Способ стабилизации частоты излучения лазера и стабилизированный по частоте излучения лазер

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при стабилизации частоты излучения существующих лазеров и создании новых, стабилизированных по частоте лазеров, которые могут применяться в метрологии, спектроскопии, системах навигации, локации. Способ включает формирование резонанса мощности излучения в резонаторе лазера, измерение сигнала, пропорционального выходной мощности излучения лазера, модулирование резонатора лазера пробным сигналом, определение знака текущего градиента резонанса мощности излучения и формирование сигнала подстройки резонатора лазера на экстремум резонанса мощности излучения лазера по знаку текущего градиента. В качестве пробного сигнала используют сигнал, пропорциональный шумовым флуктуациям частоты излучения лазера, знак текущего градиента резонанса мощности излучения определяют по сигналу, пропорциональному выходной мощности излучения лазера, и названному пробному сигналу, а сигнал подстройки равен постоянной по амплитуде величине, знак которой совпадает со знаком текущего градиента. Лазер включает резонатор, снабженный первым пьезокорректором и пьезодатчиком, фотоприемник, детектирующий мощность излучения лазера, первый усилитель, усиливающий сигнал мощности излучения лазера, выходящий из фотоприемника, определитель знака градиента выходной мощности излучения, высоковольтный усилитель, вход которого соединен с выходом определителя знака градиента, а выход - с пьезокорректором, второй усилитель, усиливающий сигнал, пропорциональный шумовым флуктуациям частоты излучения лазера. Выход первого усилителя соединен с первым входом определителя знака градиента. Выход второго усилителя соединен со вторым входом определителя знака градиента. Пьезодатчик соединен с входом второго усилителя. Изобретение обеспечивает повышение уровня стабильности частоты лазерного излучения за счет увеличения точности настройки резонатора на экстремум линии - репера. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при стабилизации частоты излучения существующих лазеров и создании новых, стабилизированных по частоте лазеров, которые, в свою очередь, могут применяться в метрологии, спектроскопии, системах навигации, локации и других областях.

Известен способ активной стабилизации частоты лазера по экстремуму линии-репера [Багаев С.Н., Чеботаев В.П. "Лазерные стандарты частоты". - УФН, 1986, т.148, вып.1 - стр.144], по которому для подстройки частоты резонатора лазера на максимум линии используется пробный гармонический сигнал, модулирующий длину резонатора:

где Ω_m - амплитуда девиации и f_m - частота пробного сигнала.

Выходное излучение резонатора детектируется на приемнике излучения, сигнал которого перемножается в демодуляторе (синхронном детекторе) с опорным (пробным) сигналом, пропускается через фазочувствительный узкополосный усилитель, выделяющий нужную гармонику пробного сигнала, знак и величина которой пропорциональны градиенту выходной мощности излучения, и используется для подстройки длины (частоты) резонатора с помощью управляющего элемента - пьезокорректора.

Очевидно, что подвергающийся систематической перестройке с частотой f_m и амплитудой девиации Ω_m резонатор испытывает динамические искажения - модуляционное уширение линии и модуляционный сдвиг. В известном выражении "предельной нестабильности" - среднеквадратической ошибки флуктуации частоты [Власов А.Н., Теселкин В.В. "Анализ влияния флуктуации репера и длины резонатора на нестабильность частоты газового лазера и требования к сигналам автоподстройки". - Квантовая электроника, 1976 г, №6 - стр.1299-1305]:

член, пропорциональный амплитуде девиации Ω_m пробного сигнала, вносит прямой вклад в нестабильность частоты, т.к. он не подавляется системой автоматической подстройки частоты (АПЧ). Здесь ω_m=2πf_m - частота пробного колебания, S_Λ(ω), S_p(ω), S_П(ω) - соответственно спектральные плотности мощности (СПМ) технических флуктуации оптической длины резонатора, репера и фотоприемника, ν₀ - частота излучения.

