СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРА Российский патент 2012 года по МПК H01S3/139 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при стабилизации частоты излучения существующих и новых, которые только будут созданы, высокостабильных по частоте лазеров, которые в свою очередь могут применяться в квантовой метрологии, спектроскопии, системах навигации, локации и других областях.

Известен способ стабилизации частоты излучения лазера, по которому формируют резонанс мощности излучения в резонаторе лазера, измеряют сигнал, пропорциональный выходной мощности излучения лазера, модулируют резонатор лазера пробным сигналом, в качестве пробного сигнала используют сигнал, пропорциональный флуктуациям частоты излучения лазера, знак текущего градиента резонанса мощности излучения определяют по сигналу, пропорциональному выходной мощности излучения лазера и названному пробному сигналу, а сигнал подстройки резонатора лазера на экстремум резонанса мощности излучения лазера на каждом дискретном шаге принимают равным постоянной по амплитуде величине, знак которой совпадает со знаком текущего градиента [Патент РФ №2266595, Бюллетень: Изобретения, полезные модели, №35, 2005]. Этот способ не обеспечивает высокую точность настройки на экстремум линии-репера, а это означает, что уровень стабильности частоты лазерного излучения недостаточно высок из-за постоянного по амплитуде сигнала подстройки, величина которой выбирается из условий компромисса между точностью подстройки и временем подстройки (скоростью сходимости алгоритма настройки в область экстремума линии-репера).

Наиболее близким к заявляемому изобретению по наибольшему количеству сходных с ним признаков является способ стабилизации частоты излучения лазера, по которому формируют резонанс мощности излучения в резонаторе лазера, измеряют сигнал, пропорциональный выходной мощности излучения лазера, модулируют резонатор лазера пробным сигналом, пропорциональный флуктуациям частоты излучения лазера, определяют знак текущего градиента резонанса мощности излучения по сигналу, пропорциональному выходной мощности излучения лазера и названному пробному сигналу, и на каждом шаге подстройки формируют сигнал подстройки резонатора лазера, совпадающий со знаком текущего градиента, на экстремум резонанса мощности излучения лазера, при этом амплитуда сигнала подстройки переменна и пропорциональна текущей величине модуля коэффициента асимметрии - нормированному третьему центральному моменту функции плотности распределения сигнала, пропорционального выходной мощности излучения лазера. [Патент РФ №2352038, с приоритетом от 16.07.2005]. Этот способ принят за прототип изобретения.

Недостатком прототипа является то, что он не обеспечивает потенциально высокую точность настройки на экстремум линии-репера, а это означает, что уровень стабильности частоты лазерного излучения недостаточно высок из-за того, что подстройка ведется во всем широкополосном спектре возмущений, в то время как в действительности полезными компонентами спектра (полезным шумом) являются только те, которые влияют на длину резонатора, т.е. сильно коррелированны с сигналом, пропорциональным выходной мощности излучения лазера. Остальная и, как правило, большая часть спектра возмущений только ухудшает отношение сигнал/шум и точность подстройки. Кроме того, подстройка в избыточно широком диапазоне частот затягивает процесс настройки на экстремум линии-репера.

Для обеспечения высокой точности настройки на экстремум линии-репера и быстрой сходимости в названную область экстремума линии-репера необходимо при определении градиента использовать только полезную, коррелированную с сигналом, пропорциональным выходной мощности излучения лазера, часть спектра возмущений.

В основу изобретения положена задача повышения стабильности частоты лазерного излучения за счет увеличения точности настройки резонатора на экстремум линии-репера.

