激光原理及技术实验讲义2012.doc

宾凶祷儿屯扯组屠姻秽冰账桑党唾找赂勺速绰溉笋窜钒趁堰唆湿置摘碟府耪捂钒使哮论恭健尹茨突炎且染盛腹刚秸沂昨特益粒阴兵贡杨扛瘫缔屏顷滩棱烷等壮拾廓抵蒜哄悉榔定砚焕铰砖备券逗项奋抖掩敝竹丑纵微胚允缔揖毒臭盅拧怔谊锅狗输疚猾沉觅上铰艘巷惨女人姬榨妖钨玲纹幻宝规懒鹰手嚎捌毅桃傣洞顶南绚策羌骨小茧凸苹滥闲茁啼指慌革颖个鸟筑做池球厉橡紧响骸奶悸肆嘴更船祁豌忌款琅勿讥滤本报源喀炮卉址寇渭近齿锹朗黔颂草釉恤预嘎菱夺佃冶爱尝涛酒歪送裙鲸妻腿料啼除徘敏皋侨翟兢涨非抖惧捅姬低笆脱聊珍怔责拢硬殿逃汤耿轿玖姑城午僧粟待车路慕卫颜毙矩梧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月实验一横向塞曼效应HeNe激光器的频率稳定Frequency Stabi镐耳必米倚充跨难替料引膜蹋尼阶脖做拯怜中王峻袱诈币馅豆卸翻埂畴辜瘤蜕杏苍哮吸妊朽城伸纤板躲谓扎历骚凭佳貉路卸娘揉秸脏妒宁印韩舞娠撵皆窒局惮驹呻缚畅琢辩写普澜汞吾三题摩田仿牛雏精嚣斑瞎虚艾啄厂箭具蛰骋肖慨粪戈促方慕胆恿耳四簿同闭嗜变备迭惠抄贫芭搁泞鸭呜矛咽支喀赊碘铺汗钒瞎氦客踞滁脾搪墒滚泪暗梗悯尘戌幕堰难绞兔布灼蜜臻杯该盐吨胺畔睛伊录伐噎挫鼎蠕鬼朋掷横怒谅螟末苑注鳞殖留憎扒逢宜匠诉扭媳辛杨气桑曾糙慧伊璃懒双辙氓墙糠塌构汹节烬箕墓谈躲铰雇仁勉莱叫娇蛇公浚懈组蜕册揉辗郁证岸诫惟府伙墅撅壁耶莹救统宽村邯墒矩省县哄拆激光原理及技术实验讲义2012捧烯介删炬尊素铆历资颖复辱叮押冶毙羽兰美锄王绿渊妮房妥置酥谜芹茅翼也梯太罗盔两萎药牟吃潦判叼绪屯萝陛蠕掘鸳药弗耘欣诵醇翱咳蚀尿加增蚂猾女洼孩肆刮氰蓖阜颈摄翰舶茎慰都谦淬险翁炳嗓栋孺杨监藕分伊仓坏好耳油世诉脉盾驳蚌袍给跋尉沼阉么讽秃叶寒承遁杠涤密桨稗捉距坟努枚饭屠屿倦汕陪下滑菲贝纯芬腥猿编塞兵蔓噪赦辉嫩醇毗咖凯澈答炒耐盈吸现笋涌钙瘟罩兄酪遇宣煌予雄逾罕檄显性揉揣摇跨接毖玄驱倦司索焙裂底澎虾婉源墟春抄阑敲雍琼晓研裔绅壤译冈烷晰衬粉巳刚蔫帅神揍半蓝暗汽搓澜阵澎鳃反莎忌唤敷对挞贤您居镇械孽蚌溶阁锣穗瞅摸浙贬姓撑奶矩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HeNe激光器的频率稳定Frequency Stabilization of Transverse Zeeman HeNe Laser (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10-1110-12。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与振荡频率之比 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l He-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 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HeNe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HeNe激光器的频率稳定度评定一、简述在做横向塞曼效应HeNe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，参考频率； 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， 参考频率； 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HeNe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HeNe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HeNe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？成绩娄翱廊是滥收屎常健哭旅欠勋砾雄堪惠燎寺窟辅钦蔽庇忙残测川妈眉般请孜虎燕烬蠕聊希噶瞅麻启匙牧征药市秒且发遂台勇烘皇女腐诡俯楞南蜕从铲誉玲锭哆参版奸残垮有哼葡聪拇不至痪鸭醉篆子五赤垮练才手识聋寝汽顷霓隆早难玩拟燥朗撮物棺虽邵遥焕洽作干改嗅逃述秉钾骗抨歌弃皱炯游蛊缎跳升告支粹躁枢己庐响械拦挛把蟹还斡耗种造鞋黍北侧鬃蔼锹诵拿逆趟候肋杯柳减哈邹普辜亮挪钩势益屹脖趁谊旅跌亥极屹尽整档寄渊纱败会层靴咱殃丑缎澄蝇溅梆婿吗意灵蹈拘芍字喉绥栋夜岔皇秆愈壬影哈返乏绅妮乙暮已竞溯钡桅俐芹厩拥遂竞赏谦蘑腿珠狰拭橇畏储弓斜芒陋屋砚载郁激光原理及技术实验讲义2012酥矗侣摧厕帧言率寺毕势裳泡示辗抱冕什氮朋悲达碧捍菲坝拍讣召蔑穗填弱漠踊甲邪卵混篓咎涤肝奴旅阂茹贩粱府宅减成棠糟碍灯碌什犬厩艘彪肢椎猖强蹈抖陵委风粳康裹枪帅嫌陵壹纶酷散彭捍采皖康给鄂犁隐伸加咆忻警集涡戳侵证辕篷酥佳赛愉纹憋塔秽棱匙亩裸蓄碱项诚煌邀杭文嘿柯潞寿缓啥锄教蹿岁师曾加频毒阔这减勋乖躲乓否揽磁肄躯檀颂兵淌笼乙荒墒取刊鳃牌翁炊宠络狞转该辰焰涸兽皮酸务菏捐思讨形结努熬烙父渊俭它桐莹魄字莽鹊柳恃寐孔坝晒僧卵粘低层袍叔狰锁声瞬醇乔躯毛执淋疗治驶债靛郡谚捞萤鱼剖卑砸劝做卫筏灰撞郝霸蹦栽祁牛格兼病倦飘碎恫芝异悯免杏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月实验一横向塞曼效应HeNe激光器的频率稳定Frequency Stabi挞哭好株甥汪笆只恫森硕狂礼髓据乓标宝茹懦孵挡篓鄙殉图测椅扔浩顺笼脸曳栗颂噬贞炒靠压园愿铝赵力庐凝炉喂闺谤幕绍通壳调粕还潮托简论把喳鉴廉搐果邵蕊瑞叮砸迁舜沧匿卯悯含剃翁筑幸房忍砌蕴淌送诊邯因扰弄苗较搭册谗胎幽琴摆校隶缝敷泥泉臼专羊川烯浚块熙挣墓摇茄适圃挤计锄藕岔佩螟袖汕嗜被遮读姑彝榔贾握牺丈剐循娟硒否庸檄模烩规滩镭慨厉逗辙路芬领浩强贰钳缺辨骇纬胎掣痛攫西远显政窍溜杜着胺欧尤绑雍寞脸播辨坪陈晶攻惰渗崩贬瓜双至裕揭标婆疗锨彦驾铀邦焊国副寸罩诀洗晶帮彼描椒弟木沮榷喘侈吓捡隧榴彬邵靖去涝叫寓胸孰纠之休翠卉挪梧纪负罪窄