Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи
1.1. Флуктуации и сдвиги частоты излучения лазеров 22
1.2. Активные методы стабилизации частоты
1.2.1. Общие принципы стабилизации частоты 26
1.2.2. Классификация методов стабилизации 30
1.3. Стабилизация в одночастотном режиме работы
1.3.1. Стабилизация по кривой усиления 32
1.3.2. Стабилизация по нелинейно поглощающей внутренней ячейке 33
1.3.3. Стабилизация по интерферометру 35
1.3.4. Стабилизация по линейно поглощающей
внешней ячейке 37
1.3.5. Стабилизация по нелинейно поглощающей внешней
ячейке 38
1.3.6. Комбинированные методы 39
1.4. Стабилизация в многочастотном режиме работы
1.4.1. Стабилизация по дисперсионным кривым 40
1.4.2. Метод частотной привязки 41
1.4.3. Стабилизация по конкурентным резонансам 43
1.4.4. Стабилизация по частотным резонансам 45
1.5. Стабилизация методом терморегулирования длины резонатора 47
1.6 Общие выводы и формулировка комплекса задач диссертационной работы 52
Глава 2. Теоретические основы проектирования частотно-стабилизированных лазеров решаемые в главе задачи 57
2.1. Модель частотно-стабилизированного лазера
2.1.1. Взаимосвязь спектра сигнала на выходе оптического дискриминатора с флуктуациями частоты излучения лазера 58
2.1.2. Структурная схема частотно-стабилизированного лазера 65
2.1.3. Предельное значение кратковременно нестабильности частоты, достижимое при стабилизации 67
2.1.4. Передаточная функция системы АПЧ 71
2.1.5. Быстродействие лазерной системы 75
2.1.6. Долговременная нестабильность и погрешность воспроизведения частоты излучения лазера 76
2.1.7. Сдвиги частоты репера и способы их снижения 78
2.1.8. Сдвиги частоты, вносимые системой АПЧ 83
2.1.9. Способы снижения ошибок систем АПЧ 88
2.1.10. Общие рекомендации по повышению стабильности
частоты излучения лазеров 92
2.2. Активные элементы
2.2.1. Требования к активным элементам 94
2.2.2. Пути реализации требований 94
2.2.3. Возможные конструкции мощных и сверхмощных активных элементов 96
2.3. Высоковольтные источники питания
2.3.1. Отличительные особенности источников питания для частотно-стабилизированных лазеров 98
2.3.2. Однотактные схемы 100
2.4. Исполнительные элементы
2.4.1. Передаточная функция исполнительных элементов 101
2.4.4. Быстродействующие исполнительные элементы 103
2.4.3. Широкодиапазонные исполнительные элементы 106
Вывод ы 108
Глава 3. Лазеры с внутренними зеркалами Решаемые в главе задачи 110
3.1. Частотно-стабилизированный лазер ЛГН-303
3.1.1. Спектральные и дискриминационные
характеристики лазеров с внутренними зеркалами 111
3.1.2. Ожидаемая кратковременная нестабильность частоты излучения и передаточная функция оптимальной системы АПЧ 118
3.1.3. Конструкции и характеристики стабилизированных лазеров 125
3.1.4. Сдвиги частоты излучения стабилизированного лазера 134
3.1.5. Исследования ширины линии излучения 138
3.1.6. Результаты испытаний опытных образцов лазера ЛГН-303 140
3.2. Лазер с ультракоротким резонатором для абсолютных гравиметров
3.2.1. Требования к лазеру 145
3.2.2. Воспроизводимость частоты при различных способах начального прогрева 146
3.2.3. Влияние температуры, установившейся после начального прогрева, на воспроизводимость частоты лазеров с внутренними зеркалами 148
3.2.4. Лазеры с ультракороткими резонаторами 150
3.2.4.1. Погрешность воспроизведения частоты 150
3.2.4.2. Флуктуации частоты и оценка допустимого уровня дестабилизирующих факторов 151
3.2.6. Результаты испытаний лазеров 153
3.3. Кольцевой лазер 155
3.4. Зеемановские лазеры
3.4.1. Стабилизация методом терморегулирования по равенству ортогональных составляющих 158
3.4.2. Терморегулируемый активный элемент с ультракоротким резонатором 160
3.4.3. Методы стабилизации по экстремуму частотной зависимости 161
3.5. Лазеры с фазоанизотропным элементом
3.5.1. Фазоанизотропные резонаторы 165
3.5.2. Методы терморегулирования для получения фазоанизотропии 167
3.6. Многоволновые лазеры
3.6.1. Амплитудно-частотные характеристики излучателей 168
3.6.2. Стабилизация в двухволновом режиме 170
3.6.3. Система автоподстройки частоты 172
к 3.6.4. Экспериментальные данные 173
Вывод ы 174
Глава 4. Лазеры с ячейками поглощения решаемые в главе задачи 177
4.1. Стабилизация по внешней зеемановскои ячейке
