激光原理及技术实验讲义2012

1、激光原理及技术实验讲义吴丽莹主编系另g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HlNe激光器的频率稳定FrequencyStabilizationofTransverseZeemanHNeLaser(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10-11-10-12He-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

2、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V与振荡频率V之比1秒；1秒，可以是数分钟或几小时S的值越小，频率稳定度越高。短期稳定度：观察取样时间小于长期稳定度：观察取样时间大于二、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

3、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IHHe-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II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）3.2差拍信号设频率分别为f1和f2的单色光波的振动方程分别为：Eacos2二f|tE2=acos2二f2t-;2两个光波迭加得：二2acos1122n(f-f2)t-(歼血)1cos22n(ff2)t-(0血)1&二-f2是两分量之间的频差，频率为几十千赫芝到几百

4、千赫芝，也即差拍。可理解频率为（f1-f2）的振动对频率为（ff2）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；入一一振荡光波长；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2nlc真空中的光速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”图3谐振频率与纵模间隔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厶U为cccW2nl（q1）2niqJnl通

5、过磁场强度的控制改变增益带的宽度，得到单纵模。3.5调谐曲线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。3.6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。4a单片F.H莊桂栽-丁门：7丸三乜寸辻氓图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HlNe稳频激光器，控制器、计算机，

6、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；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；2. 开机预热，观察拍频曲线的产生、形状、速度，打印出调谐曲线；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。)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

7、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HeNe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Av频率稳定度的定义为:(2-1)式中，v参考频率;v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，v参考频

8、率;Sv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HeNe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212二2(N,T,)=lim：(N,T,)(2-3)(2-3)m-护my以T表示测量周期，以T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:234567S910(T-.)称为测量的间隔时间或间隙，数值一般大于零。(T-)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，云屮

9、山/厂)(2-4)(*表示对无穷组测量结果取平均，yk41和yk是相邻平均频率偏差值，即:0式中fk某段时间间隔内的平均频率;(2-5)信号源标称频率。相邻两次测量没有间隔，此时阿仑方差表示为：yk取样结束的同时，是yki取样的开始，即死时间为零。9cry(.m)1mHmm：M1-yQ22(2-6)测量中使用f更方便，公式变为2120Zi-2fi1()-fi()(2-7)fiC）第i次测得的频率值;(2-8)(2-8)fi1（）第i+1次测得的频率值m0。2丿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510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1）横向塞曼效应He-Ne稳频激光器