Устройство для измерения длин волн лазеров Советский патент 1985 года по МПК G01J9/02 

Изобретение относится к оптикоинтерференционным средствам измерений и может быть использовано для atTecTai H рдномодовых и многомодовых лазеров.

Известно устройство для измерения длин волн лазеров,, состоящее из исследуемого и эталонного лазеров, оптически связанных с фотоприемником усилителя, осциллографа, частотомера, стандарта частоты и генератора пилообразного напряжения 1J

В известном устройстве длину волны исследуемого источника сравнивают методом оптического гетеродинирования с длиной волны эталонного лазера с поглощающей ячейкой, частота которого сканируется по пилообразному закону. Получаемые при этом сигналы пиков насыщенного поглощения и нулевых биений в зависимости от амплитуды сигнала биений от частоты используются для запуска остановки частотомера, на вход которого подается сигнал от стандарта частоты. По показанию частотомера с учетом калибровки вычисляют длину волны исследуемого источника.

Недостатком известного устройства является невозможность проведения измерени-й в диапазонах длин волн, в которых сигналы пиков насьпценного п.оглощения в интенсивности имеют малый контраст (в частности, в практически важном диапазоне 0,63 мкм с использованием насыщенного поглощения в парах йода).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения длин волн лазеров, содержащее эталонный лазер с двумя пьезоэлектрическими преобразователями, два фотоприемника с усилителями, первый из которых установлен на выходе эталонного лазера, а второй на выходе эталонного и исследуемого лазеров, генератор пилообразного напряжения, подключенный к одному из пьезопреобразователей эталонного лазера; подключенный к другому пьезопреобразователю генератор опорной частоты, умножитель частоты, синхронный детектор 2 .

Недостатком известного устройства является низкая производительность и невозможность измерения длин волн спектральных компонентов из-за

необходимости набора массивов значений разностной частоты при обработке результатов измерений стандартными методами из-за необходимости дополнительных измерений в режиме стабилизации эталонного лазера по различным пикам.

Целью изобретения является увеличение производительности измерений и обеспечение возможности измерений длин волн спе ктральных компонент многомодовых лазеров.

Поставленная цель достигается тем, что известное устройство для измерения длин волн лазеров, содержащее этапонный лазер с двумя пьезоэлектрическими преобразователями, два фотоприемника с усилителями, первый из которых установлен на выходе эталонного лазера, а второй на выходе эталонного и исследуемого лазеров, генератор пилообразного напряжения, подключенный к одному из пьезопреобразователей эталонного лазера, подключенный к другому

пьезопреобразователю генератор опорной частоты, умножитель частоты, синхронный детектор, снабжено амплитудным детектором, двумя электронiibtt-m ключами с задержкой, компаратором, сумматором с двумя входами и выходом, частотомером со стандартом частоты и регистратором с двумя входами, при этом выход второго

фотоприемника через усилитель и амплитудный детектор подключен к входам управления обоих ключей, выход генератора опорного напряжения подключен к преобразователю через

первый ключ, вход частотомера и один из входов регистратора через первый вход сумматора и второй ключ соединен с выходом амплитудного детектора, второй вход регистратора подключен к генератору пилообразного напряжения, а выход синхронного детектора через компаратор

подключен к другому входу сумматора.

На чертеже изображена функциональная схема устройства для измерения длин волн лазеров.

Устройство содержит эталонный лазер 1 с активным элементом 2, ячейт кой поглощения 3 и пьезоэлектрическими преобразователями 4 и 5, и исследуемый лазер 6, причем лазеры с помощью отражающего 7 и светоделительного В зеркал оптически связаны

с фотоприемником 9, который подключен к входу усилителя 10. Вход амплитудного детектора 11 связан с выходом усилителя 10, а выход амплитудного детектора 11 подключен к управляющим входам электронных

ключей с задержкой 12 и 13. По цепи переключения ключ 12 связан с модулирующим пьезоэлектрическим преобразователем 4 и генератором опорного напряжения 14, а ключ 13 - с выходом амплитудного детектора 11 и с одним из входов сумматора 15. Фотоприемник 16 с помощью светодели тельного зеркала 17 оптически,связан с эталонным лазером 1 и подключен к усилителю 18. Умножитель частоты 19 соединен с генератором опорного напряжения 14 и одним из входов синхронного детектора 20, другой вход которого соединен с усилителем 18. Выход синхронного детектора 20 связан с одним из входов компаратора 21, другой вход которого соединен с корпусом, а выход - с вторым входом сумматора 15. Выход сумматора . 15 соединен с входами регистратора 22 и частотомера 23, другой вход которого соединен с стандартом частоты 24. Генератора пилообразного напряжения 25 подключен к сканирующему пьезоэлектрическому преобразователю 5 и регистратору 22. При этом с генератора 25 пилообразное напряжение подается на сканирующий .пьезоэлектрический преобразователь 5, а также.для наблюдения и регистрации - на горизонтальную развертку регистратора 22, в качестве которого может использоваться двухкоординатный самописец, осциллограф с запоминанием и т.п.

Таким образом, эталонный лазер i используется в режиме сканирования. В результате этого меняется частота изучения лазера 1 и по мере перемещения по допплеровскому контуру меняется интенсивность излучения.

Устройство работает следующим образом.

