ЧАСТОТНО-СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1996 года по МПК H01S3/13 

Изобретение относится к технике стабилизации частоты излучения лазеров по резонансам насыщенного поглощения и может быть использовано для создания оптических стандартов частоты.

Известен лазер, стабилизированный по насыщенному поглощению [1] содержащий оптический резонатор с активным элементом и зеркалами, установленными соответственно на пьезокорректоре и пьезомодуляторе, подключенных к блоку автоподстройки частоты (АПЧ), оптический изолятор, светоделитель, нелинейно поглощающую ячейку и плоское отражательное зеркало, последовательно установленные за выходным зеркалом резонатора лазера, и фотоприемник, оптически связанный с нелинейно поглощающей ячейкой через светоделитель и подключенный к блоку автоподстройки частоты.

Известный лазер работает следующим образом. Лазерное излучение, вышедшее из резонатора, проходит последовательно оптический изолятор, светоделитель, нелинейно поглощающую ячейку и, отразившись от отражательного зеркала, вторично проходит нелинейно поглощающую ячейку во встречном направлении. Та часть излучения, которая проходит светоделитель во встречном направлении, попадает в оптический изолятор и, задерживаясь им, не влияет на работу лазера. Другая часть излучения отражается от светоделителя и попадает на фотоприемник, который преобразует мощность этого излучения в электрический сигнал, поступающий в блок АПЧ и обрабатываемый в нем.

Две бегущие волны лазерного излучения, распространяющиеся в нелинейно поглощающей ячейке во встречных направлениях, взаимодействуют в поглощающей среде. В результате этого взаимодействия коэффициент поглощения среды падает в окрестности центра линии поглощения, и зависимость мощности излучения, падающего на фотоприемник, от частоты излучения приобретает пичок, совпадающий с центром линии поглощения. Блок АПЧ посредством пьезокорректора осуществляет автоподстройку частоты излучения лазера на вершину пичка.

В известном лазере амплитуда сигнала насыщенного поглощения, т.е. амплитуда пичка мощности, падает, по крайней мере, пропорционально уменьшению мощности излучения, попадающей в нелинейно поглощающую ячейку. Поэтому для лазерных переходов с малым усилием, у которых излучаемая мощность соответственно также мала, отношение сигнала насыщенного поглощения к шуму обычно менее единицы. Кроме того, коэффициент поглощения газа в нелинейно поглощающей ячейке также мал обычно это доли процента на метро. Наложение шума мощности излучения на исходный сигнал насыщенного поглощения ведет к возрастанию нестабильности частоты излучения лазера. При этом многочисленные существующие комбинации лазерная линия поглощающий переход из-за низкого отношения сигнала к шуму вообще недоступны наблюдению, что также сужает функциональные возможности лазера.

Известен ряд средств увеличения отношения сигнала к шуму, например детектирование не интенсивности, а азимута поляризации поглощенной волны, а также применение акустооптического модулятора для увеличения скорости развертки частоты излучения лазера. Однако практическая реализация этих усовершенствований сопровождается рядом серьезных трудностей. В первом случае нарушается работа оптического изолятора, во втором случае требуется применять дорогостоящий акустооптический модулятор и осуществлять его питание электрическим сигналом частоты порядка 80 МГц мощностью около 5 Вт с частотной модуляцией порядка +1 МГц в мегагерцовом диапазоне частот модуляции. В обоих случаях дополнительные меры требуют применения дополнительных оптических элементов, являющихся самостоятельными источниками нестабильности частоты.

Таким образом, недостатками известного лазера являются низкая стабильность частоты и узкие функциональные возможности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является стабилизированный газовый лазер [2] принятый за прототип. Он содержит двухзеркальный резонатор, одно из зеркал которого снабжено пьезопреобразователем, поглощающую ячейку, помещенную внутрь резонатора, и систему стабилизации частоты, состоящую из последовательно соединенных фотоприемника сигнала расстройки частоты одной из мод относительно линии поглощения, синхронного усилителя с генератором модулирующего напряжения и интегратора, выход которого подключен к пьезопреобразователю, при этом выход генератора модулирующего напряжения подключен к пьезопреобразователю. Этот лазер также содержит дополнительную систему стабилизации частоты, включенную между выходом лазера и вторым входом интегратора и состоящую из соединенных последовательно фотоприемника сигнала межмодовых биений, преобразователя частоты, частотного дискриминатора и фильтра верхних частот.

