Устройство для стабилизации частоты излучения газового лазера Советский патент 1982 года по МПК H01S3/13 

(sk) УСТРОЙСТВО Щ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ

ИЗЛУЧЕНИЯ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА

Изобретение относится к области . квантоерй электроники, а именно к устройствам для получения стабилизированного по частоте излучения сазовОго лазера и может найти применение при создании оптических квантовых стандартов частоты с высокими ёначенйями стабильности ( и воспроизводимости (-vtO ) частоты.

Известен стабилизированный ОКГ 1J, где с целью повышения стабильности и воспроизводимости частоты излучения газового ОКГ внутрь резонатора ОКГ помещена нелинейно-поглощающая газоёая ячейка низкого давления, центральная частот поглощения которой попадает в допплеровский контур линии уси/1ёния. Насыщение поглощения в стоячей световой волне приводит к образованию узкого провала Лэмба в центре допплеровски-уширенной линии поглощения. В результате этого выходном иэлучё НИИ ОКГ возникает резонанс мощности, частота которого совпадает с частотой

линии поглощения, а ширина на несколько порядко1а меньше ширина провала Лэмба в линии усилений.

Однако в данном устройстве практи,чески не обеспечивается точное совпа5 дениё центральных частот линий усиления/й поглощения, что приводит к не желс1Т ь ШМ эффектам отталкивания и Затягивания частоты генерации. Ввиду этОгО ограничено достижение высоких 10 .значений ста.бйльности и воспроизводимости частоты излучения стабилизированного ОКГ.