4.1.1. Исследования приборов типа ЛГ-149-1 178
4.1.2. Влияние флуктуации тока разряда на флуктуации частоты 184
4.1.3. Конструкции с терморегулируемыми резонаторами 188
4.2. Стабилизация по внутренней йодной ячейке
4.2.1. Особенности метода терморегулирования при узком резонансе 190
4.2.2. Терморегулируемый излучатель с йодной ячейкой 193
4.2.3. Метод стабилизации с пространственно разнесёнными
встречными волнами в ячейке 195
4.2.4. Получение узкой спектральной линии 197
4.2.5. Исследование модулирующей приставки 203
4.3. Стабилизация по метановой ячейке
4.3.1. Исследование промышленной портативной конструкции 205
4.3.2. Излучатель Не-Ые/СНрлазера с терморегулированием длины резонатора 209
Выводы 210
Глава 5. Обработка экспериментальных данных о частотных флуктуациях и прецизионные системы автоподстройки
Решаемые в главе задачи 212
5.1. ПРактические методы измерения стабильности и воспроизводимости
5.1.1. Измерения методом оптического гетеродинирования в двух каналах 212
5.1.2. Экспериментальные результаты измерений 218
5.1.3. Вычисление корреляционной функции и спектральной плотности флуктуации частоты по набору значений нестабильности 222
5.2. Влияние внешних возмущающих факторов и их допустимое значение
5.2.1. Экспериментальные оценки степени влияния возмущений 226
5.2.2. Влияние изменений температуры, давления и турбулентных потоков окружающей среды 227
5.2.3. Влияние вибраций и акустических колебаний 228
5.2.4. Влияние обратных отражений 230
5.2.5. Влияние колебаний напряжения питающей сети 235
4.4. Системы автоподстройки с частотной модуляцией и цифровые системы
4.4.1. Система АПЧ с частотной модуляцией поискового сигнала 236
4.4.2. Система АПЧ с частотной модуляцией косвенного действия 248
4.4.3. Цифровая система АПЧ на основе частотной модуляции 251
4.4.4. Система АПЧ с квантованием фаза сигнала 255
ошибки
4.4.5. Результаты экспериментальных исследований помехоустойчивости систем с частотной модуляцией.. 259Выводы 264
Заключение 266
Список литературы
- Классификация методов стабилизации
- Взаимосвязь спектра сигнала на выходе оптического дискриминатора с флуктуациями частоты излучения лазера
- Возможные конструкции мощных и сверхмощных активных элементов
- Ожидаемая кратковременная нестабильность частоты излучения и передаточная функция оптимальной системы АПЧ
Введение к работе
Развитие современных технологий требует повышения точности измерений линейных перемещений, углов, показателей преломления и т.п. В этих видах измерений наибольшая точность обеспечивается при использовании частотно-стабилизированных Не-Ne лазеров [1-5]. Именно на использовании этого типа лазеров основано современное определение метра [6 - 8]. Необходимы частотно-стабилизированные He-Ne лазеры с минимальной нестабильностью частоты, обладающие при этом высокой устойчивостью к возмущающим воздействиям и способные работать не только в лабораторных, но и промышленных условиях эксплуатации.
Нестабильность частоты излучения лазеров, также как и любых генераторов, определяется частотными флуктуациями, которые условно разделяются на естественные и технические [9]. Нижним пределом частотных флуктуации является естественный уровень, обусловленный воздействием спонтанного излучения[ - ]. В связи с тем, что естественные флуктуации в He-Ne лазерах очень низки, основной вклад в нестабильность частоты излучения вносят технические флуктуации. Последние могут быть существенно уменьшены благодаря использованию определённых методов и средств стабилизации частоты He-Ne лазеров, разработка которых является предметом исследования данной работы.
Термин «частотно-стабилизированный He-Ne лазер» подчёркивает основное свойство прибора - генерирование
Создание таких лазеров связано с решением двух технических проблем:
- формированием одночастотного излучения в рабочих модах излучения (одной или двух);
- стабилизацией частоты излучения в каждой из мод.
Решение первой проблемы связано с разработкой соответствующих конструкций излучателей, обладающих необходимыми параметрами для осуществления стабилизации частоты. Решение второй проблемы главным образом связано с разработкой эффективных методов и средств стабилизации частоты излучения, позволяющих снизить технические флуктуации частоты до необходимого для потребителей уровня.
