测量没有间隔，取样结束的同时，是取样的开始，即死时间为零。

此时阿仑方差表示为：

（2-6）

测量中使用更方便，公式变为

（2-7）

—第i次测得的频率值；

—第i+1次测得的频率值。

（2-8）

用于长度计量的激光器，短、长期稳定度要求都较高，所以采样时间最短为0.1秒，最长为1000秒，也可设置更长些。

按等比系数取采样间隔，

即=0.1s，0.16s，0.4s，…160s，…1000s…。

为了保证测量结果的不确定度尽量小，应适当增加采样次数。

这里m取100-200次。

四、实验设备

1）横向塞曼效应He—Ne稳频激光器2）频率稳定度测量仪

3）计算机4）打印机

五、实验步骤

1）预热横向塞曼效应He—Ne稳频激光器，将其适时切换到自动稳频状态；

2）接通频率稳定度测量仪；

3）测量并记录短、长期频率稳定度。

六、讨论问题

1．阿伦方差测量频率稳定度的优点；

2．比较实验给出的短、长期稳定度的结果，分析哪种稳定度更高些，为什么？

成绩