Были получены оценки величин сдвигов для различных гармоник, сред и типов лазеров для дискриминатора на основе резонанса мощности излучения - линии лоренцевой формы и найдено выражение, определяющее дисперсию сдвига частоты в зависимости от номера гармоники и амплитуды девиации [Миронов А.В. "Исследование сдвигов частоты лазера, стабилизированного по насыщенному поглощению в йоде". - Оптика и спектроскопия, 1985, т.58, вып.5 - стр.1128-1132 и Гримблатов В.М., Зоммер М.А. Исследование дискриминатора на основе насыщенного поглощения. - Оптика и спектроскопия, 1986, т.57, вып.3 - стр.532-537]

где: (σ²min)^1/2 - минимум среднеквадратической ошибки модуляционного сдвига, - среднеквадратическое значение шумового сигнала, приведенного к входу фотоприемника, - n-я производная (гармоника) выходного сигнала дискриминатора, ν_p - центральная частота резонанса, Ω_m - амплитуда девиации сигнала модуляции.

Из (3) видно, что минимум ошибки можно еще уменьшить, если положить Ω_m=0, n=0, т.е. исключить дополнительный пробный сигнал.

В других типах лазеров модуляционные эффекты проявляются таким же образом. Так, стабилизация по квантовому реперу на Е-компоненте молекулы метана вызывает относительный сдвиг частоты до величин 10^-13 при вариациях амплитуды девиации в диапазоне 20-100 кГц при стабилизации по 1-й гармонике [Малышев Ю.М., Овчинников С.Н, Росторгуев Ю.Г. "О воспроизводимости частоты квантового репера на Е-компоненте молекулы метана". - Квантовая электроника, 1980, №3]. При детальных исследованиях стабильности и воспроизводимости частоты Не-Ne лазера, стабилизированного по сверхтонкой структуре линий йода I₂ [Cerez P, Brillet A. "Factors which limit the reproducibility of iodine stabilized He-Ne lasers". - Metrologia, 1977, №13 - p.29-33], выявлено, что помимо физических факторов в ограничение качества стабилизации заметный вклад вносят параметры модуляции. При полуширине линии Г=2,4 МГц и амплитуде девиации Ω_m=4 МГц наблюдается частотный сдвиг с относительной величиной ˜10^-11, который возрастает при увеличении Ω_m.

Таким образом, для высококачественных, стабильных систем, таких как стандарты частоты, описанный способ стабилизации частоты ограничивает относительную точность автоматической подстройки частоты, например, в оптическом диапазоне величинами 10^-13-10^-14.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по наибольшему количеству сходных с ним признаков является способ стабилизации частоты лазера по резонансу насыщенного поглощения в метане и устройство для его реализации [Жмудь В.А., Бармасов С.В., Гительсон В.Д. "Электронная система стабилизации частоты He-Ne-лазера по линиям поглощения метана". - Приборы и техника эксперимента, 1999, №4, стр.127-133], включающий формирование в резонаторе лазера, состоящем из ячеек с He-Ne средой и метановой (СН₄) средой, резонанса мощности и измерение сигнала, пропорционального выходной мощности излучения лазера, на выходе фотоприемника, модуляцию резонатора лазера пробным сигналом от генератора пробного сигнала, определение с помощью пробного сигнала в синхронном детекторе знака и величины текущего градиента резонанса мощности, использование знака и величины текущего градиента для формирования в высоковольтном усилителе сигнала подстройки резонатора на экстремум резонанса мощности. Эти способ и устройство не дают требуемого уровня стабильности, поскольку при его использовании возникает модуляционный сдвиг, вызванный девиацией резонатора пробным сигналом, что дополнительно ограничивает точность настройки резонатора лазера на резонансную частоту ячейки-репера. Кроме того, наличие прецизионного генератора пробного сигнала усложняет устройство, реализующее описанный способ стабилизации частоты.

В основу изобретения положена задача повышения уровня стабильности частоты лазерного излучения за счет увеличения точности настройки резонатора на экстремум линии - репера.

