Стабилизированный газовый лазер Советский патент 1981 года по МПК H01S3/13 

(54)СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР

изобретение относится к квантовой .электронике и может быть использова-н6 в метрологии и спектроскопии, а также в точном машиностроении и геофизике для прецизионного измерения линейных перемещений и деформаций, Известны стабилизированные газовые лазеры, в которых стабилизация частоты осуществляется с помощью системы автоматического регулирования настройки их на максимум линий усиления активной среды. При этом исполь зуют два типа систем автрма:уйчёС11:дго регулирования: регулятор, Основан1яый на эффекте затягивания частоты генерации к вершине линии усиления .(для лазеров, работающих в многомодовом режим, и так называемые экстремальные регуляторы, подстраивающие лазер на максимум выходной мощностиСдля одномодовйх лазеров) l и 2 Из-за большой ширины линии усйЯеН,|шя, а также из-за значительных сдвигов ее верогииы такие лазеры обладают низкой стабильностью и воспроизводимостью частоты. Эти мешающие факторы устранены Б лазерах, имеювщх внутри резонатора поглощающую ячейку, заполненную газом низкого давления. При этом в амплитудно-частотной характеристике лазера образуется узкий резонанс мощности, вершина которого может служить репером частоты. Известен стабилизированный газОвЬй лазер, содержащий двухзеркальный резонатор, одно из зеркал которого снабжено пьёзоприводом, поглощаю- щую ячейку, помещенную внутрь резокатора и систему стабилизации частоты, состоящую из соединенных последовательно фотоприемника сигнала расстройки частоты относительно центра линии поглощения, синхронного усилителя с генератором модулирующего напряжения и интегратора, выход которого подключен к пьезоприводу 3 ; В известном устройстве частотный ди апаэон возмущений, активно отрабатываемых системой стабилизации, невелик, и, как правило, не превышает ,1/5 часть от частоты модулирующего сигнала. С другой стороны, частота модулирующеГр также бграничена шириной резонанса мощност ttosTOhfy в указанном устройстве су1|ёствуёт прйниципиальный предел для расширения диапазона отрабатываемых вбзмущёниЯь. В итоге стабильность подобного лазера оказывается,невысокой ;в условиях небольших виБраций. Целью изобретения является повьше ниестабильности частоты излучения га,зового лазера в двзгхмодовом рейшмй генерации. Это достигаё тся Тем, что в двух моДовый стабилизированный газовый лазер, содержащий двухзеркальный р1езонатор, одно из зеркал которого снабжено пьёзотгриводом, поглощающую ячейку, помещенную внутрь резойатора, и систему стаб,илйзации частоты, состоящ5То из соёдиненньк после довательно фотоприемника сигнала рас стройки частоты одной из мод относительно центра линий поглощения, сйнх ронного усилителя с генератором моду лирующеГ(э н апряженйя и интегратора, выход которого подключен к пьезоприв -ду,при этом ВЫХОД генератора модулирующего напряжения подключен к пьезоприврду, дополнительная система стабилизации частоты, включеиная между вы :од6м лазера и вторым входом йнтёгратора, состоящая из : соёдинёншлх последовательно фотЬП риемника сигнала )4ежмодо вых биений, преобразователя частоты, частотного дискириминатора ц фильтра верхних частот, выход которой подключен к второму входу интегратора. На чертеже, представлена блок-схема газовсгго лазера. Собственно лазер состоит из актив ного элемента 1, поглощакицей ячейки 2, Двух чётвёртьвблнЬййх пластинок ЗиЛ, зеркал 5 и 6, образующих резонатор. Зеркало б снабже пьёзоприводом 7. „ Система стабилизащи содержигт два фотодетектора 8 и S, синхронный усилитель с генератором модуляции 10, интегратор I1, преобразователь частоты, состоящий из смесителя 12 и рпорнЬго генератора 13, частотный ди 7.4 криминатор 14, фильтр верхних частот 15. Для разделения излучения Лазера на два пучка служит делительное зеркало 16, Для выделения одной моды излучения по ходу одного из пучков установлен поляризатор 17. Существование двух мод в таком лазере обусловлено введением в резонатор двух четвертьволновых пластино 3 и А. Поля|ризации этих мод на выходе лазера ортогональны, а разность частот межДу ними определяется небольшим наклоном осей( 1- 1СР)1Ш.