Способ стабилизации действующего значения мощности лазера

 

СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ ДЕЙСТВУЮЩЕГО ЗНАЧЕНИЯ МОЩНОСТИ ЛАЗЕРА, содержащего активную среду, резонатор с управляемой оптической длиной и источник управляющих сигналов,включающий модуляцию оптической длины ре1 Предлагаемое изобретение относится к квантовой электронике rt может быть использовано в оптических приборах и устройствах, в которыхприменяется лазер в качестве источника излучения со стабильным во времени действующим значением выходной мощности, например в лазерных анализаторах газов при непрерывном контроле загрязнения воздуха по резонансному поглощению лазерного излучения. В большинстве непрерывно действующих лазерных приборов электронная регистрирующая схема определяет действукицее значение мощности лазера, представляющее собой результат усреднения мгновенных флуктуации его мощности за время, равное постоянной времени схемы Ф. Обычно i 1-10 с. Для таких приборов важна стабильность зонатора, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности стабилизации в условиях внешних воздействий на резонатор, модуляцию оптической длины резонатора осуществляют по сложнопериодическому закону, состоящему из двух периодических, характеризующихся частотами ы, и wj, заключенными в интервале 10.., и амплитудами А ,, (а+к) и А ()Л/4, где Л - длина волны излучения лазера; ,2.,.п - целые числа; а и а - константы, принимающие значения от -0,5 до +0,5, зависящие от вида периодических законов модуляции, а разность частот W, и оо ограничена условием / w, -(),/ 10 Гц. О) с не мгновенного значения мощности лазера Р в каждый момент времени t, а 00 Сл О) действующего значения мощности лазера Р, представляющего собой результат усреднения величины Р за время 00 СЛ СП -С : р о- J p(t)dt. Известны способы стабилизации параметров излучения лазера, в том числе стабилизации действующего значения мощности излучения. Наиболее близкое техническое решение -предполагает стабилизацию частоты , мгновенного и действующего значения мощности излучения лазера. Эти способы предполагают модуляцию оптической длины резонатора по величине сигнала обратной связи. Известные способы имеют низкую надежность стабилизации в условиях высших воздействий на резонатор вследствие

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) 01) А (51)4 Н 01 S 3/11. Н О1 S 3/121

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 не мгновенного значения мощности ла зера Р в каждый момент времени t, а .действующего значения мощности лазера Р, представляющего собой резуль- . тат усреднения величины P sa время . ".: Р = - p(t)dt.

Известны способы стабилизации па- . CA раметров излучения лазера, в том чис- Щ. ле стабилизации действующего значе ния мощности излучения.

Наиболее близкое техническое решение .предполагает стабилизацию частоты, мгновенного и действующего значения мощности излучения лазера.

Эти способы предполагают модуляцию оптической длины резонатора по величине сигнала обратной связи. Известные способы имеют низкую надежность стабилизации в условиях высших воздействий на резонатор вследствие

ГОСУДАРСТВЕННЦЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 2928403/18-25 (22) 14.04.80 (46) 15.02.89. Бюл. В 6 (71) Московский инженерно-физический институт (72) В.А.Балакин и А.И.Попов (53) 621.375.8 (088.8) (56) Патент США Р 3,517,330, кл. 331»94,5, опублик. 1970.

Патент США 0 3,484,719, кл. 331-94,5, опублик. 1969, (54) (57) СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ ДЕЙСТВУЮЩЕГО ЗНАЧЕНИЯ МОЩНОСТИ ЛАЗЕРА, содержащего активную среду, резонатор с управляемой оптической длиной и источник управляющих сигналов,включающий модуляцию оптической длины ре!

Предлагаемое изобретение относит ся к квантовой электронике и может быть использовано в оптических приборах и устройствах, в которых применяется лазер в качестве источника излучения со стабильным во времени действующим значением выходной мощности, например в лазерных анализаторах га зов при непрерывном контроле загрязнения воздуха"по резонансному поглощению лазерного излучения. В большинстве непрерывно действующих .лазерных приборов электронная регистрирующая схема определяет действующее значение мощности лазера, представляющее собой результат усреднения. мгновенных флуктуаций его мощности, за время, равное постоянной времени схемы 9. Обычно i 1-10 с. Для таких приборов важна стабильность эонатора, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности стабилизации в условиях внешних воздействий на резонатор, модуляцию оптической длины резонатора осущест- вляют по сложнопериодическому закону., состоящему из двух периодических, характеризующихся частотами м, и со, заключенными в интервале 10 ...10 Гц, и амплитудами А, = (а+к)Л/4 и А = (а +1)Л/4, где Л вЂ” длина волны излучения лазера; К=1,2...n — целые числа; а, и а — константы, принимающие значения от -0,5 до +0,5, зависящие от вида периодических законов модуляции, а разность частот (а,и ж ограничена условием / м, — и, / » 10 Гц. з 85б большого числа оптических и электрических компонентов, необходимых для реализации указанных способов.