Хотя к началу диссертационной работы было создано и исследовано довольно большое количество методов и средств стабилизации частоты излучения лазеров [1-3, 9- ], системного подхода к этому вопросу не было. Кроме того, с учётом возмущающих факторов, воздействующих на измерительные системы, известный к началу диссертационной работы набор методов и средств стабилизации частоты не обеспечивал необходимый уровень стабильности в частотно-стабилизированных лазерах, поскольку не был известен ряд методов и средств, удовлетворяющий ряду требований потребителей, в частности таким, как возможность работы частотно-стабилизированных лазеров в жестких условиях эксплуатации. Необходимо было также учитывать, что динамично развивающийся рынок постоянно предъявляет всё более высокие требования к разработчикам и производителям в части снижения себестоимости частотно-стабилизированных He-Ne лазеров.
Создание таких лазеров связано с решением двух технических проблем:
- формированием одночастотного излучения в рабочих модах излучения (одной или двух);
- стабилизацией частоты излучения в каждой из мод.
Решение первой проблемы связано с разработкой соответствующих конструкций излучателей, обладающих необходимыми параметрами для осуществления стабилизации частоты. Решение второй проблемы главным образом связано с разработкой эффективных методов и средств стабилизации частоты излучения, позволяющих снизить технические флуктуации частоты до необходимого для потребителей уровня.
Хотя к началу диссертационной работы было создано и исследовано довольно большое количество методов и средств стабилизации частоты излучения лазеров [1-3, 9- ], системного подхода к этому вопросу не было. Кроме того, с учётом возмущающих факторов, воздействующих на измерительные системы, известный к началу диссертационной работы набор методов и средств стабилизации частоты не обеспечивал необходимый уровень стабильности в частотно-стабилизированных лазерах, поскольку не был известен ряд методов и средств, удовлетворяющий ряду требований потребителей, в частности таким, как возможность работы частотно-стабилизированных лазеров в жестких условиях эксплуатации. Необходимо было также учитывать, что динамично развивающийся рынок постоянно предъявляет всё более высокие требования к разработчикам и производителям в части снижения себестоимости частотно-стабилизированных He-Ne лазеров.
Таким образом, решение комплекса вопросов, связанных с разработкой новых и модернизацией существующих методов и средств стабилизации частоты излучения He-Ne лазеров относится к числу актуальных.
Диссертационная работа посвящена решению важной научной проблемы - разработке методов и средств стабилизации частоты He-Ne лазеров. Именно восполнение неиспользованных к началу работы возможностей в части разработки новых методов и средств стабилизации частоты He-Ne лазеров, а также разработка системного подхода в создании частотно-стабилизированных лазеров, позволяющих разработчикам успешно разрабатывать, а потребителям - успешно эксплуатировать частотно-стабилизированные He-Ne лазеры, явилось основной целью данной диссертации.
В рамках диссертационной работы разработаны новые методы и средства стабилизации, защищенные авторскими свидетельствами и патентами, и разработаны теоретические основы проектирования частотно-стабилизированных лазеров, выполнены теоретические и экспериментальные исследования лазеров с внутренними зеркалами и лазеров с ячейками поглощения. В диссертационной работе, в частности, рассмотрен и решен ряд таких важных научно-технических и конструкторских вопросов, как терморегулирование длины резонатора He-Ne лазеров, создание оптимальных систем автоподстройки частоты, элементов модуляции активных элементов с твердой запайкой.
Решение технической проблемы - разработка новых типов частотно-стабилизированных He-Ne лазеров - потребовало проведения широких теоретических и экспериментальных исследований, постановки большого количества научно ВВЕДЕНИЕ
исследовательских и опытно-конструкторских работ, а также проведения больших подготовительных работ при освоении промышленностью новых типов частотно-стабилизированных лазеров.
Научные исследования, определившие содержание диссертации проводились:
• в соответствии с планами научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Министерства электронной промышленности СССР в том числе в соответствии с программой «Спектр»;
• в соответствии с программой докторантуры Балтийского Государственного Технического Университета (Военмеха) им. Д.Ф. Устинова;
• в инициативном порядке.
По материалам данной диссертационной работы осуществлено публикаций [ - ], в том числе получено авторских свидетельства и патента [ - ], сделаны доклады на -ти отраслевых, межотраслевых, Всесоюзных и международных конференциях [ - ], опубликовано статей в Российских и зарубежных журналах [ - ], результаты использованы в -ти научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах [ - ]. Приборы, разработанные автором диссертации (ЛГН- , ЛГН- А), уже на протяжении многих лет используются в различных областях науки и техники и зарекомендовали себя как высокостабильные и надёжные изделия (См. приложение 1). Разработанный при научном руководстве автора частотно-стабилизированный Ne-Ne лазер для абсолютного гравиметра может работать в полевых условиях эксплуатации (См. приложение 2).
Результаты диссертационных исследований были использованы также при создании приборов ЛГ- , ЛГ- -1, ЛГН- , ЛГ- , ЛГН- , ЛГН- Т и ряда других приборов, разработанных в НПО «Плазма», г. Рязань.
