激光穩(wěn)頻技術(shù)簡(jiǎn)析

摘 要：激光穩(wěn)頻技術(shù)是激光物理學(xué)、光譜學(xué)和電子學(xué)高度結(jié)合的產(chǎn)物，它隨著激光應(yīng)用的發(fā)展而發(fā)展。本文概述了激光穩(wěn)頻技術(shù)的基本原理，分析了各種影響He-Ne激光光源頻率穩(wěn)定性的因素，并介紹了He-Ne激光器單模雙模穩(wěn)定技術(shù)以及國(guó)內(nèi)外一些常見的穩(wěn)頻技術(shù)。

關(guān)鍵詞：激光穩(wěn)頻；激光應(yīng)用；國(guó)內(nèi)外穩(wěn)頻技術(shù)

中圖分類號(hào)：TN248 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）09-0040-03

Abstract：Laser frequency stabilization technology is a highly integrated product of laser physics，spectroscopy and electronics. It develops with the development of laser applications. In this paper，the basic principle of laser frequency stabilization is summarized，the factors that affect the frequency stability of He-Ne laser light source are analyzed，and the single mode dual mode stabilization technology of He-Ne laser and some common frequency stabilization technologies at home and abroad are introduced.

Keywords：laser frequency stabilization；laser application；stabilization technology at home and abroad

0 引 言

激光穩(wěn)頻技術(shù)是激光物理學(xué)、光譜學(xué)和電子學(xué)高度結(jié)合的產(chǎn)物，是隨著激光應(yīng)用的發(fā)展而發(fā)展的。目前，作為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)重要標(biāo)志之一的激光已經(jīng)在諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，為激光穩(wěn)頻技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。激光穩(wěn)頻技術(shù)是基礎(chǔ)科學(xué)研究的重要工具，也是尖端科學(xué)的關(guān)鍵組成部分，在現(xiàn)代科學(xué)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

激光穩(wěn)頻工作的初期，注意力集中在參數(shù)穩(wěn)定、工作狀態(tài)和周圍條件的控制方面，但收效不大；上世紀(jì)60年代，當(dāng)開始使用甲烷吸收線穩(wěn)定激光頻率后，光頻穩(wěn)定進(jìn)入了另一個(gè)新階段。隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)了更多可資利用的物理現(xiàn)象，使激光穩(wěn)頻技術(shù)更加完善。

1 基本原理

激光單元技術(shù)之一。激光器的輸出波長(zhǎng)或頻率在某些應(yīng)用場(chǎng)合下不希望發(fā)生無(wú)規(guī)變化，特別是用作高精度光譜測(cè)量或有關(guān)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，不但要求輸出激光具有盡可能高的單色性（為此可采用選縱模技術(shù)），還進(jìn)一步要求振蕩激光的精確頻率位置不發(fā)生隨機(jī)式的漂移變化[1]，因此，必須采用專門的激光穩(wěn)頻技術(shù)。一般而言，激光振蕩頻率的漂移式變化是共振腔的等價(jià)腔長(zhǎng)（光程長(zhǎng)度）的漂移變化引起的，因此，為穩(wěn)定激光的振蕩頻率，首先應(yīng)保證幾何腔長(zhǎng)和腔內(nèi)各固定元件的機(jī)械穩(wěn)定性，并同時(shí)保證器件運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境和有關(guān)物理參量（特別是溫度和腔內(nèi)通光媒質(zhì)的折射率）的穩(wěn)定。在做到上述各點(diǎn)的基礎(chǔ)上，由于激光振蕩過(guò)程多種因素的影響，仍然有可能使振蕩頻率發(fā)生微小程度地漂移和變化，因此，可進(jìn)一步采取更有效的頻率自動(dòng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)通常由以下三部分組成：