Излучение эталонного 1 и исследуемого 6 лазеров смешивается на фотоприемнике 9, преобразуется в электрический сигнал биений, который через усилитель низкой частоты 10 и амплитудный детектор 11 поступает на входы управления электронньк ключей 12 и 13. Пока разность частот двух

лазеров больше полосы пропускания усилителя 10, сигнал на выходе детектора 11 равен нулю, через ключ 1 опорное напряжение частоты i с генератора 14 подается на модулрфующий пьезоэлектрический преобразователь 4 и частота лазера 1 зависит от времени по пилообразному закону с наложенной на эту зависимость гармонической модуляцией с девиацией частоты, при этом ключ 13 разомкнут На входы синхронного детектора постпают сигнал нечетной гармоники опорной частоты ni с умножителя частоты 19 и гармоника сигнала интенсивности эталонного лазера частоты ni с фотоприемника 16, выделенная резонансньм усилителем 18, настроенным на частоту .nt . При прохождении пиков насьщенного поглощения на,выходе синхронного детектора вьфабатывается сигнал, поступающий далее через компаратор по нулевому уровню 2 и сумматор 15 на регистратор 22. При сближении частот лазеров на выходе детектора 11 образуется целый ряд меток нулевых биений. При поступлении первой метки ключ 12 отключает модуляцию эталонного лазера на заранее заданньй интервал времени, определяемый сботношением:

г.

где Л - девиация частоты эталонного лазера, Гц;

V - скорость сканирования частоты, Гц/с;

I - опорная частота, Гс. Этот интервал устанавливается rijiH настройке системы. Ключ 13 по истечении интервала времени, равного т- , устанавливаемого при настройке системы, замыкается и пропускает через сумматор 15 единственную Metttv нулевых биений, соответствующую соь падению частот лазеров. После прохождения метки нулевых биений ключ 13 размыкается.

Таким образом в предлагаемом устройстве эталонный лазер 1 рабЬ тает в неприменявшемся ранее режимет сканирование частоты с гармоничен«ей модуляцией при наблюдении пиков насьщенного поглощения и без модуляцййг при формировании метки, нулевых биений.

Для проведения измерений длины волны на регистраторе наблюдают пики насыщенного поглощения и метку нулевых биений. Далее, изменяют постоян ное напряжение на пьезоэлектрическом преобразователе 5 и амплитуду генератора 25 так, чтобы на регистраторе 22 остались метки нулевых биений и два ближайших пиканасыщенного поглощения, частотный интервал Лт)|( между которыми известен с высокой точностью. Перекрывая излучение лазера 6, получают на выходе сумматора 15 два пика, которые осуществляют запуск и остановку частотомера 23, на вход которого поступает сигнал от стандарта частоты 24, т.е. осуществляют калибровку предлагаемого устройства: известному частотному интервалу соответствует число N , фиксируемое частотомером. После этого направляют излучение лазера 6 на фотоприемник 8, чтобы на частотомер поступал после первого к гпибровочного импульса импульс метк нулевых биений. В результате искомом интервалу и -li соответствует чис ло импульсов NU, так, что Ь,с 1Г -Nn Поскольку известна длина волны, соот ветствующая калибровочному импульсу зная скорость света и &-- , определяют искомую длину волны лазера 6. Предлагаемое устройство может использоваться и для поверки лазеров со сложным модовым составом излучения. В этом случае при сканировании частоты эталонного лазера в моменты ее совпадения с каждой из Мод из.чучения испытуемого лазера 2 формируются метки нулевых биений. Их совокупность соответствует спектральному составу излучения исследуемого лазера 6. Изменяя постоянное напряжение на пьезоэлектрическом преобразователе 5 и амплитуду сканирования генератора 25, добиваются того, чтобы на регистраторе 22 остались метка нулевых биений от моды, длина волны которой измеряется, и два ближайших пика насьпценного поглощения. Измерение длины данной спектральной компоненты излучения лазера 6 производится, как было описано выше. Таким образом, последовательно определяют длины волны всех спектрапьных компонент излучения исследуемого лазера 6. Предлагаемое устройство позволяет обеспечить проведение измерений в режиме сканирования частоты эталонного лазера и за один период сканирования получить одновременно высококонтрастные сигналы пиков насыщенного поглощения, привязанные передним фронтом к центрам пиков, и узкие метки нулевых биений от каждой компоненты спектра излучения исследуемого лазера, и тем самым при сохранении точности измерений длины волны повысить производительность измерений в 10-20 раз по сравнению с лучшим из известных образцов 2j, причем ограничения на модовьй состав источника излучения отсутствуют.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИН ВОЛН ЛАЗЕРОВ, содержащее эталонный лазер с двумя пьезоэлектрическими преобразователями, два фотоприемника с усилителями, первый из которых установлен на выходе эталонного лазера, а второй на выходе эталонного и исследуемого лазеров, генератор пилообразного напряжения, подключенный к одному из пьезопреобразователей эталонного лазера, подключенный к другому пьезопреобразователю генератор опорной частоты, умножитель частоты, синхронный детектор, отличающееся тем, что, с целью увеличения производительности измерений и обеспече- ния возможности измерений длин волн спектральных компонент многомодовых лазеров, оно снабжено амплитудным детектором, двумя электронньЫи ключами с задержкой, компаратором, сумматором с двумя входами и выходом, частотомером со стандартом частоты и регистратором с двумя входами, при этом выход второго фотоприемника через усилитель и амплитудный детектор подключен к входам управления обоих ключей, выход генератора опорного напряжения подключен к пьезопреобразователю через первый ключ, вход частотомера и один из входов регистратора через первый вход сумматора и второй ключ соединен с выходом амплитудного детектора, второй вход регистратора подключен к генератору пилообразного напряжения, а ,выход синхронного детектора через компаратор подключен к другому входу N9 9 сумматора. X) 00