激光原理及技术实验讲义

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1、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11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—10-1

2、2。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

3、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11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lHe-Ne激光器置于横向磁场中l塞曼效应导致Ne原子上下能级分裂l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；l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

4、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。11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l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。l两个谐振

5、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”。l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²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。²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

6、风扇控制电压，运用比例积分调节规律。11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

7、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11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；114．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。11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—

8、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