FTP设计说明书

1、中北大学2013届毕业设计说明书毕业设计说明书基于F-P腔的激光器稳频技术学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： 2013年 6 月基于F-P腔的激光器稳频技术的研究摘 要线宽稳频激光器在高分辨光谱、基本物理常数测量、冷原子系统和光学频率标准等研究领域有着重要的应用。为了获得频率稳定且窄线宽的激光，可以采用PDH技术将激光频率锁定在高精细度光学谐振腔的共振频率上。本文主要以PDH技术为手段，开展了对激光器频率稳定特性的理论和实验研究。本文回顾了PDH技术的原理和特点，从理论上分析了电光相位调制的调制频率、调制度对光学谐振腔相位调制光外差光谱色散型谱线线型和鉴频曲线斜率的影响.实验上

2、，测量了F-P腔的相关参数。建成了利用PDH技术的激光稳频系统，将激光器的频率锁定在F-P腔的共振频率上。通过实验结果表明，锁定在光学参考腔上激光器的频率稳定度为量级(1s积分时间)和量级(100s积分时间)，实验还观测了温度变化所引起的频率漂移情况。关键词: 光外差光谱，PDH技术，F-P腔，电光相位调制，激光稳频Based on F-P cavity laser frequency stabilization technology reserchAbstractLinewidth laser frequency stabilization in high-resolution spectr

3、oscopy, the basic physical constants measurements, cold atom systems and optical frequency standards research has important applications. In order to obtain stable frequency and narrow linewidth laser PDH technology can be used in the laser frequency is locked high finesse optical resonator at the r

4、esonant frequency. This paper mainly PDH technology as a means to carry out on the laser frequency stability characteristics of the theoretical and experimental research.This paper reviews the principles and characteristics of PDH technology, from the theoretical analysis of electro-optical phase mo

5、dulation modulation frequency, modulation phase modulation of the optical resonator optical heterodyne spectroscopy dispersive spectral line and the slope of the frequency discriminator. Experimental , the production of electro-optical phase modulator and the F-P cavity, measuring the relevant param

6、eters of the F-P cavity. PDH technology built using the laser frequency stabilization system, laser frequency locked F-P cavity resonance frequency. The laser frequency stabilization through with another using two longitudinal mode frequency stabilization of laser beat frequency, resulting in lockin

7、g the F-P cavity laser frequency stability. Experimental results show that the locking cavity in the optical reference frequency stability of the laser is order (1s integration time) and order (100s integration time), experiments also observed temperature changes caused by the frequency drift.Keywor

8、ds: optical heterodyne spectroscopy, PDH technology, F-P cavity,electro-optical phase modulation, laser frequency stabilizatio中北大学2013届毕业设计说明书目 录1 绪论11.1 研究背景与意义11.2 研究现状及发展前景31.2.1 F-P腔的研究现状和发展前景31.2.2 激光器稳频的发展现状及前景102 .Fabry-Perot腔的基本原理与技术参数152.1 F-P腔原理及理论分析：152.2 F-P腔的调制原理172.3 F-P腔的技术参数192.4 调制度

9、、调制频率的选取对色散谱线线型和鉴频曲线斜率的关系212.4.1 调制频率的选取与激光的幅度噪声212.4.2 调制频率选择对鉴频曲线的斜率的影响213 Pound-Drever-Hall稳频技术233.1 PDH技术的原理及其优点：233.2 相位调制光外差原理：244 PDH方法进行激光器锁频264.1 PDH方法进行激光器锁频的实验装置图264.2 实验所得数据及其图像的处理274.2.1 激光器边带的产生274.2.2 经过F-P腔激光产生的鉴频曲线284.2.3 稳频后的所得的图像及数据295 总结与展望30参考文献31致谢33第 页 共 页1 绪论11 研究背景与意义激光由于具有良

10、好的单色性及相干性，被广泛应用于精密激光光谱和精密计量等诸多研究领域。频率稳定度极高的激光器已在计量研究领域提供长度基准和时间频率标准。自由运转的激光器因受到外界振动、温度起伏等因素的扰动，导致激光频率随时间变化，难以满足精密计量等应用上的要求。要使激光频率稳定输出就必须利用激光稳频技术，采取一定的措施来减小外界扰动所引起的激光频率漂移。实现激光频率稳定性的提高，通常可以选取一个频率参考标准，通过激光频率与频率参考标准进行比较，得到激光频率偏离频率参考标准的误差信号，通过伺服控制系统和执行机构调整激光器的某一参数，使激光频率锁定在频率参考标准上，从而获得频率稳定的激光。常用的稳频频率参考标准主

11、要有两类:一类是以原子或分子的跃迁谱线中心频率作为频率参考标准;另一类以光学谐振腔的共振频率作为频率参考标准。早在1946年, R.V.Pound就首先采用微波谐振腔1现微波频率稳定。由于光学谐振腔可以设计成具有极高的Q值，可提供窄共振谱线以及能满足各种特定波长等优点，所以它成为实现窄线宽激光稳频的一个有效的方法。20世纪80年代初，华东师范大学马龙生教授和J.LHall合作发展起来的调制转移光外差光谱是一种高灵敏的激光光谱技术，并成功地将该光谱技术用于实现高精度激光稳频。该技术通过相位调制光场与非线性介质的四波混频作用过程实现调制信号从调制光束转移到未调制光束，再经过光外差检测及相敏解调过程

