4光辐射的控制技术.ppt

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1、光辐射的控制，就是用信息信号对激光辐射进行作用。,光辐射的控制技术,与电子学中电子、电子束和空穴之类的带电粒子不同，在电性能方面呈中性的光子不能用电场或磁场来直接控制。,与无线电通信技术中利用无线电波作为传递语言、图象信息的载波相似，激光也可以用来作为传递信息的载波。,激光频率高，用激光传递信息的容量大。,由于激光光束的发散角小，方向性好，所以用激光传递信息具有保密性好，抗干扰性能强等优点。,激光可以用来作为传递信息的载体，是传递信息的理想光源。,功率 能量 脉宽 模式 线宽等,人们可以从不同的方面,改善与提高激光器的输出特性，扩大激光器的应用范围，,它们在激光应用及推动光电子技术的发展中，起

2、着非常重要的作用。,电光效应,光轴方向为z轴方向。,x方向振动的线偏振光沿着光轴方向通过晶体时，仍为x方向振动的线偏振光。,其它条件不变，在晶体上沿纵向加几千伏高电压，当光仍沿z向传播时，将出现双折射现象。外加电场引起晶体光学性质发生变化的效应电光效应。,因此，该二光通过长为l 的晶体后，将产生相位差,no为沿晶体光轴方向传播的自然折射率，63为KDP晶体的电光系数，Ez为沿z方向所加的电场强度。可以求得沿Z向传播、在x和y方向振动二光的感应折射率差为,可见，由感应双折射引起的该二偏振光的相位差与外加电压V成正比。在晶体内分解的沿x 和y 方向振动的二光的频率相同，振幅也相同，所以在它们通过晶

3、体后，其合偏振光将视偏振的不同，可能是线偏振光、椭圆偏振光或圆偏振光。,晶体中的电场强度Ez与两端电压V的关系为V=Ez l，上述相位差可表示为,声光效应,改变超声波频率，不管对喇曼-乃斯衍射还是对布喇格衍射，均可改变衍射光的极值方向和衍射光频率；改变超声波的强度，可以改变折射率光栅的幅度n，可以改变衍射光的极值光强。通过改变超声波场，控制衍射光强、频率、方向、从而达到光调制的目的。,由此可见：,反转粒子数超过了激光器的阈值反转粒子数，就将产生激光输出。,调Q概念,人为地控制激光器阈值，使其很高，抑制激光振荡的产生。由于光泵的激励，激光上能级将不断地积累粒子数。,1调Q的基本思想,当反转粒子数

4、达到最大数量时，突然降低激光器的阈值，由于此时的反转粒子数大大超过激光器的阈值反转粒子数,在极短的时间内大量抽空激光上能级的粒子，同时输出一个极强的尖锐脉冲，或调Q脉冲。,(一)锁模原理,1自由运转多模激光器的输出特性 包含有多个纵模，纵模频率为,假设每个纵模的电场表示式为,式中，q为正整数，q是第q个纵模的圆频率，L是谐振腔长。,二、锁模,则自由运转多模激光器的输出为,总光场是各个模式光场的非相干迭加。,2锁模激光器的输出特性,它是采取某种措施使各自独立起振的模式在时间上同步，即使其相位有确定的关系，例如使 常数。因此，总光场是各个模式光场的相干迭加。,假设起振的纵模有(2N+1)个，各振荡

5、模式的振幅均为E0，相邻纵模间的相位差均为，处在介质增益曲线中心的模序数q0，圆频率为0，初相位为0，则由各光场的相干迭加，可得总光场为,总光强为,式中，Io是单个模的光强。,该锁模激光器输出光的特点是：,锁模激光器的输出是间隔为 T=2L/C 的规则序列脉冲。,该序列脉冲中的每个脉冲宽度为,输出脉冲的峰值光强为单个模式光强的(2N+1)2倍，即为。它较之自由运转多模激光器光强，I0(2N+1)提高了(2N+1)倍。,右图绘出了七个纵模振荡的激光器，在锁相情况下的，激光输出时间特性。,由上所述，锁模激光器起振的纵模数目愈多，所产生的激光脉冲愈窄，峰值功率愈高。,光调制的基本概念,光调制,把欲传