Лазер работает следующим образом. Основная система стабилизации частоты осуществляет настройку частоты избранной моды на центр линии поглощения. Это делается методом синхронного усиления и детектирования гармоник, наблюдаемых в колебаниях мощности излучения либо, как в данном частном случае, в колебаниях огибающей частоты биений двух генерируемых мод, синхронных по отношению к вводимой малой модуляции частоты оптического излучения лазера. Узкий резонанс имеет крайне малые амплитуду и ширину в частности, у резонансов насыщенного поглощения в метане на линии F(2)2

в режиме разрешения магнитной сверхтонкой структуры ширина резонанса составляет величину порядка единиц килогерц, поэтому основная система АПЧ принципиально не способна обеспечить не только высокую стабильность частоты излучения, но и простое выделение сигнала обратной связи, поскольку среднее время случайных уходов частоты составляет менее периода модуляции частоты излучения системой АПЧ, а величина неконтролируемых случайных уходов частоты превышает ширину резонанса. Этот вредный эффект подавляется дополнительной системой АПЧ, которая обеспечивает предварительную стабилизацию частоты излучения путем подавления быстрых изменений мгновенного значения частоты биений мод. Сигнал биений мод с фотоприемника сигнала биений переносится преобразователем частоты по оси частот в фиксированный частотный диапазон, удобный для качественного выполнения операции частотного детектирования, затем частотным дискриминатором выполняется операция выделения частотной огибающей. Фильтр верхних частот подавляет постоянную составляющую сигнала частотной огибающей, тем самым предотвращая появление помех со стороны дополнительной системы АПЧ по отношению к работе основной системы АПЧ. Кроме того, фильтр верхних частот обеспечивает оптимальную амплитудно-частотную характеристику системы автоматического регулирования путем усиления ее реакции на быстрые уходы по сравнению с медленными уходами частоты. Тем самым обеспечивается повышение стабильности частоты.

В известном лазере коэффициент усиления активного элемента должен превышать коэффициент поглощения нелинейно поглощающей среды, содержащейся в ячейке. Это обеспечивается большим коэффициентом усиления инфракрасной линии 3,39 мкм неона в гелий-неоновом лазере с метановой нелинейно поглощающей ячейкой. Этим весьма успешным конкретным исполнением до настоящего времени, собственно, и ограничивается использование известного технического решения. Однако существует ряд перспективных с точки зрения метрологии и измерительной техники лазерных переходов в первую очередь, это претендующая на роль эталонной слабая зеленая линия генерации гелий-неонового лазера с длиной волны 543 нм, имеющих столь слабое усиление, что получение генерации в резонаторе, содержащем внутреннюю поглощающую ячейку для лазера 543 нм это ячейка с парами изотопа иода-127, представляет практически непреодолимую проблему.

Таким образом, недостатком известного технического решения являются узкие функциональные возможности.

Изобретение направлено на расширение функциональных возможностей частотно-стабилизированного лазера.

Сущность изобретения заключается в решении проблемы расширения функциональных возможностей лазера, стабилизированного по насыщенному поглощению, посредством обеспечения быстропеременной во времени степени пространственного перекрытия встречных волн в нелинейно поглощающей ячейке на удвоенной частоте биений двух поперечных мод ТЕМ₀₁ и ТЕМ₁₀ лазера. Для этого частотно-стабилизированный лазер, включающий оптический резонатор, одно из зеркал которого снабжено пьезокорректором, подключенным к блоку АПЧ, нелинейно поглощающую ячейку и фотоприемник, выход которого электрически связан с входом фильтра высокой частоты, снабжен оптическим изолятором, светоделителем, цилиндрической линзой, плоским отражательным зеркалом, амплитудным детектором и астигматическим элементом с нанесенной на его поверхность непрозрачной точкой, при этом оптический изолятор, светоделитель, нелинейно поглощающая ячейка, цилиндрическая линза и отражательное зеркало последовательно установлены за выходным зеркалом резонатора лазера, фотоприемник оптически связан с нелинейно поглощающей ячейкой через светоделитель, фильтр высокой частоты подключен к блоку АПЧ через амплитудный детектор, цилиндрическая линза установлена на расстоянии от поверхности отражательного зеркала, равном фокусному расстоянию линзы, астигматический элемент установлен в резонаторе лазера, а непрозрачная точка совмещена с оптической осью резонатора лазера.

