稳频激光器 | RP 系列激光分析设计软件

对于一些激光应用，例如在高分辨率激光光谱、光学数据传输和各种科学实验中，需要具有特别稳定的光频率的激光。通常，同时需要较窄的线宽，从而很好地定义光频率。因此，稳频激光器可以被视为窄线宽激光器，其附加特征是具有特别稳定的发射频率。为此，应用了一些稳定发射频率的特殊技术。

由于激光的波长与其光频率密切相关，因此可以认为稳波长激光器与稳频激光器相同。但请注意，基于波长测量（例如使用波长计）的稳定技术本质上不同于直接测量光学频率的稳定技术，并且最终在精度方面受到更多限制。

在许多情况下，对频率稳定性的要求远不如光学频率标准的极端情况那么严格，例如光学时钟，其中可能需要亚赫兹线宽和亚赫兹稳定性。那么更简单的稳定技术就足够了，仅达到例如千赫兹或兆赫兹范围内的频率稳定性。

相位稳定甚至比频率稳定要求更高。

在某些情况下，不仅需要稳定光频率，还需要稳定光相位。这意味着光学相位的偏差必须限制在一定范围内（例如远低于1 rad）。请注意，即使是最轻微的系统频率偏差，从长远来看也会导致任意大的相位偏差。

发射线宽很容易远小于增益带宽或腔内带通滤波器的带宽。这基本上是因为激光增益（或净增益）的非常微小的差异可能有利于一种或几种谐振器模式，因此激光仅发生在这些谐振器模式上。然而，这并不一定会带来高频率稳定性；发射频率很容易在远大于发射线宽的范围内漂移。例如，激光增益光谱或带通滤波器的峰值透射波长可能会由于热效应而漂移。这不仅会导致模式跳跃到邻近模式，而且还到相对较大的频率变化。

频率稳定性的显着改善通常可以通过某些设备的光学反馈来实现，这些设备提供比激光器本身更高程度的稳定性的频率选择性。一个例子是具有来自体布拉格光栅的光学反馈的激光二极管的无源稳定，其中后者不仅具有远小于激光增益谱宽度的反射带宽，而且也不受温度变化的影响以及激光二极管中载流子密度的变化。虽然得到的频率稳定性不是特别高，但至少比没有稳定的情况要好很多。

例如，通过具有稳定的机械设置和针对环境影响的仔细保护（通常是振动隔离和温度稳定）的高精度 光学谐振器可以实现更好的稳定性。然后，激光器必须可靠地锁定到一种特定的谐振器模式，即，防止跳到不需要的谐振器模式。当使用相对较长的参考腔时，后者的要求暂时会更高，因为需要特别小的线宽。于是可能需要一个或多个额外的滤光器。

与涉及某种自动反馈机制的主动稳定方法相比，这种具有光学反馈的方法称为被动稳定。

主动频率稳定技术涉及某种反馈系统，该系统自动作用于激光器，从而很大程度上抑制其发射频率的漂移。为此，需要满足以下条件：

· 必须有一种设备能够准确检测与所需激光频率的任何偏差。这也可以是某种经过仔细稳定的光学谐振器（参考腔），具有温度控制和振动隔离功能，以及用于生成强频率相关电子输出信号的附加装置（参见下面的示例）。使用低温谐振器可以实现特别高的稳定性。高Q微谐振器也是一个有趣的选择。另一种方法是利用一些原子、离子或分子的窄光学跃迁；例如，参见参考文献。

· 激光器必须在足够大的范围内进行频率调谐，至少与没有频率稳定的可能漂移范围一样宽。

· 一些电子控制器需要将检测到的频率偏差转换成可以应用于激光器的合适的校正信号。典型的解决方案是 PID 控制器（PID = 比例-积分-微分）或 PI 控制器，其中控制参数应仔细优化，同时考虑激光器的详细调谐特性，也可能考虑频率测量设备的调谐特性。性能很大程度上取决于电子控制器的质量。

碘稳定激光器

用于激光稳定的流行光谱介质是分子碘 (I 2 )。它可以轻松地固定在封闭的玻璃池中，并且在可见光谱区域具有广泛的吸收跃迁，可以使用无多普勒饱和光谱进行精确探测。例如，该技术可应用于发射波长为 633 nm 的氦氖激光器，也可应用于发射波长为 532 nm的倍频 Nd:YAG 激光器以及各种激光二极管。

对于其他光谱区域，可能必须使用其他介质。例如，甲烷稳定的氦氖激光器的发射波长为 3.39 μm。

谐振器上的传输条纹锁定

一种特别简单的方法称为传输条纹锁定。这里，人们使用自动反馈系统来将激光频率保持在谐振器的谐振的一侧，例如使得传输强度是谐振时实现的强度的一半。与谐振操作相比，条纹锁定最容易传递误差信号：根据频率偏差的符号，谐振器传输增加或减少。

即使使用具有相对高Q因数的谐振器，没有方法实现的精度也不是特别高。例如，精度可能会受到激光功率变化的影响，并且很难达到远优于谐振宽度的精度。另一个缺点是锁定范围窄：误差信号仅在很小的频率范围内提供信息。

汉施-库约稳定

汉斯和库洛的方法[4]使用极化光学谐振腔光谱学。线偏振激光辐射例如在共焦参考腔处被反射（与离轴入射一起用作环形谐振器，以便于分离反射光）。腔体包含一个偏振器，其方向与输入偏振成一定角度。反射光是椭圆偏振的，偏振状态具有很强的频率依赖性。然后光线通过一个 波片和偏振分束器，然后是两个光电探测器。两个光电流之间的差异提供了所需的误差信号。例如，所实现的频率稳定性可以远高于传输条纹锁定，并且该方法仍然相对简单，例如不需要像庞德-德雷弗-霍尔稳定那样的高频调制和光电检测。

庞德-德雷弗-霍尔稳定

庞德-德雷弗-霍尔激光稳频技术是基于光学外差检测具有由RF相位调制产生的光边带，例如在电光调制器。本质上，我们通过一个调相器(由RF信号驱动)，然后在参考谐振器处反射，并将其发送到fast光电二极管。(反射光可以与入射光分开偏光器和一个λ/4 波片。)频率与谐振频率的偏差导致所产生的边带相对于基频的相对相移，这意味着反射光的强度调制。该调制信号被发送到RF混频器，该混频器也被馈送相位调制器的驱动信号。通过电子低通滤波器，可以使用未转换的信号作为例如PID控制器的输入。

相对于小的频率偏差，误差信号的斜率可以非常高，从而能够将频率稳定在谐振器带宽的很小一部分。同时，锁定范围相当大:在很宽的频率范围内，误差信号给出了频率偏差符号的信息。这也有助于稳定的频率锁定。

空间模式干涉(倾斜)锁定

倾斜锁定利用光学谐振器处光反射的干涉效应。激光具有接近基本谐振器模式（TEM 00）的频率的频率，而其不与某些高阶谐振器模式（例如TEM 10）谐振。结果，反射的基模光的相位强烈依赖于频率，而对应于高阶模式的光的相位仅弱依赖于频率。这导致反射光的空间强度分布与频率密切相关，可以使用两段光电二极管等进行检测。尽管实现起来相当简单，但如果谐振器足够稳定，该方法可以提供相高的频率稳定性。