6、输的信息加载到激光辐射上的过程，叫激光调制。,完成这一任务的装置，叫光调制器。而由已调制的激光辐射还原出所载信息的过程，叫解调。,几种典型的激光调制,(一)机械调制,作为输出反射镜的锗片贴在压电陶瓷上。,图给出了一种作为发射源的机械调制CO2 激光器的结构示意图，,压电陶瓷加有偏置直流电压和调制信号电压。压电陶瓷的长度l随调制信号电压Vm变化，其变化量l Vm。,由于CO2激光器的纵模频率v 随腔长的变化量v为,因Ll，所以，vVm，实现了输出光频率v随信号电压Vm线性变化的激光调频。,在PZT上贴一块3mm厚的锗片作机械负载，当 PZT所加电压改变1V时，可使激光频率变化6kHz，当激光最大

7、频率偏移为150kHz时，调制电压峰值约为25V。,式中，L是激光器谐振腔的长度，c是光的速度，q是正整数。,(二)电光调制,电场是沿着晶体主轴x、y、z中某一个方向加到晶体上的。经常采用的工作方式有两种：一种是电场方向与通光方向一致，都沿着z轴(光轴)方向，称为纵向运用；另一种是电场沿z或x或y轴方向，而通光方向与电场方向垂直，称为横向运用。,入射激光经起偏器后，成为振动方向平行于x轴的线偏振光,以纵向运用为例，介绍两种电光调制器的工作原理：1电光强度调制器,起偏器的偏振方向平行于电光晶体的x轴，检偏器的偏振方向平行于y轴。,入射光的强度Ii表示为 Ii=EE*=2A02当光通过长度为L的电

8、光晶体后，x和y两分量之间就产生了相位差。若将输出场表示为,在晶体感应主轴x和y方向上分量的幅度和相位均相等。若采用复数形式表示，可将位于晶体表面（z=0）的光场表示为,则由检偏器出射的是该二分量在y轴上的投影之和，即为,相应的输出光强It为,写成三角函数形式应为,因此，光强透过率T为,由于在普克尔电光效应中，与晶体上外加电压V成正比，并且当V=V/2时，所以根据比例关系，应有,由KDP晶体的纵向电光效应，其半波电压为,所以，光强透过率为,又由于KDP晶体对一定激光波长进行电光调制时，为一常数，因而T将仅随晶体上的外加电压变化。显然，改变加到晶体上的调制电压，即可改变光强透过率，起到了光强度调

9、制的作用。,调制器件应处于线性工作状态。假设调制电压为,显然，如果将工作点选在0点，调制器的输出必将产生信息失真。选择工作点，使调制器工作在线性区。,为使工作点在A点，采用两种方法：第一，在调制器上加四分之一波长电压，相应于产生2的相位差 但增加了电路的复杂性，并且因为调制器的温度变化，会使晶体的四分之一波长电压值随之变化，因而造成工作点的漂移。,第二种方法，插入一个四分之一波片。光通过晶体和四分之一波片后，两个正交偏振分量间的总相位差为为,可见，透过率与调制信号呈现线性关系。,调制器光强透过率,如果调制信号较小，满足 VMV/2，则近似有,2.电光相位调制器,它是由起偏器和KDP电光晶体组成

10、的。起偏器的偏振轴平行于晶体的感应主轴，电场沿z轴方向加到晶体上。,外电场不改变输出光的偏振状态，只改变其延迟相位。光通过晶体后，相位的变化为,如果外加电场，z=0处的入射光场为Ei=A0cost，则通过晶体后，相位调制的输出光场为,略去常数相位因子项，输出光场可表示为,为相位调制系数。,声光调制器，一是将零级光作为输出,另一种是将一级衍射光作为输出，其它级次衍射光用光栏档去。调制信号的变化，改变了声光介质中的超声波场，使其折射率分布发生变化，从而使衍射光的方向、光强和频率发生变化，达到调制之目的。由声光效应的分析，布喇格型衍射的一级光强满足下面关系：,I1/Ii=sin2(V/2),（三）.