Целью изобретения является устранение указанного недостатка. В соответствии с этим для стабилизации действующего значения мощности лазера, содержащего активную среду, резонатор с управляемой оптической длиной и источник управляющих сигналов, включающий модуляцию оптической длины резонатора, модуляцию оптической длины резонатора осуществляют по сложнопериодическому закону, состоящему из двух периодических, характеризующихся частотами ь, и м, заключенными в интервале 10 ...10 Гц и амплитудами А, =(а„+К)1/4 и А = (a +1)Л/4, где Л вЂ” длина волны излучения лазера; К = 1,2...п — целые числа; а, и а — константы, принимающие значения от -0,5 до +0,5, значение которых зависит от вида периодических законов модуляции, а разность частот и„и ы ограничена условием / м „- со (» 10 Гц.

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства, в котором реализован описываемый способ; на фиг.2—

KpHBGH зависимости (Р g — P g ) /

/Р " от 4А,/ 1 для гелий-неонового лазера.

На фиг. 1 изображена схема лазера, в котором может быть реализован предложенный способ. Лазер содержит активную среду 1, зеркала 2, держатель зеркал 3, вибратор 4, на котором закреплено одно из зеркал лазера, источники переменного напряжения частот у, и ы 5 и б и резонансные фильтр частот ы, и ю 7 и 8. В качестве вибратора могут быть использованы, например пьезокерамические элементы. Кроме этого оптическую длину резонатора можно модулировать и с помощью внутрирезонаторных электрооптических элементов.

Работа лазера происходит следующим образом. Одновременно с включением лазера, то. есть с возбуждением его активной среды, на вибратор 4 подаются управляющие напряжения U и Uq. от источников 5 и 6 и за счет колебаний установленного на вибрато ре зеркала осуществляется модуляция длины L. При этом зависимость Ь от с принимает вид

Ь() = Ь.(t) + Ь „(t) + Ь,(t), 355

4 где Ь (t) — медленно меняющаяся по о .сравнению с часть, которая описывает изменение L в результате тепловых воздействий на резонатор,L (t) +

+ L (t) — быстроосциллирующая по сравнению с . часть L связанная с работой модулятора. При включении модулятора величина Ь осциллирует около среднего значения L0 по сложнопериодическому закону с частотами и, и д, Вследствие периодической зависимости Р от L мгновенное значение мощности лазера P также осциллирует во времени в диапазоне значений (P " P ) TaK K&K > л-1 то регистрирующий мощность лазера прибор не отрабатывает этих осцилляций, а вместо этого даст значение

20 действующего значения мощности — Р4,, которое меньше P, но больше P """""", и в силу этого при изменении Ь вели. чина Р модулируемого лазера меняется в диапазоне (P, P ") меньшем, 25 чем диапазон (Р " ", Р ) изменения величины P. Поскольку величина Р одновременно является и мгновенным и действующим значением мощности немодулируемого лазера, то временная щО стабильность Р модулируемого лазера вьппе, чем у немодулируемого.

На фиг. 2 представлены .теоретическая кривая и экспериментальные точки . для зависимости величины диапазона изменения Р— (P < - P > ) для

35 гелий-неонового лазера с = 3,39 мкм при L = А „sin м„ t и Lq= О. При этих значениях А „= (К-0,21) 0,253, где К = 1,2,... величина этой разнос4> ти обращается в нуль. Это означает, что при таких значениях А,.P > не зависит от L, т.е. достигается идеальная стабильность значения Р при тепловых воздействиях на резойа45 тор. Именно эти значения А, следует использовать для стабилизации значения Р> при синусоидальном законе модуляции L . Для других законов, модуляции следует брать значения А, =

50 = (а„+К) 0,25Л, причем В зависимости от вида закона .модуляция а „ может меняться от -0,5 до +0,5, например для пилообразного закона модуляции L. величина а, = О. Однако на практике может изменяться ВО времени сама амплитуда А „, например в результате изменения амплитуды напряжения U„.

При отклонении А, от значения (а„+

+К) 0,25 k возникает зависимость Р у

355 6

Изобретение реализовано на гелийнеоновом лазере с Л = 3,39 мкм. Модуляция L осуществлялась по закону L, = 0,454 sin м, t, Ь = 0,20Л sine t;

5 при м,= 300 Гц, ы = 612 Гц и

1 с.

5 856 от L . Избежать последнего можно, haйожив на L дополнительную модуляцию

L< с частотой м и амплитудой A> = (а,+1). 0,25Л, где а — константа, зависящая от вида второго закона модуляции и принимающая значения от

-0,5 до +0,5. Между частотами ш, и со должно быт достаточное различие, ПРи включении обеих модУлЯций чтобы выполнялось условие (со, — ю (» ",10 и 4 временные флуктуаци

2 е кт а и в 10 as

В противном случае возникают медлен- меньше, чем для немодулируемого ла еные пульсации р> с частотой (ш,-w (, ра. которые не усредняются регистрирующим прибором. Для исключения проник- Таким образом обеспечивается повиновения сигнала ы в источник 6 и 1 шение стабильности действующего зна1 5 сигнала сц в источник 5 предусмотре- чения,мощности лазера без применения l ны узкополосные фильтры частот ы, и сложной и дорогои системы автоподи> - 7 и 8. стройки.

44к/Я

Составитель В. Сасов Редактор Н.Сильнягнна Техред ц.Кодани Корректор И.Иуска

Заказ 755 Тираж 615 Подписное

ВЩЩПК Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Рауюская наб. ° д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. ужгород, ул. Гагарина,101