12、，得到无多普勒背景的超精细结构光谱信号，可作为优质的鉴频信号，实现高精度的激光稳频。例如,在90年代末，美国科罗拉多大学天体物理联合实验室(JILA)采用该方法，实现了频率稳定度优于量级的波长为532nmYAG固体激光器稳频2而利用光学谐振腔的共振频率作为频率参考标准时，提供的是相对频率参考标准，其稳定度取决于腔的长度稳定性。该方法源于微波频率稳定，早在1946年，RvPound就首先采用微波谐振腔用于实现微波频率稳定。由于光学谐振腔可以设计成具有极高的Q值，可提供窄共振谱线以及能满足各种特定波长等优点，所以它成为实现窄线宽激光稳频的一个有效的方法。20世纪80年代初，R.w.P.Drever

13、和J.LHall等人成功地将激光频率锁定在光学参考腔的共振频率上，取得了线宽小于100Hz的稳频激光，以后人们一般把这种稳频方法称为Pound-Drever-Hall(PDH)稳频法3，J.Hough与D.Hils等人通过把F-P腔放置在悬挂托架上，从而显著降低外界环境振动对腔体的影响，并把一台染料激光器锁定在此F-P腔上，通过对两套相同激光系统的输出光进行拍频，测得激光频率稳定度达到2.210-13 (1s积分时间)，线宽小于750Hz。90年代初，TimothyDay等人把两个二极管泵浦Nd:YAG激光器锁定在一个精细度F=27500的F-P腔上，得到两个激光器的拍频线宽为700mHz。9

14、0年代末B.C.Young等人把563nm的染料激光器锁定在稳定且高精细度的F-P腔4细度F150000)，并把F-P腔置于V型槽中固定，将激光线宽压缩到600mHz，其频率稳定度为310-16 (1s积分时间)。2004年，美国JILA实验室将支撑点选取在竖直放置参考腔的中央，使腔的通光轴线与重力在一个方向，利用支撑面上下部分形变相消的原理来降低腔体的振动，使激光器的线宽压缩到0.7Hz(分辨率带宽为0.5Hz)。2007年，A.D.Ludiow，X.huang等人采用热噪声极限下的被动光学谐振腔,将半导体泵浦的激光器线宽压窄至 220mHz(分辨率带宽为150mHz)。综上所述，由于F-P

15、腔具有很高的稳定性和超窄的共振谱线宽度，并能满足几乎各个波段的激光稳频系统的要求。所以采用PDH技术将激光锁定在光学谐振腔上具有其它技术无法相比的优势，可以得到极高的频率稳定性和Hz量级或者亚HZ量级的超窄输出线宽。随着激光冷却技术的发展和应用，国际上许多小组在进行冷原子、单离子精密光谱检测和光钟系统的研究。由于冷原子的跃迁谱线宽度在Hz或亚HZ量级，因此需要超窄线宽的激光作为探测光。而采用PDH技术的稳频5能得到宽度在Hz或mHz量级的谱线，己成为冷原子精密光谱和光钟研究中关键的光源。华东师范大学精密光谱实验室一直致力于激光器频率的稳定性研究。先后采用包括饱和吸收光外差光谱、三次谐波探测技术

16、、调制转移光外差光谱技术以及光学谐振腔内吸收增强调制转移光外差光谱技术，得到了碘分子在532nm附近的无多普勒背景的超精细结构光谱，并山此实现了激光频率的绝对锁定。根据锁定误差信号分析，激光频率稳定度优于(1s积分时间)的频率高精度绝对锁定。近年来，结合冷原子光钟研究，开展了超稳窄线宽激光系统研制工作。采用振动免疫结构高精细度光学谐振腔(腔的精细度为F=300,000，采用超低膨胀系数的微品材料)和PDH稳频技术，将两台1064 nmYAG激光器6定在两个独立竖直放置的参考腔上，实现了线宽为Hz量级的激光输出。在此前提下研究PDH技术激光稳频特性，对于进一步提高稳频激光器的性能，为原子冷却及跃

17、迁谱线探测提供实用的稳频激光，具有一定的意义。1.2 研究现状及发展前景1.2.1 F-P腔的研究现状和发展前景光纤F-P干涉仪就是可调谐F-P滤波器的原型，它可以直接形成传感器，这种传感器可以是多光束干涉，也可以是双光束干涉;可以是白光干涉，也可以是单色干涉，该类型传感器在微弱应变、压力、位移的测量等方面，具有不可替代的位置，并已经形成产业。同样，在军用光通信领域、军用光纤传感器技术领域，光纤F-P干涉仪也具有重要的应用价值，例如，光纤F-P干涉型水听器，水听器的复用，舰船的状态监测，飞行器的健康监测，大型建筑物的结构安全监测，储油罐的温度、压力监测，生化传感器等都要用到光纤F-P干涉技术。

