Стабилизированный двухмодовый he-ne/ch4 лазер

Изобретение относится к области оптических лазерных стандартов частоты. Предложено выполнить стабилизированный двухмодовый Не-Ne/CH₄ лазер в виде единого моноблока из ситалла, содержащего линейный резонатор Фабри-Перо ломаной конструкции. Вдоль оптической оси выполнены каналы, заполненные поглощающей (метановой) и усиливающей (He-Ne) средами. Газоразрядный канал с усиливающей средой содержит три электрода. Все оптические элементы установлены на оптическом контакте. Система автоподстройки частоты выполнена с возможностью независимой регулировки токов между парами электродов усиливающей среды. Технический результат - улучшение пассивной стабильности резонатора и автоматическая стабилизация коэффициента асимметрии резонанса. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области оптических стандартов частоты, в частности - лазерных стандартов частоты с внутренней поглощающей ячейкой, использующих для стабилизации частоты узкие нелинейные резонансы поглощения или дисперсии. Стабилизированные по частоте лазеры такого типа широко используются в прецизионной метрологии и спектроскопии сверхвысокого разрешения в качестве стандартов длины, а также задающих генераторов с узким спектром и вторичных стандартов с уровнем стабильности 10^-13-10^-14 [1-3].

Стабильность частоты лазерных стандартов зависит от трех основных составляющих:

- характеристик квантового репера - спектральной линии, по вершине которой производится стабилизация оптической частоты электронной системой автоподстройки (АПЧ),

- полосы частот и коэффициента усиления системы АПЧ,

- величины внешних возмущений.

При заданном уровне внешних возмущений чрезвычайно важной характеристикой стабилизируемого по частоте лазера является пассивная стабильность его оптического резонатора, т.е. устойчивость размеров и угловых настроек к вибрациям, изменениям окружающей температуры, давления, и т.д.

В портативных стабилизированных лазерах на основе внутренних поглощающих ячеек (He-Ne/CH₄, He-Ne/I₂ [2-5] и др.), для увеличения пассивной стабильности, применяется линейный резонатор Фабри-Перо, выполненный в виде массивной конструкции из инваровых труб или стержней (инвар - металл с коэффициентом температурного расширения α≈1*10^-6), на которых установлены (как правило приварены) узлы юстировки зеркал с жесткими пружинящими элементами. Жесткость конструкции и малый коэффициент α позволяют снижать медленные дрейфы частоты и увеличивать время непрерывной работы приборов в заданных температурных условиях без переюстировок в пределах, определяемых свойствами используемых материалов и возможностями технологии изготовления.

Известен [5] стабилизированный одномодовый He-Ne/CH₄ лазер, состоящий из линейного резонатора Фабри-Перо, выполненного в виде параллелепипеда из инваровых стержней, в котором последовательно размещены: газоразрядная стеклянная трубка с усиливающей (He-Ne) и кварцевая трубка с поглощающей (СН₄) средой, а на концах параллелепипеда укреплены юстируемые пружинами зеркала.

Недостатком такой конструкции, набранной из отдельных элементов, является невозможность дальнейшего повышения стабильности взаимного расположения составляющих ее элементов. При коэффициенте α инвара ≈1*10^-6 и градиенте температуры в 1 градус на характерном поперечном линейном размере 100 мм возникает угловая разъюстировка зеркал порядка 5*10^-6. Аналогичная разъюстировка может возникать из-за наклона оптических окон, герметизирующих стеклянную трубку с усиливающей средой, поскольку коэффициент α для стекла, из которого сделана газоразрядная трубка с усиливающей (He-Ne) средой, в 20-30 раз больше, чем у инвара. Кроме того, газоразрядная трубка является источником тепловыделения, а вытянутая конструкция (соотношение длина/диаметр порядка (10-20):1) увеличивает возможность возникновения температурных градиентов, что приводит к изменению углового и пространственного расположения оптических окон. Такие изменения, совместно с разъюстировкой зеркал, приводят к дрейфу и периодическим флуктуациям средней мощности генерации, вызванным изменениями спектрально селективных потерь, связанных с паразитными обратными отражениями и дифракцией излучения на внутренних диафрагмах резонатора. Изменение режимов генерации лазера, в конечном счете, искажает форму резонансов, по которым производится стабилизация частоты лазера. Возникающие искажения формы характеризуются так называемым «коэффициентом асимметрии», который не стабилен во времени, что приводит к медленным дрейфам стабилизированной частоты портативных He-Ne/CH₄ лазеров на уровне 10^-11-10^-12 [6].