Поставленная задача решается тем, что предлагается способ стабилизации частоты излучения лазера, по которому формируют резонанс мощности излучения в резонаторе лазера, измеряют сигнал, пропорциональный выходной мощности излучения лазера, модулируют резонатор лазера пробным сигналом, пропорциональным флуктуациям частоты излучения лазера, определяют знак текущего градиента резонанса мощности излучения по сигналу, пропорциональному выходной мощности излучения лазера и названному пробному сигналу и на каждом шаге подстройки формируют сигнал подстройки резонатора лазера, совпадающий со знаком текущего градиента, на экстремум резонанса мощности излучения лазера, причем амплитуда сигнала подстройки на каждом шаге подстройки переменна и пропорциональна текущей величине модуля коэффициента асимметрии - нормированному 3-му центральному моменту функции плотности распределения сигнала выходной мощности излучения лазера, для формирования сигнала подстройки определяют взаимную корреляционную функцию между сигналом выходной мощности излучения лазера и сигналом, пропорциональным флуктуациям частоты излучения лазера, а сигнал, пропорциональный флуктуациям частоты излучения лазера, предварительно пропускают через перестраиваемый полосовой фильтр, центральная частота которого обратно пропорциональна значению временного аргумента максимума найденной взаимной корреляционной функции.

На рис. представлена функциональная схема стабилизированного по частоте лазера, реализующего предлагаемый способ. Лазер включает резонатор (1), образованный подвижным зеркалом ЗК1 (2), установленном на пъезокорректоре ПК (3), и неподвижным зеркалом ЗК2 (4), установленном на пъезодатчике ПД (5). Резонатор лазера содержит усиливающую среду и нелинейно поглощающую среду, формирующую узкую линию-репер. Излучение лазера регистрируется фотоприемником ФП (6), сигнал с выхода которого, усиленный в предварительном усилителе ПУ1 (7), подается на первый вход определителя знака градиента и амплитуды подстройки (8) и на первый вход кросс-коррелятора КК (12). Пъезодатчик ПД подключен к входу предварительного усилителя ПУ2 (9) и служит датчиком, регистрирующим пробный сигнал, возмущающий резонатор и пропорциональный флуктуациям частоты излучения лазера, который с выхода предварительного усилителя ПУ2 подается на второй вход кросс-коррелятора КК и на первый вход перестраиваемого полосового фильтра ПФ (11). Сигнал с выхода кросс-коррелятора КК подается на второй вход полосового фильтра ПФ. Выход полосового фильтра ПФ подается на второй вход определителя знака градиента и амплитуды подстройки. Выход определителя знака градиента и амплитуды подстройки через высоковольтный усилитель ВВУ (10) связан с управляющим пьезокорректором ПК.

Способ осуществляют следующим образом.

Излучение на выходе резонатора лазера детектируется фотоприемником ФП. Сигнал, пропорциональный выходной мощности излучения лазера, усиленный в предварительном усилителе ПУ1, подается на 1-й вход определителя знака градиента и амплитуды подстройки и на 1-й вход кросс-коррелятора KK. На 2-й вход кросс-коррелятора КК и на 1-й вход перестраиваемого полосового фильтра ПФ подается широкополосный возмущающий резонатор сигнал, пропорциональный флуктуациям частоты лазера, снимаемый с пьезодатчика ПД и усиленный в предварительном усилителе ПУ2. В таком диапазоне полезной частью спектра, "полезным" шумом являются только тот, который сильно коррелирован с сигналом, пропорциональным выходной мощности излучения лазера. Остальная и, как правило, большая часть спектра возмущений только ухудшает отношение сигнал/шум и затягивает процесс подстройки. Поэтому в кросс-корреляторе КК непрерывно определяется максимум кросс-корреляционной функции между сигналами на его входах и временной аргумент τ_max этого максимума в сек. Так как для широкополосного случайного процесса интервал корреляции и энергетическая ширина спектра связаны обратно пропорциональной зависимостью [Радиотехнические цепи и сигналы. - М., Радио и связь, 1982./ Под ред. К.А.Самойло, гл.2], то величина, обратная значению этого аргумента, управляет перестройкой центральной частоты полосового фильтра ПФ, в результате чего на выход ПФ (вход определителя знака градиента и амплитуды подстройки) из сигнала на его входе от ПД и ПУ2 для формирования сигнала подстройки проходят только составляющие сигнала возмущений, сильно коррелированные с сигналом выходной мощности излучения лазера. Этот обуженный по спектру полезный шум с выхода ПФ и участвует в формирования сигнала подстройки резонатора, в частности, в определении знака градиента Sign (∂U_ПУ1/∂U_ПФ). Как и в прототипе, переменная амплитуда сигнала подстройки определяется по сигналу U_ПУ1.