18、利用光纤祸合器和光纤干涉仪的选频作用就可以制作出光纤滤波器，目前市面上的可调谐光滤波器7多，其中研究的比较多且具有实用价值的主要有以下几种：Mach-Zenhder光纤滤波器，光纤光栅滤波器，声光滤波器，以及可调谐Fabry-Perot滤波器。其中，由于F-P滤波器具有许多独特的优点而被广泛应用于光纤通信和光纤传感系统中，该滤波器的实用化研究也越来越受到人们的重视，是光纤技术推广应用的关键器件之一。从整体性能上看，它具有极低的插入损耗，较宽的调谐范围，调谐速度也很快，同时能够保证较高的精细度，结构灵活可变，在实际工业使用中可做成不同结构来满足各种需求。可调谐F-P滤波器在光纤光栅传感系统中用作

19、解调器件，整个测量系统的性能都由其性能的好坏直接决定。在光通信系统中，可调谐F-P滤波器8波分复用(WDM)的解复用及信号解调等，可与探测器，激光器，波长转换器结合使用进行波长探测、光源信道设定和波长转换，在光纤放大器中它被用作信号滤波器，而且在光纤激光器，光传感和测量领域中也有非常重要的应用。目前世界上所广泛研究的F-P滤波器主要分为以下几类:微型电动机械系统(MEMS)形式的F-P滤波器，光纤光栅型F-P滤波器，液晶型F-P滤波器，固体腔型F-P滤波器和光纤型F-P滤波器。(1) MEMS型F-P可调谐滤波器目前，在工业应用和实验研究报道中提及的MEMS型可调谐F-P滤波器9很多，它可以采

20、用不同的材料和几何结构来制作。本节主要介绍一种比较典型有代表性MEMS可调谐F-P滤波器，它采用的是薄膜材料的InP形成平面反射镜，中间腔体介质为空气，其垂直结构如图1.1所示。该滤波器结构主要分为三个部分：顶部和底部分别为不同掺杂的分布布喇格反射镜，中间为空气腔。该滤波器的两端均为金属层。首先制备出数层InP薄膜，层与层之间的空气隙厚度为4，InP薄膜的折射率和空气折射率的对比度非常高，一般只需制备几层薄膜就能够达到高于99%的反射率，这样的多层薄膜平行布置就形成了分布布喇格反射镜。顶部和底部的分布式布喇格反射镜正对平行放置，中间介质为空气，形成了具有高反射率的F-P腔滤波器，可以很容易得到

21、一个非常宽的抑制频带(1250-800nm)。通过在上下两个分布布喇格反射镜上加载反偏电压可以产生静电力，在静电力的作用下腔长发生收缩，该方法能够持续调节滤波器的谐振波长，从而达到电压控制F-P腔的腔长调节的目的。图1.1 MEMS型F-P可调谐滤波器该滤波器具有非常好的性能:较高的精细度，以及相对较宽的自由光谱区，驱动电压低调谐范围大，抑制频带很宽。现在有报道称己研制出性能能够达到自由谱区为630nm的F-P滤波器，加载3.2v电压就可实现140nm调谐范围，主要是应用于无线电通讯和光信号处理，以及可调谐激光器等方面。另外也有采用化学方法辅助离子束蚀刻来制备F-P腔滤波器的研究，如图1.2所

22、示，该短腔F-P滤波器是由GaAsP/InP波导制成，通过加载电流可以达到调谐波长的目的，调谐速度非常快，能够达到 3ns，同时其波长调谐与电流注入值表现出非常好的线性关系，可用于波分多址(WDMA)系统中高速处理信息包转换。图1.2 化学方法制备的短腔F-P滤波器结构(2) 惆啾光纤光栅F-P滤波器如图1.3所示，在一个光纤上由两个线性惆啾的光纤光栅组成F-P腔从而形成惆啾光纤光栅F-P滤波器10器是全光纤结构器件，由光栅构成反射镜，中间的一段空白光纤将每个光栅隔开。光纤中光栅的长度、折射率调制强度以及相关的惆啾参数共同决定该滤波器F-P腔的反射率和反射谱带宽，制作时要求光栅具有相同的惆啾系

23、数和折射率调制深度。光栅中调谐点会不断发生变化，入射光信号经过每个光栅反射镜后将形成色散，这种类型的光栅型F-P腔中产生的总的响应与普通的由两个平行平板反射镜组成的F-P谐振腔相似。与块状滤波器相比，该全光纤型滤波器可与光纤设备达到更高的祸合效率，可用于信号解调、WDM系统的解复用，以及CWDM系统中的频率编码等方面。图1.3 惆啾光纤光栅型F-P滤波器(3) 液晶型F-P可调谐滤波器液晶F-P可调谐滤波器11构如图1.4所示，该结构类似于一个标准具(Etalon)，F-P腔中间的介质为液晶，两边为平行的玻璃衬底，液晶与玻璃衬底相对的表面上分别镀上多层介质高反膜和透明电极，一般为了降低损耗也会