11、声光调制,与电光强度调制器相比较，有相同的函数关系和相同的调制特性曲线关系。当调制信号较小时，上式可近似表示成；I1/Ii(V/2)2 根据声光效应，可进一步表示为 I1/Ii(2LM2/2H)Ps,式中L是光通过超声声柱的长度，H是矩形超声声柱的宽度，M2是声光介质的品质因素，表征该调制器的调制效率，PS是超声功率。,式中V=(2/)nL；是光通过声光介质时产生的附加相移。,Q调制,由激光原理知道，激光器的Q值表示式为,式中，nL是激光器的光程，是光在腔内的单程能量损耗率，是光波长。,调节Q值可以通过调节腔内的损耗实现。谐振腔的损耗率一般可表示为,分别为反射、吸收、衍射、散射、透射损耗。控制

12、不同类型的损耗，就形成了不同的调Q技术：,电光调Q激光器工作过程如下：若调 Q晶体(KDP)未加电压，该光沿轴线方向(光轴)通过晶体时，其偏振状态不发生变化，经全反射镜反射后，将再次(无变化地)通过调Q晶体和偏振器。电光Q开关处于“打开”状态。,(一)电光调Q,如果调Q晶体上施加4电压，由于纵向电光效应作用，沿x方向的偏振光通过全反射镜、两次经过调Q晶体后，在其相应的两感应主轴方向上的分量间，将产生丌的相位差，合成后得到沿y方向振动的偏振光，不能通过偏振器，电光Q开关处于“关闭”状态。如果在氙灯刚开始点燃时，事先在调Q晶体上加上4电压，使谐振腔处于“关闭”的低Q状态，将阻断激光振荡的形成。,氙

13、灯的不断激励下(图中的wp)，YAG上能级反转粒子数不断积累(图中的N(t)。当反转粒子数达到最大时，瞬时退掉加在调Q晶体上的电压，谐振腔处于“打开”的高Q状态，阈值反转粒子数Nth很小，N(t)Nth，即可雪崩式地产生激光巨脉冲(图中的(t)。,电光调Q的运转过程,由上述工作过程可见，这种电光调Q激光器的关键技术,应精确地保证调Q晶体上加入4电压时，Q开关处于“关闭”状态，,应精确地控制退掉调Q晶体上所加电压的时间。,这些问题可以通过适当地设计器件和控制线路得以解决。,上面激光振荡是利用输出反射镜的部分反射形成的。,这种激光振荡在Q开关打开后才开始建立，在腔内往返一次不可能把全部反转粒子耗尽

14、,因此，这种激光器输出的脉冲宽度，最短为几个ns，峰值功率为几十MW。,还有一类电光调Q激光器。其特点是将PRM调Q激光器中的输出反射镜换成全反射镜，改变激光输出的路径，,PTM调Q激光器,设置一个特定的光学系统，使Q突变时已在腔内形成了的最大激光振荡，瞬时全部透射输出。,如图M1、M2为谐振腔的两个全反射镜，PC为电光晶体(例如KDP晶体)，P为偏振棱镜。,KDP晶体的外加电压为V12，它的两个电极上分别加电压V1、V2，其中V1=V/4，V2为图所示的方波。当未加方波电压V2时，Q开关处于关闭状态，谐振腔处于低Q值状态，此时由于氙灯激励，工作物质处于储能阶段。,当工作物质上能级反转粒子数达

15、到最大值时(t0时刻)，将方波电压V2=V/4加上，晶体上的外加电压为零，Q开关处于“打开”状态，谐振腔处于高Q值状态，腔内迅速建立起振荡(但无输出)。,当腔内光子数密度达到最大值时，方波电压V2瞬时由V/4变为零，晶体上的外加电压变为V/4，则腔内形成的强光场往返两次经过电光晶体偏振面旋转90，最后由偏振棱镜P的侧面反射输出腔外。,由于在调Q激光器中，只有腔内激光功率密度达到最大值时，谐振腔才耦合输出全部能量，光子逸出谐振腔所需要的最长时间为2Lc，,即能量的释放基本上是在2Lc时间内完成的，所以可获得比 PRM调Q激光器更窄的激光脉冲，脉宽可达1 2ns。,图是在连续YAG激光器内插入一个

