Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 9
1.1. Лазерные интерферометры 10
1.2. Тенденции развития технологии интегральных микросхем 18
1.3. Промышленные модели лазеров, используемых в интерферометрах перемещений 21
1.4. Методы получения разностной частоты 26
1.4.1. Формирование разностной частоты в поперечном магнитном поле 29
1.4.2. Формирование разностной частоты в продольном магнитном поле 38
1.5. Методы стабилизации оптической частоты в двухчастотных стабилизированных лазерах 40
1.6. Постановка задачи 45
Глава 2. Анализ зависимости разностной частоты и мощности излучения от конструктивных элементов лазера 48
2.1. Расчет разностной частоты в зависимости от продольного магнитного поля 48
2.2. Экспериментальные исследования разностной частоты 53
2.2.1. Описание экспериментальной установки 53
2.2.2. Влияние магнитного поля на величину разностной частоты для активных элементов различной длины 53
2.2.3. Изменение мощности излучения в зависимости от длины резонатора и величины приложенного магнитного поля 57
2.2.4. Анализ экспериментальных и расчетных характеристик 58
2.3. Фазовая анизотропия 61
2.4. Основные результаты и выводы по главе 66
Глава 3. Особенности конструктивного выполнения лазеров с повышенной разностной частотой 68
3.1. Активный элемент лазера с повышенной разностной частотой и его характеристики 68
3.1.1. Резонатор активного элемента и характеристики пучка 69
3.1.2. Конструкция активного элемента 75
3.1.3. Влияние наполнения в активных элементах на стабильность поляризационно-частотных характеристик 77
3.2. Конструктивные элементы, обеспечивающие повышенную разностную частоту 87
3.3. Лазер с повышенной разностной частотой 91
3.3.1. Излучатель лазера 91
3.3.2. Определение времени прогрева, необходимого для обеспечения работоспособности лазера 93
3.3.3. Исследование спектрально-дискриминационных характеристик 96
3.3.4. Схемы и принцип работы лазера 100
3.3.5. Конструктивное исполнение 104
3.4. Основные результаты и выводы по главе 106
Глава 4. Исследование лазера с повышенной разностной частотой 107
4.1. Исследование относительной нестабильности оптической частоты и длины волны лазерного излучения 107
4.1.1. Методика эксперимента 108
4.1.2. Результаты эксперимента 110
4.2. Определение номинального значения и исследование нестабильности разности частот ортогональных компонент лазерного излучения 114
4.3. Исследование относительной нестабильности мощности лазерного излучения 116
4.4. Исследование характеристик опорного сигнала 117
4.5. Основные результаты и выводы по главе 119
Заключение 120
Библиографический список 122
Приложение
- Тенденции развития технологии интегральных микросхем
- Экспериментальные исследования разностной частоты
- Лазер с повышенной разностной частотой
- Определение номинального значения и исследование нестабильности разности частот ортогональных компонент лазерного излучения
Введение к работе
Применение двухчастотных He-Ne лазеров в составе измерительных интерферометров упрощает измерительные схемы последних, расширяет возможно-сти их применения, повышает надежность. Первые промышленные образцы лазерных интерферометров на двухчастотных лазерах, выпущенные в начале 70—х годов фирмой HP США, нашли широкое применение в промышленности.
Промышленные образцы лазерных интерферометров в СССР созданы в начале 80-х годов и выпускаются предприятиями России, Белоруссии, фирмами США и Японии. Для их комплектования разработаны, например, двухчастотные He-Ne лазеры ЛГН-212 (Россия), НР5501 фАфай (HP) (США) [1] с зееманов-ским расщеплением частоты генерации в продольном магнитном поле. Кроме того, рынок производства двухчастотных лазеров агрессивно пытаются завоевать предприятия юго-восточной Азии (Корея, Китай, Япония). В частности, Китаю выданы связанные кредиты на 40 млрд. долл. США на разработку лазеров и оборудования.
Излучение двухчастотного лазера содержит две ортогонально-поляризованные компоненты, совмещенные в направлении распространения светового пучка. Разность частот ортогонально-поляризованных компонент излучения представляет собой разностную частоту и определяется главным образом свойствами атомов активной среды, на которой происходит генерация, и магнитным полем.
