(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРА
Изобретение относится к области кванквантовой электроники и может найти применение при разработке лазеров не- прерьшного дейсчвия для точногокконт- роля их спектральных параметров и, в частности для создания оптических стандартов частоты.
Известен способ анализа частотных характеристик излучения лазера, разработанный прежде для некогерентных источников света и примененный затем для анализа излучения лазера.
Способ состоит в следующем. В исследуемом лазере осуществляют режим генерации двух и более типов колебаний, (мод), отличающихся по частоте, детектируют излучение и анализируют спектр биения частот различных мод. При анализе определяют количество частот биений и измеряют частотное расстояние между ними, которое равно разности частот генерируемых мод.
Измеряют также ширину сигналов биений. Так как в образовании биений участвуют все компоненты линии, то измеренная ширина полосы биений позволяет судить о ширине исходной спектральной линии.
Однако этим способом можно измерять лишь естественную ширину линии генерации лазера и только при наличии нескольких типов колебаний (многомодовый режим). Измерение спектральных параметров излучения лазера, работаю щего в одномодовом режиме, этим способом невозможно, также невозможно получить сведения о спектральных пара5метрах допплеровски уширенной линии генерации лазера, что представляет существенный недостаток способа. К недостаткам следует отнести также отно- 0 сительно высокую погрешность измерения 1-5 кГц.
Ближайшим по технической сущности к изобретению является способ измерения частотных характеристик излучения лазеpa, заключающийся в сканировании по частоте излучения исследуемого лазера, смешивании этого излучения с ностоянным по частоте излучением дополнительного лазера непрерывного действия, детектировании излучения с последующим анализом электрического сигнала.
Этот способ измерения также имеет относительно невысокую точность а также не позволяет исследовать частотные параметры допплеровски ущиренной линии генерации лазера.
Целью изобретения является повышение точности измерения контура допплеровски уширенной линии излучения лазера.
Цель достигается тем, что детектируют отдельно исследуемое значение и излучение, смешанное с излучением дополнительного лазера, выделяют из продетектированного радиочастотного сигнала биений частот лазеров две частотные метки с помощью перестраиваемого резонансного усилителя, и при анализе частотной характеристики спектра излучения лазера устанавливают частотное расстояние между метками равным частотному расстоянию исследуемой части спектра излучения лазера и по этому частотному расстоянию между метками судят о ширине исследуемой части спектра излучения лазера.
Сканирование частоты излучения лазера производят любым из известных способов, например колебанием одного из зеркал резонатора лазера или периодическим изменением мощности накачки в пределах от 1 }сГц до ЗОО мГц в зависимости от ширины исследуемой части спектра излучения лазера. Излучение лазера с периодически меняющейся частотой смешивают с излучением дополнительного лазера непрерывного действия, частота генерации которого лежит в пределах спектра генерации исследуемого лазера.
Так как разность частот излучения лазеров периодически изменяется вследствие сканирования частоты исследуемого лазера, то и частота биепия тоже периодически изменяется, Максимальное значение частоты биений принимает значени от 1 кГц до 300 мГц в зависимости от ширины сканируемой области спектра исследуемого лазера. При этом частота дополнительного лазера остается достоянной. Если из этого сигнала биений выделяют сигнал определенной частоты, заранее заданной В пределах от 500 Гц до 150 мГц, то вследствие того, что частота биений, равная разности частот двух лазеров, два раза принимает значение заданной частоты (так как f § 1 (,). где
5мгновенное значение
частоты биений, равное заданной, и f - частоты излучения исследуемого лазера и дополнительного, то получак г две частотные метки, частотное расстояние между которыми равно удвоенному значению их частоты). Из радиочастотного сигнала биений вьщеляют частотные метки.
Устанавливают частоту меток такую, чтобы расстояние между ними было равно ширине исследуемой части спектра генерации лазера, в пределах от 1 кГц до 300 мГц и пр известному значению частоты меток, а следовательно и расстоянию между ними, получают сведения о пгарине исследуемой части спектра генерации лазера непрерывного действия.