16、声光Q开关器件构成的。声光Q开关器件与一般声光调制器结构相似，也是由驱动电源、电声换能器、声光介质、声吸收器组成的。因为声光Q开关所需要的激励电压较低(小于2kV)，所以很容易实现对连续激光器的调Q,(二)声光调Q,有机染料的可饱和吸收特性是指它对光的吸收呈现非线性：对弱光吸收强，对强光吸收弱。其吸收系数与光强的关系为,（三）可饱和吸收染料调Q,式中，是光强为I时的吸收系数，为光强趋于零时的吸收系数，Is为饱和参量，是吸收系数减小到 2时的光强。,由该式可见，当光强很强，IIs时，0，吸收趋于饱和，染料对该光呈现透明状态，经常称这种染料状态为“漂白”。有机染料的吸收率和透过率与光强的关系如上图

17、所示。,图是染料调Q激光器的示意图，它是在谐振腔内插入一个染料盒构成的，盒的两端为光学平面窗片。,在光泵开始激励工作物质时，只发射一些荧光，染料对其吸收很强，透过率很低，这相当于在激光腔内引入了很大的损耗，Q值很低，不可能形成振荡。,随着光泵的继续激励，腔内工作物质辐射的荧光变强，相应染料的吸收减弱。当光强比Is大很多时，吸收趋于饱和，吸收系数趋于零，染料的透过率趋于最大值，染料被“漂白”，变得透明了。,这时，腔内Q值猛增，产生激光振荡，并形成巨脉冲输出。巨脉冲输出后，由于耗尽了工作物质的反转粒子数，腔内光子数剧烈下降。与此同时，染料的吸收剧增，谐振腔处于“关闭”状态。此即可饱和吸收染料Q开关

18、的一个动作周期。,由上所述，可饱和吸收染料调Q是一个被动Q开关，它无需外加电源等同步装置，完全是靠自身吸收的可饱和特性实现Q突变的。,可获得峰值功率千兆瓦、脉宽几十毫微秒的巨脉冲。,其主要缺点是输出不稳定，染料本身的特性会随时直接影响调Q性能。,腔内插入一个调制器 只要调制器的调制频率精确地等于该激光器的纵模间隔，就可以得到脉冲重复频率为c/2L的锁模脉冲序列。,锁模,1.主动式锁模技术,从时域上可以这样理解锁模脉冲的形成：因为（振幅）损耗调制的频率为c/2L，相应的周期恰好是光子在腔内往返一周的时间。,主动式锁模激光器,调制器放在腔的一端，电光调制器声光调制器，调制器的调制频率等于c/2L。

19、,腔内传输的光是以脉冲形式出现的，脉冲的重复频率与调制频率相同，并且等于纵模间隔。脉冲在腔内每往返一次，便由输出反射镜输出部分能量,图锁模脉冲的传输关系,腔内各个纵模中的某些光子，如果是在调制器损耗为零时通过，腔内往返一周后，所受到的损耗仍然为零。而其它时刻通过的光子，因每次通过调制器时的损耗总不为零，而受到抑制，不能起振。,在自由运转的激光器内插入很薄的(1mm2mm)可饱和吸收染料，只要激光器与染料参数选择得合适，可得到脉宽为微微秒量级，间隔为光在腔内往返一周时间的超短脉冲序列。,2.被动式锁模,被动式锁模激光器及输出,示出了激光通过染料的透过率T随激光强度I的变化情况。强信号的透过率较弱

20、信号的为大，只有小部分为染料所吸收。强、弱信号大致以染料的饱和光强Is来划分。大于Is的光信号为强信号，否则为弱倍号。,在没有发生锁模以前，假设腔内光子的分布基本上是均匀的，但还有一些起伏。由于染料具有可饱和吸收的特性，弱的信号透过率小，受到的损耗大，而强的信号则透过率大，损耗小，且其损耗可通过工作物质的放大得到补偿。所以光脉冲每经过染料和工作,物质一次，其强弱信号的强度相对值就改变一次，在腔内多次循环后，极大值与极小值差会越来越大。脉冲的前沿不断被削陡，而尖峰部分能有效地通过，则使脉冲变窄。,3对撞锁模(CPM),进入飞秒(10-15秒)领域，沿环行腔两相反方向传播的行波在可饱和吸收染料处对