твертьволновых пластинок 3 и 4 относительно друг друга. Устройство работает следующим образом. Модулирующее напряжение с генератора модуляции 10 подается на пьезопривод 7. Часть излучения лазера проходит сквозь зеркало 16 и через поляризатор 17 поступает на фотодекодер 8. На выходе фотодекодера выделяется нап ряжеНие, амплитуда которого пропорТ ;(иональна отклонению частоты выб ранной моды от реперной частоты, определяемой вершиной резонанса мощности поглощающей ячейки. Этот сигнал преобразуется блоком синхронного усилителя и генератора модулирующего сигнала 10. Преобразованный сигнал U поступает на вход интегратора 11. Сигнал с выхода интегратора подается на пьезопривод для обработки расстройки частоты лазера относительно реперной частоты. Так работает блок экстремального регулирования. Для дополнительной системы стабилизации входным сигналом ябляется излучение второго лазерного пучка,выделенного делительным 3epKajioM 16.Это излучение с частотой биений двух мод поступает на фотодекодер 9.На его выходе выделя ётся пере1менный сигнал с частотой,равной разности частот двух мод. Для одной из мод, совпадающей с репер.ной частотой, работает эффект затяггивания частоты. Для второй моды этот эффект отсутствует, если частотный интервал мёзкду модами выбран достаточно бопьтги. Поэтому разностная , частота двух мод зависит от расстройки частоты одной из мод относительно реперной частоты. Напряжение разностной частоты с фотодедектора 9 поступает на смеситель 12 где преобразуется в напряжение промежуточной частоты с помощью генератора опорнбгО напряжения 13. Напряжение промежуточ ной частоты поступает на частотный дискриминатор 14, на выходе которого выделяется напряжение, пропорциональ ное расстройке частоты лазера относи тельно penet HoA частоты. Для того, чтобы дрейф разностной частоты, вызванный:, например, тепло выми деформациями четвертьволновых Т пластинок, не вносил статического бт .клонения частоты лазера относительно реперной частоты, служит фильтр верхних частот 15, пропускающий лишь переменную, составляющую сигнала (j . Это напряжение cyм iиpyeтcя на входе интегратора с напряжением (). . Сумм напряжений и.+ 02. нтегрируется интег-ратором П и результирующее напряжевне поступает на пьезоирйвод 7 для обработки расстройки резонатора. Экспериментальное исследование опытного образца предлагаемого лазера показало, что введение дополнительной системы стабилизации частоты позволяет расширить частотный диапазо эффективно отрабатываемых воздействий более, чем на порядок при соотве ствующем повьш ении стабильности частоты также почти на порядок. Повышение стабильности частоты поз воляет существенно расширить область применения лазеров в метрологии и спектроскопии. Формула изобретения Стаб шизир9ванный газовый лазер, содержащий двухзеркальный резонатор. ОДНО из-зеркал которого снабжено пьезоприводом, поглощающую ячейку, помещенную внутрь резонатора, и систему стабилизации частоты, состоящую из соединенных последовательно фотоприемникасигнала расстройки частоты одной из мод относительно центра линии поглощения, синхронного усилителя с генератором модулирующего . напряжения и интегратора, выход которого подключен к пьезогриводу, при этом выход гёйератгд1 а йодулирующего напряжения подключен к пь езоприводу, отлича1рщийся тем, что, с целью повьш1бния стабильности частоты излучения лазера в двухмодовом режиме генерации, в него введена допол нительная система Стабилизации частоты, включенная между выходом и вторым входом ийтегратора, состоящая из соединенйых последовательно фотоприемника сигнала межмодовых биений, преобразователя частоты, частотного диск15имйнатора и фильтра верхних частот. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Патент США №3170122 кл. 331-94,5, опублик, 1963. 2Г Патент Великобритании № 1397608, кл. Н 1C, опублик.1973. 3. Патент Великобритании № 1295817, кл. Н1С, опублик. J972 (прототип).