Известен [7,8] двухмодовый стабилизированный («опорный») He-Ne/CH₄ лазер с узким спектром излучения, выбранный за прототип, состоящий из линейного резонатора Фабри-Перо, имеющего ломанную "П"-образную конфигурацию, в двух плечах которой последовательно размещены: газоразрядная стеклянная трубка с усиливающей (He-Ne) средой и кварцевая трубка с поглощающей (CH₄) средой. Возбуждающее разряд в трубке с усиливающей средой напряжение прикладывается к двум электродам, расположенным на противоположных концах газоразрядной трубки. На каждую половину усиливающей среды наложены поперечные магнитные поля, ориентированные ортогонально друг к другу вдоль "S" и "Р" поляризаций излучения. Промежуточные зеркала резонатора, на которые луч падает неортогонально, вносят разность фаз для излучения с "S" и "Р" поляризациями, что в совокупности с наложенными на усиливающую среду магнитными полями обеспечивает устойчивую генерацию двух мод с линейными, взаимно ортогональными ("S" и "Р") поляризациями и разностью частот, определяемой длиной резонатора и разностью фаз на зеркалах. Наложение ортогональных магнитных полей приводит также к тому, что каждая часть He-Ne среды усиливает преимущественно одну из ортогональных "S" или "Р" поляризаций, т.е. одну из мод. Устойчивая двухмодовая генерация позволяет, по сравнению с одномодовым лазером, увеличить чувствительность выделения резонансов в метане, по которым производится стабилизация частоты излучения, и повысить, тем самым, стабильность частоты излучения при небольших габаритах лазера.

Резонатор Фабри-Перо лазера-прототипа выполнен в виде жесткой металлической конструкции, сваренной из инваровых труб, с четырьмя зеркалами, установленными на механических котировочных головках, причем в инваровые трубы помещены стеклянная газоразрядная трубка с усиливающая средой и ячейка с метаном, выполненная из кварца. Тонкая (в пределах длины волны) настройка длины резонатора обеспечивается пьезоэлектрическими элементами, через которые зеркала установлены на механических юстировочных устройствах. Излучение лазера-прототипа регистрируется фотодетектором и сигнал, пропорциональный интенсивности одной из мод и/или частоте межмодовых биений, подается на электронную систему автоподстройки частоты (АПЧ). Система АПЧ выделяет производные по частоте резонансов насыщенного поглощения или насыщенной дисперсии в метане: для этого вводится вспомогательная модуляция длины резонатора и выделяются гармоники (1ая, 2ая, ...) частоты модуляции. Далее сигнал одной из гармоник резонанса (производных резонанса по частоте) подается на пьезоэлемент, управляющий длиной резонатора, и частота излучения стабилизируется в точке, где сигнал выбранной производной равен нулю, т.е. вблизи центра резонанса.

Недостатки лазера-прототипа те же, что и у аналога, поскольку в нем также технологически невозможно существенно повысить поперечную и продольную жесткость конструкции (несмотря на использование сварных соединений, инвара), что приводит (под влиянием веса, вибраций, температуры, градиентов температуры) к медленным разьюстировкам резонатора и дрейфу параметров генерации - общей мощности, разности мощностей мод и.т.д. Как следствие, даже в лабораторных условиях стабильность частоты излучения начинает ухудшаться, начиная со времен усреднения 10-20 сек, что не позволяет получать в таком лазере высокой долговременной (вплоть до суток) стабильности частоты.

