УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА Советский патент 1995 года по МПК H01S3/13 

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к устройствам стабилизации частоты газовых лазеров, и может быть использовано для создания надежно стабилизируемых лазеров, в том числе предназначенных для оптических лидаров.

Известны устройства стабилизации частоты газовых лазеров, использующие модуляционный способ для получения сигнала ошибки. Применение этих схем ограничено лазерами с высокостабильными оптическими резонаторами. Указанные схемы оказываются неработоспособными, если при включении лазера собственная частота оптического резонатора оказывается вне контура усиления активной среды или если величина температурного дрейфа частоты излучения превышает диапазон перестройки, обеспечиваемый схемой стабилизации частоты. Поэтому известные схемы требуют применения суперинваровой арматуры оптических резонаторов, имеющей большую массу и сложную в изготовлении, и могут работать лишь в узком диапазоне изменения температуры окружающей среды и самого лазера.

Известно устройство стабилизации частоты газового лазера, обеспечивающее автоматический захват частоты излучения и выведения ее на центр контура усиления активной среды. Однако это устройство предназначено только для лазеров с лэмбовским провалом в контуре усиления и, как и вышеописанное устройство, оказывается неработоспособным, если температурный дрейф частоты излучения больше диапазона, отслеживаемого схемой. Непригодно оно и для стабилизации частоты лазеров, перестраиваемых по линиям излучения.

Цель изобретения - повышение стабильности частоты и надежности работы лазера за счет устранения зависимости режима стабилизации от внешних возмущений в момент его включения, перестройки по линиям излучения и при любых величинах температурного дрейфа резонатора лазера.

Указанная цель достигается в устройстве стабилизации частоты газового лазера, включающем установленный на выходе лазера датчик сигнала ошибки, соединенный с фильтром первой гармоники частоты модуляции, последовательно включенные фазовый детектор, интегратор, усилитель постоянного тока и исполнительный элемент, соединенный с зеркалом резонатора лазера, а также генератор модуляционной частоты, соединенный с фазовым детектором и исполнительным элементом, следующим образом. В схему дополнительно введены первый амплитудный детектор, первый ждущий мультивибратор, коммутатор режима поиска, аттенюатор, цепь блокировки, включающая последовательно соединенные фильтр второй гармоники частоты модуляции, второй амплитудный детектор и первый ключ, а также двухпороговый компаратор, второй ключ и второй ждущий мультивибратор.

Выход фильтра первой гармоники частоты модуляции соединен с входом первого амплитудного детектора, выход которого соединен с входом первого ждущего мультивибратора, выход которого в свою очередь соединен с управляющим входом коммутатора режима поиска, один из двух сигнальных входов которого соединен с выходом фильтра первой гармоники частоты модуляции, а другой вход - через аттенюатор с генератором модуляционной частоты, выход коммутатора подключен к входу фазового детектора. Выход датчика сигнала ошибки соединен с входом фильтра второй гармоники, выход первого ключа цепи блокировки соединен с входом первого ждущего мультивибратора, выход интегратора соединен с последовательно включенными двухпороговым компаратором и вторым ключом, выход компаратора соединен с первым ключом через второй ждущий мультивибратор, а вход интегратора соединен со вторым ключом. Наличие этих цепей позволяет проводить поиск контура усиления активной среды при включении и перестройке лазера в случае отсутствия сигнала на выходе фильтра первой гармоники частоты модуляции, предотвращать повторный поиск, когда частота находится на центре контура и при этом сигнал первой гармоники отсутствует. Кроме того, введенные цепи позволяют осуществить переход на стабилизацию соседней продольной моды при превышении дрейфом оптического резонатора диапазона, отслеживаемого схемой стабилизации.

На чертеже представлена блок-схема устройства стабилизациии частоты газового лазера.

Устройство содержит датчик сигнала ошибки 1, фильтр первой гармоники частоты модуляции 2, первый амплитудный детектор 3, первый ждущий мультивибратор 4 с входом блокировки 5, цепь блокировки 6, в состав которой входят фильтр второй гармоники частоты модуляции 7, второй амплитудный детектор 8 и первый ключ 9, коммутатор режима поиска 10 с управляющим входом 11, аттенюатор 12, фазовый детектор 13, генератор модуляционной частоты 14, интегратор 15, двухпороговый компаратор 16, второй ключ 17, второй ждущий мультивибратор 18, усилитель постоянного тока 19, исполнительный элемент 20 и зеркало 21 оптического резонатора лазера.