Поставленная задача решается тем, что предлагается способ стабилизации частоты излучения лазера, включающий формирование в резонаторе лазера резонанса мощности излучения и измерение сигнала, пропорционального выходной мощности излучения лазера, модуляцию резонатора лазера пробным сигналом, определение с помощью пробного сигнала знака текущего градиента резонанса мощности излучения и формирование сигнала подстройки резонатора на экстремум резонанса мощности излучения по знаку текущего градиента, в котором пробным сигналом является сигнал, пропорциональный флуктуациям частоты излучения лазера, знак текущего градиента определяют по сигналу, пропорциональному выходной мощности излучения, и названному пробному сигналу, а сигнал подстройки на каждом дискретном шаге подстройки равен постоянной по амплитуде величине, знак которой совпадает со знаком текущего градиента.

Предлагается также стабилизированный по частоте лазер, реализующий вышеописанный способ, включающий резонатор, снабженный пьезокорректором и пьезодатчиком, фотоприемник, детектирующий мощность излучения лазера, первый усилитель, усиливающий сигнал мощности излучения лазера, выходящий из фотоприемника, определитель знака градиента выходной мощности излучения, высоковольтный усилитель, вход которого соединен с выходом определителя знака градиента, а выход - с пьезокорректором, который содержит второй усилитель, усиливающий сигнал, пропорциональный флуктуациям частоты излучения лазера, при этом выход первого усилителя соединен с первым входом определителя знака градиента, а выход второго усилителя соединен со вторым входом определителя знака градиента, а пьезодатчик соединен с входом второго усилителя.

На фиг.1 представлена функциональная схема стабилизированного по частоте лазера, реализующего предлагаемый способ. Лазер включает резонатор (1), образованный подвижным зеркалом ЗК1 (2), закрепленным на пьезокорректоре ПК (3), и неподвижным зеркалом ЗК2 (4), закрепленным на пьезодатчике ПД (5). Резонатор лазера содержит усиливающую среду и нелинейно поглощающую среду, формирующую узкую линию-репер. Излучение лазера регистрируется фотоприемником ФП (6), сигнал с выхода которого, усиленный в предварительном усилителе ПУ1 (7), подается на вход определителя знака градиента (8). Пьезокорректор ПК подключен к входу предварительного усилителя ПУ2 (9) и служит датчиком, регистрирующим пробный сигнал, возмущающий резонатор, пропорциональный флуктуациям частоты излучения лазера, который с выхода предварительного усилителя ПУ2 подается на второй вход определителя знака градиента. Выход определителя знака градиента через высоковольтный усилитель ВВУ (10) связан с управляющим пьезокорректором ПК.

Способ осуществляют следующим образом.

Излучение на выходе резонатора лазера детектируется фотоприемником ФП. Сигнал, пропорциональный выходной мощности излучения лазера, усиленный в предварительном усилителе ПУ1, подается на 1-й вход определителя знака градиента. На его 2-й вход подается возмущающий резонатор сигнал, снимаемый с пьезодатчика ПД, усиленный в предварительном усилителе ПУ2 и пропорциональный флуктуациям частоты лазера. Резонатор со своими элементами - зеркалами, фиксирующей арматурой, пьезокорректорами образует инерционную механическую систему, на которую действуют возмущения в инфранизком и акустическом диапазонах частот. В этом диапазоне (0.1-12000 Гц) сосредоточена основная спектральная мощность возмущений, в том числе акустических и микросейсмических полей, поэтому и в известных системах стабилизации частота пробного сигнала выбирается в этом диапазоне. Пьезокорректор закреплен на арматуре резонатора, а на нем, в свою очередь, закреплено зеркало. Механические возмущения, действующие на арматуру, вызывают перемещение зеркала через пьезокорректор. Сила, возникающая за счет инерции зеркала, приводит к появлению на пьезокорректоре (за счет пьезоэффекта) электрического сигнала, который пропорционален амплитуде перемещения зеркала, а следовательно, и изменению частоты лазера. Таким образом возмущения, испытываемые всей системой резонатора, преобразуются пьезодатчиком ПД в электрический сигнал, несущий информацию о флуктуациях частоты.