Известно устройство для стабилизации частоты излучения газового лазера,

15 состоящее из двух кольцевых газовых ла зеров, в резонаторе одного из которых помещеИа ячейка с нелинейно-погхющающим газом, а в резонаторе второгоэлемент длй регулировки величины об20ратных отражений энергии бегущих ,Ьолн, фЬтоприемники, установленные на пути выходных пучков каждого лазера, системы автоматической подстройки частоты. 376 фотоприемник, установленный.на пути совмещённых пучков лазеров 2 Устройство работает следующим обра , эом. Основной Не-Ne лазер (, стабилизируемся по центру нелинейного резонанса поглощающего газа (метана). Дополнительный кольцевой лазер (,39 мкм} стабилизируется по резонансу мощности на центральной частоте допплеровского контура линии усиления В данном устройстве, используя специфику кольцевого лазера, стабилизация частбты излучения дополнительного лазера производится не по широкому (десятки мГц) провалу Лэмба, а по боле е.; узкому (единицы мГц) резонансу, :вд;зиикающему за счет обрйТШх отражений энергии бегущих волн при малом значении коэффициента фазовой связи. С6 м ёщёШе цёй альнь1хчастЪтДбпплеровских контуров усиления и поглощения в этом устройстве п)ОИЗ водиТСя следующим образом. Выходное излуче,ние основного и дополнительного лазера совмещается с помощью полупрозрачного зеркала, и поступает на общий фотоприемник. Частота сигнйла, выделяющегося на общем фотоприемни.ке, равна разности частот двух лазёров, а следовдтельно, и частотной расстройке центральных частот линий усиления и поглощения. ,С фотопр1йёмнйка сиТйал поступает в систему автоматической регулиpOBkU давлением, а именно надискри мйнато|5 отклонения частоты, выходной сигнал с которого определяется величиной и знаком.частотной расстройки центральных частот линий усиления и поглощения. Сигнал ошибки с дйскриминатора поступаетдалее в сервопривод, который управляет движением поршня. Различие центральных частот линий уси ления и поглощения устраняется соответствуйщим изменением давления в соединенных между собой активных трубках обоих ОКГ при помощи поршня. Однако точность совмещения центральных частот линий усиления и поглощения в описанном выше устройстве невысока ( Гц) и ограничена сравнительно большой (единицы мГц) шириной резо нанса на центральной частоте линии усиления,что влечет за собой ограничение стабильности и воспроизводимости частоты газового ОКГ (о/Ю). Точность совмещения центральных частот линий усиления и поглощения может быть значительно повышена, если оба стабилизировать по автоколёбатель 5 . 4 , яым резонансам мощности, которые возпикают на центральных частотах линий I усиливающей и поглощающей сред при увеличении коэффициента фазовой связи волн д6 критического значения, что П|эивОдйт к повышению на порядок величину стабильности и воспроизводимости чacтotы газовогоОКГ. Однако в данном устройстве для получения стабилизированных по частоте излучения, газового ОКГ путем совмещения резонансов,возникающих за счет фазовой связи бегущих волн, можно стабиЛмзирбвать частоту излучения ОКГ, имеющего кольцевой резонатор, так как упомянутые рез.рн ансьг возникают только в ОКГ с кольцевым резонатором. Поэтому данное устройство не позволяет обеспечить высокой стабильностии. воспроизводимости частоты излучения ОКГ с резонатором Фабри-Перо, имеющего в настоящее время широкое распространение. Недостатком этого устройства является также наличие оптической связи стабилизируемого ОКГ со вспомогательным ОКГ, приводящей к дополнительным потерям мощности выходного излучения стабилизируемого ОКГ, к внесению искажений ввиду вааимного влияния ОКГ .на режимы работы друг друга, к дополнительным отражениям энергии бегущих волн на общих отражающих поверхностях и т. п. Целью настоящего изобретения является .ние стабильности частоты газового лазера. При этом Конструкция резонатора произвольная. Указанная цель достигается тем, что устройство для стабилизации частоты газового лазера, состоящее из двух кольцевых ОКГ, активные трубки которых соединены между собой, в резонаторе одного из которых находится нелинейно-поглощающая ячейка, а в резонаторе другого - приспособление для регулировки величины обратных отражений энергии бегу1цих волн, например, плоскопараллельная пластинка, фотоприемйиков, установленных на пути выходных пучков каждогр ОКГ, систем автоматической подстройки частоты, фотоприемника, установленного на пути совмещения пучков лазеров, и содержит газовый лазер, на пути выходного излучения которого установлены фотоприемник и система автоматической подстройки частбты излучения, а резонатор газового Лазера содержит газовую трубку с активным веществом, сбедийенную с гачповыми трубка и кольцевых лазеров и нелинейно поглощающую ячейку, соеди ненную с нелинейно-поглощающей ямейкой одного из кольцевых лазеров. Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена принципиальная схема устройства. Активная трубка 1 стабилизируемого по частоте газового лазера I, имеющего резонатор произвольной конструкции например Фабри-Перо, образованный зер .калами 2, 3, соединена с активными трубками , 5двух дополнительных ОКГ И , III, с кольцевыми резонаторами, образованными зеркалами 6,7, 8., 9 10,11, Поглощающая ячейка 12 ОКГ 1 соединена с поглощающей ячейкой 13 ОКГ 1I,Внутри кольцевых резонаторов II и ОКГ 1М помещены плоскопараллельные пластинки 1 и 15 для регулировки величины обратных отражений энергии бегущих волн. Зеркала 3, 6, 9 резонаторов лазеров , |I и |)| укреплены на пьезокерамиках 16, 17, 18 для управления частотой выходного излучения этих ОКГ. На пути выходных пучков ОКГ 1, I Г, III установлены фотоприемники 19, 20, 21. Сигналы с фотоприемников через системы автоматической подстрой ки частоты 22 и 16, 23 и 17, 2 и 18 замыкаются на входах ОКГ I, 11, HJ. На пути выходных излучений лазеров I I и III установлено полупрозрачное зёрк ло 25 для совмещения их излучений. Совмещенное излучение ОКГ II и IП через фотоприемник 2б поступает в систему 27, 28, 29 автоматической регулировки давления в соединенных активных трубках 1, ii, 5 ОКГ I, II и 111, при котором центральные частоты линий усиления и поглощения совмещены. Принцип действия описанного выше устройства состоит в следующем. Частота излучения лазера I стабилизирована на центральной lacTOTe допплеров ски-уширенной линии поглощения по инвертированному провалу Лэмба С помощью фотопрйемника 19 и системы АПЧ 22 и 16. Частота излучения лазера I I стабилизирована на центральной частоте допплеровского контура линии поглощения по автоколебательному резонансу, возникающему на центре погЛощения, с помощью фотоприемника 20 и системы АПЧ 23 и 17. Частота излучения лазера III стабилизирована на центральной частоте допплеровского 76 5 6 контура линии усиления по автоколеВательному резонансу, возникающему на центре линии усипеиия с помощью фотоприемника 21 и системы АПЧ 2 и 18. Режим возникновения автоколебательных резонансов мощности достигнут в дополнительных лазерах увеличением коэффициента связи бегущих волн до его критического значения (1СГ . Для достижения этого углы между оптическими осями резонаторов лазеров II и f I I и нормалями к пластинкам 1 и 15 составляли 1-2. Как следует из описания прототипа, частота сигнала, выделяющегося на общем фотоприемнике 25- равняется частотной расстройке центральных частот линий усиливающей и поглощающей сред лазеров И и III. Поскольку активная трубка ОКГ | соединена с активными трубками лазеров II и 1П , а его поглощающая ячейка с поглощающей ячейкой лазеров ||, то сигнал биений частот лазеров 11 и I | |. выделяющийся на фотоприемнике 25, является индикатором расстройки центральных частот линий усиливающей и поглощающей сред и для ОКГ I. Сигнал биений частот лазеров fI и с фотоприемника 25 поступает на дискриминатор отклонения частоты и далее на сервопривод, который управляет поршнем, регулирующим давление в соединенных между собой активных трубках лазеров I, II и III до такого значения , при котором сигнал биений частот лазеров И и III будет (эавен нулю. В этом случае давление активной среды в соединенных активных трубках лазеров I, II, П1 соответствует значению, при котором центральные частоты линий усиливающей и поглощающей сред в кольцевом лазере IJ, а следовательно, и в лазере I, совпадают. г . ... Таким образом, в данном устройстве устранена причина, ограничивающая доctижeниe высоких значений стабильно ти и воспроизводимости частоты излучения газового лазера с произвольной конструкцией резонатора. Как следует из схемы, лазер I, частота которого подлежит стабилизации, не требует оптической связи с дополнительными лазерами I и III, входящими в устройство. Тем самым устранены последствия, имеющиеместо в устройствах, в которых стабилизируемый . ОКГ оптически связан с дополнительными лазерами.