21、撞。,对撞锁模激光器的结构示意,由于腔结构的对称性，能保证两反向传播光脉冲每环行一周都能在可饱和吸收染料处碰撞，而且由于两脉冲通过工作物质时有相同的增益，从而能使两等光强的光脉冲在可饱和吸收染料处相碰。,碰撞锁模的主要机制是在可饱和吸收染料内形成的空间“光栅”：两反向传播的同步、等光强相干脉冲，在可饱和吸收染料处形成驻波，由于驻波的空间光强分布，使得染料的饱和吸收介质折射率形成了空间周期性分布，它等效为一个折射率“光栅”，或称为粒子数分布“光栅”。在形成光栅的过程中，由于染料吸收较大，两脉冲能量的前沿因吸收而被压缩。,光栅建立起来以后，脉冲后沿通过染料时，会因受到后向散射而被压缩。,选模,激光

22、器输出激光，往往有多个模式，不能充分发挥激光的功率高、方向性好、单色性好和相干性好的优点。,激光束质量高,模式角度来说,良好的方向性极好的单色性,高质量的激光束,单横模单纵模,这些选模技术可以分为两大类：,发展了许多模式选择技术。,一类针对激光束的发散角，改善其方向性的横模选择技术，,另一类限制激光频谱数目的纵模选择技术。,1、横模选择1）选横模的意义和物理基础,基横模工作也是单频激光器所必须的要求，因为只有在单横模的基础上选单纵模。才能获得激光的单频振荡。,由激光原理已知，激光器振荡的条件是激光器的增益G必须大于其损耗。即G。考虑到激光器的实际损耗，该条件也可表示为,Gi+m+d,其中，i为

23、增益介质的损耗，m为腔镜上的损耗，d为谐振腔的衍射损耗。,选横模有两个基本原则：,增大高阶横模与基横模的衍射损耗比(即差异)。,尽量减小激活介质的内部损耗i及镜面损耗m，相对地增大衍射损耗d在总损耗中所占的比重。,小孔选模激光器,有光阑法、非稳腔选横模法等。,2选横模的方法,(1)光阑法选横模不同横模的光束半径不同，基横模有最小的光束半径，其它高阶模的光束半径依次变大。,在气体激光器中可以直接利用毛细管作光阑，减小毛细管的直径，限制激活介质的横截面积，抑制高阶横模，只允许基模起振。,在固体激光器中，因激活介质的直径不能做得太细，不可能通过工作物质的直径抑制高阶模，由激光原理知道，谐振腔内基模有

24、效光束半径(z)是随腔轴位置z变化的，在对称谐振腔(R1R2)中，(z)的表示式为,为保证基横模工作，小孔光阑的半径应与有效光束半径大致相等。若以rO表示光阑半径，并rO(z)，就可由上式求出rO的大小。此外，光阑在腔内的位置不同，rO的大小也不同。,光阑选横模的方法用得比较普遍，但由于光阑较小，限制了有效的基模体积，不能充分利用激活介质。可在腔内加透镜，以增大基模体积。,聚焦光阑法选横模,因为腔内有会聚光束，使得光阑处的功率密度很高，容易烧坏光阑，所以光阑要采用高熔点金属或兰宝石一类的材料。故这种结构不适于大功率、大能量激光器选用。,非稳腔是高损耗腔，利用几何光学的近似理论分析，可以得到几个

25、较低次横模在腔镜面上的场（场幅）分布，如图所示。,（2）非稳腔选横模,由图可见，除基模uo的振幅在腔镜面上均匀分布（uo=1）外，其它高阶模的振幅分布（）均为镜面边缘比中心大，即能量相对集中在边缘。因而，横模阶数越高，衍射损耗越大。,加之非稳腔的模体积大，有利于大功率、大能量激光器工作。因此，选横模本领高、大功率（能量）输出，构成了非稳腔激光器的突出优点。,稳定腔的基模“0”与邻近高阶横模“1”、“2”的损耗差不多，当基模“0”起振时，横模“1”、“2”也易受激起振，因而会形成多模输出。,但对于非稳腔，由于相邻横模间的损耗相差很大，易于作到只让最低阶的基模“0”起振，抑制掉其余的高阶模，即使腔

