Устройство для стабилизации частоты излучения газового лазера

 

А.В. Гнатовский, И.В. Данилейко, А.П. Недавний, Т. В, Рождественская, 8. П. Федин и И.Т. Шпак

l (72) Авторы изобретения

Институт физики АН СССР (71) Заявитель

I (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАБИЛЙЗДИИИ ЧАСТОТЫ

ИЗЛУЧЕНИЯ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА

2

Изобретение относится к.области,,... линии поглощения, а ширина на несколь" квантовой электроники, а именно к :., ко порядков меньше ширина "провала устройствам для получения стабилиэи- Лэмба" в линии усиления. рованного по частоте излучения газо" Однако в данном устройстве практивого лазера и может йайти применение чески не обеспечивается точное совпапри создании оптических квантовых дение центральных частот линий усиле" стандартов частоты с высокими эначе- ния и поглощений,- что приводит к. нениями стабильности (м5 ° 10 1 ) и вос-. желательным эффектам отталкиванйя и производимости (10 з) частоты. затягивания частоты генерации. Ввиду

Известен стабйлйэированный ОКГ (13, этого" ограничено достижение высоких где с целью повышения стабильности и 1В значений стабильности и воспроиэводивоспроизводимости частоты излучения - мости. частоты излучения стабилиэиро-. газового ОКГ внутрь резонатора ОКГ . ванного ОКГ. помещена нелинейно-поглощающая газо- Известно устройство для стабилизайая ячейка низкого давления, централь- ции частоты излучейия газового лазера, ная частота поглощения которой попа- з состоящее иэ двух кольцевых газовых дает в допплеровский контур линии уси" лазеров, в резонаторе одного из котоления. Насыщение поглощения в стоячей рых помещена ячейка с нелинейно-поглосветовой волне приводит к образованию щающим газом, а в резонаторе второгоузкого "провала Лэмба" в центре доп- элемент для регулировки величины обплеровски-уширенной линии поглощения. ратных .отражений энергии бегущих, волн, В.результате этого в выходном излуче" фотоприемники, установленные на пути ,нии ОКГ возникает резонанс мощности,. выходных пучков каждого лазера, систечастота которого совпадает с частотой мы автоматической подстройки частоты, Ф@

3 768365 фотоприемник, установленный на пути ным резонансам мощности, которые возсовмещейнйх пучков лазеров f2 3. . йикают на центральных частотах линий:„

Устройство работает следующим обра- усиливающей и поглощающей сред при зом, Основной Не-Ме лазер (3=3,39 мкм) увеличении коэффициента фазовой свя- стабилизируется по центру нелинейного зи волн до критического значения, что резонанса. поглощающего газа (метана). приводйт к повышению на порядок велиДополнительный кольцевой Не-Ne лазер чины стабильнбсти и воспроизводимости (1=3„39 мкм стабилизируется по резо- частоты газового ОКГ. нансу мощности на центральной частоте Однако в данном устройстве для по-! допплеровского контура линии усиления.10 лучения стабилизированных по частоте

B данном устройстве, используя специ- излучения газового ОКГ путем совмещефику кольцевого лазера, стабилизация ния резонансов, возникающих за счет частбты излученйя дополйительного ла- фазовой связи бегущих волн, можно ста зера производится не по широкому (де- билцзировать частоту излучения ОКГ, сятки мГц) "провалу Лэмба", à по бо- >>" имеющего кольцевой резонатор, так как лее узкому (едийицы мГц) Резонансу, упомянутые резонансы возникают только . возникающему за счет обра1ных отра- в ОКГ с кольцевым резонатором. жений энергии бегущих волн при малом Поэтому данное устройство не поззначении коэффициента фазовой связи. воляет обеспечить высокой стабильносСовмецение цейтральных частот доппле- ти и.воспроизводимости частоты излу20 ровских контуров усиления и поглоще- чения ОКГ с резонатором Фабри-Перо, ния в этом устройстве производится имеющего в настоящее время широкое следующим образом. Выходное излуче" распространение. Недостатком этого ние основного и дополнительного лазе- устройства является также наличие on ра совмещается с помощью полупрозрач 5 тической связи стабилизируемого ОКГ ного зеркала, и поступает на общий фо- со вспомогательным ОКГ, приводящей к топриемник. Частота сигнала, выделяю- дополнительным потерям мощности выщегося на общем фотоприемнике равна ходного излучения стабилизируемого разности частот двух лазеров, а сле ОКГ, к внесению искажений ввиду взадовательно, и частотной расстройке цен 0 имного влияния ОКГ на режимы работы тральных частот линий усиления и погло друг друга, к дополнительным отражещения. С фотоприемника си гнari посту ниям энергии бегущих волн на общих пает в систему автоматической Регули отражающих поверхностях и т. и. ровки давлением, а именно на дискриминатоф отклонения частоты, выходной Целью настоящего изобретения являсигнал с которого определяется вели- З ется повышение стабильности частоты чиной и знаком частотной расстройки газОвого лазера. При этом конструкция центральных частот линий усиления и резонатора произвольная, поглощения. Сигнал ошибки с дискрими-, Указанная цель достигается тем, натора поступает далее в сервопривод, что устройство для стабилизации часкоторыи управляет движением поршня. тоты газового лазера, состоящее из