Это позволяет обеспечить быстропеременную во времени степень пространственного перекрытия встречных волн в нелинейно поглощающей ячейке на удвоенной частоте биений двух поперечных мод ТЕМ₀₁ и ТЕМ₁₀ лазера и тем самым, формируя сигнал насыщенного поглощения в высокочастотной спектральной области, свободной от шумов интенсивности излучения лазера и от составляющих полного сигнала интенсивности излучения, не связанных с взаимодействием встречных волн в нелинейно поглощающей ячейке, сделать доступными для регистрации сигналы насыщенного поглощения от переходов с малыми коэффициентами поглощения и для маломощных линий лазеров, т.е. расширить функциональные возможности.

На фиг. 1 показана схема предлагаемого лазера; на фиг.2 схема расположения встречных световых пучков в нелинейно поглощающей ячейке, поясняющая формирование сигнала насыщенного поглощения на удвоенной частоте биений мод.

Лазер (фиг. 1) содержит оптический резонатор с активным элементом 1 и зеркалами 2,3, установленными соответственно на пьезокорректоре 4 и пьезомодуляторе 5, подключенных к блоку 6 АПЧ, оптический изолятор 7, светоделитель 8, нелинейно поглощающую ячейку 9 и плоское отражательное зеркало 10, последовательно установленные за выходным зеркалом 2 резонатора лазера, и фотоприемник 11, оптически связанный с нелинейно поглощающей ячейкой 9 через светоделитель 9. Лазер также содержит астигматический элемент 12 с нанесенной на его поверхность непрозрачной точкой 13, цилиндрическую линзу 14, фильтр 15 высокой частоты и амплитудный детектор 16. Фотоприемник 11 подключен через фильтр 15 высокой частоты и амплитудный детектор 16 к блоку 6 АПЧ. Цилиндрическая линза 14 установлена между нелинейно поглощающей ячейкой 9 и отражательным зеркалом 10 на расстоянии от поверхности зеркала 10, равном фокусному расстоянию линзы 14, астигматический элемент 12 установлен в резонаторе лазера, а непрозрачная точка 13 совмещена с оптической осью.

Целесообразно ориентировать ось кривизны цилиндрической линзы 14 параллельно одной из главных осей кривизны астигматического элемента 12, однако предлагаемый лазер работоспособен и при других ориентациях линзы 14.

Лазер работает следующим образом.

Спектр излучения лазера состоит из двух поперечных мод ТЕМ₁₀ и ТЕМ₀₁, отличающихся ориентацией относительно оптической оси лазера. Это вызвано тем, что осевая мода ТЕМ₀₀ гасится за счет действия непрозрачной точки 13, создающей большие потери излучения преимущественно для моды ТЕМ₀₀ и лишь несущественно увеличивающей потери мод ТЕМ₀₁ и ТЕМ₁₀. Мода ТЕМ₁₀ образована дольками 17, 18 (фиг.2), а мода ТЕМ₀₁ дольками 19,20, причем колебания лазерного поля в двух дольках каждой моды взаимно-попарно противофазны. Оптическая длина резонатора для мод ТЕМ₀₁ и ТЕМ₁₀ различна из-за неравенства главных радиусов кривизны астигматического элемента 12. Поэтому резонаторные частоты мод различны, и их генерация происходит также на различных частотах. При этом излучение лазера линейно поляризовано, поскольку расщепленные по частоте моды отличаются здесь не поляризацией, а лишь пространственным распределением полей.

Лазерное излучение, вышедшее из резонатора, проходит последовательно оптический изолятор 7, светоделитель 8, нелинейно поглощающую ячейку 9, линзу 14 и, отразившись от отражательного зеркала 10, вторично проходит линзу 14 и нелинейно поглощающую ячейку 9 во встречном направлении. Та часть излучения, которая проходит светоделитель 8 во встречном направлении, попадает в оптический изолятор 7 и, задерживаясь им, не влияет на работу лазера. Другая часть излучения отражается от светоделителя 8 и попадает на фотоприемник 11.

При прохождении излучения через цилиндрическую линзу 14 пучок излучения лазера фокусируется на поверхности зеркала 10 и затем после отражения и вторичного прохождения линзы 14 преобразуется во встречный пучок, претерпевая при этом зеркальное отображение в пространстве, так что дольки 17 и 18 моды ТЕМ₁₀ меняются местами.

