СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГА ГРЕБЕНКИ ЧАСТОТ ЛАЗЕРА С САМОСИНХРОНИЗАЦИЕЙ МОД Российский патент 2011 года по МПК G01J3/45 

Предлагаемое изобретение относится к лазерной физике и может быть использовано для измерения и контроля сдвига гребенки частот лазера с самосинхронизацией мод.

Известен способ измерения сдвига гребенки частот лазера с самосинхронизацией мод на частотах nw_r+w₀ (где n - целое число, w_r - межмодовая частота, w₀ - сдвиг гребенки частот лазера с самосинхронизацией мод). К одной из мод, находящейся на «красной» стороне частотной гребенки, привязывают излучение монохроматического лазера со сдвигом f. Частоту излучения последнего удваивают в нелинейном кристалле, получая частоту 2(nw_r+w₀+f). Если спектр излучения лазера с самосинхронизацией мод перекрывает как основную частоту излучения монохроматического лазера, так и вторую гармонику его излучения, то можно наблюдать биение удвоенной частоты монохроматического лазера с одной из мод лазера с самосинхронизацией мод, имеющей номер 2n и частоту 2nw_r+w₀. Эта частота биений будет равна w₀+2f. Поскольку частота f известна, то это позволяет определять значение искомого сдвига частоты w₀ [D.J.Jones et al. “Carrier-envelope phase control of femtosecond mode-locked laser and direct optical frequency synthesis”, Science, vol.288, p 635, 2000].

Однако указанный способ требует, чтобы ширина гребенки частот лазера с самосинхронизацией мод была больше октавы, а также введения дополнительного излучения, притом с мощностью, достаточной для получения второй гармоники.

Кроме того, известен способ измерения сдвига гребенки частот лазера с самосинхронизацией мод, являющийся прототипом предлагаемого изобретения и заключающийся в измерении сдвига частоты в спектре излучения лазера с самосинхронизацией мод, при котором его излучение разделяется дихроичным зеркалом на низкочастотную и высокочастотную части спектра излучения. Частота первой из них удваивается нелинейным кристаллом и смешивается с высокочастотной частью спектра, обеспечивая сигнал биений на искомой частоте w₀ сдвига гребенки лазера с самосинхронизацией мод [Т.Udem et al. “Absolute optical frequency measurement of the cesium Dl line with a mode locked laser”, Phys. Rev. Lett, vol.82, p 3568, 1999].

Однако указанный способ может использоваться, когда ширина гребенки частот лазера с самосинхронизацией мод более октавы, так как только в этом случае будут наблюдаться биения от перекрытия низкочастотной и высокочастотной компонент излучения.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа измерения сдвига гребенки частот лазера с самосинхронизацией мод для ширины гребенки частот меньше октавы.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе, заключающемся в том, что значение сдвига определяется при обработке спектра излучения лазера, а указанную обработку спектра осуществляют, при пропускании излучения лазера через перестраиваемый на несколько длин волн интерферометр, например Фабри Перо, с регистрацией сигнала фотодетектором, а полученное расстояние между максимумами огибающей гребенки полос и полосы пропускания с максимальной интенсивностью определяет сдвиг гребенки частот лазера с самосинхронизацией мод.

На чертеже приведена структурная схема измерителя сдвига гребенки частот лазера с самосинхронизацией мод, реализующая предлагаемый способ.

Устройство содержит перестраиваемый интерферометр 1, например Фабри-Перо, с микровинтом 2 и пьезокерамическим элементом 3, обеспечивающими точную подстройку и прецизионное перемещения зеркал интерферометра, а также фото детектор 4 и блок обработки данных 5, например АЦП и ЭВМ с программным обеспечением для записи и обработки данных.

Способ осуществляется следующим образом. Излучение лазера с произвольной шириной спектра, прошедшее через интерферометр 1, регистрируется фотодетектором 5. Длина интерферометра предварительно согласуется с частотой повторения импульсов лазера с точностью до половины длины волны излучения лазера:

,

где l - длина интерферометра

w_r - частота повторения импульсов лазера

с - скорость света

р - целое число.

Сигнал с выхода фотодетектора поступает на блок обработки 6. На пьезокерамический элемент 3 подается переменное напряжение, например пилообразной формы, обеспечивающее перестройку длины интерферометра на несколько длин волн, при этом интенсивность прошедшего через интерферометр излучения будет иметь вид гребенки полос. В случае, если сдвиг гребенки частот лазера с самосинхронизацией мод отсутствует, полоса пропускания интерферометра с максимальной интенсивностью будет совпадать с максимумом огибающей. Смещение гребенки частот лазера с самосинхронизацией мод приводит к смещению максимума огибающей гребенки полос пропускания интерферометра относительно полосы пропускания с максимальной интенсивностью. Расстояние между максимумами огибающей гребенки полос пропускания интерферометра и полосы пропускания с максимальной интенсивностью будет пропорционально сдвигу гребенки частот, так что:

,

где w₀ - сдвиг гребенки частот лазера с самосинхронизацией мод

δ - расстояние между максимумами огибающей гребенки полос пропускания интерферометра и полосы пропускания с максимальной интенсивностью

- средняя длина волны излучения лазера

w_r - частота повторения импульсов лазера.

В случае, когда длина интерферометра в кратное число раз короче длины резонатора лазера, будут иметь место дополнительные гребенки полос пропускания. Здесь также возможно измерять указанные выше параметры излучения лазера. Однако, поскольку плотность полос пропускания при этом возрастает, чувствительность измерений будет падать.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает измерение сдвига гребенки частот лазера с самосинхронизацией мод даже в том случае, когда ширина гребенки частот меньше октавы.

При реализации способа значение сдвига определяется при обработке спектра излучения лазера. Указанную обработку спектра осуществляют при пропускании излучения лазера через перестраиваемый на несколько длин волн интерферометр с регистрацией сигнала фотодетектором. Сдвиг гребенки частот лазера с самосинхронизацией мод определяют по полученному расстоянию между максимумами огибающей гребенки полос и полосы пропускания интерферометра с максимальной интенсивностью. Технический результат заключается в обеспечении измерения сдвига гребенки частот лазера с самосинхронизацией мод даже в том случае, когда ее ширина меньше октавы. 1 ил.

Способ измерения сдвига гребенки частот лазера с самосинхронизацией мод, при котором значение сдвига определяется при обработке спектра излучения лазера, отличающийся тем, что указанную обработку спектра осуществляют при пропускании излучения лазера через перестраиваемый на несколько длин волн интерферометр, с регистрацией сигнала фотодетектором, а сдвиг гребенки частот лазера с самосинхронизацией мод определяют по полученному расстоянию между максимумами огибающей гребенки полос и полосы пропускания интерферометра с максимальной интенсивностью.