Двухчастотный стабилизированный газовый лазер

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве источника излучения в интерферометрах с переносом спектра сигнала. Сущность изобретения: в двухчастотном зеемановском стабилизированном лазере, включающем активный элемент, источник постоянного аксиального магнитного поля, источник питания и систему стабилизации частоты излучения, источник магнитного поля выполнен в виде двух поперечно намагниченных пластин, установленных одноименными полюсами навстречу друг другу в вертикальных плоскостях симметрично и параллельно оси активного элемента со стороны одного из его концов так, что длина участка взаимного капилляра активного элемента и пластин не превышает половины длины пластин. 1 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании двухчастотных источников когерентного оптического излучения для метрологии, интерферометрии и систем обработки информации.

Известны двухчастотные стабилизированные лазеры [1] которые позволяют перенести спектр полезного сигнала в высокочастотную область и тем самым избавиться от влияния низкочастотных флуктуаций, повышая при этом надежность и точность измерения. Обычно требуются источники двухчастотного излучения с разностью частот порядка нескольких сотен кГц единиц МГц. Для получения двухчастотного излучения используют акусто- и электрооптические преобразователи, лазеры с анизотропными элементами и др. Наиболее перспективным является зеемановский лазер, в котором двухчастотное излучение получается посредством наложения на активную среду лазера с изотропным резонатором аксиального магнитного поля (АМП). Источником АМП может служить соленоид или постоянный магнит.

Известен двухчастотный зеемановский стабилизированный лазер ЛГН-212 [2] который по совокупности существенных признаков наиболее близок предлагаемому и принят за прототип.

Известный лазер содержит активный элемент с изотропным резонатором, размещенный внутри постоянного магнита в форме цилиндра с отверстием, выполненного из набора колец. Все кольца намагничены в одном направлении, в результате чего в отверстии магнита создано магнитное поле в направлении продольной оси активного элемента. Лазер содержит также систему автоподстройки частоты, оптически и электрически связанную с активным элементом.

В известном устройстве теплоотвод с поверхности активного элемента затруднен из-за его размещения внутри цилиндрического магнита. По этой причине тепловыделение активного элемента ведет к длительному дрейфу температуры его стенок и к нестабильности расщепления частот. Увеличение зазоров для теплоотвода ведет к росту массогабаритных показателей. Кроме того, в известном устройстве отсутствует возможность точной установки заданного расщепления, так как величина поля определяется только намагниченностью и количеством колец. В то же время технологический разброс параметров активных элементов требует варьировать величину поля плавно в 1,5-2 раза для получения одинакового расщепления.

Таким образом, недостатками известного устройства являются низкие воспроизводимость и стабильность излучения, низкая технологичность и высокие массогабаритные показатели.

Целью изобретения является повышение воспроизводимости, стабильности частоты излучения и технологичности и уменьшение весогабаритных показателей.

Эта цель достигается тем, что в предлагаемом двухчастотном зеемановском стабилизированном лазере, включающем активный элемент, источник постоянного аксиального магнитного поля и систему стабилизации частоты излучения, источник магнитного поля выполнен в виде двух поперечно намагниченных пластин, установленных одноименными полюсами навстречу друг другу в вертикальных плоскостях симметрично и параллельно оси активного элемента со стороны одного из его концов с перекрытием активного элемента, не превышающим половины длины намагниченных пластин.

Предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить генерацию двух частот излучения с регулируемой и стабильной разностью частот, используя малогабаритные постоянные магниты, не препятствующие отводу тепла с поверхности активного элемента и тем самым повысить воспроизводимость, стабильность частоты излучения и технологичность и уменьшить массогабаритные показатели.

На чертеже приведена схема предлагаемого устройства.

Предлагаемое устройство состоит из активного элемента 1, помещенного в магнитное поле двух поперечно намагниченных пластин 2, 3, размещенных одна относительно другой встречными полюсами, и системы 4 стабилизации частоты, оптически и электрически связанной с активным элементом 1. Пластины 2, 3 установлены в вертикальных плоскостях симметрично и параллельно оси активного элемента 1 со стороны одного из его концов с перекрытием активного элемента 1, не превышающим половины длины пластин 2, 3.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Силовые линии 5 магнитного поля выталкиваются из пространства между пластинами 2, 3 и сгущаются на участке 6 продольной оси активного элемента 1. На этом участке происходит расщепление контура усиления на σ⁺ и σ^-- компоненты, взаимодействуя с которыми, излучение лазера в изотропном резонаторе расщепляется на две моды, разнесенные по частотам. Система 4 стабилизации частоты, детектируя излучение лазера, вырабатывает управляющий сигнал, удерживающий среднюю частоту излучения мод в окрестности ее заданного номинального значения.