24、增加一个准直层，这样就形成了液晶型F-P滤波器。利用液晶分子的双折射效应，通过改变两电极间的电场来调谐液晶分子的晶相排列方向，进而改变介质折射率并实现滤波功能。采用这种方法调谐滤波器的中心波长，其调谐速度非常快。图1.4 可调谐液晶FP滤波器的基本结构只是液晶分子为双折射材料，这样就使可调谐F-P滤波器成为与偏振相关的器件。同时，该滤波器属于块状结构，与光纤的祸合损耗较大，液晶本身也存在散射损耗与吸收，目前研究得到的器件自由光谱范围在50nm左右，插入损耗为 4dB，分辨率很大，多在0.17一0.4nm范围内。材料的温度特性也会影响器件的性能。这种可调谐F-P滤波器多用于WDMA光网络系统中作

25、为信号解调器，也可用于可调谐激光器中作为调谐元件，或是用在光谱成像系统中进行目标识别。(4) 固体腔型F-P滤波器在武汉理工大学的一个实用新型专利中涉及到一种典型结构的固体腔型F-P滤波器12器结构如图1.5所示，固体腔中介质为PMN-PT透明光电陶瓷，这种驰豫材料属于钙钦矿型多晶结构，具有各向同性的最小能量稳定结构和容易扭曲的电场。在外电场作用下，所有的畴都倾向于外电场排列，即发生极化，光就会产生双折射，从而表现出很强的电光效应。输入光波在通过前准直器后变成平行光，该平行光穿过前透射膜2和前反射膜3后，进入镀有前透明电极4的PMN-PT光电透明陶瓷块体5中，PMN-PT光电透明陶瓷块体5和前

26、反射膜3、后反射膜8形成了法布里-泊罗腔，光波在其中发生双折射效应，并且伴随有由反射形成的多光束干涉;光波经法布里-泊罗腔后，穿过后反射膜8、后透射膜9再传输到后准直器10上面，从而得到输出光波。同时，利用PMN-PT光电透明陶瓷的光电效应，在透明电极上施加外电场，通过改变外加电场强度来改变光电透明陶瓷的折射率，可达到折射率调谐的目的，从而产生滤波器可调谐滤波的作用。图1.5 固体腔型F-P滤波器结构示意图(5) 光纤型F-P滤波器国内外关于光纤型可调谐F-P滤波器13展了几十年，期间发明了许多结构滤波器的制备方法，研制最多并写入教材中的主要结构有三种，其区别就是能够满足不同自由光谱区(FSR

27、)的需要并降低该滤波器的插入损耗。图1.6就是这三种光纤型可调谐滤波器的结构示意图，图1.6(a)显示的就是光纤波导腔型F-P滤波器。在光纤两端面直接镀上高反射率薄膜，入射光在光纤中发生多光束干涉，这样就由光纤本身构成F-P谐振腔，将这一段光纤缠绕在PZT压电陶瓷上，通过外加电场作用于压电陶瓷并拉伸光纤从而调节F-P腔的长度。但由于受到结构限制，一般F-P腔长从厘米到米量级不等，造成该结构的自由光谱区(FSR)非常小。图1.6 光纤可调谐F-P滤波器的结构示意图图1.6(b)显示的是空气隙型F-P滤波器，F-P腔中介质为空气，也是直接在两个平行正对的光纤端面上镀高反射膜，这两个平行端面与其间的

28、空气介质一起组成F-P腔。通过支撑结构将压电陶瓷与一端或两端光纤固定，外加电场作用于压电陶瓷产生伸缩形变，于是引起光纤端面反射镜也沿轴向运动，腔长随之改变。这种结构的光纤F-P滤波器的自由光谱区范围较大，一般腔长都小于10m，但是其插入损耗较大。D.Marcuse等人经过研究讨论后指出，损耗过大是因为开腔的模场分布与光纤的模场分布不匹配，J.stone等人利用大模场与光纤模场的匹配，制备出插入损耗为4.3dB的可调谐F-P滤波器，其精细度是100，光纤模场半径是7.15m，腔长是7.图1.6(c)显示为改进型波导腔F-P可调谐滤波器，它是由上述空气介质型腔滤波器演变发展起来的，直接在F-P腔内

29、加入一段光纤波导，可以通过改变波导段的长度来调整滤波器的自由谱区范围(该波导长度一般为100到厘米量级)，该结构形成的F-P腔长可以大于10，解决了光纤与空气介质的模式失配和插入损耗较大的问题，有效的降低了插入损耗。J.Stone等人报道了细度为1000，插入损耗为 4dB的滤波器研制结果。但是由于该结构采用三段波导，增加了器件制作工艺步骤和加工难度，难以大规模产业化推广应用。针对F-P滤波器普遍存在祸合损耗和衍射损耗较大的问题，研究中往往在滤波器结构中加入自聚焦透镜组成藕合型结构，如图1.7所示。这种结构可分为两类:一种是在F-P标准具两端直接增加自聚焦透镜，起到准直、聚焦的作用;另一种是由