（1）誤差信號(hào)監(jiān)測(cè)裝置。該裝置的作用是監(jiān)測(cè)輸出激光頻率變動(dòng)，并給出與偏移量成正比的光電誤差信號(hào)；法布里-珀羅干涉儀、頻譜分析儀、具有固定窄吸收峰的飽和吸收媒質(zhì)以及具有穩(wěn)頻本機(jī)振蕩器的光學(xué)外差接收器等裝置，均可起到上述監(jiān)測(cè)作用；

（2）誤差信號(hào)反饋放大裝置。通常為一組電子線路，其功能是將誤差信號(hào)以電信號(hào)的形式加以檢測(cè)放大，然后反饋輸入到自動(dòng)校正裝置；

（3）頻率自動(dòng)校正裝置。激光振蕩頻率的嚴(yán)格數(shù)值由共振腔光學(xué)長(zhǎng)度決定，因此，當(dāng)實(shí)際振蕩頻率偏離預(yù)定的數(shù)值時(shí)，由反饋系統(tǒng)輸入的誤差信號(hào)可通過(guò)壓電作用調(diào)整共振腔反射鏡的前后位置，以改變幾何腔長(zhǎng)，或者通過(guò)線性電光效應(yīng)改變置于腔內(nèi)的電光晶體的折射率（相當(dāng)于改變腔的光程長(zhǎng)度），使激光振蕩頻率向相反的方向發(fā)生變動(dòng)，以抵消已產(chǎn)生的偏差影響，從而可實(shí)現(xiàn)實(shí)際激光振蕩頻率的自動(dòng)穩(wěn)定控制。

2 影響激光頻率穩(wěn)定的因素

激光利用置放于光學(xué)諧振腔內(nèi)的激活介質(zhì)產(chǎn)生激光振蕩，如果腔的機(jī)械長(zhǎng)度l或者腔鏡片之間的介質(zhì)的折射率M發(fā)生變化，就會(huì)引起頻率的變化，所以造成諧振腔幾何長(zhǎng)度和折射率改變的因素很多，主要有以下幾點(diǎn)。

2.1 溫度影響

溫度變化的影響與任何物體的線性尺寸和溫度都有關(guān)系。激光管所用的玻璃、金屬支架的尺寸都隨溫度的變化而變化（一般滿足熱漲冷縮的原理），故引起頻率的漂移。

2.2 機(jī)械影響

外界的機(jī)械振動(dòng)，如建筑物的震動(dòng)、車輛的通行和聲響等都會(huì)引起腔的支架振動(dòng)，使諧振腔的光學(xué)長(zhǎng)度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致振蕩頻率的漂移。為了克服機(jī)械振動(dòng)的影響，穩(wěn)頻激光器必須準(zhǔn)備良好的防震措施。

2.3 磁場(chǎng)的影響

激光器諧振腔間隔器多采用殷鋼材料，但殷鋼的磁致伸縮性質(zhì)可能引起腔長(zhǎng)的變化，所以必須考慮地磁場(chǎng)效應(yīng)和激光器周圍電子儀器的雜散磁場(chǎng)對(duì)高穩(wěn)定激光器或由磁場(chǎng)效應(yīng)穩(wěn)頻的激光器的影響。除此之外，大氣變化等造成空氣折射率變化激光器內(nèi)的氣壓、放電電流的變化，還有自發(fā)輻射造成的無(wú)規(guī)則噪聲等內(nèi)部因素也會(huì)影響頻率的穩(wěn)定性。通過(guò)以上分析可知，最直接的穩(wěn)頻辦法是恒溫、防震、密封隔聲和穩(wěn)定電源等，但是這些措施只可使頻率穩(wěn)定度達(dá)10-7量級(jí)，要提高到10-8量級(jí)以上[4]，必須使用伺服系統(tǒng)對(duì)激光器進(jìn)行自動(dòng)控制穩(wěn)頻，即主動(dòng)穩(wěn)頻的方法。

