激光以其單色性好、相干性好、方向性好的特點(diǎn),在工業(yè)、國(guó)防和科技等許多領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用,特別是在激光精密測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域,隨著測(cè)量精度要求的不斷提高,對(duì)激光頻率的穩(wěn)定性也越來(lái)越高。但激光器的諧振頻率易受到外界環(huán)境的影響而發(fā)生漂移,從而影響激光測(cè)量精度,所以必須采取主動(dòng)穩(wěn)頻措施保證激光頻率的高度穩(wěn)定。本論文以F-P標(biāo)準(zhǔn)具選模雙腔雙頻Nd:YAG激光器為穩(wěn)頻對(duì)象,采用腔內(nèi)F-P標(biāo)準(zhǔn)具作為激光穩(wěn)頻基準(zhǔn),開展雙腔雙頻Nd:YAG激光器激光穩(wěn)頻系統(tǒng)設(shè)計(jì),具有重要的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。本論文的主要內(nèi)容包括以下三部分:第一,綜述了激光穩(wěn)頻技術(shù)的研究現(xiàn)狀,介紹了基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具選模原理的雙腔雙頻Nd:YAG激光器系統(tǒng)組成和工作原理。在分析常用激光穩(wěn)頻方法的基礎(chǔ)上,提出了 F-P標(biāo)準(zhǔn)具選模雙腔雙頻Nd:YAG激光器穩(wěn)頻方案,即以激光腔內(nèi)F-P標(biāo)準(zhǔn)具的透射峰諧振頻率作為參考頻率,通過給激光腔鏡上的壓電陶瓷管(PZT)施加小振幅音頻正弦抖動(dòng)信號(hào),使激光腔長(zhǎng)發(fā)生正弦周期性小抖動(dòng),從而引起激光輸出功率產(chǎn)生正弦調(diào)制。當(dāng)激光輸出功率的調(diào)制頻率是外部抖動(dòng)信號(hào)頻率的二倍時(shí),激光頻率恰好處于F-P標(biāo)準(zhǔn)具透射峰諧振頻率處,激光器處于穩(wěn)頻狀態(tài);當(dāng)激光輸出功率調(diào)制信號(hào)與外部抖動(dòng)信號(hào)同頻時(shí),激光頻率處于F-P標(biāo)準(zhǔn)具透射峰諧振頻率的左側(cè)或右側(cè),通過設(shè)計(jì)的穩(wěn)頻控制電路反饋調(diào)節(jié)激光腔反射鏡的位置,將激光頻率調(diào)節(jié)到F-P標(biāo)準(zhǔn)具透射峰諧振頻率處。設(shè)計(jì)兩套獨(dú)立的激光穩(wěn)頻控制系統(tǒng),并同時(shí)穩(wěn)定直線腔和直角腔Nd:YAG激光的諧振頻率,即可實(shí)現(xiàn)雙腔雙頻Nd:YAG激光器的頻率穩(wěn)定。第二,設(shè)計(jì)了用于雙腔雙頻Nd:YAG激光器頻率穩(wěn)定的硬件電路系統(tǒng),主要包括光電轉(zhuǎn)換電路、可調(diào)直流電壓源、DDS信號(hào)發(fā)生器、放大電路、選頻電路、相敏檢波電路和低通濾波電路。光電轉(zhuǎn)換電路將激光器輸出光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào);可調(diào)直流電壓源使激光器頻率處于F-P標(biāo)準(zhǔn)具透射峰帶寬內(nèi);信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生兩路同頻信號(hào),一路作為調(diào)制信號(hào)加到激光器上,另一路作為相敏檢波中的參考信號(hào);放大電路對(duì)激光輸出功率調(diào)制信號(hào)進(jìn)行放大處理;選頻電路濾除調(diào)制頻率是外部抖動(dòng)信號(hào)二倍頻的激光輸出功率信號(hào);相敏檢波電路對(duì)激光輸出功率調(diào)制信號(hào)與抖動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)相乘處理;經(jīng)相敏檢波處理后由低通濾波電路輸出一直流信號(hào)。應(yīng)用Multisim軟件仿真分析了各個(gè)單元電路的特性。第三,以1064nm單頻Nd:YAG激光器為光源,設(shè)計(jì)并建立了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以驗(yàn)證本論文所設(shè)計(jì)的激光穩(wěn)頻電路系統(tǒng)的可行性,驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本論文所設(shè)計(jì)的激光穩(wěn)頻單元電路是可行的,為今后進(jìn)一步開展雙腔雙頻Nd:YAG激光器穩(wěn)頻技術(shù)研究奠定了較好的基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TN248
【部分圖文】：