30、两个自聚焦透镜平行对准形成F-P腔，直接在其两个平行端面上镀高反射膜就形成了F-P滤波器，该结构的腔长调谐范围较大。图1.7 自聚焦透镜光纤F-P可调谐滤波器光纤型F-P可调谐滤波器中的光信号全部是通过光纤输入和输出，这样降低了解调设备的接入损耗，也有利于光通信系统的全光纤化，其自由谱区覆盖范围很大、分辨率高、带宽窄、结构灵活可变，而且调谐简单，精细度可以做到上千。不足之处是其结构稳定性不高，对温度和振动较敏感，但由于设计和制作工艺方面的进步，光纤F-P滤波器的性能有了很大提高。现在世界范围内，美国企业是光纤F-P可调谐滤波器的主要供应商，其技术领先，且积累了深厚的产业化生产经验，目前己经研制

31、了几千种光纤F-P可调谐滤波器，可用于信道监视、OADM、光学噪声滤除等。上述的这些不同种类的可调谐Fabry-Perot滤波器14点，在实际使用中可根据不同的应用需要来选择不同性能的器件。近年来我国的光通信技术和光纤传感技术得到迅猛发展，随着光网络复杂化和光纤传感精度的不断提高，作为其核心器件的光纤F-P滤波器，人们对其各项综合性能以及成本控制提出了更高的要求，目前国内外关于可调谐Fabry-Perot滤波器的研究朝着调谐范围更广，精细度更高，调谐速度更快，损耗更低的方向发展，另外器件的微型化，低成本也是研究的重点，本论文就是在低成本控制下展开对光纤型F-P滤波器的高性能研究。1.2.2 激

32、光器稳频的发展现状及前景半导体激光器广泛应用于光纤传感和光纤通信等领域，它的频率受周围环境的影响很大，作为通信光源频率波动会给信道带宽造成很大的浪费，同时限制了长距离传感的应用，因此，半导体激光器的稳频至关重要。以下为几种常见稳频方法的特点和发展趋势。(1) 原子或分子线稳频原子或分子线稳频15子线稳频主要是利用原子或分子的饱和吸收特性。将激光器的频率锁定在原子或分子的饱和吸收峰上，使激光器的频率保持稳定。基本原理为：对激光器的频率进行调制，产生误差信号。将误差信号反馈到激光器实现了将激光器的频率稳定到原子或分子的饱和吸收峰，达到稳频的目的。人们利用多种原子、分子以及不同的实验装置实现了饱和吸

33、收法稳频。目前，用原子或分子饱和吸收法稳频广泛应用于冷原子实验等各个领域。图1.8为典型的原子饱和吸收稳频的实验装置图。输出耦合器隔离器布拉格光栅气室激光器压电陶瓷直流光谱分析仪示波器2f1滤波器高压放大器f1耦合器光电探测锁相放大器f13f1滤波器鉴相仪3图1.8 原子饱和吸收稳频的实验装置图实验装置中使用了三次谐波锁定技术，主要是用于消除由于饱和吸收峰的顶点偏离原子吸收线的中心频率而造成的复现性变差的现象。这项技术用基频f1调制激光频率，与经过f3滤波后的信号一同送入鉴相器，反馈到激光器的恒流驱动部分，通过控制电流的大小来稳定激光器的频率。该实验装置具有较好的频率稳定性，能够达到10-10

34、的频率稳定度。由于实验装置中使用了三次谐波的频率锁定技术，使鉴相器在3倍频下工作，消除了背景功率的影响，提高了饱和吸收光谱信号的信噪比，从而大大提高了半导体激光器的频率锁定灵敏度和长期稳定性。不过这种稳频的方法实验结构比较复杂，而且短期稳定性不好。(2) 法布里-珀罗(F-P)腔稳频偏振分束棱镜电子科学与技术F-P腔具有很高的稳定性和超窄的共振谱线宽度，而且能够满足各个波段激光稳频的需要，所以采用相位调制光外差(PDH)技术将激光频率锁定在光学谐振腔的共振频率上，可以得到极高的频率稳定性和Hz量级或者亚Hz量级的超窄输出线宽。随着激光冷却技术的发展和应用，国际上许多小组在进行冷原子、单离子精密

35、光谱检测和光钟系统的研究。由于冷原子的跃迁谱线宽度在Hz或亚Hz量级，因此需要超窄线宽的激光作为探测光。而采用PDH技术的稳频激光器能得到宽度在Hz或MHz量级的谱线，已成为冷原子精密光谱和光钟研究中关键的光源。PDH技术的原理是将激光进行射频电光相位调制，利用F-P腔的共振特性和光谱检测技，得到具有良好鉴频特性的色散型谱线以及鉴频后激光的频率与F-P腔共振频率的误差信号。通过反馈系统来控制激光器的腔长进而改变激光器的频率，将激光频率锁定在光学谐振腔的共振频率上。图1.9为基于PDH技术和F-P腔稳频的实验原理图。F-P电光调制声光调制 激光器1/4波长压电陶瓷1/2波长电子与计算机科学技术探

36、测器射频驱动本振射频10MHz高压驱动电路电流光束双平衡混频相移中频放大器控制器图 1.9 基于PDH技术和F-P腔稳频的实验原理图从图1.9中可以看出激光首先经过作为光隔离器件的声光调制器,选择一级衍射光，再调节二分之一波片，改变激光入射到电光调制器上的偏振方向。使电光调制器对入射的激光产生相位调制。入射到偏振分束棱镜的激光被分成两束，其中一束穿过四分之一波片垂直入射到F-P腔。当激光器出射的激光在F-P腔共振时，反射出来的光在经过四分之一波片由圆偏振光变为线偏振光，并且方向旋转了90度。经过偏振分束棱镜进入到探测器中，探测器能够将光信号转换为电信号，并且与另个经过移相后的本振信号一起进入双