Кольцевые лазеры [2], в которых генерация происходит на двух бегущих навстречу друг другу волнах, также позволяют получить двухчастотное излучение, которое может быть использовано в лазерных интерферометрах. Две волны, выходящие из кольцевого лазера, пространственно разнесены, что не требует применения специальных поляризационных делителей света, как в случае лазеров с линейным резонатором. Однако, в силу повышенных требований к технологии изготовления кольцевых резонаторов, такие лазеры не использовались.
Расширение области применения лазерных интерферометров выдвигает новые требования к двухчастотным лазерам и параметрам их излучения. Так, лазеры с разностной частотой 1,5-г2,2 МГц позволяют проводить измерения со скоростью 18-ь28 м/мин. Для современных технологических установок (установки изготовления БИС и СБИС) требуется увеличения скоростей измерения. Реализация таких устройств возможна только на основе лазерных интерферометров, использующих двухчастотные лазеры с более высоким значением разностной частоты.
В устройствах для определения частотных характеристик: фотоприемных устройств и разрешения спектральных приборов необходимы двухчастотные лазеры с разностной частотой в десятки и сотни мегагерц. Вместе с тем физические ограничения не позволяют существенно увеличить разностную частоту в двухчас-тотньгх лазерах с зеемановским расщеплением частот. Это заставляет обратиться к другим известным методам получения двухчастотного излучения:
за счет фазовой анизотропии зеркал резонатора для разных направлений плоскости поляризации падающего на зеркало излучения;
за счет введения в резонатор оптического элемента, показатель преломления которого неодинаков для различных направлеіши плоскости поляризации проходящего через него излучения.
Целью настоящей работы является создание и исследование двухчастотного стабилизированного лазера промышленного назначения с разностной частотой излучения более 2 МГц.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующий круг задач:
1) исследовать физические процессы, влияющие на номинальное значение
разностной частоты;
найти конструктивно-технологические пути повышения разностной частоты в лазерах промышленного назначения;
обеспечить необходимые значения основных характеристик лазерного излучения.
7 Научная новизна:
впервые в двухчастотных He-Ne лазерах получено значение разностной частоты 4 МГц на активном элементе с внутренними зеркалами, помещенными в намагничивающиеся юстировочные узлы;
впервые получены теоретические зависимости разностной частоты от интенсивности продольного магнитного поля, длины и добротности резонатора, подтвержденные экспериментальными исследованиями;
показано, что для He-Ne лазеров на основе активных элементов с внутренними зеркалами разностная частота более 2 МГц определяется, прежде всего, конфигурацией магнитного поля по длине разрядного промежутка;
установлено, что при повышении разностной частоты с 1,7 до 3 МГц крутизна спектрально-дискриминационных характеристик возрастает вдвое.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
использование зеркал с наведенной фазовой анизотропией и однородного (в пределах 20%) продольного магнитного поля существенно (в два раза, до 4 МГц) повышает разностную частоту лазеров на активных элементах с внутренними зеркалами;
относительная нестабильность частот двухчастотного лазера с увеличенной (с 1,7 до 3 МГц) разностной частотой значительно (на два порядка) снижается за счет увеличения крутизны спектрально-дискриминационных характеристик при стабилизации оптической частоты по равенству интенсивностей ортогонально-поляризованных компонент излучения;
теоретические и экспериментальные результаты исследования зависимости разностной частоты излучения от напряженности магнитного поля, длины и добротности резонатора, позволившие обосновать требования к параметрам активного элемента для получения повышенной
(до 4 МГц) разностной частоты при необходимом (до 0,3 мВт) уровне мощности лазерного излучения. 4) способ повышения устойчивости поляризациошю-частотных характеристик лазерного излучения, основанный на применении зеркал с наведенной фазовой анизотропией
Практическая значимость:
сформулированы практические рекомендации по разработке конструкции малогабаритного лазера промышленного назначения с повышенной разностной частотой (3-^-4 МГц), в том числе требования к допустимой неоднородности магнитного поля;
разработано устройство стабилизации оптической частоты лазеров с повышенной разностной частотой;
высокостабильный двухчастотный лазер с повышенной (с 1,7 до 3 МГц) разностной частотой при использовании в составе лазерных интерферометров позволил увеличить точность и скорость измерения перемещений объекта более чем в два раза;
Апробация работы.
