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

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к устройству газовых лазеров со стабилизацией частоты излучения, и может быть использовано для создания лазерных гетеродинов, в том числе в мобильных системах оптической связи и локации.

Известны устройства стабилизированных по частоте газовых лазеров с радиочастотной накачкой, использующие для получения сигнала ошибки в системе стабилизации частоты фотоприемники [1] Эти устройства, особенно для лазеров инфракрасной области, имеют большие габариты, усложненные оптические схемы, обычно требуют охлаждаемых фотоприемников, что ограничивает область их применения лабораторными исследованиями.

Известно устройство для стабилизации частоты лазера с радиочастотным возбуждением, использующее оптогальванический эффект (ОГЭ). Устройство содержит оптический резонатор, систему электродов для возбуждения активной среды, генератор накачки, согласующее устройство, средства выделения отраженного от согласующего устройства сигнала и схему обработки сигнала ошибки и управления частотой оптического резонатора (СОУ) (прототип) [2] В этом устройстве модулирующий сигнал, вырабатываемый СОУ, приводит к модуляции оптического поля в резонаторе лазера и, следовательно, к модуляции импеданса лазерной плазмы за счет ОГЭ. Изменение импеданса плазмы вызывает модуляцию коэффициента отражения высокочастотного сигнала генератора накачки от согласующего устройства. Эта модуляция и фиксируется в устройстве для получения сигнала ошибки.

Известному устройству присущи недостатки, вызванные следующими причинами. Как известно, любой высокочастотный генератор является и источником шума, спектр которого сосредоточен около центральной частоты генерации, а интенсивность имеет обычно величину порядка -60 дБ (10^-3) от интенсивности на центральной частоте ВЧ-генератора. В известном устройстве стабилизации частоты лазера информация о смещении частоты излучения лазера в виде амплитуды и фазы сигнала с частотой модуляции лазерного резонатора содержится только в отраженном от согласующего устройства сигнале. В точке размещения средств выделения отраженного сигнала (например, циркулятора) сигнал ошибки для CO₂-лазера имеет величину порядка 2•10^-5•U_гн В/МГц, где U_гн амплитуда выходного напряжения генератора накачки. При модуляции оптического резонатора по гармоническому закону в линейной области изменения его частоты отраженный сигнал имеет величину

где коэффициент отражения.

где Z_гн выходное сопротивление генератора накачки;
Z_су (1+m)•Z_гн;
Z_су входное сопротивление согласующего устройства в отсутствие модуляции оптического резонатора;
m коэффициент рассогласования генератора накачки и согласующего устройства;
K коэффициент ОГЭ;
Ω частота модуляции оптического резонатора.

При m<1 и К<1 имеем
P_отр = 0,5•k•cosΩt + 0,5m;
U_отр = 0,5•U_гн•(k•cosΩt + m).
Таким образом, в тракт выделения сигнала ошибки вносится шум от генератора накачки, пропорциональный коэффициенту рассогласования генератора накачки и согласующего устройства. При реальном значении этого коэффициента порядка 0,2 интенсивность шума в тракте сигнала ошибки составляет 10^-4U_гн B. Коэффициент рассогласования может изменяться при работе лазера вследствие изменения мощности генератора накачки и давления газовой смеси. К числу недостатков известного устройства следует отнести и то, что применяемое в нем амплитудное детектирование может производиться только при наличии в отраженном сигнале напряжения несущей частоты достаточной амплитуды, то есть при рассогласовании генератора накачки и согласующего устройства. Таким образом, в случае полного (оптимального) согласования, соответствующего максимуму передаваемой мощности накачки, устройство стабилизации частоты становится неработоспособным. Итак, недостатком известного устройства является ограниченная стабильность частоты излучения лазера вследствие наличия неустранимого шума в тракте выделения сигнала ошибки.

Цель изобретения повышение стабильности частоты излучения лазера за счет улучшения отношения сигнал-шум в тракте выделения сигнала ошибки.

Цель достигается в частотно-стабилизированном газовом лазере с радиочастотным возбуждением, содержащем оптический резонатор, систему возбуждающих электродов, генератор накачки, согласующее устройство, средства выделения отраженного сигнала (циркулятор) и схему обработки сигнала ошибки и управления частотой оптического резонатора (СОУ), следующим образом. Согласующее устройство выполнено так, что оно допускает регулировку согласования, например, с помощью варикапов, установленных в плечах Г-образного фильтра. Дополнительно введены перемножитель и интегратор, причем на первый вход перемножителя подается напряжение со средств выделения отраженного сигнала, например циркулятора, а на второй вход напряжение с частотой генератора накачки, выход перемножителя соединен со входом СОУ и интегратором, выход которого подключен к управляющему входу согласующего устройства (фиг. 1). Указанная цепь позволяет устранить рассогласование генератора накачки и согласующего устройства, уменьшить за счет этого уровень шума в тракте выделения сигнала ошибки и, следовательно, повысить стабильность частоты излучения лазера.