3 常見穩(wěn)頻方法

3.1 蘭姆凹陷穩(wěn)頻法

蘭姆凹陷穩(wěn)頻裝置及其工作原理的示意圖如圖1所示。光腔的全反鏡裝在一段壓電陶瓷管上，管內(nèi)外壁加電壓，管長(zhǎng)隨之變化，即腔長(zhǎng)隨之變化，亦稱腔長(zhǎng)掃描。

蘭姆凹陷穩(wěn)頻穩(wěn)定度可達(dá)到10-9～l0-10量級(jí)；其頻率再現(xiàn)性較差，一般為1×l0-7；這種方法的激光管外壁用低膨脹石英玻璃或者微晶玻璃制作，靠壓電晶體控制腔長(zhǎng)，所以價(jià)格昂貴，還要求激光管必須是外腔或者半外腔式的。

3.2 保和吸收穩(wěn)頻法

分子飽和吸收法是一種利用外界頻率標(biāo)準(zhǔn)具有高穩(wěn)定度的穩(wěn)頻方法，故不會(huì)像蘭姆凹陷法那樣受壓力位移等因素的影響。用甲烷作為吸收氣體所構(gòu)成的He-Ne：CH4穩(wěn)頻系統(tǒng)具有極高的頻率穩(wěn)定度和再現(xiàn)度。對(duì)He-Ne激光器的3.39μm譜線，已獲得10-13的頻率穩(wěn)定度和10-12的再現(xiàn)度[2，3]。由于其裝置較復(fù)雜，而且對(duì)環(huán)境要求高，一般用于計(jì)量檢定部門作為標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻原理

用永久磁環(huán)（或激磁線圈）套在激光管上，產(chǎn)生一個(gè)縱向磁場(chǎng)H。塞曼效應(yīng)使6328埃的譜線分裂為左圓偏振光和右圓偏振光。當(dāng)兩頻率相對(duì)于兩增益曲線焦點(diǎn)為對(duì)稱時(shí)，兩者強(qiáng)度相等。這種穩(wěn)頻方法的短期穩(wěn)定性可達(dá)10-8以上，重復(fù)性也受壓力頻移的影響，為10-7量級(jí)。與蘭姆凹陷法相比，其輸出功率和頻率均不需低頻調(diào)制；不足之處是價(jià)格昂貴，頻率達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間較長(zhǎng)。

3.4 熱穩(wěn)頻法

除上面討論的幾種穩(wěn)頻方法外，還有一種常用、簡(jiǎn)單、方便的穩(wěn)頻新方法——熱穩(wěn)頻法，即通過(guò)直接控制放電管中氣體的溫度，進(jìn)而穩(wěn)定激光器輸出光頻。按有無(wú)加熱器作為分類標(biāo)準(zhǔn)，熱穩(wěn)頻法可分為兩類：一類是有加熱器的熱穩(wěn)頻法，如電阻絲加熱法、冷風(fēng)扇法和循環(huán)水法；另一類是直接熱穩(wěn)頻法，如雙縱模熱穩(wěn)頻法。

3.5 電阻絲加熱穩(wěn)頻法

電阻絲穩(wěn)頻法是用電阻絲加熱來(lái)對(duì)放電管的溫度進(jìn)行補(bǔ)償，美國(guó)休斯公司生產(chǎn)的He-Ne激光器就帶有這種穩(wěn)頻系統(tǒng)。

He-Ne激光器腔長(zhǎng)250mm左右（具備兩縱模同時(shí)并存的可能性），外面加一內(nèi)外發(fā)黑的剛性套管，以減小外界干擾，增強(qiáng)管內(nèi)溫度的傳遞性。渥拉斯頓棱鏡將He-Ne激光器的后光束分成偏振方向相互垂直的兩線偏振光，并且光電池加工它們轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，送給差動(dòng)放大器，經(jīng)過(guò)消噪聲放大電路和相移電路后，將溫控電信號(hào)加在纏繞在He-Ne激光管壁上的電阻絲兩端。

