Способ измерения частотных характеристик излучения лазера

 

Союз Советских

Социалистических республик

О П И С А Н И Е (,560480

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. с вид-ву (22) Заявлено 05.05.75 (21) 2130969/25 (5l)М. Кл.

6 01 Х 3/28 с присоединением заявки №

Государствениь и комитет (23) Приоритет до делам изобретеиий и открытий

Опубликовано 27.12.82. Бюллетень № 42

Дата опубликования описания 27.12.82 (53) УДК 535,243..2 (088.8) A. В. Гнатовский, М. В. Данилейко, А. П. Недавний, Т. В. Рождественская и В. П. Федин (72) Авторы изобретения (7!) Заявитель Киевский ордена Ленина государственный университет им. Т. Г. Шевченко (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРА

Изобре-.ение относится к области кванквантовой электроники и может найти применение при разработке лазеров непрерывного действия для точногокконтроля их спектральных параметров и, в частности для создания оптических стандартов частоты.

Известен способ анализа частотных характеристик излучения лазера, разработанный прежде для некогерентных источников света и примененный затем для анализа излучения лазера.

Способ состоит в следующем. В исследуемом лазере осуществляют режим генерации двух и более типов колебаний, (мод),отличающихся по частоте, детектируют излучение и анализируют спектр биения частот различных мод. При анализе определяют количество частот биений и измеряют частотное расстояние между ними, которое равно разности частот генерируемых мод.

Измеряют также ширину сигналов биений. Так как в образовании биений участвуют все компоненты линии, то измеренная ширина полосы биений позволяет судить о ширине исходной спектральной линии.

Однако этим способом можно измерять лишь естественную ширину линии генерации лазера и только при наличии нескольких типов колебаний (многомо1о довый режим). Измерение спектральных параметров излучения лазера, работающего в одномодовом режиме, этим способом невозможно, также невозможно получить сведения о спектральных пара!

5 метрах допплеровски уширенной линии генерации лазера, что представляет существенный недостаток способа. К недостаткам следует отнести также отноо сительно высокую погрешность измерения 1-5 кГц.

Ближайшим по технической сущности к изобретению является способ измерения частотных характеристик излучения лазе.560480

3 ра, заключающийся в сканировании по частоте излучения исследуемого лазера, смешивании этого излучения с постоянным по частоте излучением. дополнительного лазера непрерывного действия, детектировании излучения с последующим анализом. электрического сигнала.

Этот способ измерения также имеет относительно невысокую точность а также не позволяет исследовать частотные параметры допплеровски уширенной линии генерации лазера.

Целью изобретения является повышение точности измерения контура допплеровски уширенной линии излучения лазера.

Цель достигается тем, что детектируют отдельно исследуемое значение и излучение, смешанное с излучением дополнительного лазера, выделяют из продетектированного радиочастотного сигнала биений частот лазеров две частотные метки с помощью перестраиваемого резонансного усилителя, и при анализе частотной характеристики спектра излучения лазера устанавливают частотное расстояние между метками равным частотному расстоянию исследуемой части спектра излучения лазера и по этому частотному расстоянию между метками судят о ширине исследуемой части спектра излучения лазера.

Сканирование частоты излучения лазера производят любым из известных способов„ например колебанием одного из зеркал резонатора лазера или периодическим изменением мощности накачки в пределах от 1 кГцдо 300 мГц в зависимости от ширины исследуемой части спектра излучения лазера. Излучение лазера с периодически меняющейся частотой смешивают с излучением дополнительного лазера непрерывного действия, частота генерации которого лежит в пределах спектра генерации исследуемого лазера.

Так как разность частот излучения лазеров периодически изменяется вследствие сканирования частоты исследуемого лазера, то и частота биения тоже периодически изменяется, Максимальное значение частоты биений принимает значения от 1 кГц до 300 мГц в зависимости от ширины сканируемой области спектра исследуемого лазера. При этом частота дополнительного лазера остается постоянной. Если из этого сигнала биений выделяют сигнал определенной частоты, заранее заданной в пределах от 500 Гц до

150 мГц, то вследствие того, что час5

35 0

4 тота биений, равная разности частот двух лазеров, два раза принимает значение заданной частоты (так как

= +(Е„- f ), где f> — мгновенное значение частоты биений, равное заданной, Х„ и — частоты излучения исследуемого лазера и дополнительного, то получают две частотные метки, частотное расстояние между которыми равно удвоенному значению их частоты). Из радиочастотного сигнала биений выделяют частотные метки, Устанавливают частоту меток такую, чтобы расстояние между ними было равно ширине исследуемой части спектра генерации лазера, в пределах от 1 кГц

1 до 300 мГц и по известному значению частоты меток, а следовательно и расстоянию между ними, получают сведения о ширине исследуемой части спектра генерации лазера непрерывного действия.