Излучения мод ТЕМ₀₁ и ТЕМ₁₀ интерферируют в секторах 21, 22, 23, 24. Поскольку частоты мод различны, а колебания в дольках мод попарно противофазны, то профили 25,26,27,28 пучка излучения лазера при пробегании разностью фаз мод значений 0, π/2, π, 3π/2 приобретают поочередно соответственно вид цифры "8" и "бублика" за счет интерференции полей в секторах 21,22,23,24. После зеркального отображения пучка в пространстве профили 25,26,27,28 пучков преобразуются соответственно в профили 29,30,31,32. При этом, когда разность фаз мод равна нулю или π, излучения встречных пучков с профилями, 25,29 и 27,31 соответственно распространяются в нелинейно поглощающей ячейке 9 в различных областях пространства и не взаимодействуют друг с другом в поглощающем газе. Когда разность фаз мод ТЕМ₀₁ и ТЕМ₁₀ составляет π/2 и 3 π/2, то излучения встречных пучков с профилями 26,30 и 28, 32 соответственно распространяются в одной и той же области пространства и возникает эффект насыщения поглощения встречных волн в нелинейно поглощающем газе. Этот эффект сопровождается уменьшением коэффициента поглощения и появлением узкого пичка мощности пучка излучения, прошедшего ячейку 9, при совпадении полусуммы частот мод с частотой центра линии поглощения резонансного перехода в поглощающем газе. В результате того, что пространственное перекрытие полей встречных волн изменяется дважды за период биений мод, амплитуда пичка переменна во времени, а именно совершает колебания на удвоенной частоте биений мод. Колебания суммарной мощности излучения мод ТЕМ₀₁ и ТЕМ₁₀ ни на частоте биений, ни на удвоенной частоте в отсутствие нелинейно поглощающего газа не имеют места, поскольку при интерференции полей мод не происходит ни потерь, ни возникновения энергии. Поэтому переменное во времени перекрытие полей в ячейке 9 является единственным источником появления колебаний амплитуды пичка мощности на удвоенной частоте биений мод.

Колебания мощности преобразуются фотоприемником 11 в электрический сигнал, из которого фильтр 15 высокой частоты выделяет высокочастотную составляющую колебаний мощности на удвоенной частоте биений мод, а амплитудный детектор 16 выделяет амплитудную огибающую колебаний мощности. Блок 6 АПЧ посредством пьезокорректора 4 осуществляет автоподстройку средней частоты излучения лазера на вершину пичка, присутствующего в амплитудной огибающей, поскольку она повторяет по форме контур обычного пичка мощности. При этом вводится обычная для такого рода лазеров небольшая частотная модуляция оптического излучения с помощью отдельного пьезомодулятора 5, причем использование отдельного пьезомодулятора способствует улучшению эксплуатационных свойств системы АПЧ благодаря лучшей электрической развязке сигналов переменного и постоянного тока.

Описанная работа лазера соответствует оптимальной ориентации оси кривизны линзы 14 параллельно одной из осей кривизны астигматического элемента 12. При повороте линзы 14 вокруг оптической оси лазера происходит поворот плоскости, относительно которой имеет место зеркальное отображение лазерного пучка в пространстве, при этом профили 29,30,31 и 32 испытывают поворот на угол, равный удвоенному углу поворота линзы 14. Результатом этого является появление и возрастание пространственного перекрытия пучков с профилями 25,29 и 27,31 соответственно. Это приводит к монотонному и плавному ослаблению колебаний амплитуды пичка мощности, причем при повороте линзы 14 на угол 45^о вокруг оптической оси указанный сигнал пропадает полностью. Таким образом, предлагаемый лазер работоспособен при любой ориентации оси кривизны линзы 14, причем ориентация оси кривизны линзы 14 параллельно главным осям кривизны астигматического элемента 12 является оптимальной.

Целесообразно установить разность частот мод ТЕМ₀₁ и ТЕМ₁₀ максимальной, но меньше ширины пичка мощности, во избежание ослабления полезного сигнала из-за инерционности реагирования состояния резонансного поглощающего перехода на изменение насыщающего поля с удвоенной частотой биений мод. В частности, пички насыщенного поглощения в парах иода имеют ширину ≈0,5-5 МГц, что позволяет без ослабления регистрировать сигнал насыщенного поглощения на частотах ≈1-10 МГц. В этом частотном диапазоне технические флуктуации мощности излучения лазера, связанные главным образом с дробовым шумом газового разряда, ослабляются до уровня не выше естественных флуктуаций мощности за счет инерционности установления равновесной мощности в активном резонаторе лазера. В гелий-неоновом лазере частота среза частотной характеристики колебаний мощности составляет 10 кГц, поэтому при наклоне характеристики 20 дБ в декаду технические флуктуации мощности в диапазоне частот 1-10 МГц ослабляются на 40-60 дБ, или в 10²-10³ раз по сравнению с низкочастотным диапазоном частот. Во столько же раз возрастает отношение сигнала насыщенного поглощения к шуму и диапазон изменения мощности лазерных линий и коэффициентов поглощения эталонных переходов, доступных регистрации. Таким образом, расширяются функциональные возможности лазера.

