СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПО ЧАСТОТЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕР Российский патент 2003 года по МПК H01S3/10 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при создании стабилизированных по частоте излучения лазеров, которые, в свою очередь, могут применяться в различных областях промышленности для лазерной спектроскопии, метрологии, локации и др.

Известен стабилизированный по частоте излучения лазер, содержащий опорный оптический квантовый генератор, на выходе которого помещен дискриминатор отклонения частоты в виде настраиваемого высокодобротного интерферометра, полость между зеркалами которого заполнена веществом, обладающим нелинейным поглощением на частоте опорного излучения, оптическую схему согласования резонаторов опорного генератора и интерферометра, оптический изолятор и средство автоподстройки частоты. Частота лазера стабилизируется по резонансу насыщенного поглощения, возникающему в поле стоячей волны в интерферометре [Daussy С., Ducos F., Rovera G.D. and Acef O., "Performances of OsO₄ stabilized lasers as optical frequency standards near 29 THz". IEEE Trans. on Ultrasonic, Ferroelectric, and Frequency Control, 47 (2000) pp. 518-521] . Достижение максимальных характеристик стабильности такого лазера связано с увеличением добротности интерферометра, которая обеспечивается использованием уникальных зеркал с высокими коэффициентами отражения и предельно малыми потерями на рассеяние, поглощение и т.д. Однако при этом усложняется процесс регистрации оптических резонансов на выходе интерферометра и их использование для стабилизации частоты лазера из-за уменьшения их интенсивности, и повышается стоимость лазера.

Известен также стабилизированный по частоте лазер, содержащий опорный оптический квантовый генератор, дискриминатор отклонения частоты в виде настраиваемого интерферометра, содержащего ячейку со средой, имеющей нелинейное поглощение на частоте опорного генератора и оптический квантовый усилитель; оптическую схему согласования резонаторов генератора и интерферометра, оптический изолятор, фотоприемник и средство автоподстройки частоты [Патент РФ 2073949, МПК Н 01 S 3/13, Б.И. 5, 20.02.97]. Наличие оптического квантового усилителя внутри интерферометра обеспечивает высокую добротность последнего, снижает требования к качеству зеркал, образующих интерферометр. При этом на порядок повышается амплитуда оптических резонансов на выходе такого интерферометра по сравнению с системой, описанной выше, что дает потенциальную возможность достигать более высоких значений стабильности частоты. Однако у данного лазера не реализуется одновременно кратковременная и долговременная стабильность частоты излучения, так как он имеет только одно кольцо стабилизации. Этот лазер по наибольшему количеству сходных с предлагаемым лазером признаков принят за прототип изобретения.

В основу изобретения положена задача создания стабилизированного по частоте излучения лазера, у которого одновременно обеспечивается как кратковременная, так и долговременная стабильность частоты излучения.

Поставленная задача решается тем, что предлагается стабилизированный по частоте лазер, включающий: опорный оптический квантовый генератор, каждое зеркало резонатора которого снабжено пьезокорректором, и содержащий внутрирезонаторную поглощающую ячейку; дискриминатор отклонения частоты в виде интерферометра, каждое зеркало которого снабжено пьезокорректором, содержащий внутри поглощающую ячейку, насыщающуюся на частоте упомянутого опорного квантового генератора, и квантовый усилитель, а также оптическую схему согласования резонаторов названных опорного квантового генератора и интерферометра; первый фотоприемник, принимающий излучение интерферометра, первое средство автоподстройки частоты генератора, связанное с первым фотоприемником; второй фотоприемник, принимающий излучение опорного квантового генератора, и второе средство автоподстройки частоты, связанное со вторым фотоприемником и пьезокорректором зеркала резонатора квантового опорного генератора; и третье средство автоподстройки частоты, связанное с первым фотоприемником и пьезокорректором зеркала резонатора интерферометра; при этом первое средство автоподстройки частоты связано также со вторым средством автоподстройки частоты.