Основные положения, отдельные разделы и результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях: «Лазеры. Измерения. Информация». Санкт-Петербург. 5-7 июня 2002; XI конференции по физике газового разряда. Рязань, 2002; «Лазеры. Измерения. Информация». Санкт-Петербург. 25-27 июня 2003; «Лазеры. Измерения. Информация». Санкт-Петербург. 23-25 шоня 2004; «Лазеры. Измерения. Информация». Санкт-Петербург 8-10 июня 2005.
По материалам диссертации опубликовано 11 работ, в числе которых 4 - в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка и приложений. Она содержит 132 страницы, 36 рисунков, 9 таблиц, 94 наименования списка литературы.
Тенденции развития технологии интегральных микросхем
По оценкам маркетинговых исследований рынок микроэлектроники имеет следующие основные показатели и тенденции развития:-содержание полупроводниковых элементов в электронных системах увеличивается в среднем на 1,8% в год и составляет в 2005 г. 32,5%. Причем наивысший прирост выпуска п/п базы характерен для цифровых видеоплейеров, средств Internet, цифровых телефонов, сетевых персональных компьютеров (ТЖ) и ПК мультимедиа;- основным п/п материалом в обозримом будущем остается кремний;- доля кремний-металл-окисел-полупроводник (КМОП) технологии в общей структуре используемых тхнологий к 2005 г. составляет ок. 86%;- топологические размеры промышленных ИС уменьшились с 3 мкм в 1980 г до 0,25 мкм в 1998 г, до 0,18 мкм в 2003 г, а также 0,13 мкм и 0,09 мкм в 2004 г; - уровень интеграции схем МОП памяти за последние 26 лет возрастал на 50% в год; степень интеграции логических схем возрастает на 35% в год. Отрабатывается технология для производства СпИС последовательно с проектными нормами 0,18 мкм; 0,15 мкм; 0,13 мкм; 0,09 мкм. Площадь кристалла увеличивается как для схем памяти, так и для логических схем на 13% в год. С начала 1998 г. начинается переход на пластины диаметром 300 мм. Прорабатывается вопрос перехода на диаметр пластин 450 мм;- прирост производства микроэлектроники в 1998 году составил 6-8%, в 1999 году 10-12%, в остальные годы рассматриваемого периода в среднем на 24%. Все более конкурирующими на рынке будут процессоры ЦОС, старшие модели микропроцессоров, специализированные ИС. Среднегодовой прирост рынка электронных систем составил 9%, персональных компьютеров 12%;- с 1997г. начала формироваться новая коммерческая модель микроэлектроники: создание и развитие услуг специализированных заводов (СЗ) для специализированных фирм-разработчиков. СЗ будут поставщиками передовой технологии, и их развитие будет носить глобальный характер. В настоящее время на СЗ могут обрабатываться пластины с проектными нормами от 0,25 мкм до 0,13 мкм. СЗ являются одними из первых, где осваивается обработка 300 мм пластин;- доля СпИС в общем рынке ИС устойчиво составляет 15%. Для реализации современных СпИС отдается предпочтение КМОП и БиКМОП технологиям. Особое внимание уделяется специализации логических схем, начиная от схем стандартных серий и кончая попытками создания систем на кристалле. Сокращение доли заказных схем и увеличение доли схем на стандартных элементах (в 2002 г. 6% и 64%, соответственно). Все больший спрос получают СпИС со встроенной памятью. Разрабатываются СпИС, сочетающие достоинства вентильных матриц и стандартных элементов, вентильных матриц и ПЛИС. Доля вентильных матриц снизилась в общем рынке СпИС с 44% в 1996 г. до 13% в 2002 г.
Одновременно с увеличением диаметра кремниевого монокристалла происходит предельно большой рост стоимости всего остального технологического оборудования для изготовления интегральных схем, которое необходимо согласовать по размерам с уже и без того большой величиной диаметра пластины. Интересно, что параллельно росту диаметра пластины увеличивается размер микросхемы, а общее количество микросхем на пластине остается почти неизменным: от 400 до 1000.