26、的增益很高，也不会使高阶模振荡。,1.选纵模的意义和基本思想 纵模是指沿谐振腔的纵向（轴向）场分布，它主要决定了激光器光振荡的频率。,二、纵模选择,为了获得单色性好的激光输出，激光器应当单频振荡，工作于单纵模状态。纵模选样技术就是保证激光器单频工作的基本技术。,单纵模工作的基本思想就是使得增益曲线阈值以上的区域内，只包含一个纵模。设计谐振腔，增大纵模间隔vq，使得在增益曲线的阈值以上区域，只有一个纵模可供振荡，使增益曲线变窄，使其阈值以上区域，只含一个纵模。,在激光器的增益曲线阈值以上范围内包含有多个纵模，则激光器将会多模运转。,(1)色散腔法粗选频率,2纵模选择方法,为了选择特定的谱线振荡，

27、可以采用窄带介质膜反射镜。介质膜的带宽一般只能做到001m左右,而色散腔法可作到(000100001)m的窄带。可以在某些荧光线宽较宽的介质中选择较窄区域单独振荡、使谱线变窄一些。,上图是利用色散棱镜实现粗选频率的装置。通过调整光路，可以使进入棱镜的入射角1等于离开棱镜的出射角2，并等于布儒斯特角。,棱镜色散腔,式中，是激光腔内光束所允许的发散角，B是布儒斯特角(在图中，1=2B)，dnd表示棱镜材料折射率随波长的变化率。,由物理光学知道,利用色散棱镜分光，腔内激光波长允许偏离中心波长的间隔(即允许的谱线宽度)为,若取01毫弧度，则对玻璃材料棱镜，在可见光区域，有0001m。这种棱镜色散法对一

28、些激光器进行振荡谱线选择，十分有效。,（2）短腔法选纵模,由谐振腔理论已知，纵模间隔为 显然，减小腔长，可以增大纵模间隔，当 大到等于增益线宽时，在增益线宽内只含有一个纵模，即可实现单纵模振荡。,（3）法布里一珀罗标准具法选纵模,在谐振腔内放置一个法布里一珀罗标准具。F-P标准具相当于一个滤光片，它对于不同波长的透过率分布如右图所示。图中的R为F-P标准具表面对入射光的反射率,式中c是真空中的光速，n是F-P标准具介质折射率，d是标准具厚度，是光进入F-P标准具内的折射角。光垂直入射时，,是相邻透射峰的频率间隔，由下式确定：,当将F-P标准具插人谐振腔时，激光器的振荡频率既要满足谐振腔的共振条

29、件，又要满足F-P标准具有最大透过率要求。一旦F-P标准具的厚度d小到使等于增益曲线的宽度，就可以实现单纵模运转。其选纵模原理，如图所示。,由于F-P标准具选纵模的谐振腔长度没有缩短所以输出功率仍可较大。,选模技术获得了单频振荡，由于内部和外部条件的变化，谐振频率仍然会在整个增益线型内移动，使输出频率变化，频率漂移。,稳频,1引起腔长变化的主要因素是：,反射镜的支架材料的热膨胀，使腔长变化；机械振动会引起谐振腔支架的振动，导致腔长变化。例如，一个腔长L150mm的HeNe激光器，振动引起的腔长变化 1m时，将使稳定度为6610-6。若要达到ll0-8的稳定度，必须保证 15nm(要注意，原子的

30、线度是01nm)；,2引起折射率变化的因素,暴露在大气腔体，当大气条件(气压、温度、湿度)变化时，空气折射率将产生变化，从而导致谐振频率变化。,1被动式稳频尽量将激光器与变化的外界环境隔离开来，减小外界环境对激光器的扰动,采用膨胀系数小的材料制作；,恒温控制限震密封隔声稳定电流等措施,被动式稳频的稳定度只能达到 10-7，要提高到10-8以上，非常困难。,对系统,可以减小外界环境的变化对激光器的影响,分为两类：被动式稳频和主动式稳频。,其主要思想是，选取一个稳定的参考标准频率当外界条件变化，使其频率偏离标准频率时，设法进行鉴别,2主动式稳频,在外界环境变化的情况下,保持谐振腔的光程腔长稳定不变