Схема предлагаемого лазера приведена на чертеже.

Устройство содержит опорный оптический квантовый генератор 1, состоящий из оптического квантового усилителя 3 и ячейки 4 со средой, обладающей нелинейным поглощением на частоте опорного генератора 1, и зеркал 7 и 8, установленных на пьезокорректоры, которые выполняются в виде пьезокерамических пакетов; дискриминатор отклонения частоты 2 в виде настраиваемого интерферометра типа Фабри-Перо, образованного зеркалами 9 и 10, установленными на пьезокорректоры, и содержащего ячейку 5 со средой, обладающей нелинейным поглощением на частоте опорного генератора 1, и оптический квантовый усилитель 6; второй фотоприемник 11, связанный со вторым средством автоподстройки частоты 12; схему согласования 13 резонаторов генератора 1 и интерферометра 2, состоящую из зеркал 14, 15; оптический изолятор 16; первый фотоприемник 17, связанный с третьим и первым средствами автоподстройки частоты 18 и 19 соответственно; и полупрозрачное зеркало 20.

Средства автоподстройки частоты 12, 18, 19 представляют собой экстремальные системы регулирования, использующие пробный модулирующий сигнал и выполняются стандартными, например, как описано в статье В.Г. Гольдорт, А.Э. Ом "Электронный блок системы стабилизации частоты лазера". Приборы и техника эксперимента, 3, 1980, с.190-193.

Лазер работает следующим образом.

Из-за насыщения поглотителя 4 в мощности излучения генератора 1, попадающего на второй фотоприемник 11, возникает резонанс насыщенного поглощения. Второе средство автоподстройки частоты 12 формирует пробный модуляционный сигнал и осуществляет подстройку частоты опорного квантового генератора на вершину такого резонанса. Это осуществляется стандартным методом - подачей соответствующего корректирующего напряжения на пьезокорректор зеркала 8 для приведения к минимуму первой/третьей гармоники пробного модуляционного сигнала, регистрируемой на втором фотоприемнике 11. Давление поглотителя 4 и режим работы опорного квантового генератора 1 выбираются таким образом, чтобы обеспечить ширину линии его излучения на уровне нескольких Гц и меньше. Ширина резонанса поглощения при этом может составлять порядка 100 кГц. Далее излучение опорного квантового генератора 1, пройдя оптическую схему согласования 13, попадает в интерферометр 2. Оптический изолятор 16 исключает влияние оптической обратной связи от зеркал интерферометра 2 на работу генератора 1. Из интерферометра излучение попадает на первый фотоприемник 17, сигнал от которого поступает в третье и первое средства автоподстройки 18 и 19 соответственно.

Роль усилителя 6 в интерферометре 2 сводится к компенсации диссипативных потерь в полости интерферометра с тем, чтобы максимально сузить его контур пропускания и тем самым обеспечить его предельную добротность. Третье средство автоподстройки частоты 18, связанное с первым фотоприемником 17, стабилизирует длину интерферометра так, чтобы максимум его пропускания всегда совпадал с частотой излучения опорного генератора 1.

Давление поглотителя 5, как правило, выбирается на один - два порядка ниже чем давление поглотителя 4. При этом в соответствующее число раз уменьшается ширина резонанса насыщения поглощения, регистрируемого в мощности излучения на выходе интерферометра и увеличивается точность настройки частоты излучения к центру линии поглощения. Сигнал отстройки частоты опорного генератора 1 от максимума этого резонанса регистрируется на первом фотоприемнике 17 и поступает на первое средство автоподстройки частоты 19, которое вырабатывает соответствующее корректирующее напряжение и смещает "нуль" синхронного детектора, входящего в состав второго средства автоподстройки частоты 12, осуществляя таким образом более точную подстройку частоты опорного генератора 1 к максимуму более узкого резонанса насыщенного поглощения в интерферометре.