Прогноз «Intel», выполненный в конце 80-х годов, согласно которому в 1995 г. должен был появиться микропроцессор 80686 с интеграцией в 10s транзисторов на кристалл, не оправдался. Pentium Pro, выпущенный в середине 90-х, и интегрирующий 21х10б транзисторов, на самом деле является гибридом, соединяющим два кристалла: собственно процессора - на 5,5х106 элементов и памяти второго уровня - на 15,5х106 элементов. Не произошло существенного роста интеграции и в последующих модификациях микропроцессора «Intel».
Таким образом, в ближайшие 15-20 лет микроэлектронике предстоит выйти на уровень интеграции микропроцессорной СБИС порядка 109—1010 элементов на один кристалл.
Наблюдаемый рост площади поверхности пластины с одновременным уменьшением проектных норм технологии требует увеличения скорости и точности измерений интерферометров, что может быть обеспечено применением стабилизированных лазеров с повышенной разностной частотой.
В промышленных лазерных интерферометрах в качестве источника света применяют стабилизированные одно- или двухчастотные гелий-неоновые лазеры [11], излучающие на длине волны А. = 0,63 мкм. Для облегчения селекции продольных типов колебаний резонаторы таких лазеров должны быть ко роткими (100 - 200 мм), чтобы частотный интервал между продольными модами был шире линии усиления активной среды. Мощность их излучения обычно не превышает 1 мВт. Малый размер резонатора позволяет сделать его конструкцию весьма жесткой, что облегчает стабилизацию частоты и улучшает виброзащитные свойства лазеров. Стабилизации частоты излучения сводится к поддержанию постоянной длины резонатора. Для реализации данной цели используется оптический дискриминатор. Для практических измерений в интерферометрии используются два вида дискриминаторов: использующие характерные точки контура мощности излучения и равенство интенсивностей ортогонально поляризованных компонент излучения. В современных промышленных приборах получили наибольшее распространение вторые.
На основе изложенных принципов построены ниже перечисленные лазеры.Наиболее известны среди гелий-неоновых лазеров промышленного назначения, стабилизированных по характерным точкам кривой усиления - лазеры, стабилизированные по провалу Лэмба.
Первым стабилизированным по провалу Лэмба прибором, используемым в лазерном интерферометре, был лазер модели 119SP фирмы Spectra Physics (США), его выходная мощность излучения составляла 0,2 мВт, а стабильность частоты lxlO-8. Позднее, с 70-х годов, лазеры, стабилизированные по провалу Лэмба, выпускались также фирмой Carl Zeis (ГДР). В ЧССР лазер модели LA -1000 фирмы Metra BlansKO выпускался с известным до восьмого знака значением длины волны. Отечественной промышленностью выпускались лазеры ЛГ-32 и ЛГ-77, стабилизированные по провалу Лэмба. На базе этих приборов были разработаны лазерные интерферометры ИПЛ-10М и ИПЛ-10М-52.
Среди лазеров, стабилизированных по равенству интенсивности наиболее известны следующие:— Двухмодовые лазеры (они же одночастотные): фирмы SORO (Франция); ЛГН-302, ЛГН-303 — ОАО «Плазма» (Россия).
Экспериментальные исследования разностной частоты
Исследования зависимости разностной частоты излучения от величины магнитного поля проводились на четырех партиях активных элементов с длинами 115мм, 125мм, 180мм, 245мм. Диаметр разрядного капилляра составлял Q g-H ,ib мм резонатор содержал зеркала, закрепленные в юстировочных узлах, выполненных из намагничивающегося материала. Радиус кривизны выходного зеркала - 0,5 м, а глухого - бесконечность. Наполнение активных элементов: смесь " Не-20 в соотношении 10:1 и общим давлением смеси 4 мм.рт.ст.
Рабочий ток составлял 3,5 0,5 мА. Напряжение горения - не более 1 кВ.Схема экспериментальной установки представлена на рис. 2.2.Активный элемент помещается в магнитное поле соленоида. Величина магнитного поля регулируется величиной тока, протекающего по обмотке соленоида. Предварительно проведена градуировка магнитного поля соленоида в зависимости оттока (колонки 1 и 2 таблицы 2.1) , протекающего по его обмотке с помощью измерителя магнитной индукции ИМИ-1.