Различие центральных частот линий уси- двух кольцевых ОКГ, активные трубки ления и поглощения устраняется соот- которых соединены между собой, в реветствуйщим изменением давления в со- зонаторе одного из которых находится единенных между собой активных труб- нелинейно-поглощающая ячейка, а в реках обоих ОКГ при помощи поршня. Од- "5 -зонаторе другого - приспособление для нако тойность совмещения центральных Регулировки величины обратных отражечастот линий усиления и поглощения в ний энергии бегущих волн, например, описанном выше устройстве невысока плоскопараллельная пластинка, фото(10 -10 4 Гц) и ограйичена сравнитель- приемников, установленных на пути выно большой (единицы мГц) шириной резо-"0 ходных пучков каждого ОКГ, систем авнанса на центральной частоте линии томатической подстройки частоты, фо-. усиленйя, что влечет за собой ограни- топриемника, установленного на пути чение стабильности и воспроизводимос- совмещения пучков лазеров, и содержит ти частоты газового ОКГ (10 ). газовый лазер, на пути выходного излуТочность совмещения центральных час- 5> чения которого установлены фотоприемтот линий усиления и поглощения может ник и система автоматической подстрой-> быть значительно повышена, если оба ки частоты излучения, а резонатор raОКГ стабилизировать по автоколебатель- зового лазера содержит газовую труб5 76836 ку с активным веществом, соединенную с гаэовь}ми трубками кольцевых лазеров. и нелинейно поглощающую ячейку, соединенную с нелинейно-поглощающей ячейкой одного из кольцевых лазеров. 3

Сущность изобретения поясняется

I чертежом, где изображена принципиаль" ная схема устройства.

Активная трубка 1 стабилиэируемого по частоте газового лазера I, имеюще- <© го резонатор произвопьной конструкции, например Фабри-Перо, образованный зер.калами 2, 3, соединена с активными трубками 4, 5 äâóõ дополнительных ОКГ

}1I, с кольцевыми резонаторами, !3 образованными зеркалами 6, 7, 8, 9„

I0, 11. Поглощающая ячейка 12 ОКГ соединена с поглощающей ячейкой 13 ОКГ

l1. Внутри кольцевых резонаторов II и ОКГ 1 11 помещены плоскопараллельные 26 пластинки 14 и 15 для регулировки величины обратных отражений энергии Geгущих волн. Зеркала 3, 6, 9 резонаторов лазеров }, II u III укреплены на пьезокерамиках 16, 17, 18 для управ- И ления частотой выходного излучения этих ОКГ, На пути выходных пучков ОКГ

1, Ii Il} установлены фотоприемники

19, 20, 21. Сигналы с фотоприемников через системы автоматической подстрой 3в ки частоты 22 и 16, 23 и 17, 24 и 18 замыкаются на входах OKI I 11 111.

На пути выходных излучений лазеров ll и Ifl установлено полупрозрачное зеркало 25 для совмещения их излучений. 35

Совмещенное излучение ОКГ I! и Ill через фотоприемник 26 поступает в систему 27, 28, 29 автоматической регулировки давления в соединенных актив- ных трубках 1, 4, 5 ОКГ 1, 11 и fll,- 40 при котором центральные частоты линий усиления и поглощения совмещены.

Принцип действия описанного выше устройства состоит в следующем . Частота излучения лазера I стабилизиро45 вана на центральной частоте допплеровски-уширенной линии поглощения по

"инвертированному провалу Лэмба" с помощью фотоприемника 19 и системы

АПЧ 22 и 16. Частота излучения лазера 11 стабилизирована на центральной частоте допплеровского контура линии поглощения по автоколебательному резонансу, возникающему на центре пог" лощения, с помощью фотоприемника 20 и системы АПЧ 23 и 17. Частота излуче" ния лазера 111 стабилизирована на центральной частоте допплеровского

5 б контура линии ycuneuus по аатоколебательному резонансу, возникающему на центре линии усиления с помощью фотоприемника 21 и системы АПЧ 24 и 18.