Соответствующий пробный модуляционный сигнал, обеспечивающий получение сигнала расстройки частоты опорного генератора 1 относительно центра резонанса поглощения в интерферометре, при этом может подаваться либо на дополнительный амплитудный или фазовый модулятор, который может быть установлен перед интерферометром, либо непосредственно на пьезокорректор опорного генератора 1 дополнительно к пробному модуляционному сигналу, формируемому вторым средством автоподстройки частоты 12.

Полупрозрачное зеркало 20 предназначено для вывода стабилизированного излучения. Для повышения мощности и устранения модуляционных составляющих выходного излучения рекомендуется дополнительно осуществить его гетеродинирование.

Таким образом, третье средство автоподстройки частоты 18 стабилизирует длину интерферометра так, чтобы частота излучения опорного генератора всегда находилась в максимуме контура пропускания интерферометра. Второе средство автоподстройки 12 стабилизирует частоту излучения опорного квантового генератора по сигналу насыщенного поглощения, образующемуся в его внутренней поглощающей ячейке, обеспечивая тем самым кратковременную стабильность частоты устройства. А первое средство автоподстройки 19 стабилизирует частоту излучения опорного квантового генератора по сигналу насыщенного поглощения, образующемуся в поглотителе интерферометра, обеспечивая тем самым долговременную стабильность излучения устройства.

Использование: в лазерной технике при создании стабилизированных по частоте излучения лазеров, которые, в свою очередь, могут применяться в различных областях промышленности для лазерной спектроскопии, метрологии, локации и др. Техническим результатом изобретения является создание стабилизированного по частоте излучения лазера, у которого одновременно обеспечивается как кратковременная, так и долговременная стабильность частоты излучения. Сущность изобретения: стабилизированный по частоте излучения лазер включает опорный оптический квантовый генератор, снабженный поглотителем, каждое зеркало резонатора которого снабжено пьезокорректором, дискриминатор отклонения частоты в виде интерферометра, каждое зеркало которого снабжено пьезокорректором, и содержащий нелинейный поглотитель, насыщающийся на частоте упомянутого опорного квантового генератора, и квантовый усилитель, а также оптическую схему согласования резонаторов названных опорного квантового генератора и интерферометра, оптический изолятор, первый фотоприемник, принимающий излучение интерферометра, и первое средство автоподстройки частоты, связанное с первым фотоприемником, второй фотоприемник, принимающий излучение опорного квантового генератора, и второе средство автоподстройки частоты, связанное со вторым фотоприемником и пьезокорректором зеркала квантового опорного генератора, и третье средство автоподстройки частоты, связанное с первым фотоприемником и пьезокорректором зеркала резонатора интерферометра, при этом первое средство автоподстройки частоты связано со вторым средством автоподстройки частоты. 1 с.п. ф-лы, 1 ил.

Стабилизированный по частоте излучения лазер, включающий опорный квантовый генератор, каждое зеркало резонатора которого снабжено пьезокорректором, дискриминатор отклонения частоты в виде интерферометра, каждое зеркало которого снабжено пьезокорректором, и содержащий нелинейный поглотитель, насыщающийся на частоте упомянутого опорного квантового генератора, и квантовый усилитель, а также оптическую схему согласования резонаторов названных опорного квантового генератора и интерферометра, оптический изолятор, первый фотоприемник, принимающий излучение интерферометра, и первое средство автоподстройки частоты, связанное с первым фотоприемником, отличающийся тем, что он содержит второй фотоприемник, принимающий излучение опорного квантового генератора, и второе средство автоподстройки частоты, связанное со вторым фотоприемником и пьезокорректором зеркала квантового опорного генератора, и третье средство автоподстройки частоты, связанное с первым фотоприемником и пьезокорректором зеркала резонатора интерферометра, при этом первое средство автоподстройки частоты связано со вторым средством автоподстройки частоты, а опорный квантовый генератор снабжен поглотителем.