Из излучения активного элемента 1, содержащего две поляризованные по кругу компоненты, выделяется поляризатором 4 и преобразуется фотоприемником 5 в электрический сигнал. Сипіал поступает на анализатор спектра 6. Измерителем мощности 3 контролируется мощность лазерного излучения активного элемента.
Экспериментально полученные данные зависимости разностной частоты от величины магнитного поля приведены в таблице 2.1.
Из таблицы видно, что при превышении некоторой напряженности магнитного поля //ф разностная частота отсутствует. Значение Н уменьшается с ростом длины активного элемента. Это связано с тем, что у активных элементов большей длины расстояние между смежными эквидистантными частотами (C/2L) меньше, чем у более коротких, что ведет к более раннему перекрытию контуров усиления соседних частот. Данное явление учитывается коэффициентом перекрытия контуров к в выражении (2.11). Перекрытие создает шумы в сигнале разностной частоты.
Аппроксимированные кривые зависимости разностной частоты _$? от величины напряженности магнитного поля Н для выбранных типоразмеров построены на рис. 2.3.
Характер кривых (рис. 2.3) показывает, что разностная частота лазера увеличивается с ростом магнитного поля. Кроме того, при одной и той же величине магнитного поля величина разностной частоты уменьшается с ростом длины активного элемента.
Такой параметр как мощность очень важен для лазеров, которые используются в системах измерений. Мощность лазерного излучения должна быть достаточной для того, чтобы информационный сигнал был обработан фотоприемными устройствами интерферометра (см. рис. 1.3) хотя бы по двум координатам.
Для различных систем измерения требования к минимальной мощности на выходе лазера различны, так как путь, проходимый лучом имеет разную протяженность. Ориентируясь на большинство систем, можно сделать вывод, что мощность лазерного излучения должна быть не меньше 0,25 - 0,3 мВт.
В данном эксперименте исследовалась величина мощности лазерного излучения для активных элементов различных типоразмеров (см. предыдущий эксперимент) при воздействии на активную среду магнитного поля. Зависимости мощности излучения от напряженности магнитного поля при различной длине активных элементов представлены на рис. 2.4. При исследовании использовался тот же диапазон токов соленоида, что и при исследовании разностной частоты. Результаты измерений сведены в таблицу 2.2.
В результате эксперимента выявлено значение мощности излучения для каждого из типоразмеров исследуемых активных элементов. Обнаружено, что мощность излучения имеет незначительную зависимость от величины приложенного магнитного поля. Это позволяет получить повышенное значение разностной частоты на активном элементе без заметного снижения мощности. Следует отметить, что снижение мощности излучения с ростом магнитного поля ранее представляло собой большую проблему при получении повышенной разностной частоты.
Экспериментально полученные кривые близки к расчетным в области напряженностей магнитного поля от 0 до 360 Э (рис. 2.5). Это говорит о том, что при расчете разностной частоты нами учтены основные факторы, влияющие на ее номинальное значение. Теоретически полученная зависимость (2,11) позволяет рассчитывать величину разностной частоты газоразрядных He-Ne активных элементов в зависимости от величины магнитного поля, длины и добротности резонатора.
Лазер с повышенной разностной частотой
Для промышленного образца лазера с повышенной разностной частотой излучения использован активный элемент длиной 125 мм. В качестве базового прибора использован лазер ЛГН-212-1 [15, 86, 87] с переработкой несущих конструктивных элементов.
Конструкция излучателя лазера показана на рис. 3.11.Сцентрированный активный элемент лазера 1 крепится в корпусе 5 на шестнадцати точках 9 с помощью клея. Точки образуют два клеевых пояса по восемь равномерно распределешшх точек на каждый. Клей обеспечивает минимальную передачу механических воздействий на стенки активного элемента со стороны окружающей среды, тем самым, обеспечивая независимость изменения длины резонатора от неконтролируемых факторов.
Управление длиной резонатора осуществляется путем терморегуляции с помощью нагревательного элемента 2. Обмотка нагревателя выполнена медным проводом, причем для устранения влияния электромагнитного поля, создаваемого током, протекающим по обмотке, спираль бифилярная. Стрелками на рисунке показано направление протекающего по ней тока.
