激光以其單色性好、相干性好、方向性好的特點,在工業(yè)、國防和科技等許多領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用,特別是在激光精密測量應(yīng)用領(lǐng)域,隨著測量精度要求的不斷提高,對激光頻率的穩(wěn)定性也越來越高。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,從而影響激光測量精度,所以必須采取主動穩(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,具有重要的研究價值和廣闊的應(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信號,使激光腔長發(fā)生正弦周期性小抖動,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)制頻率是外部抖動信號頻率的二倍時,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)制信號與外部抖動信號同頻時,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)計兩套獨立的激光穩(wěn)頻控制系統(tǒng),并同時穩(wěn)定直線腔和直角腔Nd:YAG激光的諧振頻率,即可實現(xiàn)雙腔雙頻Nd:YAG激光器的頻率穩(wěn)定。第二,設(shè)計了用于雙腔雙頻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轉(zhuǎn)為電信號;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);信號發(fā)生器產(chǎn)生兩路同頻信號,一路作為調(diào)制信號加到激光器上,另一路作為相敏檢波中的參考信號;放大電路對激光輸出功率調(diào)制信號進(jìn)行放大處理;選頻電路濾除調(diào)制頻率是外部抖動信號二倍頻的激光輸出功率信號;相敏檢波電路對激光輸出功率調(diào)制信號與抖動信號實現(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。應(yīng)用Multisim軟件仿真分析了各個單元電路的特性。第三,以1064nm單頻Nd:YAG激光器為光源,設(shè)計并建立了實驗系統(tǒng)以驗證本論文所設(shè)計的激光穩(wěn)頻電路系統(tǒng)的可行性,驗證實驗結(jié)果表明,本論文所設(shè)計的激光穩(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Fabry-Perot（F-P）標(biāo)準(zhǔn)具對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，同時滿足兩個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最大透射峰，通過微小擰動調(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)諧振腔腔長完成，即同時滿足如下關(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)具對不同的波長有不同的透過率，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。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)最多只有一個透射峰，如圖2-3（a）所示。由于元器件的擺放位置以及手動調(diào)節(jié)的差異性，直線腔和直角腔的長度存在微小差異，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取代了原來腔內(nèi)由數(shù)個Brewster片合并而成的具有較強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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本文編號：2886168