Кроме того, в нем также проявляется упоминавшийся выше физический механизм дрейфов стабилизированной частоты, связанный с изменением формы реперного резонанса в процессе стабилизации частоты по центру резонанса в метане. Это изменение формы описывается появлением в сигнале используемой для стабилизации гармоники небольшой добавки гармоники другой четности. Относительная величина этой добавки, называемая коэффициентом асимметрии, может достигать (0,1-1,0)% от величины основной гармоники.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является радикальное снижение дрейфов стабилизированной частоты и повышение, тем самым, на один-два порядка долговременной стабильности частоты, в частности, за счет резкого улучшения пассивной стабильности резонатора и автоматической стабилизации коэффициента асимметрии резонанса.

Это достигается тем, что:

- резонатор выполнен в виде единого моноблока из материала со сверхнизким коэффициентом температурного расширения, например - ситалла (коэффициент α ситалла ≈1×10^-8, вместо 1×10^-6 у инвара);

- соотношение размеров моноблока лежит в интервале (3:3:1)-(4:4:1), что способствует увеличению жесткости конструкции и более равномерному распределению температуры;

- зеркала установлены на оптическом контакте, без механических (пружинных) юстировочных узлов;

- для юстировки оси резонатора одно из зеркал резонатора выполнено сферическим и установлено на призме, расположенной на одном из изломов оси резонатора или на одном из концов резонатора;

- усиливающая и поглощающая среды заполнены в каналы, выполненные непосредственно в теле моноблока;

- для каждой части усиливающей среды в моноблоке выполнены парные прорези для магнитов, создающих поперечные, взаимно ортогональные поля;

- система автоподстройки частоты выполнена с возможностью независимой регулировки токов между парами электродов усиливающей среды;

- в канал с усиливающей средой введен дополнительный электрод, что позволяет независимо регулировать токи между парами электродов.

Сигналом для системы автоматической стабилизации коэффициента асимметрии резонанса служит другая, отличная от используемой в основной системе АПЧ, гармоника вспомогательной модуляции реперного резонанса по частоте. При отличии величины этой другой гармоники от первоначального значения сигнал рассогласования подается на устройство, воздействующее на режим генерации лазера.

Для реализации такого устройства, поддерживающего постоянным величину коэффициента асимметрии, в газоразрядный канал с усиливающей средой вводится дополнительный электрод, расположенный примерно посередине канала, а в источник питания - два независимых выхода для возбуждения разряда в каждой половине активной среды. Поскольку на каждую половину активной среды наложены взаимно ортогональные магнитные поля, то каждая половины газоразрядной трубки усиливает преимущественно одну из ортогонально поляризованных мод, и регулировка тока, например, в одной из частей изменяет разность усилений мод и зависящий от разности усилений мод коэффициент асимметрии.

Кроме автоматической стабилизации коэффициента асимметрии наличие дополнительного электрода позволяет компенсировать начальную разность превышений мод "S" и "Р" поляризаций, снижая тем самым начальную асимметрию резонанса и масштаб сдвигов стабилизированной частоты.

Поскольку существует технологическое ограничение на максимальную длину каналов в теле моноблока, то компактность конструкции при сохранении требуемой (˜1 м) оптической длины резонатора обеспечивается "ломаной" геометрией оптического пути за счет введения дополнительных высокоотражающих зеркал, также устанавливаемых на оптическом контакте. Число изломов выбирается больше или равно (N-2), где N - общее число зеркал резонатора, исходя из требуемой предельной стабильности частоты излучения (σ), определяемой соотношением:

σ=Г*{Ш/С}≈Г·T/(L²·S·n_Ф)

где Г - ширина реперного резонанса в метане, С - величина сигнала спектрального резонанса насыщенной дисперсии в межмодовой частоте, Ш - величина шума межмодовой частоты, определяемого спонтанным излучением, т.е. естественными флуктуациями частот мод, L -длина резонатора, S - площадь поперечного сечения моды резонатора, n_ф - объемная плотность фотонов в резонаторе.

В вышеприведенной формуле использовано соотношение Шавлова-Таунса для естественных шумов излучения [9], в которое входит ширина полосы резонатора (˜1/L) и общее число фотонов (при фиксированной плотности насыщающего поля оно ˜L). В результате при фиксированных потерях на зеркалах предельная стабильность квадратично зависит от длины резонатора. В предлагаемом изобретении увеличение длины L связано с изломами траектории луча и число таких изломов (N-2), где N - общее число зеркал, выбирается с учетом потерь, вносимых каждым дополнительным зеркалом, и технологических проблем при изготовлении моноблока.

