激光原理及技术实验讲义.docx
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激光原理及技术实验讲义
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
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—10-12。
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
He-Ne激光器置于横向磁场中
塞曼效应导致Ne原子上下能级分裂
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)
图1差拍干涉示意图
3.2差拍信号
设频率分别为
和
的单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。
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
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
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”。
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
✧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。
3.5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。
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—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
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,ν—参考频率;δν—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He—Ne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
(2-3)
以T表示测量周期,以τ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:
称为测量的间隔时间或间隙,数值一般大于零。
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,
(2-4)
表示对无穷组测量结果取平均,
和是相邻平均频率偏差值,即:
(2-5)
式中——某段时间间隔内的平均频率;
——信号源标称频率。
相邻两次测量没有间隔,取样结束的同时,是取样的开始,即死时间为零。
此时阿仑方差表示为:
(2-6)
测量中使用更方便,公式变为
(2-7)
—第i次测得的频率值;
—第i+1次测得的频率值。
(2-8)
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2)频率稳定度测量仪
3)计算机4)打印机
五、实验步骤
1)预热横向塞曼效应He—Ne稳频激光器,将其适时切换到自动稳频状态;
2)接通频率稳定度测量仪;
3)测量并记录短、长期频率稳定度。
六、讨论问题
1.阿伦方差测量频率稳定度的优点;
2.比较实验给出的短、长期稳定度的结果,分析哪种稳定度更高些,为什么?
成绩
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- 关 键 词:
- 激光 原理 技术 实验 讲义