На фиг. 1 дана схема устройства для реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 осциллограмма зависимости выходной мощности исследуемого лазера от частоты и частотные метки.
Устройство для реализации предлагаемого способа включает в,себя исследуемый лазер 1, частота которого измегняется в исследуемой части спектра с помощью сканирующего элемента 2 и смешивается с помощью полупрозрачного зеркала 3 на фотодетекторе 4 с излучением дополнительного лазера 5 непрерывного действия, в резльтате чего на нагрузке квадратичного.фотодетектора 4 появляется напряжение с частотой биений двух лазеров - исследуемого к дополнительного. Этот сигнал поступает на перестраиваемый частотно-избирательный усилитель 6. Этот усилитель, обладающий резонансной частотной характеристикой, выделяет сигнал заданной частоты, которая зависит от настройки усилителя 6. Одновременно с полупрозрачного зеркала 7 часть излучения исследуемого лазера 1 поступает на фотодетектор 8 и далее на усилитель 9, которые обеспечивают наблюдение на экране осциллографа 1О зависимости мощности излучения исследуемого лазера 1 от частоты, т.е. его спектральную характеристику. Генератор 11 управляющих сигналов служит для возбуждения С1 анирующего элемента 2 и синхронизации осциллографа 10. Поскольку указанный сигнал биений симметричен относительно нулевых биений двух лазеров, то на одном из лучей осцилпографа 10 наблюдают два явно выраженных максимума сигнала, биений, пред став ляюЕШх собой частотные метки, расстояние которыми равно удвоенной частоте настройки частотно-избирательного усилителя 6, т.е. удвоенной частоте меток, а на другом луче наблюдают спектральную характеристику ис-. следуемого лазера 1. Настройкой усилителя 6 устанавливают частоту меток такую, при которой расстояние между метками совпадает на экране осциллографа с исследуемым участ ком спектра генерации лазера, а так как частота меток известна (усилитель граду ирован по частоте), то известно и частное расстояние исследуемого участка спе тра генерации лазера. Описанным способом производится измерение частотных характеристик спектральных резонансов усиливающей и пог-; лощающей сред гелий-неонового кольцевого лазера, Л 3,39 мкм, с метановой поглощающей ячейкой. На фиг. 2 показан осциллограмма совмещения частотных ме ток 12 с центром линий 13 и 14, соответственно усиления и поглощения в спек тре излучения лазера. Частотное расстояние между метками равно 1,65 мГц. С помощью описанного устройства произ- водится также измерение полущирины линии поглощения, равной 30 кГц с точностью 100 Гц. В изобретении по сравнению с извест ными способами существенно повыщается точность измерения, Погрещность измерения не превыщает 1% от абсолютного значения результата измерений. Предлагаемым способом можно измерять частотные характеристики спектра излучени 56 06 лазера щириной от 1 кГц до 300 мГц, что ранее не представлялось возможным. Способ вследствие частотного сканирования излучения лазера позволяет производить измерение частотных характеристик допплеровски уширенной линии генерации лазера, раьотающего как в много- модовом, так и в одномодовом режиме вследствие применения смешивания излучения исследуемого лазера с излучением дополнительного, работающего в одномо- довом режиме. Формула изобретения Способ измерения частотных характеристик излучения лазера непрерывного действия, состоящий в сканировании по частоте излучения исследуемого лазера, смешивании этого излучения с постоянным по частоте излучением дополнительного лазера непрерьгоного действия, детектировании излучения с последующим анализом электрического сигнала, отличающийся тем, что , с целью повышения точности измерения контура допплеровски ущиренной линии излучения лазера, детектируют отдельно исследуемое излучение и излучение, смешанное с излучением дополнительного лазера, выделяют из продетектированного радиочастотного сигнала биений частот лазеров две частотные метки с помощью перестраиваемого резонансного усилителя, устанавл1юают частотное расстояние между метками, равным частотному расстоянию исследуемой части спектра, и по нему судят о щирине исследуемой части спектра излучения лазера.