В определителе знака градиента, который может быть реализован или в виде программы ЭВМ, или в форме микропроцессора, по сигналам U_ПУ1 и U_ПУ2 определяется знак градиента Sign (∂U_ПУ1/∂U_ПУ2). Затем при формировании управляющего сигнала подстройки для исключения высокого уровня вычислительных шумов, возникающих при определении градиента, используется только знак текущего градиента, с учетом которого на управляющий пьезокорректор ПК от высоковольтного усилителя ВВУ подается сигнал управления постоянной (и небольшой, определяемой чувствительностью системы) амплитуды а со знаком текущего градиента. Сигнал управления U_n на каждом дискретном шаге подстройки n определялся с помощью алгоритма итерационного типа

На фиг.2 представлена динамика сигнала управления U_n (ошибки-расстройки Ω относительно уровня Ω_max) при работе по алгоритму (4) с постоянной амплитудой а=500 Гц/шаг (длительность шага Δn=10^-4 c) для стабилизации He-Ne лазера с внутренней метановой ячейкой по экстремуму узкого оптического резонанса с полушириной на полувысоте Г=30 кГц. Начальная расстройка Ω₀=10 кГц. Для наглядности здесь представлена область расстроек Ω в окрестности экстремума Ω_max. На фиг.3 представлена запись использованного при этом сигнала флуктуации частоты с пьезодатчика ПД, усиленного ПУ2 с К_ус=10⁶. Из фиг.2 видно, что примерно за 200 шагов управления управляющий сигнал выводит и удерживает систему АПЧ на уровень экстремума резонанса Ω_max.

Предлагаемый способ стабилизации частоты лазера, основанный на использовании экстремума линии-репера, отличается от известных аналогов тем, что не требует дополнительного гармонического пробного сигнала с большой амплитудой девиации, а прямо использует в качестве пробного сигнал, возмущающий резонатор. В формулах (2), (3), оценивающих точность, это соответствует исключению компоненты с амплитудой Ω_m. Т.к. эта амплитуда на несколько порядков превышает уровни используемых шумов S_Λ (ω), S_n(ω), S_П(ω), то это отличие позволяет исключить модуляционный сдвиг частоты, характерный при использовании гармонического пробного сигнала, и существенно расширить полосу отработки возмущений резонатора, что приводит к повышению точности подстройки частоты лазера к экстремуму линии-репера и улучшению стабильности его частоты. Лазер, реализующий этот способ, проще известных лазеров, а стабилизирован он более надежно.

1. Способ стабилизации частоты излучения лазера, по которому формируют резонанс мощности излучения в резонаторе лазера, измеряют сигнал, пропорциональный выходной мощности излучения лазера, модулируют резонатор лазера пробным сигналом, определяют знак текущего градиента резонанса мощности излучения и формируют сигнал подстройки резонатора лазера на экстремум резонанса мощности излучения лазера по знаку текущего градиента, отличающийся тем, что в качестве пробного сигнала используют сигнал, пропорциональный флуктуациям частоты излучения лазера, знак текущего градиента резонанса мощности излучения определяют по сигналу, пропорциональному выходной мощности излучения лазера, и названному пробному сигналу, а сигнал подстройки на каждом дискретном шаге подстройки равен постоянной по амплитуде величине, знак которой совпадает со знаком текущего градиента.

2. Стабилизированный по частоте лазер, включающий резонатор, снабженный пьезокорректором и пьезодатчиком, фотоприемник, детектирующий мощность излучения лазера, первый усилитель, усиливающий сигнал мощности излучения лазера, выходящий из фотоприемника, определитель знака градиента выходной мощности излучения, высоковольтный усилитель, вход которого соединен с выходом определителя знака градиента, а выход - с первым пьезокорректором, отличающийся тем, что он содержит второй усилитель, усиливающий сигнал, пропорциональный флуктуациям частоты излучения лазера, при этом выход первого усилителя соединен с первым входом определителя знака градиента, а выход второго усилителя соединен со вторым входом определителя знака градиента, а пьезодатчик соединен с входом второго усилителя.