這種方法的頻率穩(wěn)定度可達(dá)10-8量級(jí)，但是這種方法所需時(shí)間長(zhǎng)，加熱效率低，動(dòng)態(tài)性能差。

3.6 雙縱模熱穩(wěn)頻法

雙縱模熱穩(wěn)頻通過(guò)控制激光器的激勵(lì)電流而改變激光器等離子體管的溫度，并調(diào)節(jié)腔長(zhǎng)來(lái)達(dá)到穩(wěn)頻的目的（與之類似的有日本人的單模熱穩(wěn)頻）。雙縱模熱穩(wěn)頻法裝置原理圖如圖2所示。圖中的數(shù)字1是He-Ne激光器、2和3是傾斜呈步儒斯特角，且相互正交安裝的玻片、4和5為光電管、6為差動(dòng)放大器、7為光電耦合器、8為時(shí)間比較電路、9為受控調(diào)壓電橋、10為高壓電源電路。

上圖中2和3將偏振方向正交的兩個(gè)模式激光分別反射一部分到光電管4和5，兩只光電管差動(dòng)連接，如果有一個(gè)模減弱，則接收改模的光電管輸出電壓下降，經(jīng)過(guò)放大后輸出控制電壓經(jīng)光電耦合器7和受控調(diào)壓電橋9控制激光電源10的輸出電壓，使激光器中放電電流加強(qiáng)或削弱，從而使溫度變化，引起諧振腔長(zhǎng)作有利于正在減弱的那個(gè)模重新加強(qiáng)的變化，最后使兩個(gè)相鄰縱模同時(shí)并存。其中的時(shí)間比較電路8可根據(jù)模式變化而自動(dòng)控制激光管的預(yù)熱時(shí)間。

這種方法既不需要使用壓電晶體，也不要求用膨脹系數(shù)很小的材料做諧振腔，無(wú)需外加磁場(chǎng)，因而成本大大低于塞曼型和蘭姆凹陷型的光源。它直接控制放電電流即控制放電管中等離子體的溫度來(lái)改變諧振腔長(zhǎng)度，達(dá)到穩(wěn)頻目的。以這種方式達(dá)到頻率穩(wěn)定度為2×10-9，再現(xiàn)性為10-8[4]。

4 結(jié) 論

本文對(duì)激光穩(wěn)頻技術(shù)做了大概的總體介紹，并介紹了一些目前國(guó)內(nèi)外的激光穩(wěn)頻技術(shù)，由此可以看出，沒有激光穩(wěn)頻，激光很難在各個(gè)精度要求比較高的領(lǐng)域中得到深入的應(yīng)用。這種技術(shù)從一開始僅僅著手于提高激光器性能，到使用負(fù)反饋系統(tǒng)，方法模式發(fā)生了根本性的改變。相信未來(lái)會(huì)發(fā)現(xiàn)更適用于此系統(tǒng)的物理現(xiàn)象，激光穩(wěn)頻技術(shù)也會(huì)愈發(fā)成熟，使激光廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中。

參考文獻(xiàn)：

[1] M.L.Chanin.A Doppler lidar for measuring winds in the middle atmosphere [J].Geophysical Research Letters，1989，16（11）：1273-1276.

[2] 陳偉，梁政，鐘功祥，等.哈利伯頓1400型壓裂泵動(dòng)力端動(dòng)力學(xué)虛擬仿真研究 [J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2004（5）：111-113.

[3] 王世華，周肇飛，遲桂純.激光穩(wěn)頻技術(shù)的新發(fā)展 [J].成都科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010.

[4] 鐘亮，黃偉.He-Ne激光穩(wěn)頻技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展 [J].機(jī)械，2006（9）：25-27.

[5] 卞正蘭，黃崇德，高敏，等.PDH激光穩(wěn)頻控制技術(shù)研究 [J].中國(guó)激光，2012，39（3）：7-11.

作者簡(jiǎn)介：黃治涵（1996.10-），男，漢族，湖北武漢人，本科。研究方向：光電。