Корпус излучателя помещен в магнитную систему 6, содержащую четыре магнита, которая создает продольное магнитное поле. Напряженность магнитного поля в центре оси магнитной системы составляет величину порядка 360 Э.
Под воздействием этого поля происходит расщепление лазерного излучения 11 на две круговые поляризации. На пути лазерного излучения расположен оптический узел 7, в котором закреплены фазовые пластины. Фазовые пластины служат для преобразования лазерного излучения поляризованного по кругу, в линейно-поляризованное, с заданным расположением векторов поляризации ортогонально поляризованных компонент излучения. Далее по ходу луча расположен коллиматор, состоящий из набора линз. Он уменьшает энергетическую расходимость лазерного излучения. Крепление излучателя к шасси лазера осуществляется с помощью стоек 10.
Напряжение поджига и поддержания разряда от источника питания на активный элемент поступает через анодный (4) и катодный (3) выводы.
Время, в течение которого лазер выходит на рабочий режим, называется временем готовности лазера. Данный параметр важен в промышленных системах измерений, т. к. от его величины зависит как время, требуемое для подготовки производства, так и способность лазера сохранять свои рабочие параметры в течение технологического цикла. Чем меньше время готовности лазера, тем быстрее начнется производственный процесс.
Фактором, который вносит решающий вклад в продолжительность времени готовности лазера, является теплообмен излучателя лазера с внешней средой. Для определения необходимого времени, которое потребуется лазеру для предварительного прогрева, необходимо провести исследование теплового режима внутри излучателя активного элемента.
Для проведения эксперимента создан макет лазера, состоящий из шасси-основания, на которое закреплен излучатель лазера, и кожух, закрывающий излучатель. Макет повторяет конструкцию самого лазера.
В качестве элемента для определения температуры внутри излучателя использована спираль нагревательного элемента. Исследовались два режима; режим самопрогрева активного элемента и режим прогрева с включенным нагревательным элементом. Измерение температуры нагревателя tHaipC проводилось косвенным путем. Пересчет температуры проводился по формуле (3.21). Данные измерений представлены в таблице 3.1.
На рис. 3.12 изображены кривые зависимости температуры активного элемента при самопрогреве и при нагреве спиралью нагревателя. Время предварительного прогрева излучателя активного элемента с помощью нагревателя выбиралось таким образом, чтобы создать «температурную подставку», которая бы обеспечила перегрев относительно режима самопрогрева, но оставила бы запас по регулированию температуры для спирали нагревателя в обе стороны (как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения температуры). Полученное время предварительного прогрева лазера составило 15 мин.
Определение номинального значения и исследование нестабильности разности частот ортогональных компонент лазерного излучения
Исследование нестабильности разности частот ортогональных компонент лазерного излучения от номинального значения, а также определение номинального значения разностной частоты излучения проводилось по схеме, изображенной на Рис. 4.3.
Исследование проводилось за 8 ч непрерывной работы с интервалом 1 ч между измерениями. Каждое измерение содержало шесть выборок.Номинал разностной частоты определялся по формуле (4.4), а относительная нестабильность разностной частоты — по формуле (4.5).частот ортогональных компонент лазерного излучения за 8 ч измерений, МГц.В таблице 4.4 приведены значения выборок измерений разностной частоты за 8 ч измерений.
В результате исследований получены следующие значения номинала разностной частоты и относительной нестабильности разностной частоты излучения лазера:Исследование относительной нестабильности мощности лазерного излучения проводилось в течение 8 ч непрерывной работы лазера в соответствии с ГОСТ 25786-83 с помощью измерителя нестабильности мощности МЗ.414.007.
Определение нестабильности мощности проводилось по формуле (4.6)здесь Дшх, Amn - максимальное и минимальное значение нестабильности напряжения электрического сигнала, измеренные по диаграммной ленте самописца, мм; у — масштабный коэффициент диаграммной ленты, мм-1.показывающая поведение мощности лазерного излучения в течение 8 ч непрерывной работы лазера.
Относительная нестабильность мощности составила Sp = 0,5%.Важную роль для систем измерений играет сигнал опорной частоты, с которым ведется сравнение сигналов, полученных путем отражения от объектов измерения лазерного луча. Важным параметром опорного сигнала является форма импульса и уширение заднего фронта импульса [93,94].