Режим возникновения автоколебательных резонансов мощности достигнут в дополнительных лазерах увеличением коэффициента связи бегущих волн до его критического значения (10 $ . Для достижения этого углы между оптическими осями резонаторов лазеров tt u }1.1 и нормалями к пластинкам 14 и 15 составляли 1-2 . Как следует из описания прототипа, частота сигнала, выделяющегося на общем, фотоприемнике 25; равняется частотной расстройке цент- ральных частот линий усиливающей и поглощающей сред лазеров 11 и Ilt..

Поскольку активная трубка ОКГ 1 соединена с активными трубками лазеров !

1 и 111, а его поглощающая ячейка с поглощающей ячейкой лазеров II, то сигнал биений частот лазеров II è tlt

I выделяющийся на фотоприемнике 25, является индикатором расстройки центральных частот линий усиливающей и поглощающей сред и для ОКГ I. Сигнал биений частот лазеров f} u Ill с фотоприемника 25 поступает на дискриминатор отклонения частоты и далее на сервопривод, который управляет порш" нем, регулирующим давление в соединенных между собой активных трубках лазеров 1, !I u III до такого зйаче- ния, при котором сигнал биений частот лазеров II u lli будет равен нулю. В этом случае давление активной среды в соединенных активных трубках лазеров 1, Il, 11! соответствует значению, при котором центральные частоты линий усиливающей и поглощающей сред в кольцевом лазере 11, а следовательно, и в лазере 1, совпадают. !

Таким образом, в данном устройстве устранена причина, ограничивающая достижение высоких значений стабильности и воспроизводимости частоты иэлуче" ния газового лазера с произвольной конструкцией резонатора.

Как следует из схемы, лазер I, частота которого подлежит стабилизации, не требует. оптической связи с дополнительными лазерами II и lit, входящими в устpoucTSO Тем самым устранены последствия, имеющие место в устройствах, в которых стабилиэируемый

ОКГ оптически связан с дополнительными лазерами. " !

" . °,; >

I ..

/ 1 * 768365 - 8, / .6 устройстве использован в качест--, соединены между собой и в резонаторе ве. стабйлизируемого газового лазера одного из которых помещена нелинейноНе-йе лазер íà A 3,39 мкм с йелйнейно- йоглощающая ячейка, а в резонаторе поглощающей ячейкой. В качестве одно- " "- другого - элемент для регулировки ве го иэ колец»евйх ОКГ йс юл! !ьзова!н! лазер Ф личины обратных отражений энергии бена ш3,39 мкм, стабил!изи ванный rio : гущих -волн, Фотоприемйики, установленавтоколебательа>му р!еэонансу Ширин!ой йые на пУти выходных пучков каждого "3 кГц-на центре линии усиления, а лазера, системы. автоматической под- . " друМ).о "- кольцевой лазер стабилизи- стройки " частоты, фотоприемник, устарованиый Ао автоколебательному резо- в новленный на пути совмещенйых пучнансу выриной 1,2 кГц йа центре линйй -ков лазеров, о т л и ч а ю щ е е с я

"- поглощения метана.. .:+" -»---" -- " т!ем, цто,!с целью повышения стабильДостнгнутые значения стабильности .. ности, частоты газового лазера в усти воспройэводимости частоты-излучения . Ремис!тво введ!ен,газовый лазер, на пусостмили 5-10- 4 и 10-1Ъ соответст- 13 ти выходМ го излучения ко рого уста вен!н!о. данноф устройство и!озволило ноале!ны фотоприемники и система автопри большой точности совмещения цент- матической подстройки чаСтоты излучеров линий усйлейия и ЮглощММя и вы- ния, а резонатор газового лазера сосокой стабильности и воспрьйзводимос- держит газовую трубку с активным вети частоты стабилйзируе!мого лазера в щес!твом, соединенную с га!зов!дмитру!бПеро, который не cikiisан о!птич!вски С поглощающую ячейку, соединенную с не другими ОКГ. "" - :-" "" - - -":" - линейно-"по! глоща!ю!щей ячейкой одного " "йз! "ко!льц!евых лазеров.

Источники информации

„ Формула иэобрЪТеййя"" - . прийятые во внимание при экспертизе

: * : l. Патент ClllA 0 3622908, кл. 331" Устройство для стабилйзации часто-. 94,5, опублнк. 3971. тй излучения газового лазера, содер- 2." Применение лазеров. Под ред. жащее два кольцевых лазера, газовые о !8.Ï . Тычинского. И., Мир", 3974, трубки- с активйым"вещест!вом которых с. 230.

ВНИИПИ Заказ МЧ0467/3

Тираж Ид Подписное е ев е в е ав м е в е Ф е е е в е е ев Е е е 4Е ° !! е

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