Новизну технического решения обусловливает применение в частотно-стабилизированном лазере с радиочастотным возбуждением последовательно соединенных перемножителя и интегратора, подключенных к управляющему входу регулируемого согласующего устройства. При этом на входы перемножителя подаются соответственно напряжение со средств выделения отраженного сигнала и напряжение с частотой генератора накачки, а с выхода перемножителя сигнал ошибки поступает на вход СОУ. В заявляемом техническом решении содержатся следующие существенные отличия: в лазере с радиочастотным возбуждением напряжение, полученное путем амплитудно-фазового детектирования отраженного сигнала, используется для двух целей для автоподстройки длины оптического резонатора с помощью СОУ по модуляционному способу и для автоподстройки согласования генератора накачки с лазерным разрядом по постоянной составляющей выделенного напряжения. В данном техническом решении впервые используется автоподстройка согласования для минимизации шумов в тракте выделения сигнала ошибки для СОУ частотно-стабилизированного лазера с радиочастотным возбуждением. Поскольку дисперсия частотной ошибки прямо пропорциональна спектральной плотности шума на частоте модуляции оптического резонатора, уменьшение шума приводит к увеличению стабильности частоты излучения лазера.

В лазере по п. 2 формулы в качестве средства выделения отраженного от согласующего устройства сигнала использован рефлектометр (датчик падающего и отраженного сигнала), и с двух его выходов сигналы подаются соответственно на два входа перемножителя. Такое техническое решение позволяет отказаться от сравнительно дорогостоящего циркулятора и избавиться от нежелательных фазовых сдвигов между сигналами, подаваемыми на входы перемножителя.

В лазере по п.3 формулы система электродов для возбуждения активной среды разделена в продольном направлении по крайней мере на две части с независимыми трактами возбуждения. При этом дополнительно введен сумматор, входы которого соединены с выходами перемножителей каждого тракта возбуждения, а выход подключен к входу СОУ (фиг. 2). Такое построение схемы допускает использование раздельных генераторов накачки без необходимости применять высокочастотное сложение мощности и выравнивать высокочастотный потенциал по всей длине системы электродов для возбуждения активной среды, а также позволяет повысить отношение сигнал-шум в тракте выделения сигнала ошибки в раз. Это происходит, поскольку в предположении наличия в полосе пропускания системы "белого" шума при сложении двух одинаковых сигналов на выходе сумматора напряжение шума увеличивается в раз по сравнению с каждым из складываемых сигналов, а амплитуда полезного сигнала ошибки увеличивается в 2 раза.

На фиг. 1 представлена блок-схема частотно-стабилизированного газового лазера с радиочастотным возбуждением по п.1; на фиг.2 блок-схема частотно-стабилизированного лазера с разделенной в продольном направлении системой электродов радиочастотного возбуждения по п.3; на фиг.3 зависимость коэффициента отражения от входного сопротивления согласующего устройства в окрестности точки Z_гн.

Устройство по п. 1 содержит оптический резонатор 1, систему электродов для возбуждения активной среды 2, согласующее устройство 3 с управляющим входом 4, средства выделения отраженного от согласующего устройства сигнала 5, генератор накачки 6, перемножитель 7, интегратор 8 и схему обработки сигнала ошибки и управления частотой оптического резонатора (СОУ) 9, включающую фазовый детектор 10, интегрирующее устройство СОУ 11, усилитель 12, модулирующий генератор 13, суммирующее устройство СОУ 14 и пьезоэлемент подстройки длины резонатора 15, на котором закреплено одно из зеркал резонатора 16.

Устройство по п.3 содержит, кроме того, сумматор 17.

Частотно-стабилизированный газовый лазер работает следующим образом: от радиочастотного генератора накачки 6 бегущая волна электромагнитного поля распространяется в сторону системы электродов для возбуждения активной среды 2, входное сопротивление которой согласовано с выходным сопротивлением генератора накачки при помощи согласующего устройства 3. Принудительная модуляция оптического резонатора 1 пьезоэлементом 15 с закрепленным на нем зеркалом 16 приводит к модуляции оптического поля в резонаторе, а следовательно, и отраженного от согласующего устройства сигнала. Отраженный сигнал выделяется циркулятором 5, установленным между генератором накачки и согласующим устройством. Амплитудно-фазовое детектирование отраженного сигнала осуществляется перемножителем 7, на один вход которого подается опорное напряжение с выхода генератора накачки, а на другой вход отраженный сигнал с циркулятора. Сигнал с частотой принудительной модуляции с выхода перемножителя поступает на вход СОУ 9, в которой он сравнивается на фазовом детекторе 10 с опорным напряжением модуляционной частоты с генератора 13, интегрируется интегрирующим устройством СОУ 11, усиливается усилителем постоянного тока 12 и поступает на суммирующее устройство СОУ 14, вырабатывающее управляющий сигнал для установки частоты оптического резонатора на центр контура усиления активной среды с помощью пьезоэлемента 15, постоянная же составляющая напряжения с выхода перемножителя 7 подается на интегратор 8 и далее на управляющий вход 4 согласующего устройства для подстройки согласования с целью минимизации постоянного напряжения на выходе перемножителя.