37、平衡混频器混频，混频后的光外差信号通过控制器(PID)改变其幅频和相频特性，然后进入高压驱动电路控制激光器上的压电陶瓷调节激光器的腔长。将激光频率锁定在F-P腔的共振频率上，从而实现了激光器的稳频。PDH技术具有很高的灵敏度和信噪比，而且具有很大的调节范围，稳频效果好。能达到10-10的频率稳定度：F-P腔几乎能适合各种波长的激光系统，所以PDH技术是一种理想的激光稳频技术，具有实用性。(3) 外腔稳频法外腔稳频法16导体激光器得到极窄的线宽和稳定的输出功率。外腔半导体激光器具有结构紧凑、效率高、寿命长、线宽窄、波长调谐范围宽等特点,是较理想的稳频激光光源。目前主要的外腔半导体激光器有闪耀光栅

38、外腔半导体激光器和光纤光栅外腔半导体激光器。图1.10为一种Littrow结构的外腔半导体激光器稳频结构图。输出光束激光器准直器闪耀光栅图1.10 Littrow结构的外腔半导体激光器稳频结构图外腔半导体激光器最终输出的模式不与作为外腔反馈元件的闪耀光栅有关。光栅方程17中d为光栅常数，为衍射角，m为衍射级次。由此看出，由于光栅有很强的色散性，回馈的光束不再是平行光而是按光谱散开成一定角度，因此反馈光不能全部反馈回激光器的有源区。通过改变可改变回馈到有源区的光谱成分，当回馈光中的某一波长与激光器的某一本征模波长一致时，造成该本征模与其余本征模之间很强的损耗差，导致半导体激光器稳定在这一本征模状

39、态。因此，利用光栅可对激光器的纵模进行选择和调制，实现激光器频率的稳定。用这种稳频方法得到的半导体激光器可广泛应用于外差干涉仪、调频干涉仪、光栅干涉仪等高精度光学测量系统中具有广阔的应用前景。(4) 直接电控稳频技术影响半导体激光器频率稳定度的因素有很多,但最主要的因素是工作电流的变化和工作温度的漂移。这种稳频技术的关键是检测出频率变化(误差信号)，然后将其转化为电信号，通过微控制器控制激光器的驱动电流和温度，从而稳定激光器的频率。一般情况下，通过控制电流的变化来补偿温度对频率造成的影响。因此,直接电控稳频技术是在半导体激光器工作在最佳工作温度的情况下，通过调整激光器的工作电流来达到稳频的目的

40、。直接电控稳频系统如图1.11所示，激光器波长测量系统 微控制器温度控制系统数控电流源图1.11 直接电控稳频系统对于半导体激光器而言，一般的稳频方法是对其波长进行测量和调节。在这个系统中具体的调节方法是：当半导体激光器的输出频率增大时。波长减小，波长测量系统采集的数据就会相应地减小。通过增加数控电流源的输出电流来调节激光器的频率稳定。同理，当输出频率减小时，减小数控电流源的输出电流直到频率稳定。对于一般的半导体激光器，其典型的输出波长与电流的变化关系是0.01nm/mA。采用直接电控稳频技术19率稳定度可达到6.7310-7，这种稳频方法仍然有提高频率稳定度的潜力。通过采用高性能的微控制器件

41、20，可使稳频系统达到更高的稳定度。这种采用微控制器控制的稳频系统不仅仅适用于半导体激光器，对其它各种激光器也可以起到很好的稳频效果，因此具有很好的应用前景。通过比较几种典型的稳频方法，基于F-P腔的激光器频率锁定技术在激光器频率稳定、研制高稳定性光源方面有着重要应用。因此，本毕业设计将采用基于F-P腔实现对激光器频率的锁定，通过稳频技术的运用，获得稳定的激光器频率。这将是进行后续精密测量和高端科研实验的有力依据，将为后续相关原子钟、高精度频率梳等方面的研究奠定必要的研究基础。2 Fabry-Perot腔的基本原理与技术参数2.1 F-P腔原理及理论分析：F-P干涉仪是根据多光束干涉的原理，利

42、用高反射膜间的多次反射而设计制作的，而法布里-拍罗滤波器实质上就是F-P干涉仪。多光束干涉是指一组相互平行的任意两束光之间光程差(或相位差)都相同的同频光束的相干叠加。许多光学现象，如薄膜干涉、布喇格衍射、牛顿环和干涉滤光片等，都是由多光束干涉产生的。同样，激光器的谐振腔也可视为一种特殊的F-P干涉仪，广泛应用于计量学、原子光谱学、天文学、光散射和等离子体诊断学等方面。图2.1 可调谐F-P干涉仪图2.2 具有高度平行平面的玻璃板如上图所示，可调谐F-P干涉仪有两种形式:一种是由相互平行的、内表面具有高反射率的两块平面玻璃板组成的，它们之间的距离可以通过调谐装置改变，距离可调的F-P谐振器即为

