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兰姆凹陷稳频方法

2023.1.10

兰姆凹陷稳频技术是利用非均匀加宽气体激光器的输出功率在中心频率v0处有一极小值点这一现象工作的。

要使激光器输出功率保持极小值，常用的方法是在激光器谐振腔长上施加一微小的周期性调制信号，使激光器的输出功率存在对应的微小波动; 信号处理电路将输出功率的微小波动进行带通放大、相敏检波，得到信号的相位信息; 该相位信息作为PID控制电路的输入信号，输出信号经过高压放大后驱动压电陶瓷管，调整激光器谐振腔长。通过这一闭环控制过程保持相敏检波信号输出为零，即可将激光器谐振频率调整到工作物质中心频率v0处。

通过腔长调制判断输出功率所处兰姆凹陷曲线上位置的方法，实际上是利用兰姆凹陷曲线的一次导数曲线在中心频率v0处有一过零点这一规律工作的。根据兰姆凹陷曲线的特点，可知其一次导数曲线不是单调曲线，因此无法保证整个工作区间内控制系统始终处于负反馈状态，即无法实现控制系统在任意初始状态均能实现稳频锁定#只有在凹陷点附近很小的区域内，控制电压与相敏检波输出的关系才是单调关系，闭环控制系统才能形成负反馈，正常工作。

模拟式兰姆凹陷稳频激光器结构原理如图所示。图中兰姆凹陷波形的扫描由手动扫描部分实现，操作者通过示波器观察输出功率的变化，判断兰姆凹陷点，在凹陷点附近将控制电路切换为闭环模式，PID控制电路将自动跟踪锁定到兰姆凹陷点。

激光管是采用热膨胀系数很小的石英做成外腔式结构，谐振腔的两个反射镜安置在殷钢架上，其中一个贴在压电陶瓷环上；陶瓷环的长度约为几厘米，环的内外表面接有两个电机，加有频率为f的调制电压，当外表面为正电压，内表面为负电压时陶瓷环伸长，反之则缩短。改变陶瓷环上的电压即可调整谐振腔的长度，以补偿外界因素所造成的腔长变化。光电接收器一般采用硅光电三极管，它能将光信号转变成相应的电信号。

选频放大器只是对某一特定频率信号进行有选择性的放大与输出。相敏检波器的作用是将选频放大后的信号电压与参考信号电压进行相位比较。当选频放大信号为零时，相敏输出为零；当选频放大信号和参考信号同相位时，相敏输出的直流电压为负，反之则为正。振荡器除供给相敏检波器以参考信号电压外，还给出一个频率为 f [(约为1kHz)、幅度很小(只有零点几伏)的交流讯号，称为“搜索讯号”]的正弦调制信号加到压电陶瓷环上对腔长进行调制。

总之，兰姆凹陷稳频的实质是：以谱线的中心频率υD作为参考标准，当激光振荡频率偏离υD时，即输出一误差信号→通过伺服系统鉴别出频率偏移的大小和方向，输出一直流电压调节压电陶瓷的伸缩来控制腔长→把激光振荡频率自动的锁定在兰姆凹陷中心处。

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