СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ ДВУХМОДОВОГО He-Ne/CH ЛАЗЕРА Российский патент 2008 года по МПК H01S3/13 

Изобретение относится к области оптических стандартов частоты (ОСЧ), точнее к двухмодовым лазерным стандартам частоты (ЛСЧ) с активной газовой средой и поглощающей ячейкой внутри резонатора, нашедшим широкое применение в области прецизионной метрологии и спектроскопии сверхвысокого разрешения, где они используются в качестве задающих генераторов с узким спектром излучения и вторичных реперов с повторяемостью частоты 10^-13- 10^-14.

В ЛСЧ частота лазера стабилизируется по узким резонансам насыщенного поглощения и дисперсии. Уступая по предельно достижимой точности и долговременной стабильности частоты (время усреднения более 1000 секунд) ОСЧ на основе пучков холодных атомов или одиночных ионов [1], ЛСЧ значительно опережает их в кратковременной стабильности частоты (время усреднения, t=1 с и менее). При этом ширина спектра ЛСЧ, в ряде случаев, ограничивается только естественными шумами лазера.

Это позволяет использовать ЛСЧ в качестве источника с узким спектром излучения при регистрации слабых сверхузких спектральных резонансов, используемых при создании первичных стандартов частоты с рекордными точностными характеристиками.

Важным достоинством ЛСЧ является их компактность, позволяющая создавать на их основе транспортируемые приборы.

Перечисленными достоинствами в полной мере обладает способ-прототип - ЛСЧ на основе двухмодового He-Ne лазера (длина волны излучения 3.39 мкм) с внутренней поглощающей метановой ячейкой, стабилизируемый по узким нелинейным резонансам интенсивности и частоты (F² ₂ компонента, линия Р(7), полоса ν₃ молекулы метана) [2]. На сегодняшний день в метановом стандарте частоты получены следующие точностные характеристики;

- 10^-14 - относительная величина кратковременной стабильности частоты (t=1 с-10 с),

- 10^-3 - долговременная стабильностьчастоты (t более 100 с).

С появлением в последние годы удобной фемтосекундной лазерной техники переноса частоты из радиодиапазона в оптический диапазон заметно расширился круг потребителей высокой кратковременной стабильности частоты He-Ne/CH₄ ЛСЧ, а также появились задачи, требующие повышения и долговременной стабильности его частоты.

Основной задачей настоящего изобретения является повышение долговременной стабильности частоты двухмодового He-Ne/CH₄ лазера.

Исследования [3] показывают, что одной из существенных причин, ограничивающих долговременную стабильность метанового ЛСЧ, являются обратные отражения и рассеяния излучения от элементов лазерного резонатора и фотоприемников. Использование моноблочных конструкций резонатора, изготовленных из материалов с ультранизким коэффициентом температурного расширения (КТР), позволяет значительно снизить дрейфы частоты, вызванные продольными смещениями элементов резонатора (зеркалами и окошками) лазера. Однако обратные рассеяния от фотоприемников, используемых для стабилизации частоты ЛСЧ, управления и контроля другими лазерами ЛСЧ (например, лазеров-гетеродинов), приводят к заметным дрейфам стабилизированной частоты.

Использование магнитооптических развязок (оптических изоляторов), устанавливаемых перед фотоприемниками, в принципе, позволяет достигнуть величины долговременной стабильности метанового ЛСЧ на уровне 10^-14 и менее, однако является достаточно дорогостоящим способом.

Основной задачей настоящего изобретения является повышение долговременной стабильности частоты двухмодового He-Ne/CH₄ лазера.

Указанная задача решается следующим образом.

Известно [3], что стабилизированная частота ν двухмодового He-Ne/CH₄ лазера изменяется при продольном смещении L фотоприемника (ФП) по гармоническому закону с периодом, равным половине длине волны излучения (λ):

где ϕ - некая начальная фаза, L - расстояние между выходным зеркалом лазера и фотоприемником, ν₀ - неосциллирующая часть стабилизированной частоты.

Если не принимать специальных мер по стабилизации длины L, то ее величина во время работы лазера будет изменяться в пределах, сравнимых с величиной длины волны, что приведет к неконтролируемым флуктуациям частоты стандарта порядка 2А. В зависимости от типа ФП и параметров метанового ЛСЧ величина этой погрешности может составлять от 1 Гц до 1000 Гц.

Существенно уменьшить подобные флуктуации удается при стабилизации длины L в положении, соответствующем экстремуму (минимуму или максимуму) величины ν, когда:

где n - целое число.

Если расстояние между лазером и ФП вблизи данного экстремума испытывает небольшие (в масштабе длины волны) изменения δ, погрешность частоты ЛСЧ составляет

Оценки показывают, что в реальных условиях эксперимента возможно уменьшить величину δ до (0.001-0.0001) микрон, например, при помощи использования пьезоэлектрических приводов. Таким образом, величину погрешности частоты, связанную с обратным рассеянием от фотоприемника, можно сделать пренебрежимо малой (менее 0.01 Гц).

Главная проблема в осуществлении такого подхода к увеличению долговременной стабильности частоты заключается в том, каким способом и по каким критериям стабилизировать расстояние L во время работы He-Ne/CH₄ лазера, так как изменения температуры, атмосферного давления и т.п. приводят к неконтролируемому изменению величины суммарной фазы в соотношении (1).