На чертеже приведена блок-схема предлагаемого стабилизированного двухмодового лазера, содержащего:

1 - моноблочную ситалловую основу резонатора; 2 - плоские зеркала; 3 - сферическое зеркало; 4 - герметизирующие окна; 5 - ситалловую призму для установки сферического зеркала (3); 6 - аноды; 7 - катод; 8 - систему регистрации; 9 - электронную систему автоподстройки частоты по резонансу в метане; 10а - каналы с усиливающей средой, 10б - каналы с поглощающей средой, 12 - пьезоэлемент, управляющий длиной резонатора; 14 - блок независимого питания разряда в двух каналах с усиливающей средой.

На чертеже показаны также: 11 - путь луча в резонаторе и к системе регистрации (8); 13 - путь сигнала автоподстройки к пьезоэлементу (12) лазера; 15 - путь сигнала автоподстройки к блоку питания газоразрядных каналов (14).

Устройство работает следующим образом.

Плоские зеркала (2) устанавливаются на оптическом контакте на полированные грани моноблочной основы (1), угловая неточность изготовления которых не превышает 2-5 угловых секунд, и устанавливаются разделительные вакуумно-герметичные окна для каждой из сред. После заполнения каналов усиливающей и поглощающей средами производится окончательная юстировка лазера сферическим зеркалом (3), устанавливаемым на оптическом контакте на дополнительной призме (5), которая, в свою очередь, установлена на оптическом контакте на моноблоке (1). Сферическое зеркало (3) может быть установлено и на одном из концов резонатора, но в таком случае перед ним вводится дополнительное вакуумно-герметичное окно (4), для возможности окончательной юстировки резонатора на «атмосфере».

Для возбуждения двух частей газового разряда между парами электродов (7,6) используются два независимых выхода высоковольтного источника питания (14) и устанавливаются токи, обеспечивающие не только необходимую для насыщения поглощения метана интенсивность излучения двух мод с ортогональными линейными поляризациями, но и разбаланс усилений мод, необходимый для компенсации неизбежной небольшой разности потерь мод. Для получения устойчивого двухмодового режима генерации в прорези вдоль разрядных каналов устанавливаются магниты с взаимно ортогональным направлением поля. Излучение лазера, выходящее через одно из зеркал, направляется на систему регистрации (8), электрический сигнал после которой содержит, в частности, сигнал биений на межмодовой частоте. Сигнал биений поступает на систему автоподстройки частоты (9), формирующую на выходе сигналы гармоник (производных по частоте) резонанса насыщенной дисперсии спектральной линии метана (или насыщенного поглощения при регистрации интенсивности одной из мод). Далее, сигнал одной из гармоник резонансов поступает на пьезоэлемент (12), что замыкает основную петлю обратной связи и стабилизирует частоту лазера по центру резонанса насыщенной дисперсии (насыщенного поглощения). Сигнал для стабилизации асимметрии формы реперного резонанса, пропорциональный другой, отличной от используемой при первой стабилизации, производной реперного резонанса по частоте, берется со второго выхода системы автоподстройки частоты (9) и поступает на блок (14) независимого питания разрядов в двух каналах с усиливающей средой таким образом, чтобы его воздействие на один из токов или разность токов в каналах стабилизировало коэффициент асимметрии формы реперного резонанса.