Для исследования импульс опорного сигнала подавался с разъема задней панели лазера на осциллограф. На экране осциллографа наблюдалась форма опорного сигнала (рис. 4.4).
При растяжке импульса на экране осциллографа в 10 раз (0,01 мкс/см) ширина заднего фронта превышала ширину переднего фронта не более чем на 0,5 не. Длительность импульса составила 0,2 мкс. Ширина линии переднего фронта составляла величину 0,3...0,5 не. Ширина линии заднего фронта не более 10 не. Нестабильность заднего фронта составила величину Д= [(1 — 0,3)/200] 100% = 0,35%.В современных лазерных интерферометрах требование увеличения точности отсчета дробных долей интерференционной полосы приводит к тому, что импульс опорного сигнала должен быть поделен не менее чем на 32 доли. При ширине импульса 0,25 мкс одна доля составляет примерно 7,8 не. Для устойчивого срабатывания измерительной схемы необходимо, чтобы хотя бы 0,3 от доли (7,8 не) были свободны от шумов. Тогда допустимое уширение составит ДТ = 0,23 нс/250 нс-100% = 1%.
Таким образом, уширения фронта импульса опорного сигнала составляют менее 1 %, что позволяет говорить о возможности увеличения точности измерений. Проведенные исследования разработанного частотно стабилизированного лазера с повышенной разностной астотой показали следующие результаты:— относительные нестабильности оптической и разностной частот излучения лазера с повышенной разностной частотой составляют 7х10 ш и 1(Г , что на порядок лучше, чем в лазерах с разностной частотой излучения 1,5 — 2 МГц;—относительной нестабильности мощности излучения составляет величину 0,5%;—исследование характеристик опорного сигнала, формируемого системой УВЧ, показало, что величина уширения заднего фронта импульса составляет менее 1%, что необходимо для применения лазера в современных интерферометрах.
Т.о., создан двухчастотный стабилизированный He-Ne лазер с повышенной частотой ортогонально-поляризованных компонент излучения удовлетворяющий требованиям промышленных интерферометров в части основных характеристик, как лазерного излучения, так и формируемого опорного сигнала. В результате настоящей работы найдены новые научно-технические решения по созданию частотно-стабилизированных лазеров с повышенной разностной частотой ортогонально-поляризованных компонент излучения с использованием эффекта Зеемана в продольном магнитном поле.
Эти решения основаны на анализе результатов проведенных исследований влияния физических факторов и конструктивных элементов на величину разностной частоты.
Основные результаты работы заключаются в следующем:1. Установленная взаимосвязь разностной частоты, напряженности магнитного поля, длины и добротности резонатора позволяет рассчитывать величину разностной частоты He-Ne активных элементов с внутренними зеркалами, что подтверждено экспериментальными исследованиями.2. Полученное значение повышенной разностной частоты на активном элементе с внутренними зеркалами в продольном магнитном поле обеспечено выполнением следующих рекомендаций и условий: активные элементы выбраны из условия обеспечения необходимой мощности лазерного излучения при наименьшей длине его резонатора; повышенное значение разностной частоты без снижения мощности излучения обеспечено использованием зеркал с наведенной фазовой анизотропией; использована магнитная система с однородным магнитным полем по длине разрядного промежутка.3. Выявлены критерии годности активных элементов для использо вания в составе частотно-стабилизированных лазеров. К таким критериям относятся:стабильность поляризационно-частотных характеристик; одновременное существование разностной частоты и ортогонально-поляризованных компонент излучения равной интенсивности. Установлено, что при стабилизации оптической частоты по равенству интенсивностей ортогонально-поляризованных компонент излучения стабильность частотных характеристик повышается при увеличении номинала разностной частоты.
Создан двухчастотный стабилизированный He-Ne лазер с повышенной разностной частотой ортогонально-поляризованных компонент излучения, позволяющий увеличить скорость измерения перемещений и дискретность отсчета в технологических и контрольно-измерительных установках более чем в два раза. Разработанная конструкция лазера обладает малыми массогаба-ритными показателями и малым временем готовности, что позволяет использовать лазер в современных интерферометрах.