Предлагаемый способ стабилизации частоты лазера, основанный на использовании экстремума линии-репера, отличается от известных аналогов тем, что формирование сигнала подстройки с переменной амплитудой приводит к повышению точности подстройки частоты лазера к экстремуму линии-репера и, соответственно, улучшению стабильности его частоты, при этом для формирования сигнала подстройки определяют взаимную корреляционную функцию между сигналом выходной мощности излучения лазера и сигналом, пропорциональным флуктуациям частоты излучения лазера, сигнал, пропорциональный флуктуациям частоты излучения лазера, предварительно пропускают через перестраиваемый полосовой фильтр, центральная частота которого обратно пропорциональна значению временного аргумента максимума найденной взаимной корреляционной функции.

Следует также отметить, что лазеры, реализующие описанный способ, стабилизированы более надежно, чем лазеры, реализующие иной способ стабилизации.

Способ, в соответствии с которым формируют резонанс мощности излучения в резонаторе лазера, измеряют сигнал, пропорциональный выходной мощности излучения лазера, и модулируют резонатор лазера пробным сигналом, пропорциональным флуктуациям частоты излучения лазера. При этом определяют знак текущего градиента резонанса мощности излучения по сигналу, пропорциональному выходной мощности излучения лазера и названному пробному сигналу. На каждом шаге подстройки формируют сигнал подстройки резонатора лазера, совпадающий со знаком текущего градиента, на экстремум резонанса мощности излучения лазера. Амплитуда сигнала подстройки на каждом шаге подстройки переменна и пропорциональна текущей величине модуля коэффициента асимметрии - нормированному третьему центральному моменту функции плотности распределения сигнала выходной мощности излучения лазера. Для формирования сигнала подстройки определяют взаимную корреляционную функцию между сигналом выходной мощности излучения лазера и сигналом, пропорциональным флуктуациям частоты излучения лазера. Сигнал, пропорциональный флуктуациям частоты излучения лазера, предварительно пропускают через перестраиваемый полосовой фильтр, центральная частота которого обратно пропорциональна значению временного аргумента максимума найденной взаимной корреляционной функции. Технический результат заключается в обеспечении повышения стабильности частоты лазерного излучения. 1 ил.

Способ стабилизации частоты излучения лазера, по которому формируют резонанс мощности излучения в резонаторе лазера, измеряют сигнал, пропорциональный выходной мощности излучения лазера, модулируют резонатор лазера пробным сигналом, пропорциональным флуктуациям частоты излучения лазера, определяют знак текущего градиента резонанса мощности излучения по сигналу, пропорциональному выходной мощности излучения лазера, и названному пробному сигналу и на каждом шаге подстройки формируют сигнал подстройки резонатора лазера, совпадающий со знаком текущего градиента, на экстремум резонанса мощности излучения лазера, амплитуда сигнала подстройки на каждом шаге подстройки переменна и пропорциональна текущей величине модуля коэффициента асимметрии - нормированному третьему центральному моменту функции плотности распределения сигнала выходной мощности излучения лазера, отличающийся тем, что для формирования сигнала подстройки определяют взаимную корреляционную функцию между сигналом выходной мощности излучения лазера и сигналом, пропорциональным флуктуациям частоты излучения лазера, сигнал, пропорциональный флуктуациям частоты излучения лазера, предварительно пропускают через перестраиваемый полосовой фильтр, центральная частота которого обратно пропорциональна значению временного аргумента максимума найденной взаимной корреляционной функции.