43、滤波器;另一种是用一块外表面都是高反射率的平行平面玻璃板制成，它的两个反射面之间的距离是固定的，这种形式称为标准具。图2.3为法布里一泊罗谐振器的工作原理示意图。图2.3 F-P干涉仪工作原理示意图对于稳态振荡，初始光脉冲的幅度必定等于它被来回反射之后的幅度。由于多光束干涉形成如图2.4所示的透射特性可表示为: At=T1-Rexp(i)Ai （2.1） It=T21+R2-2RcosIt=T2(1-R)2+4Rsin2(2)Ii （2.2）其中，分别为入射光场得振幅和光强，为出射光场的振幅及光强，为相邻两束光的相位差: =40nLcos （2.3）其中，R，T分别为镜面的反射率和透射率，在理

44、想状况下，R+T=l；n为腔中介质折射率，L为腔长。当光波长使得满足(m为正整数)时，有极大透射峰。这就形成了F-P腔的具有波长选择性的透过特性，从而达到滤波的效果。图2.4 F-P谐振腔的典型透射谱F-P腔的工作原理：F-P腔激光器是指采用法布里-珀罗谐振腔作为光反馈装置的半导体激光器的统称。图2.5所示为F-P腔的理论模型，它的工作原理为：当法布里-珀罗腔透射光拍频信号分析激光经电光相位调制后入射到法布里珀罗腔，其入射镜M1，对振幅的反射因数和透射因数分别为r1和t1，理想情况下r12+t12=1；出射镜M2对振幅的反射因数和透射冈数分别为r2和t2，理想情况下同样有r22+t22=1Eo

45、utEinM2M1图2.5 法布里珀罗腔的理论模型设Ein和Eout分别表不法布里-珀罗腔的入射场和出射场。理论推导可得 （2.4）式中为入射光在法布里-珀罗腔中往返一周的相位延迟(其中为法布里-珀罗腔的自由光谱程，f为载波或调制边带的频率,L为法布里-珀罗腔的腔长，c为真空中的光速，n为空气的折射率，计算中n近似取1，则法布里-珀罗腔的透射因数为: （2.5） 2.2 F-P腔的调制原理法布里-罗谐振腔(F-P)非常适合于制作成光纤可调谐滤波器，通过在两个相互靠近的光纤端面镀上高反射率的薄膜可形成F-P干涉谐振腔。人们可以通过改变两个光纤端面间隙间的距离来调谐谐振腔的腔长，腔长的调节一般是通

46、过压电微位移器(PZT)来实现的。在两块高反射率的平行平板中间填充介质(该介质可以为光纤波导、空气、液晶或电光晶体等)，构成一谐振腔，通过多光束干涉来选择所输出的波长。根据多光束干涉原理，在F-P腔内发生谐振的条件为nLCOS=N2 N=1,2,3, （2.6）式中n为介质的折射率，L为腔长，为入射角，为中心(谐振)波长，N为发生的干涉级数。对于理想的F-P滤波器来说，其功率传输系数为 TFP=T2(1+R)21+4R1+R2sin2(knLcos)-1 （2.7）式中，R,T分别为F-P腔两平行端面的反射系数和透射系数。由(2.6)式得到峰值功率传输系数为 TMAX=T2(1-R)2 （2.

47、8）不计平行端面的损耗(吸收或散射)时，Tmax=1。考虑端面损耗A时A=1-(T+R)，将其代人(2.7)式得到 TM=(TT+A)2 （2.9）由(2.6)式可以看出，当改变F-P腔内介质的折射率n、入射角或是F-P的腔长L时，都能够改变该滤波器的中心谐振波长。通过改变n，或L任何一个参量都可以达到调谐的目的。下面介绍这三种调制方法的理论原理。(1)角度调制(2.6)式两边对微分可得 =-2nLNsin() （2.10）上式表明入射角变化引起中心波长的偏移。这种调制法实现起来比较简单，但存在着严重的缺点和不足，主要是对温度和振动非常敏感，结构稳定性难以控制，很难适应实际应用的需求。(2)折

48、射率n调制当光垂直入射，即=0，且L固定时，若n变化，由式可得与的关系为： =nn （2.11）当腔内介质改变，其折射率将发生变化，这样滤波器的中心波长也随之变化。(2.6)式两边对L微分可得 =-LL （2.12）这种调制方法主要问题是，为了保证F-P滤波器的精细度不会降低，在改变腔长L时光纤端面必须严格保持平行，这样就对传动装置的精密性提出了很高的要求。2.3 F-P腔的技术参数(l) 自由光谱区 FSR(FreespectralRange)表示两个相邻纵模的频率间隔，其值由F-P腔的腔长和两镜间介质的折射率n来决定。 FSR=c2nl （2.13）(2) 腔的线宽定义为在透射峰半高度处的