Целесообразно также выполнить астигматический элемент 12 в виде плосковыпуклой или плосковогнутой линзы, установленной в резонаторе лазера под углом Брюстера между плоской поверхностью линзы и оптической осью. Эксперимент показывает, что расщепление частот мод ≈4 МГц достигается при радиусе кривизны сферической поверхности ≈10 м при выполнении указанной линзы из стекла К8.

Вместо цилиндрической линзы 14 может быть использован любой оптический элемент или устройство, обеспечивающее переворачивание изображения в одной плоскости. Например, может использоваться двугранный уголковый отражатель в виде крышеобразной призмы с углом при вершине 90^о. Однако цилиндрическая линза 14 значительно более проста в изготовлении и освоена в производстве (применяется, например, в области широкоформатного кино).

Для реализации предлагаемого технического решения имеется следующая элементная база. Оптический изолятор 7 представляет собой последовательно установленные четвертьволновую пластину и поляроид. Цилиндрическая линза 14 относится к изделиям массового выпуска отечественной оптической промышленности. В качестве астигматического элемента 12 может быть использована заготовка (подложка) длиннофокусного лазерного зеркала.

Таким образом, предлагаемое техническое решение является легко осуществимым и позволяет существенно более простыми и унифицированными средствами в сравнении с известными техническими решениями решить проблему расширения совокупности лазерных линий и эталонных поглощающих переходов, пригодных для создания лазерного стандарта частоты на основе лазера, стабилизированного по насыщенному поглощению.

Использование: в технике стабилизации частоты излучения лазеров по резонансам насыщенного поглощения для создания оптических стандартов частоты. Сущность изобретения: частотно-стабилизированный лазер, включающий оптический резонатор, одно из зеркал которого снабжено пьезокорректором, подключенным к блоку автоподстройки частоты, нелинейно поглощающую ячейку и фотоприемник, выход которого электрически связан с входом фильтра высокой частоты, снабжен оптическим изолятором, светоделителем, цилиндрической линзой, плоским отражательным зеркалом, амплитудным детектором и астигматическим элементом с нанесенной на его поверхность непрозрачной точкой. Оптический изолятор, светоделитель, нелинейно поглощающая ячейка, цилиндрическая линза и отражательное зеркало последовательно установлены за выходным зеркалом резонатора лазера, фотоприемник оптически связан с нелинейно поглощающей ячейкой через светоделитель, фильтр высокой частоты подключен к блоку автоподстройки частоты через амплитудный детектор, цилиндрическая линза установлена на расстоянии от поверхности отражательного зеркала, равном фокусному расстоянию линзы, астигматический элемент установлен в резонаторе лазера, а непрозрачная точка совмещена с оптической осью резонатора лазера. Целесообразно также установить зеркало на пьезомодуляторе, подключенном к блоку автоподстройки частоты. 2 ил.

ЧАСТОТНО-СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ЛАЗЕР, включающий оптический резонатор, одно из зеркал которого снабжено пьезокорректором, подключенным к блоку автоподстройки частоты, нелинейнопоглощающую ячейку и фотоприемник, выход которого электрически связан с входом фильтра высокой частоты, отличающийся тем, что он снабжен оптическим изолятором, светоделителем, цилиндрической линзой, плоским отражательным зеркалом, амплитудным детектором и астигматическим элементом с нанесенной на его поверхность непрозрачной точкой, при этом оптический изолятор, светоделитель, нелинейнопоглощающая ячейка, цилиндрическая линза и отражательное зеркало последовательно установлены за выходным зеркалом резонатора лазера, фотоприемник оптически связан с нелинейнопоглощающей ячейкой через светоделитель, фильтр высокой частоты подключен к блоку автоподстройки частоты через амплитудный детектор, цилиндрическая линза установлена на расстоянии от поверхности отражательного зеркала, равном фокусному расстоянию линзы, астигматический элемент установлен в резонаторе лазера, а непрозрачная точка совмещена с оптической осью резонатора лазера.