激光稳频技术是
激光物理学、
光谱学和
电子学高度结合的产物, 是随着激光应用的发展而发展的。 作为现代科学技术重要标志之一的激光, 已经在诸多领域得到广泛的应用,这就为激光稳频技术的发展提供了前提。
1960 年7 月美国加州Hughes 实验室的Theodore H. Maiman 演示了世界上第一台红宝石
固体激光器。在这之后,不同波段和类型的激光器相继被实现,激光器的各种性能也得到很大改善。自激光诞生以来,就以其优异的时间相干性和空间相干性,迅速地取代了普通光源而被广泛应用于各项科学技术领域。
提高激光
频率稳定度的努力从激光的诞生初期就已经开始。很多科学研究和实际应用对激光的光谱纯度和稳定性有很高要求,而自由运转的激光并不能满足这一需求。为了获得高光谱纯度、窄线宽和高频率稳定度的激光器,人们提出了各种各样的方法和技术来降低激光的频率噪声。最初,研究人员通过对激光器采用隔振、控温等被动措施来稳定其输出激光的频率。这些措施能使激光器更加稳定地运行,却没有很有效地压窄激光的线宽。
相对于被动措施,
反馈控制系统能够主动补偿激光频率的变化,从而达到压窄激光线宽的目的。图1 显示了主动稳频技术的原理框图。要实现激光频率的主动稳定,首先需要一个光学频率参考,通过激光频率与参考频率比对来获得鉴频误差信号,然后再通过反馈来校正激光频率,使激光频率跟随频率参考的变化。因此在这个方案中频率参考的选择对稳频的效果十分关键,一般需要参考频率具有较高的稳定度、复现性和较窄的光谱线宽等特性,以及能匹配被稳激光的频率。
原子分子跃迁谱线能够提供一种绝对的频率参考,最大的优点在于其具有优异的长期稳定性,可以使激光获得较好的长期
频率稳定度。基于原子分子跃迁谱线发展出了各种各样的稳频技术,例如饱和吸收稳频、调制转移光谱稳频、偏振光谱稳频、Zeeman 效应稳频等。这其中的一个典型例子就是以碘分子的超精细跃迁谱线为基准的激光稳频。但由于原子分子的跃迁谱线存在许多展宽效应,而导致其谱线较宽,当激光锁定在这一较宽的谱线上时,很难获得较好的短期频率稳定度。此外,由于跃迁谱线的频率由原子分子的能级间隔决定,通常只是一些特定的频率,因而对于一些特定波长的激光,很难找到与之对应的原子分子跃迁谱线作为频率参考。
① 自发发射噪声或量子噪声;②模差的噪声;③ 激励电源及放电回路引起的噪声;④
气体放电管中移动辉纹形成的噪声;⑤放电管的工作条件, 等等。一般说来, 放电管内部噪声及振动等因素导致激光频率短期不稳,而环境因素变化及腔内工作物质密度等变化影响激光频率的长期稳定性。
我们所说的激光稳频技术是采用电子
伺服控制系统的稳频技术,即主动稳频技术。该技术的主要原理是, 当激光频率偏高标准频率时, 鉴频器给出误差信号,通过伺服系统和压电元件控制腔长,使激光频率自动回到标准频率上。因而作为标准使用的参考频率的选择就尤为重要。