Устройство стаблибизации частоты газового лазера работает следующим образом: если в момент включения лазера частота оптического резонатора находится вне контура усиления активной среды, то сигнал на выходе фильтра 2 первой гармоники частоты модуляции отсутствует, первый ждущий мультивибратор 4 отключен и коммутатор режима поиска 10 направляет на фазовый детектор 13 сигнал от генератора модуляционной частоты 14 через аттенюатор 12 в фазе с напряжением, подаваемым на фазовый детектор в качестве опорного. В результате напряжение на выходе интегратора 15 и на исполнительном элементе 20 постепенно возрастает, при этом плавно изменяется собственная частота оптического резонатора лазера за счет перемещения зеркала 21. Когда частота оптического резонатора оказывается в пределах контура усиления активной среды и попадает на его склон, появляется сигнал на выходе фильтра 2, который детектируется амплитудным детектором 3 и вызывает включение первого ждущего мультивибратора 4. Последний при этом переключает коммутатор 10 из режима поиска в режим автоподстройки (удержания) частоты, при этом на фазовый детектор 13 направляется сигнал с выхода фильтра 2 первой гармоники частоты модуляции. За время, в течение которого ждущий мультивибратор 4 находится во включенном состоянии, схема устанавливает частоту оптического резонатора на максимум контура усиления активной среды. При этом на выходе датчика сигнала ошибки 1 исчезает сигнал первой гармоники, но появляется сигнал второй гармоники частоты модуляции. Он фильтруется фильтром 7, детектируется амплитудным детектором 8 и вызывает срабатывание ключа 9, блокирующего отключение первого ждущего мультивибратора 4. В результате режим автоподстройки не нарушается. При перестройке работающего лазера по линиям излучения с помощью оптических элементов резонатора (например, поворачиваемой дифракционной решетки) и при случайных возмущающих воздействиях большой амплитуды (например, ударных нагрузках на корпус лазера) требуется повторный поиск контура усиления активной среды. Если на выходе датчика сигнала ошибки 1 пропадает вторая гармоника частоты модуляции, то ключ цепи блокировки 9 выключается, отключается первый ждущий мультивибратор 4 и коммутатор 10 вновь переводит схему в режим поиска. При работе схемы в режиме автоподстройки при превышении напряжением интегратора диапазона рабочих напряжений срабатывает компаратор 16, который с помощью ключа 17 сбрасывает напряжение интегратора 15 до нуля. При этом вблизи центра контура усиления активной среды оказывается частота соседней продольной моды оптического резонатора лазера. Ждущий мультивибратор 18, соединяющий компаратор 16 и ключ цепи блокировки 9, предотвращает включение режима поиска на время переключения схемы на сопровождение другой продольной моды резонатора. В результате при любых возмущениях резонатора лазера схема стабилизации удерживает частоту излучения лазера на центре контура усиления активной среды.

Устройство стабилизации частоты газового лазера содержит оптогальванический датчик сигнала ошибки и пьезоэлектрический исполнительный элемент для управления длиной оптического резонатора лазера. Применяемая частота модуляции равна 600 Гц. Для фильтрации первой и второй гармоник частоты модуляции применяются активные RC-фильтры, построенные на операционных усилителях. Аттенюатор уменьшает напряжение генератора в 10 раз. Двухпороговый компаратор выполнен на операционных усилителях и срабатывает при выходном напряжении интегратора +10 и -10 В. Ключ цепи блокировки выполнен на биполярном транзисторе, ключ сброса интегратора - на полевом транзисторе с изолированным затвором. Ждущие мультивибраторы выполнены на логических элементах, причем первый имеет длительность импульса 1,5 с, а второй - 0,5 с. В качестве коммутатора режима поиска используется малогабаритное реле типа РЭС-49. Данная схема используется для стабилизации частоты цельнометаллического СО₂-лазера с ВЧ-возбуждением, предназначенного для использования в газоанализаторах и в лидарных установках. Резонатор лазера выполнен из сплава Д16Т.

Использование данного изобретения позволит существенно повысить надежность работы лазера и эффективность стабилизации его частоты при включении, перестройке лазера по линиям излучения и при любых величинах температурного дрейфа его резонатора. Наибольший эффект устройство стабилизации частоты может дать в молекулярных лазерах с автоматическим переключением линий излучения. Данная схема может использоваться для частотной стабилизации излучения компактных лазеров облегченной конструкции, лазеров, выполненных из металла с малым удельным весом (например, из дюралюминия). Это исключает необходимость применения в лазере дефицитных материалов (инвар, суперинвар), удешевляет его конструкцию, упрощает технологию изготовления. Устройство стабилизации частоты весьма полезно в лазерах, эксплуатируемых в условиях больших перепадов температур, а также при наличии механических ударных воздействия на корпус лазера.

Использование: изобретение относится к лазерной технике. Сущность изобретения: в устройство стабилизации частоты дополнительно введена цепь блокировки, а также амплитудный детектор, ждущий мультивибратор, коммутатор режима поиска, аттенюатор. 1 ил.

УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА, включающее установленный на выходе лазера датчик сигнала ошибки, соединенный с фильтром первой гармоники частоты модуляции, последовательно включенные фазовый детектор, интегратор, усилитель постоянного тока и исполнительный элемент, соединенный с зеркалом резонатора лазера, а также генератор модуляционной частоты, соединенный с фазовым детектором и исполнительным элементом, отличающееся тем, что, с целью повышения стабильности частоты и надежности работы лазера, в схему дополнительно введены первый амплитудный детектор, первый ждущий мультивибратор, коммутатор режима поиска, аттенюатор, цепь блокировки, включающая последовательно соединенные фильтр второй гармоники частоты модуляции, второй амплитудный детектор и первый ключ, а также двухпороговый компаратор, второй ключ и второй ждущий мультивибратор, причем выход фильтра первой гармоники частоты модуляции соединен с входом первого амплитудного детектора, выход которого соединен с входом первого ждущего мультивибратора, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора режима поиска, один из двух сигнальных входов которого соединен с выходом фильтра первой гармоники частоты модуляции, а другой вход - через аттенюатор с генератором модуляционной частоты, выход коммутатора соединен с входом фазового детектора, выход датчика сигнала ошибки соединен с входом фильтра второй гармоники, выход первого ключа цепи блокировки соединен с входом первого ждущего мультивибратора, выход интегратора соединен с последовательно включенными двухпороговым компаратором и вторым ключом, выход компаратора соединен с первым ключом через второй ждущий мультивибратор, а вход интегратора соединен с вторым ключом.