2雙腔雙頻Nd:YAG激光器系統(tǒng)組成及特性分析52雙腔雙頻Nd:YAG激光器系統(tǒng)組成及特性分析2.1F-P標(biāo)準(zhǔn)具選模原理F-P標(biāo)準(zhǔn)具選模法的結(jié)構(gòu)裝置圖如圖2-1所示，此方法的原理是基于多光束干涉原理。在M1和M2構(gòu)成的諧振腔內(nèi)放置一個(gè)Fabry-Perot（F-P）標(biāo)準(zhǔn)具對(duì)不同序列的縱模損耗大小不同，損耗小的縱模優(yōu)先起振在諧振腔內(nèi)振蕩，其余損耗大的縱模不能透過標(biāo)準(zhǔn)具則被衰減。因此，能透過F-P標(biāo)準(zhǔn)具并且在諧振腔內(nèi)往返傳播的縱模激光可以實(shí)現(xiàn)振蕩，其余縱模均被抑制。圖2-1F-P標(biāo)準(zhǔn)具選模法的結(jié)構(gòu)裝置圖Fig.2-1StructuraldevicediagramofF-Petalonmodelselectionmethod如圖2-2為F-P標(biāo)準(zhǔn)具選模原理圖，同時(shí)滿足兩個(gè)必要條件才可選出單縱模，一是制作的標(biāo)準(zhǔn)具的自由光譜范圍必須大于激光器所應(yīng)用的增益介質(zhì)的增益帶寬，這樣就保證了出光范圍只有一個(gè)最大透射峰，通過微小擰動(dòng)調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)具的傾斜角度使得唯一的透射峰的中心頻率與某一個(gè)序列的縱模重合；二是透射峰的半高全寬必須小于激光的縱模間隔，可通過調(diào)節(jié)諧振腔腔長(zhǎng)完成，即同時(shí)滿足如下關(guān)系式：oscFSR（2-1）q（2-2）式中，F(xiàn)SR為自由光譜范圍，osc為增益介質(zhì)的增益帶寬，為透射峰的半高全寬，為激光的縱模間隔，這樣即可選出唯一的序數(shù)為q的單縱模激光在諧振腔內(nèi)振蕩。q

西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文6圖2-2F-P標(biāo)準(zhǔn)具選模原理（a）增益曲線；（b）激光腔頻率梳；（c）透射峰曲線；（d）激光振蕩模Fig.2-2F-Petalonmodeselectionprinciple(a)Gaincurve;(b)Lasercavityfrequencycomb;(c)Transmissionpeakcurve;(d)Laseroscillationmode標(biāo)準(zhǔn)具透射峰的中心頻率為cos2ndcmm（2-3）式中，為標(biāo)準(zhǔn)具的法線與振蕩激光方向軸的夾角，d為標(biāo)準(zhǔn)具的厚度，n為標(biāo)準(zhǔn)具的介質(zhì)折射率，m為正整數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)具的自由光譜范圍（即兩個(gè)相鄰?fù)干浞宓闹行念l率間隔）為ndcndcFSRm2cos2（2-4）式中，c為光速。標(biāo)準(zhǔn)具透射峰的半高全寬為RRndc12（2-5）式中，R為標(biāo)準(zhǔn)具兩鏡面的反射率。標(biāo)準(zhǔn)具對(duì)不同的波長(zhǎng)有不同的透過率，透過率函數(shù)表示為dFFT2sin112sin1122（2-6）

2雙腔雙頻Nd:YAG激光器系統(tǒng)組成及特性分析7式中，F(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)具的精細(xì)度，定義為標(biāo)準(zhǔn)具的自由光譜范圍與透射峰半高全寬之比，λ為激光波長(zhǎng)。2.2雙腔雙頻激光器工作原理及系統(tǒng)組成2.2.1雙頻激光振蕩原理雙頻激光振蕩的原理圖如圖2-3所示。F-P標(biāo)準(zhǔn)具通常由石英材料所制造，石英材料的介質(zhì)折射率為1.55，自由光譜范圍大約為322GHz，而采用的Nd:YAG增益晶體的增益帶寬osc大約為160GHz，故熒光線寬內(nèi)最多只有一個(gè)透射峰，如圖2-3（a）所示。由于元器件的擺放位置以及手動(dòng)調(diào)節(jié)的差異性，直線腔和直角腔的長(zhǎng)度存在微小差異，不盡相同，故存在p膜和s膜兩套縱模頻率梳，如圖2-3（b）所示，其中實(shí)線表示p光縱模，虛線表示s光縱模。根據(jù)F-P標(biāo)準(zhǔn)具選模原理，只存在一個(gè)耗損較小而優(yōu)先起振的頻率為的p光在直線腔內(nèi)振蕩輸出，同理直角腔也只存在一個(gè)頻率為的s光在腔內(nèi)振蕩輸出，如圖2-3（c）所示。因此，雙腔雙頻激光器的兩束單縱模p光和s光各自在直線腔和直角腔內(nèi)振蕩，如圖2-3（d）所示。圖2-3雙頻激光振蕩原理（a）增益曲線；（b）諧振腔頻率梳；（c）透射率曲線；（d）雙模激光振蕩Fig.2-3Principleofdual-frequencylaseroscillation(a)Gaincurve;(b)Lasercavityfrequencycomb;(c)Transmissionpeakcurve;(d)Dual-modelaseroscillation2.2.2雙腔雙頻Nd:YAG激光器系統(tǒng)組成雙腔雙頻Nd:YAG激光器采用偏振分光棱鏡PBS取代了原來(lái)腔內(nèi)由數(shù)個(gè)Brewster片合并而成的具有較強(qiáng)選模能力的雙折射濾光片。PBS將入射光分成兩束出射激光（即pq"q
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