При изменении расстояния между пластинами 2, 3 на величину порядка их длины величина поля на участке 6 изменяется в 1,5-2 раза. При этом юстировкой пластин достигается компенсация технологического разброса коэффициента чувствительности активного элемента 1 к магнитному полю.

Пластины 2, 3 не препятствуют обдуву активного элемента 1 конвекционными потоками воздуха. При этом температура стенок элемента 1 быстро приходит в равновесие, что ведет к улучшению стабильности частотного расщепления. Эксперимент показал, что уход частоты биений у предлагаемого устройства составил 40 кГц против 300 кГц у прототипа.

Использование пластин, вместо колец магнитов, несколько уменьшит габариты и вес лазера. В лазере ЛГН-212 расщепление частот ≈1,5 МГц достигалось набором из трех колец магнитов с внутренним диаметром 38 мм, внешним диаметром 50 мм толщиной 25 мм каждая. Такое же расщепление удалось получить в лазере ЛНГ-208 при использовании двух пластин 80х30х20 мм.

Выталкивание силовых линий 5 и сгущение их на участке 6 оптической оси обеспечивается встречным размещением полюсов намагниченных пластин 2, 3. Наоборот, при установке пластин разноименными полюсами навстречу происходило бы замыкание силовых линий из одной пластины в другую, т.е. создание не продольного, а поперечного поля.

Имеется также участок 7 на продолжении оптической оси лазера, где силовые линии также сгущаются, но имеют противоположное направление, по сравнению с участком 6. Совмещение участка 7 с усиливающим промежутком активного элемента 1 привело бы к уменьшению расщепления частот, в силу встречной направленности магнитного поля. Поэтому длина участка взаимного перекрытия активного элемента и пластин 2, 3 не превышает половины длины пластин, так что магнитное поле в активном элементе 1 имеет только одно единственное направление.

Был проведен эксперимент по проверке технологичности предлагаемого устройства.

Исследовалась частота биений при наложении АМП на серийно выпускаемые активные элементы ЛГН-208. Испытано 20 активных элементов, выбранных из крупной промышленной партии случайным образом.

При использовании магнита кольцеобразной конструкции частота биений заняла диапазон 0,7-2 МГц, отличаясь у различных элементов более, чем в 2 раза. С использованием предлагаемого технического решения частота была во всех случаях установлена (1,05±0,05) МГЦ и дрейфовала затем в пределах, определяемых указанной выше нестабильностью ≈40 кГц.

Для осуществления предлагаемого устройства может быть применена следующая элементная база. В качестве активного элемента может быть использован серийно выпускаемый лазер с внутренними зеркалами ЛГН-208, он в отличие от ЛГН-212 имеет существенно большую выходную мощность (≈1 мВт против 0,2 мВт). Система автоматической подстройки частоты (АПЧ) может быть заимствована из лазера ЛГН-212 или разработана новая на массово выпускаемой отечественной элементной базе. Постоянные магниты выпускаются промышленностью, причем изготовление пластин проще, чем изготовление колец.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить генерацию двух частот излучения с регулируемой и стабильной разностью частот, используя малогабаритные постоянные магниты, не препятствующие отводу тепла с поверхности активного элемента, и тем самым повысить воспроизводимость, стабильность частоты излучения и технологичность и уменьшить массогабаритные показатели.

Формула изобретения

ДВУХЧАСТОТНЫЙ СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР, содержащий активный элемент с разрядным капилляром и источник постоянного аксиального магнитного поля, отличающийся тем, что, с целью повышения воспроизводимости и стабильности частоты излучения, улучшения технологичности и уменьшения массагабаритных характеристик, источник постоянного магнитного тока выполнен в виде двух поперечно намагниченных пластин, установленных одноименными полюсами навстречу одна другой симметрично и параллельно оси активного элемента со стороны одного из его концов так, что длина участка взаимного перекрытия разрядного капилляра и пластин не превышает половины длины пластин.

РИСУНКИ

Рисунок 1