49、全宽度(FWHM)，如下式表示， vc=c(1-R)2nLR （2.14）改变光学谐振腔的腔长，当入射光束信号的光谱宽度小于腔的相邻模式的频率差时，腔一长每改变便能扫出两个透射峰极大值。对于每个透射峰，当透射峰强度值下降到峰极大值一半时两边频率之差，其被称为腔的半峰全宽，即腔的线宽。图2.6 腔的线宽测量示意图由于调制边带和载波的频率间隔为调制频率，则F-P腔的线宽可表示为， vc=N2N1 （2.15）选择合适的调制频率，可实现对线宽的精确测量。在实验中=10MHz，实验得到载波与边带如下图2.7，图2.7 透射光的载波和边带由此便可以计算出边带的宽度。(3) 精细度(Finesse)是用以

50、度量光学谐振腔的损耗大小的量，F(Finesse)定义为和的比值。 F=FSRvc=R1-R （2.16）由上式可看出腔镜反射率越高，腔的精细度越高，其分辨率也越高。(4) Q值定义为谐振腔振荡频率和线宽的比值，腔的损耗越低品质因数就越高。Q=vc （2.17）自由光谱区FSR、Q越高，F-P腔的损耗就越小，线宽就越窄，能提供的参考频率标准就越稳定值是描述F-P腔特性的重要参数。在F-P腔的各项参数中，Q值的大小很关键，因为Q值综上所述，为了将窄的谐振腔共振谱线用于稳定性好的激光系统，需要使用窄线宽、精度细高的F-P腔作为参考频率标准，使获得的光学谐振腔光外差光谱的中心斜率很大，提高鉴频的灵敏

51、度。当激光频率对应于锁定点有微小的偏移，检测系统便能获得较大的误差信号，从而把激光精确锁定在参考腔的共振频率中心上。2.4 调制度、调制频率的选取对色散谱线线型和鉴频曲线斜率的关系2.4.1 调制频率的选取与激光的幅度噪声激光的幅度噪声的存在会影响光谱信号信噪比，导致激光频率锁定精度降低，激光的幅度噪声主要分布在低频部分。利用射频信号对激光进行调制，使得探测信号的频率移到射频区域，这样就可避开幅度噪声很大的低频区域。如图2.8当调制频率大于 1MHz时，幅度噪声下降3个量级(相当于60dB，达到散粒噪声的水平)。图2.8 激光幅度噪声频谱分布2.4.2 调制频率选择对鉴频曲线的斜率的影响图2.

52、9 鉴频曲线斜率随调制频率的变化图2.9中，tracel、traceZ、trace3分别对应调制频率 10MHz， 1MHz，100kHz的情况，从图中可以看出，当调制频率为100kHZ时，鉴频曲线的中心斜率最大，当激光烦率对应于锁定点有微小的偏移，检测系统便能获得较大的误差信号，从而把激光精确锁定在参考腔的共振频率中心上，但调制频率太低将影响控制系统的频率捕捉范围。综合上述，结合激光隔度噪声、鉴频曲线的斜率以及频率的捕捉范围等因素，实验中调制频率选取在10MHz，这样既能有效的避开激光幅度噪声的影响，又能在较大失谐频率范围锁定激光。3 Pound-Drever-Hall稳频技术3.1 PDH

53、技术的原理及其优点：稳频激光器是高分辨分子光谱学、精密计量、量子光学、原子冷却和基本物理量测量中不可缺少的工具。最近十几年，具有极高频率稳定性的激光器已被研制，并用于作为时间频率率标准和长度基准。精密计量和精密光谱研究对激光频率稳定性有着很高的要求。而一般激光器由于受环境温度及振动等影响，通常达不到如此高的频率稳定性，采用动态系统反馈控制原理是实现激光频率稳定的有效办法。图3.1 激光稳频系统原理图通常采用的激光稳频技术将激光频率锁定在一个参考频率标准上，原理如图3.1所示。精密光谱检测系统提供激光频率与参考频率标准偏差的鉴频信号，经过伺服控制系统再传送到执行系统，通过对激光频率的调整，使激光

54、频率锁定在参考频率标准上。激光稳频系统的稳定性取决于:参考频率标准的稳定性;鉴频信号分布特性;伺服系统的控制精度。常见的稳频方法主要有两种：一种是利用原子分子的跃迁谱线，如兰姆凹陷稳频、塞曼稳频、分子饱和吸收稳频；另一种是利用光学片振腔的共振谱线稳频，即PDH稳频技术。PDH技术是20世纪80年代发展起来的激光稳频技术，它利用光学谐振腔的共振频率作为参考频率标滩。该项技术的原理是将激光进行射频电光相位调制，利用F-P腔的共振特性和光外差光谱告检测技术，得到具有良好鉴频特性的色散型曲线，以及鉴频得到激光的频率；F-P腔共振频率的误差信号，通过反馈系统来控制激光的腔长，进而改变激光的频率，将激光频率锁定在光学谐振腔的共振频率。采用该技术锁定激光器的频率稳定性主要由F-P腔长变化，探测器的噪声和伺服控制系统的控制精度决定。PDH技术的优点在于:(l)由于F-P腔可以具有极高的Q值，能满足窄线宽激光稳频的要求;(2)F-P腔几乎能适合各种波长的激光系统，而不是局限在某一特定的波长上;(3)由于参