Если входное сопротивление согласующего устройства Z_су больше выходного сопротивления генератора накачки Z_гн, постоянная составляющая на выходе перемножителя положительна, цепь обратной связи работает на уменьшение Z_су, при Z_су < Z_гн постоянная составляющая отрицательна, цепь ОС работает на увеличение Z_су. При минимизации постоянной составляющей на выходе перемножителя пропорционально уменьшается и уровень вносимых от генератора накачки шумов, увеличивается отношение сигнал-шум в тракте выделения сигнала ошибки для СОУ. Дисперсия частотной ошибки прямо пропорциональна спектральной плотности шума на частоте модуляции оптического резонатора, поэтому уменьшение уровня шума приводит к увеличению стабильности частоты излучения лазера.

При реализации частотно-стабилизированного лазера с радиочастотным возбуждением используется лазер цельнометаллической конструкции на смеси CO₂-N₂-He, изготовленный из сплава 32 НКД (супер-инвар), одно из зеркал в резонаторе которого установлено на пьезокорректоре типа КП-1. Для накачки лазера применяется транзисторный генератор мощностью 100 Вт, работающий на промышленной частоте 81,6 МГц. В качестве согласующего устройства применяется Г-образный фильтр с изменяемыми с помощью варикапов проводимостями плеч. Диапазон этого изменения составляет около 10% Для выделения отраженного от согласующего устройства сигнала применяется рефлектометр (датчик падающего и отраженного сигнала), построенный по схеме с использованием трансформатора тока. Напряжения высокой частоты с обоих его выходов, пропорциональные падающему и отраженному сигналам, поступают на кольцевой балансный смеситель, используемый в качестве перемножителя и нагруженный на фильтр НЧ с частотой среза 5 кГц. Интегратор в цепи автоподстройки согласования имеет постоянную времени около 0,5 с и построен на операционном усилителе (ОУ) 140 УД7. Генератор синусоидального модуляционного сигнала схемы обработки и управления СОУ имеет частоту порядка 600 Гц, СОУ имеет коэффициент передачи 2•10⁶ и постоянную времени интегрирующего устройства СОУ около 1с. При построении частотно-стабилизированного лазера с разделенной в продольном направлении системой радиочастотного возбуждения (п.3 формулы изобретения) применяется сумматор на ОУ 140 УД7.

Экспериментально установлено, что при уменьшении коэффициента рассогласования генератора накачки с согласующим устройством в 3 раза за счет цепи автоподстройки согласования, в 3 раза уменьшится спектральная плотность шума, вносимого в тракт обработки сигнала ошибки от генератора накачки и, следовательно, в 3 раза уменьшится дисперсия частотной ошибки частотно-стабилизированного лазера, обусловленная амплитудными шумами генератора накачки. Высокий эффект, достигаемый в лазерах с радиочастотной накачкой, объясняется малыми собственными шумами лазерной плазмы, возбуждаемой высокочастотным разрядом. Таким образом, использование заявляемого изобретения позволит существенно повысить стабильность газовых СO₂-лазеров с радиочастотной накачкой, используемых в качестве гетеродинов в технике лазерной связи и локации.

Использование: в лазерной технике. Сущность изобретения: в тракте накачки газового лазера согласующее устройство выполнено так, что оно допускает регулировку согласования и имеет управляющий вход. В схему устройства введены перемножитель и интегратор. Система электродов разделена в продольном направлении по крайней мере на две части с независимыми трактами возбуждения. Цель - повышение стабильности частоты излучения. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Частотно-стабилизированный газовый лазер с радиочастотным возбуждением, содержащий оптический резонатор, систему электродов для возбуждения активной среды, генератор накачки, согласующее устройство, блок выделения отраженного сигнала, схему обработки сигнала ошибки и управления частотой оптического резонатора, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности частоты излучения лазера за счет улучшения отношения сигнал-шум в тракте выделения сигнала ошибки, дополнительно введены перемножитель и интегратор, причем первый вход перемножителя соединен с выходом блока выделения отраженного сигнала, а второй вход с выходом генератора накачки, выход перемножителя соединен со схемой обработки сигнала ошибки и управления частотой оптического резонатора и с интегратором, выход которого соединен с управляющим входом согласующего устройства. 2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что в качестве блока выделения отраженного сигнала использован рефлектометр и его выходы соединены с входами перемножителя. 3. Лазер по п.1, отличающийся тем, что система электродов для возбуждения активной среды разделена в продольном направлении по крайней мере на две части с независимыми трактами возбуждения, дополнительно введен сумматор, входы которого соединены с выходами перемножителей каждого тракта возбуждения, а выход с входом схемы обработки сигнала ошибки и управления частотой оптического резонатора.