Для проверки работы предлагаемого устройства был реализован моноблочный Не-Ne/CH₄ лазер с числом зеркал N=6, обеспечившим при компактных габаритах моноблока оптическую длину резонатора L≈1 м и низкий (≈0,3 Гц/Гц^1/2) уровень естественных шумов межмодовой частоты, что важно также для получения и высокой кратковременной стабильности частоты. Помимо принципиально новой конструкции, резко повысившей по сравнению с лазером-прототипом пассивную стабильность резонатора, применялась активная стабилизация коэффициента асимметрии реперного резонанса: для второй петли обратной связи использовался сигнал 4-ой гармоники резонанса насыщенной дисперсии, регулировавший разность токов в газоразрядных каналах. Сравнение со стационарным («эталонным») стабилизированным He-Ne/CH₄ лазером с внутрирезонаторным телескопом, имеющим высокую долговременную стабильность за счет стабилизации по существенно более узкому реперному резонансу (центральная компонента разрешенной магнитной сверхтонкой структуры линии метана шириной ˜3 кГц), показало, что долговременная стабильность моноблочного лазера возросла по сравнению с прототипом в 50-100 раз: характерное для прототипа увеличение параметра Алана в зависимости от времени усреднения вместо 10 сек происходило на 1000 сек. Измерения на более длительных временах усреднения были не доступны из-за медленных дрейфов самого «эталонного» лазера, возникающих из-за недостаточной пассивной стабильности его резонатора.

ЛИТЕРАТУРА

1. «Справочник по лазерам» под ред. А.М.Прохорова, изд-во «Советское радио», 1978 г., том 1, стр.225.

2. B.C.Летохов, В.П.Чеботаев, Нелинейная лазерная спектроскопия сверхзвысокого разрешения. Наука, 1990, стр.411.

3. M.Gubin, E.Kovalchuk, et al, "Absolute frequency measurements with a set of transportable He-Ne/CH₄ OFS and prospects for future design and applications", in Proceedings of the 6^th International Symposium on Frequency Standards and Metrology, 9-14 September 2001, St.Andrews, Scotland, World Scientific Publishing Ltd, editor P.Gill., pp.453-460.

4. W.G.Schweitzer, Jr., E.G.Kessler, R.D.Deslattes, et al, "Description, performance and Wavelength of Iodine stabilized lasers", Applied Optics, Vol.12, #12, pp.2927-2938. December 1973.

5. Y.Akimoto, "A transportable methane stabilized He-Ne laser", IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, vol IM-36, #2, рр.633-635, June 1987.

6. Крылова Д.Д., Шелковников А.С., Петрухин Е.А., Губин М.А., Квантовая электроника, 34, 554 (2004).

7. Губин М.А., Проценко Е.Д., Квантовая электроника, 24, 1080 (1997).

8. M. Gubin, D.Tyurikov, A-Shelkovnikov, E.Kovalchuk, G.Kramer and B.Lipphardt, "Transportable He-Ne/CH₄ Optical frequency Standard and Absolute Measurements...", IEEE, J. of Quantum Electronics, v.31, No.12, p.2177 (1995).

9. А.Мэйтланд, М.Дан, «Введение в физику лазеров», Москва «Наука», ФМЛ, 1978 г., стр.113.

1. Стабилизированный двухмодовый He-Ne/CH₄ лазер, содержащий линейный резонатор Фабри-Перо ломаной конструкции, в котором вдоль оптической оси расположены поглощающая метановая ячейка и усиливающая He-Ne газоразрядная трубка с двумя электродами на концах, вдоль которой последовательно размещены две пары постоянных магнитов с направлениями полей, ортогональными друг другу и оптической оси, а также систему автоподстройки частоты, отличающийся тем, что резонатор выполнен в виде единого моноблока из материала с коэффициентом теплового расширения не больше 1×10^-8 град^-1, усиливающая и поглощающая среды помещены в каналы, расположенные вдоль оптической оси резонатора и выполненные ломаными, зеркала резонатора установлены на оптическом контакте на краях изломов, причем общее число изломов больше или равно (N-2), где N - число зеркал резонатора.

2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что материалом моноблока служит ситалл.

3. Лазер по п.1, отличающийся тем, что в канал с усиливающей средой введен дополнительный электрод для независимой регулировки токов между парами электродов.

4. Лазер по п.1, отличающийся тем, что для юстировки оси резонатора одно из зеркал резонатора выполнено сферическим и установлено на призме, расположенной на одном из изломов оси резонатора.

5. Лазер по п.1, отличающийся тем, что для юстировки оси резонатора одно из зеркал резонатора выполнено сферическим и установлено на призме, расположенной на одном из концов резонатора.