ЛАЗЕР Советский патент 1996 года по МПК H01S3/13 

Изобретение относится к квантовой электронике и лазерной технике и может быть использовано при создании оптических стандартов частоты и в спекроскопии сверхвысокого разрешения.

Известен стабилизированный лазер, содержащий активную среду, поглощающую среду, помещенные в кольцевой резонатор, одно из зеркал которого снабжено пьезоприводом, внешнее возвратное зеркало, систему стабилизации частоты, состоящую из соединенных последовательно фотоприемника, синхронного детектора с генератором модулирующего напряжения, выход которого подключен к пьезоприводу. В данном устройстве стабилизация частоты излучения производится по так называемому фазовому резонансу, ширина которого много меньше однородной ширины линии поглощения.

Наиболее близким к предлагаемому решению является лазер, содержащий дополнительно вторую цепь стабилизации, включающую синхронный детектор с генератором модулирующего напряжения и интегратором, выход которого подключен к невзаимному фазовому элементу, помещенному в резонатор лазера. Указанная система позволяет совместить фазовые резонансы усиления и поглощения и существенно повысить стабильность частоты. Недостатком данного лазера является сложность системы подстройки частоты, в которой происходит модуляция двух параметров лазера на двух частотах, что снижает надежность системы, и тем самым, стабильность и воспроизводимость частоты.

Основным фактором, ограничивающим стабильность и воспроизводимость частоты излучения в данном лазере, являются сдвиги частоты стабилизированного лазера из-за несовмещения фазовых резонаторов усиления и поглощения.

Цель изобретения повышение стабильности и воспроизводимости частоты излучения лазера.

Устройство иллюстрируется чертежом, на котором представлена блок-схема стабилизированного лазера.

Лазер содержит отражающие зеркала 1, 2, 3 и 4 кольцевого резонатора, причем зеркало 4 помещено на пьезопривод 5, внешнее возвратное зеркало 6, усиливающую среду 7, поглощающую среду 8, частотный невзаимный элемент 9. Имеется также фотоприемник 10, генератор модулирующего напряжения 11, два синхронных детектора 12, 13 и два интегратора 14, 15. При этом синхронный детектор 13 настроен на частоту генератора 11, а синхронный детектор 12 на утроенную частоту генератора 11.

Лазер работает следующим образом. В одномодовом режиме генерации вблизи центра линии усиления в узкой области частот одна из бегущих волн подавлена так, что в отсутствие обратных отражений генерации осуществляется только на одной сильной волне E₁. Наличие внешнего возвратного зеркала 6, отражающего часть интенсивности сильной волны обратно в резонатор приводит к образованию слабой встречной волны E₂. Интенсивность этой волны зависит от частоты ω излучения лазера резонансным образом и максимальная при совпадении частоты с центрами линий усиления ω(+)o

(фазовый резонанс усиления) и поглощения ω(-)o (фазовый резонанс поглощения). Наличие в резонаторе частотного невзаимного элемента приводит к различию собственных частот Ω резонатора для встречных волн W₁≠Ω₂. Разность Ω₁-Ω₂ дает величину частотной невзаимности, создаваемой невзаимным элементом. Зависимость, интенсивности I₂ слабой волны от частоты ω можно получить из укороченных уравнений для амплитуд и фаз встречных волн в кольцевом лазере и она имеет вид

где I₁ интенсивность сильной волны;
g⁽⁺⁾ и g^(-) относительная интенсивность фазового резонанса усиления и поглощения соответственно;
Г⁽⁺⁾ и Г^(-) ширина фазового резонанса усиления и поглощения соответственно;
сдвиг максимума фазового резонанса, обусловленный частотной невзаимностью резонатора;
Δω_р ширина полосы резонатора;
η относительное превышение накачки над пороговым значением.

Здесь Г⁽⁺⁾ примерно на порядок больше чем Г^(-), а g⁽⁺⁾ и g^(-) примерно одного порядка.

При подаче на пьезопривод 5 переменного модулирующего напряжения от генератора 11 с частотой f, частота излучения лазера модулируется по закону
w(t)=ω+ω_maxcos2πft. (2)
В результате в выходной интенсивности лазера возникает переменная составляющая, которая регистрируется фотоприемником 10. Синхронный детектор 12 выделяет переменную составляющую интенсивности излучения лазера на утроенной частоте 3f, которая имеет вид

Поскольку Г⁽⁺⁾≥ Г^(-), то первым слагаемым в (3) можно пренебречь, поскольку оно намного меньше второго.

Формула (3) описывает сигнал ошибки, возникающий при отстройке частоты излучения от центральной частоты линии поглощения ω(+)o

. Этот сигнал, выделенный синхронным детектором 12, усредняется интегралом 14 и подается на пьезопривод 5. Результирующее смещение зеркала 4 компенсирует смещение частоты ω относительно максимума резонанса ω(+)o. Частота ω излучения подстраивается к значению
ω=ω(+)o-δω. (4)
Синхронный детектор 13 выделяет переменную составляющую интенсивности излучения лазера на частоте f, которая имеет вид

Формула (5) описывает сигнал ошибки. Этот сигнал, выделенный синхронным детектором 13, усредняется интегралом 15 и подается на частотный невзаимный элемент 9.

Поскольку частота излучения в результате работы системы АПЧ, состоящей из генератора 11, синхронного детектора 12, интегратора 14, уже фиксирует центр линии поглощения ω(t)o

, то работа второй системы АПЧ, состоящей из генератора 11, синхронного детектора 13 и интегратора 15, подстраивает частоту излучения ω к значению
ω=ω(-)o-δω. (6)
Таким образом, в данном устройстве при одновременной работе двух систем АПЧ центр фазового резонанса усиления ω(+)o, поглощения ω(-)o и частота излучения лазера ω совмещаются.

Использование: стабилизированный лазер относится к квантовой электронике и лазерной технике. Сущность изобретения: лазер содержит активную среду, поглощающую среду, частотный невзаимный элемент, помещенные в кольцевой резонатор, одно из зеркал которого снабжено пьезоприводом, внешнее возвратное зеркало, фотоприемник два синхронных детектора, два интегратора и генератор модулирующего напряжения. В лазере, для совмещения центров линий усиления и поглощения применена вторая система автоматической подстройки частоты, состоящая из последовательно соединенных и подключенных к фотоприемнику синхронного детектора, связанного с генератором модулирующего напряжения и настроенного на его утроенную частоту, и интегратора, выход которого подключен к пьезоприводу зеркала резонатора. 1 ил.

Лазер, содержащий активную среду, поглощающую среду и частотный невзаимный элемент, помещение в кольцевой резонатор, одно из зеркал которого снабжено пьезоприводом, внешнее возвратное зеркало, последовательно соединенные оптически связанные с резонатором фотоприемник, синхронный детектор, соединенный с генератором модулирующего напряжения и выполненный настроенным на его частоту f, и первый интегратор, причем генератор модулирующего напряжения и выход первого интегратора соединены с пьезоприводом, а также последовательно соединенные второй синхронный детектор и второй интегратор, при этом синхронный детектор соединен с фотоприемником, а выход второго интегратора соединен с частотным невзаимным элементом, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности и воспроизводимости частоты излучения лазера, второй синхронный детектор соединен с генератором модулирующего напряжения и выполнен настроенным на его утроенную частоту 3f.