На фиг. 1 дана схема устройства для реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 осциллограмма зависимости выходной мощности исследуемого лазера от частоты и частотные метки.

Устройство для реализации предлагаемого способа включает в себя исследуемый лазер 1, частота которого изме.— няется в исследуемой части спектра с помощью сканирующего элемента 2 и смешивается с помощью полупрозрачного зеркала 3 на фотодетекторе 4 с излучением дополнительного лазера 5 непрерывного действия, в резльтате чего на нагрузке квадратичного. фотодетектора

4 появляется напряжение с частотой биений двух лазеров — исследуемого и дополнительного. Этот сигнал поступает на перестраиваемый частотно-избирательный усилитель 6. Этот усилитель, обладающий резонансной частотной характеристикой, выделяет сигнал заданной частоты, которая зависит от настройки усилителя 6. Одновременно с полупрозрачного зеркала 7 часть излучения исследуемого лазера 1 поступает на фотодетектор 8 и далее на усилитель 9, которые обеспечивают наблюдение на экране осциллографа 10 зави| симости мощности излучения исследуе мого лазера 1 от частоты, т.е. его спектральную характеристику. Генератор

1l управляющих сигналов служит для возбуждения сканирующего элемента 2 и синхронизации осциллографа 10. Поскольку указанный сигнал биений симметричен относительно нулевых биений двух лазеров, то на одном из лучей ос5 5604 циллографа 10 наблюдают два явно выраженных максимума сигнала, биений, представляющих собой частотные метки, расстояние между которыми равно удвоенной частоте настройки частотно-избирательного усилителя 6, т.е. удвоенной частоте меток, а на другом луче наблюдают спектральную характеристику исследуемого лазера 1.

Настройкой усилителя 6 устанавлива- ro ют частоту меток такую, при которой расстояние между метками совпадает на экране осциллографа с исследуемым участком спектра генерации лазера, а так как частота меток известна (усилитель граду- 5 ирован по частоте), то известно и частное расстояние исследуемого участка спектра генерации лазера.

Описанным способом производится измерение частотных характеристик спектральных резонансов усиливаюшей и пог-, лошаюшей сред гелий-неонового кольцевого лазера, Х 3,39 мкм, с метановой поглошающей ячейкой. На фиг. 2 показана осциллограмма совмешения частотных ме- g ток 12 с центром линий 13 и 14, соответственно усиления и поглошения в спектре излучения лазера. Частотное расстояние между метками равно 1,65 мГц. С помошью описанного устройства производится также измерение полуширины линии поглощения, равной 30 кГц с точностью 100 Гц.

В изобретении по сравнению с известными способами существенно повышается

35 точность измерения, Погрешность измерения не превышает 1% от абсолютного значения результата измерений. Предлагаемым способом можно измерять частотные характеристики спектра излучения

80 6 лазера шириной от 1 кГц до 300 мГц

1 что ранее не представлялось возможным.

Способ вследствие частотного сканирования излучения лазера позволяет производить измерение частотных характеристик допплеровски уширенной линии генерации лазера, работающего как в многомодовом, так и в одномодовом режиме вследствие применения смешивания излучения исследуемого лазера с излучением дополнительного, работающего в одномодовом режиме.

Формула изобретения

Способ измерения частотных характеристик излучения лазера непрерывного действия, состоящий в сканировании по частоте излучения исследуемого лазера, смешивании этого излучения с постоянным по частоте излучением дополнительного лазера непрерывного действия, детектировании излучения с последующим анализом электрического сигнала, о т— л и ч а ю ш и и с я тем, что, с целью повышения точности измерения контура допплеровски уширенной линии излучения лазера, детектируют отдельно исследуемое излучение и излучение, смешанное с излучением дополнительного лазера, выделяют из продетектированного радиочастотного сигнала биений частот лазеров две частотные метки с помошью перестраиваемого резонансного усилитля, устанавливают частотное расстояние между метками, равным частотному расстоянию исследуемой части спектра, и по нему судят о ширине исследуемой части спектра излучения лазера.

560480

Редактор П. Горькова Техред E.Õàðèòoí÷èê Корректор А. Ференц

Заказ 10432! 1 Тираж 887 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, K-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4