Устройство стабилизации частоты лазеров

 

Использование: в лазерной технике, в связи, метрологии и измерительной технике. Сущность изобретения: для повышения стабильности частоты колебаний и сужения их спектра в состав устройства входят два чип-лазера с полупроводниковой накачкой, обладающих взаимно ортогональными поляризациями излучения, в качестве внешнего эталона для обоих лазеров используется опорный анизотропный оптический резонатор, эквивалентный фазовой пластинке, а перед смесителем на пути одного из лучей расположена вторая фазовая пластинка, обеспечивающая задержку. 4 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в связи, метрологии и измерительной технике.

Самым простым устройством, позволяющим генерировать электрические колебания радио- и СВЧ-диапазона и основанным на использовании лазера, является устройство, в котором выделяется разностная частота двух одновременно генерирующих мод лазера [1] Однако такое устройство, несмотря на свою простоту, не получило распространения ввиду невысокой стабильности частоты генерируемого сигнала из-за конкурентного взаимодействия генерирующих мод в активной среде лазера.

Получение более высокой стабильности генерации колебаний в радио- и СВЧ-диапазоне можно ожидать, если использовать излучение высокостабильного одночастотного лазера (см. например, [2]).

Однако получение долговрменной высокой стабильности с помощью такого устройства затруднено ввиду относительного дрейфа частот используемых (даже высокостабильных) лазеров.

Технической задачей изобретения является повышение стабильности частоты электрических колебаний и сужение их спектра.

Указанная задача достигается тем, что в устройство стабилизации частоты лазеров, основанное на выделении разностной частоты двух источников излучения и содержащее два стабилизированных по внешнему эталону лазера и смесительный элемент, входят два чип-лазера с полупроводниковой накачкой, обладающих взаимно ортогональными поляризациями излучения, при этом в качестве внешнего эталона для обоих лазеров используется один опорный анизотропный оптический резонатор, эквивалентный фазовой пластинке толщиной l, перед смесителем на пути одного из лучей расположена вторая фазовая пластинка, обеспечивающая фазовую задержку оптического сигнала на π/2, причем величина I выбирается из условия l где f генерируемая частота; n₁ и n₂ показатели преломления для изучения с ортогональными поляризациями на длине волны генерации лазеров; с скорость света; k целое число.

Указанная задача достигается в результате того, что опорный анизотропный резонатор выполнен кольцевым в виде моноблока, а также в результате выполнения опорного анизотропного резонатора в виде эталона Фабри-Перо из анизотропного оптического элемента и, кроме того, в результате выполнения анизотропного оптического резонатора в виде эталона Фабри-Перо из гиротропного оптического элемента, помещенного в магнитное поле. Анизотропный оптический резонатор может быть выполнен в виде интерферометра Фабри-Перо, внутрь которого помещена фазовая пластинка.

На чертеже показана принципиальная схема устройства стабилизации частоты лазеров, где 1 и 2 высокостабильные чип-лазеры, 3 и 4 источники полупроводниковой накачки, 5 анизотропный оптический резонатор, 6 фазовая пластина, 7 нелинейный элемент для выделения разностного сигнала, 8 зеркала, 9, 10 и 11- полупрозрачные пластины, 12 выходной сигнал.

Принцип действия устройства заключается в следующем.

Излучение двух высокостабильных чип-лазеров 1 и 2 с помощью зеркала 9 и полупрозрачной пластины 11 направляется на смесительный элемент 7, позволяющий выделить разностную частоту, которая и является выходным сигналом.

Каждый из используемых чип-лазеров стабилизируется по опорному анизотропному оптическому резонатору 5, для чего используются цепи обратной связи, состоящие из полупрозрачного зеркала 9 и 11, опорного анизотропного оптического резонатора 5, элемента 17 для разделения ортогональных поляризаций, фотоприемника 15 и 16, усилителя 18 и 19 и системы 13 и 14 подстройки частоты чип-лазера. Поскольку излучения чип-лазеров 1 и 2 ортогонально поляризованы, то подстройка частоты каждого лазера к частоте анизотропного оптического резонатора 5 производится независимо. Подробно схема стабилизации чип-лазеров по внешнему эталону описана в [2] Вследствие того, что излучения используемых лазеров поляризованы ортогонально, а в качестве опорного элемента используется анизотропный оптический резонатор 5, эквивалентный фазовой пластине толщиной с различной эффективной (вследствие оптической анизотропии) длиной для используемых чип-лазеров 1 и 2, то соответственно частоты последних различаются на величину, определяемую значением l. Проведенные эксперименты по точности привязки частоты излучения чип-лазера к опорному генератору показывают, что эта точность привязки меньше 1 Гц [2] Поэтому рассматриваемое устройство должно обеспечить стабильность разностной частоты, лежащей в радио- и СВЧ-диапазоне, лучшую чем 1 Гц, а следовательно, относительная стабильность такого устройства может достигать порядка 10^-10 и выше.

Очевидно, что в качестве опорного анизотропного оптического резонатора может использоваться кольцевой резонатор в виде чипа, анизотропный эталон Фабри-Перо, эталон Фабри-Перо, выполненный из гиротропного элемента и помещенный в магнитное поле, а также интерферометр Фабри-Перо с фазовой пластинкой внутри. Принцип действия этих устройств не отличается от рассмотренного за исключением того, что при реализации устройства по п.4 излучения чип-лазеров должны иметь ортогональные круговые поляризации.

Таким образом, предложенное устройство превосходит по стабильности прототип.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ ЛАЗЕРОВ, включающее два лазера, систему подстройки их частот по внешнему эталону и смесительный элемент, отличающееся тем, что лазеры выполнены моноблочными и обладают взаимно ортогональными поляризациями излучения, в качестве внешнего эталона для обоих лазеров используется один опорный анизотропный оптический резонатор, эквивалентный фазовой пластинке толщиной l, перед смесительным элементом на пути одного из лучей расположена вторая фазовая пластинка, обеспечивающая фазовую задержку оптического сигнала, равную π/2, при этом величина l выбирается из условия l = c (n₁ - n₂) k/f n₁n₂, где f - генерируемая частота; n₁ и n₂ - показатели преломления для излучения с ортогональными поляризациями на длине волны генерации лазеров; c - скорость света; k - целое число.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что анизотропный оптический резонатор выполнен кольцевым в виде моноблока.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что опорный анизотропный оптический резонатор выполнен в виде эталона Фабри-Перо из анизотропного оптического элемента.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что опорный анизотропный оптический резонатор выполнен в виде эталона Фабри-Перо из гиротропного оптического элемента и помещен в магнитное поле.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что опорный анизотропный оптический резонатор выполнен в виде интерферометра Фабри-Перо, внутрь которого помещена фазовая пластинка.

РИСУНКИ

Рисунок 1