[科普中國(guó)]-激光穩(wěn)頻技術(shù)

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。 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)域得到廣泛的應(yīng)用，這就為激光穩(wěn)頻技術(shù)的發(fā)展提供了前提。

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)技術(shù)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

發(fā)展歷史1960 年7 月美國(guó)加州Hughes 實(shí)驗(yàn)室的Theodore H. Maiman 演示了世界上第一臺(tái)紅寶石固體激光器。在這之后，不同波段和類型的激光器相繼被實(shí)現(xiàn)，激光器的各種性能也得到很大改善。自激光誕生以來(lái)，就以其優(yōu)異的時(shí)間相干性和空間相干性，迅速地取代了普通光源而被廣泛應(yīng)用于各項(xiàng)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

提高激光頻率穩(wěn)定度的努力從激光的誕生初期就已經(jīng)開(kāi)始。很多科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用對(duì)激光的光譜純度和穩(wěn)定性有很高要求，而自由運(yùn)轉(zhuǎn)的激光并不能滿足這一需求。為了獲得高光譜純度、窄線寬和高頻率穩(wěn)定度的激光器，人們提出了各種各樣的方法和技術(shù)來(lái)降低激光的頻率噪聲。最初，研究人員通過(guò)對(duì)激光器采用隔振、控溫等被動(dòng)措施來(lái)穩(wěn)定其輸出激光的頻率。這些措施能使激光器更加穩(wěn)定地運(yùn)行，卻沒(méi)有很有效地壓窄激光的線寬。

相對(duì)于被動(dòng)措施，反饋控制系統(tǒng)能夠主動(dòng)補(bǔ)償激光頻率的變化，從而達(dá)到壓窄激光線寬的目的。圖1 顯示了主動(dòng)穩(wěn)頻技術(shù)的原理框圖。要實(shí)現(xiàn)激光頻率的主動(dòng)穩(wěn)定，首先需要一個(gè)光學(xué)頻率參考，通過(guò)激光頻率與參考頻率比對(duì)來(lái)獲得鑒頻誤差信號(hào)，然后再通過(guò)反饋來(lái)校正激光頻率，使激光頻率跟隨頻率參考的變化。因此在這個(gè)方案中頻率參考的選擇對(duì)穩(wěn)頻的效果十分關(guān)鍵，一般需要參考頻率具有較高的穩(wěn)定度、復(fù)現(xiàn)性和較窄的光譜線寬等特性，以及能匹配被穩(wěn)激光的頻率1。

原子分子躍遷譜線能夠提供一種絕對(duì)的頻率參考，最大的優(yōu)點(diǎn)在于其具有優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，可以使激光獲得較好的長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度?；谠臃肿榆S遷譜線發(fā)展出了各種各樣的穩(wěn)頻技術(shù)，例如飽和吸收穩(wěn)頻、調(diào)制轉(zhuǎn)移光譜穩(wěn)頻、偏振光譜穩(wěn)頻、Zeeman 效應(yīng)穩(wěn)頻等。這其中的一個(gè)典型例子就是以碘分子的超精細(xì)躍遷譜線為基準(zhǔn)的激光穩(wěn)頻。但由于原子分子的躍遷譜線存在許多展寬效應(yīng)，而導(dǎo)致其譜線較寬，當(dāng)激光鎖定在這一較寬的譜線上時(shí)，很難獲得較好的短期頻率穩(wěn)定度。此外，由于躍遷譜線的頻率由原子分子的能級(jí)間隔決定，通常只是一些特定的頻率，因而對(duì)于一些特定波長(zhǎng)的激光，很難找到與之對(duì)應(yīng)的原子分子躍遷譜線作為頻率參考。

影響穩(wěn)定性的因素外界環(huán)境產(chǎn)生的擾；

由等離子體放電管內(nèi)部影響所產(chǎn)生的擾動(dòng)。

優(yōu)質(zhì)的穩(wěn)頻激光器設(shè)計(jì)的目標(biāo)，是把影響頻率穩(wěn)定的擾動(dòng)減到最小。這時(shí)對(duì)控制激光頻率的私服系統(tǒng)的性能提出了一定的要求。

外界影響

熱、大氣變化、機(jī)械振動(dòng)、光學(xué)元件位置的變化。

內(nèi)部影響

引起激光頻率不穩(wěn)定的因素還很多， 存在于激光器內(nèi)的噪聲也將影響頻率的穩(wěn)定性。一般認(rèn)為激光器內(nèi)較顯著的噪聲源有下列幾種：

① 自發(fā)發(fā)射噪聲或量子噪聲；②模差的噪聲；③ 激勵(lì)電源及放電回路引起的噪聲；④氣體放電管中移動(dòng)輝紋形成的噪聲；⑤放電管的工作條件， 等等。一般說(shuō)來(lái)， 放電管內(nèi)部噪聲及振動(dòng)等因素導(dǎo)致激光頻率短期不穩(wěn)，而環(huán)境因素變化及腔內(nèi)工作物質(zhì)密度等變化影響激光頻率的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

頻率穩(wěn)定方法我們所說(shuō)的激光穩(wěn)頻技術(shù)是采用電子伺服控制系統(tǒng)的穩(wěn)頻技術(shù)，即主動(dòng)穩(wěn)頻技術(shù)。該技術(shù)的主要原理是， 當(dāng)激光頻率偏高標(biāo)準(zhǔn)頻率時(shí)， 鑒頻器給出誤差信號(hào)，通過(guò)伺服系統(tǒng)和壓電元件控制腔長(zhǎng)，使激光頻率自動(dòng)回到標(biāo)準(zhǔn)頻率上。因而作為標(biāo)準(zhǔn)使用的參考頻率的選擇就尤為重要。

1.利用光學(xué)元件穩(wěn)定激光頻率；

2.以增益曲線做標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定激光頻率；

3.飽和吸收穩(wěn)頻；

4.CO2激光穩(wěn)頻；

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王沛 - 副教授、副研究員 - 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所