31、。,同时产生出一个反映这个偏差的误差信号，该误差信号可指明偏离标准频率值的大小，且能指明是偏大偏小，并将误差信号转变成执行信号,反馈给激光器的伺服机构，通过控制系统自动调节腔长，使激光工作频率稳定地在标准频率上运转。,由激光原理，由于增益饱和效应，其输出功率变化形式如图所示。,兰姆凹陷稳频技术,由于凹陷的宽度(约是谱线宽度的百分之一)远比谱线宽度窄，在v0附近频率v的微小改变，都将引起输出功率的显著变化。,形状呈钟形，在中心频率v0处有一个凹陷-兰姆凹陷。,将谱线中心频率v0选作标准频率，通过对输出光强的监测，实时地确定工作频率相对v0的偏离，利用灵敏的腔长自动补偿伺服系统，即可使激光频率稳定

32、在v0上运转，这就是兰姆凹陷稳频基本思想,由稳频激光管和稳频伺服系统组成。激光管采用热膨胀系数很小的石英管制成.,兰姆凹陷稳频装置,谐振腔的两个反射镜安置在殷钢架上，其中一个贴在压电陶瓷环上。,光电接收器一般采用硅光电二极管，它将光信号转变为相应的电信号。,相敏检波器(PSD)采用环形相敏桥，当输入信号与参考信号同相输入时,输出一个负的直流电压；当它们反相输入时，输出一个正的直流电压；当输入信号为零、只有参考信号输入时，无输出电压。,因此，相敏检波器输出电压的极性，与输入误差信号的相位有关，输出电压的大小反映了输入误差信号的大小。,音频振荡器除了向相敏检波器提供一个参考信号外。还向压电陶瓷环提

33、供一个01V的可调正弦电压，以对腔长进行调制。,压电陶瓷环的长度为几厘米。环的内外表面有两个电极，由于电致伸缩效应，在外表面外加正电压时，环伸长(腔长缩短)，而加负电压时。,兰姆凹陷稳频的基本过程如下：当压电陶瓷环上加有音频(例如lkHz)调制电压时，其长度产生周期性的伸缩，激光器的腔长将以同样的频率周期性地变长和缩短。,激光的振荡频率将会产生幅度为v的周期性变化，激光器的输出功率也将相应地产生幅度为P的周期性变化。,当v一定时，P的大小及输出功率变化的相位，仅与输出功率调谐曲线相应工作点的位置和斜率有关。,例如，相应外界因素的影响，激光器的振荡中心频率分别处在vA、vO、vB处，由于相应vA

34、处的功率调谐曲线的斜率是负值，所得到的输出功率的变化与调制信号同频、反相；,由于输出功率的变化特性中，既包含了激光工作频率偏离标准频率v0的大小，又包含了激光工作频率偏离标准频率v0的方向(偏大还是偏小)，所以可将其作为误差信号。,相应vB处的功率调谐曲线的斜率是正值，所得到的输出功率的变化与调制信号同频、同相；而相应于v0处的输出功率变化频率是调制信号的二倍。,当输出功率通过光电接收器被变换成电误差信号后，,相应vA，v0、vB三种状态的PSD输出电压分别为正、零、负的直流误差电压，它们经直流放大后，加到压电陶瓷环上，使环变长、不变和变短，从而使激光器谐振腔腔长相应地缩短、不变和变长。,相应v0工作频率状态的电信号不能通过选频放大器(其放大频率选定为lkHz)，,而相应vA和vB工作频率状态的电信号，可以通过选频放大器，并加到PSD上。,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，兰姆凹陷稳频是以原子跃迁中心频率v0作为参考标准频率的，所以v0本身的漂移(由压力位移、斯塔克效应、放电条件的变化等引起)，会直接影响频率的长期稳定度和再现度。,