F-P标准具选模双腔双频Nd:YAG激光器稳频系统设计

发布时间：2020-11-16 11:41

　　 激光以其单色性好、相干性好、方向性好的特点,在工业、国防和科技等许多领域发挥着极其重要的作用,特别是在激光精密测量应用领域,随着测量精度要求的不断提高,对激光频率的稳定性也越来越高。但激光器的谐振频率易受到外界环境的影响而发生漂移,从而影响激光测量精度,所以必须采取主动稳频措施保证激光频率的高度稳定。本论文以F-P标准具选模双腔双频Nd:YAG激光器为稳频对象,采用腔内F-P标准具作为激光稳频基准,开展双腔双频Nd:YAG激光器激光稳频系统设计,具有重要的研究价值和广阔的应用前景。本论文的主要内容包括以下三部分:第一,综述了激光稳频技术的研究现状,介绍了基于F-P标准具选模原理的双腔双频Nd:YAG激光器系统组成和工作原理。在分析常用激光稳频方法的基础上,提出了 F-P标准具选模双腔双频Nd:YAG激光器稳频方案,即以激光腔内F-P标准具的透射峰谐振频率作为参考频率,通过给激光腔镜上的压电陶瓷管(PZT)施加小振幅音频正弦抖动信号,使激光腔长发生正弦周期性小抖动,从而引起激光输出功率产生正弦调制。当激光输出功率的调制频率是外部抖动信号频率的二倍时,激光频率恰好处于F-P标准具透射峰谐振频率处,激光器处于稳频状态;当激光输出功率调制信号与外部抖动信号同频时,激光频率处于F-P标准具透射峰谐振频率的左侧或右侧,通过设计的稳频控制电路反馈调节激光腔反射镜的位置,将激光频率调节到F-P标准具透射峰谐振频率处。设计两套独立的激光稳频控制系统,并同时稳定直线腔和直角腔Nd:YAG激光的谐振频率,即可实现双腔双频Nd:YAG激光器的频率稳定。第二,设计了用于双腔双频Nd:YAG激光器频率稳定的硬件电路系统,主要包括光电转换电路、可调直流电压源、DDS信号发生器、放大电路、选频电路、相敏检波电路和低通滤波电路。光电转换电路将激光器输出光信号转为电信号;可调直流电压源使激光器频率处于F-P标准具透射峰带宽内;信号发生器产生两路同频信号,一路作为调制信号加到激光器上,另一路作为相敏检波中的参考信号;放大电路对激光输出功率调制信号进行放大处理;选频电路滤除调制频率是外部抖动信号二倍频的激光输出功率信号;相敏检波电路对激光输出功率调制信号与抖动信号实现相乘处理;经相敏检波处理后由低通滤波电路输出一直流信号。应用Multisim软件仿真分析了各个单元电路的特性。第三,以1064nm单频Nd:YAG激光器为光源,设计并建立了实验系统以验证本论文所设计的激光稳频电路系统的可行性,验证实验结果表明,本论文所设计的激光稳频单元电路是可行的,为今后进一步开展双腔双频Nd:YAG激光器稳频技术研究奠定了较好的基础。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TN248
【部分图文】：

2双腔双频Nd:YAG激光器系统组成及特性分析52双腔双频Nd:YAG激光器系统组成及特性分析2.1F-P标准具选模原理F-P标准具选模法的结构装置图如图2-1所示，此方法的原理是基于多光束干涉原理。在M1和M2构成的谐振腔内放置一个Fabry-Perot（F-P）标准具对不同序列的纵模损耗大小不同，损耗小的纵模优先起振在谐振腔内振荡，其余损耗大的纵模不能透过标准具则被衰减。因此，能透过F-P标准具并且在谐振腔内往返传播的纵模激光可以实现振荡，其余纵模均被抑制。图2-1F-P标准具选模法的结构装置图Fig.2-1StructuraldevicediagramofF-Petalonmodelselectionmethod如图2-2为F-P标准具选模原理图，同时满足两个必要条件才可选出单纵模，一是制作的标准具的自由光谱范围必须大于激光器所应用的增益介质的增益带宽，这样就保证了出光范围只有一个最大透射峰，通过微小拧动调节标准具的倾斜角度使得唯一的透射峰的中心频率与某一个序列的纵模重合；二是透射峰的半高全宽必须小于激光的纵模间隔，可通过调节谐振腔腔长完成，即同时满足如下关系式：oscFSR（2-1）q（2-2）式中，FSR为自由光谱范围，osc为增益介质的增益带宽，为透射峰的半高全宽，为激光的纵模间隔，这样即可选出唯一的序数为q的单纵模激光在谐振腔内振荡。q

西安理工大学硕士学位论文6图2-2F-P标准具选模原理（a）增益曲线；（b）激光腔频率梳；（c）透射峰曲线；（d）激光振荡模Fig.2-2F-Petalonmodeselectionprinciple(a)Gaincurve;(b)Lasercavityfrequencycomb;(c)Transmissionpeakcurve;(d)Laseroscillationmode标准具透射峰的中心频率为cos2ndcmm（2-3）式中，为标准具的法线与振荡激光方向轴的夹角，d为标准具的厚度，n为标准具的介质折射率，m为正整数。标准具的自由光谱范围（即两个相邻透射峰的中心频率间隔）为ndcndcFSRm2cos2（2-4）式中，c为光速。标准具透射峰的半高全宽为RRndc12（2-5）式中，R为标准具两镜面的反射率。标准具对不同的波长有不同的透过率，透过率函数表示为dFFT2sin112sin1122（2-6）

2双腔双频Nd:YAG激光器系统组成及特性分析7式中，F为标准具的精细度，定义为标准具的自由光谱范围与透射峰半高全宽之比，λ为激光波长。2.2双腔双频激光器工作原理及系统组成2.2.1双频激光振荡原理双频激光振荡的原理图如图2-3所示。F-P标准具通常由石英材料所制造，石英材料的介质折射率为1.55，自由光谱范围大约为322GHz，而采用的Nd:YAG增益晶体的增益带宽osc大约为160GHz，故荧光线宽内最多只有一个透射峰，如图2-3（a）所示。由于元器件的摆放位置以及手动调节的差异性，直线腔和直角腔的长度存在微小差异，不尽相同，故存在p膜和s膜两套纵模频率梳，如图2-3（b）所示，其中实线表示p光纵模，虚线表示s光纵模。根据F-P标准具选模原理，只存在一个耗损较小而优先起振的频率为的p光在直线腔内振荡输出，同理直角腔也只存在一个频率为的s光在腔内振荡输出，如图2-3（c）所示。因此，双腔双频激光器的两束单纵模p光和s光各自在直线腔和直角腔内振荡，如图2-3（d）所示。图2-3双频激光振荡原理（a）增益曲线；（b）谐振腔频率梳；（c）透射率曲线；（d）双模激光振荡Fig.2-3Principleofdual-frequencylaseroscillation(a)Gaincurve;(b)Lasercavityfrequencycomb;(c)Transmissionpeakcurve;(d)Dual-modelaseroscillation2.2.2双腔双频Nd:YAG激光器系统组成双腔双频Nd:YAG激光器采用偏振分光棱镜PBS取代了原来腔内由数个Brewster片合并而成的具有较强选模能力的双折射滤光片。PBS将入射光分成两束出射激光（即pq"q
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本文编号：2886168