В настоящем изобретении предлагается использовать следующую особенность поведения двухмодового He-Ne/CH₄ лазера. Дело в том, что частота Ω межмодовых биений (ММБ) при изменении длины L также подчиняется гармоническому закону:

где ψ - фаза, Ω₀ - неосцнллнрующая часть ММБ.

Теоретически разница фаз ϕ-ψ может быть произвольной, определяемой в основном геометрией системы и методом стабилизации частоты (по резонансу поглощения или дисперсии).

Рассмотрим вначале случай ϕ=ψ.

Очевидно, что для него характерно совпадение положений экстремумов значений стабилизированной частоты и частоты межмодовых биений двухмодового He-Ne/CH₄ лазера. Поэтому, корректируя длину L во время работы ЛСЧ таким образом, что частота межмодовых биений находится в экстремуме, тем самым устраняют погрешность, связанную с обратным рассеянием от ФП. Технически это легко реализуемо в виде системы управления с обратной связью, где частота межмодовых биений Ω используется в качестве сигнала ошибки, а длина L изменяется, например, при помощи пьезоэлектрического привода.

В более общем случае неравенства фазовых сдвигов ϕ и ψ в систему управления длиной вводится величина поправки, соответствующей разности этих фаз. В случае использования нескольких фотоприемников описанные выше процедуры повторяются для каждого фотоприемника. Таким образом, предлагаемое изобретение включает в себя две основные операции.

1. Измеряются корреляционные зависимости стабилизированной частоты двухмодового He-Ne/CH₄ лазера и частоты его межмодовых биений от продольного смещения фотоприемников относительно лазера. Определяются величины фазовых сдвигов между этими зависимостями.

2. Стабилизируют расстояния между лазером и фотоприемниками по частоте межмодовых биений лазера с учетом величин измеренных фазовых сдвигов корреляционных зависимостей.

Настоящее изобретение было реализовано при стабилизации частоты двухмодового Не-Ne/C₄ лазера со следующими характеристиками: длина резонатора около 50 см, давление метана в ячейке 2 мТорр, пороговый ток 0,6 мА, рабочий ток разряда 2 мА.

На фиг.1 представлена упрощенная блок-схема экспериментальной установки, включающей в себя два He-Ne/CH₄ лазера. На фиг.1 и в тексте приняты следующие обозначения:

1 - двухмодовый He-Ne/CH₄ лазер, 2 - пьезоэлектрический привод, 3 - поворотное зеркало, 4 - фотоприемник, 5 - блок управления. Второй лазер использовался для контроля за стабилизированной частотой исследуемого лазера (ν) при изменении продольного расстояния между ним и фотоприемником 4, по электрическим сигналам которого стабилизировалась частота лазера. Расстояние между фотоприемником и лазером изменялось при помощи блока управления пьезоэлектрического привода 2, на котором размещалось поворотное зеркало 3. Излучение генерации исследуемого лазера отражалось от поворотного зеркала и попадало на фотоприемник.

На фиг.2 представлена корреляционная зависимость переменных составляющих стабилизированной частоты (нижняя кривая) и частоты межмодовых биений (верхняя кривая) двухмодового He-Ne/CH₄ лазера. Частота по оси ординат отложена в Гц, по оси абсцисс отложено расстояние между фотоприемником и лазером, 56 дел. = 1,7 мкм. В отсутствии стабилизации расстояния между лазером и фотоприемником величина долговременной нестабильности частоты лазера составляла около 600 Гц (6·10^-12). Использование настоящего изобретения позволило снизить величину нестабильности частоты лазера, связанную с влиянием обратным рассеянием от фотоприемника почти в 100 раз.

Источники информации

1. Одуан Г., Гино Б. Измерение времени. Основы GPS, Техносфера, Москва, 2002.

2. Губин М.А., Проценко Е.Д. Квантовая электроника, 24, 1080 (1997).

3. Крылова Д.Д., Шелковников А.С., Петрухин Е.А., Губин М.А. Квантовая электроника, 34, 554 (2004).

Способ стабилизации частоты двухмодового He-Ne/CH₄ лазера по амплитудно-частотным резонансам (F² ₂ компоненты, линии Р(7), полосы ν₃ молекулы метана) отличается тем, что измеряют корреляционные зависимости стабилизируемой частоты и частоты межмодовых биений от продольных смещений фотоприемников относительно лазера. Далее определяют величины фазовых сдвигов между этими зависимостями и стабилизируют расстояния между фотоприемниками и лазером по частоте межмодовых биений с учетом измеренных величин фазовых сдвигов. Технический результат - повышение долговременной стабильности частоты двухмодового Не-Ne/CH₄ лазера. 2 ил.

Способ стабилизации частоты двухмодового He-Ne/CH₄ лазера по амплитудно-частотным резонансам F² ₂ компоненты линии Р(7) полосы ν₃ молекулы метана, отличающийся тем, что измеряют корреляционные зависимости стабилизируемой частоты и частоты межмодовых биений от продольных смещений фотоприемников относительно лазера, определяют величины фазовых сдвигов между этими зависимостями, стабилизируют расстояния между фотоприемниками и лазером по частоте межмодовых биений с учетом измеренных величин фазовых сдвигов.