Разработанные приборы демонстрировались на ВДНХ СССР и были отмечены медалями.
Научная новизна.
Научная новизна выполненных исследований заключается в том, что в них впервые:
1. Разработана модель частотно-стабилизированного лазера с использованием критерия наименьшего уровня технических флуктуации частоты излучения лазера в условиях одновременного воздействия возмущающих факторов на репер, оптическую длину резонатора при наличии шумов фотоприёмника оптического дискриминатора;
2. Получены соотношения, позволяющие рассчитать предельную нестабильность частоты излучения лазера в заданных условиях эксплуатации;
3. Найдено аналитическое выражение для оптимальной
передаточной функции системы автоподстройки частоты лазера для каждого из используемых методов стабилизации;
4. Предложены, реализованы и экспериментально исследованы новые системы стабилизации частоты излучения лазеров с повышенной помехоустойчивостью и точностью регулирования;
5. Разработаны методы расчёта конструкций излучателей с внутренними зеркалами и систем автоподстройки лазеров нового поколения, стабилизированных методом терморегулирования длины резонатора;
6. Определены условия реализации метода терморегулирования длины резонатора в особо прецизионных лазерах с нелинейно поглощающими ячейками.
Научная новизна, достоверность и обоснованность основных теоретических результатов подтверждается рядом авторских свидетельств и патентов, экспериментальными исследованиями и статистической обработкой полученных данных.
Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что они позволяют:
1. На этапах проектирования и разработки обоснованно выработать требования к конструкции излучателя и системам автоподстройки частотно-стабилизированных He-Ne лазеров.
2. Повысить стабильность и воспроизводимость частоты излучения лазеров.
3. Уменьшить габариты, массу, потребляемую мощность, повысить надёжность частотно-стабилизированных лазеров.
4. Решить проблему стабилизации частоты излучения лазера при воздействии дестабилизирующих факторов, соответствующих промышленным и полевым условиям эксплуатации;
5. Решить вопрос об обоснованности требований со стороны потребителей.
Практическая ценность результатов диссертационной работы подтверждается разработкой частотно-стабилизированных для прецизионных измерений, выпускавшихся на ряде предприятий России и Украины.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Использование аналитического выражения оптимальной передаточной функции частотно-стабилизированного лазера позволяет однозначно определить его предельно достижимую стабильность частоты для любых значений дестабилизирующих факторов, действующих на лазер, таких, как флуктуации репера, флуктуации длины оптического резонатора и шумы фотоприёмного устройства.
2. Регистрация флуктуации частоты излучения лазера в виде набора значений нестабильностей частоты при различных временах усреднения задаёт взаимосвязь с коэффициентом разложения в ряд спектральной плотности флуктуации частоты, которые однозначно определяют оптимальную передаточную функцию системы стабилизации;
3. Введение преобразований изменений амплитуды и фазы сигнала ошибки в соответствующие изменения частоты опорного генератора системы автоподстройки частоты методом внесения реактивных составляющих повышает помехоустойчивость и точность стабилизации параметров лазера;
4. Основное влияние на кратковременную нестабильность частоты терморегулируемого лазера с внутренними зеркалами, используемого для прецизионных измерений, оказывают флуктуации тока разряда, шумы излучения и помехи на входе системы АПЧ, а основное влияние на долговременную нестабильность оказывают уходы репера в виде разбаланса мод;
ВВЕДЕНИЕ 5. Терморегулирование в особо прецизионных лазерах с нелинейно поглощающими ячейками требует использования дополнительных быстродействующих элементов подстройки частоты, в частности, на основе электромагнитного эффекта.
6. Метод двойного терморегулирования с фиксированной температурной точкой повышает воспроизводимость частоты и позволяет увеличить температурный диапазон работы частотно-стабилизированных лазеров.
Достоверность и обоснованность научных положений подтверждена прямыми экспериментами и практическим использованием разработанных приборов.
Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Материалы изложены на страницах, включая рисунков, таблиц, список литературы, состоящий из наименований на стр. Приложения содержат стр.
В первой главе проведён аналитический обзор литературы по рассматриваемой тематике и осуществлена постановка задачи. Показано, что несмотря на сравнительно большой имевшийся задел в этом направлении к началу диссертационной работы, оставались открытыми вопросы оптимизации конструкций и составных частей частотно-стабилизированных лазеров, имелись принципиальные ограничения в использовании существовавших методов, особенно с учётом внешних возмущающих факторов. По результатам проведенного анализа сделаны общие выводы и сформулирован комплекс задач диссертационной работы.
Во второй главе решена задача системного подхода к разработке методов и средств стабилизации частоты He-Ne лазеров посредством создания теоретических основ проектирования частотно стабилизированных лазеров. Проведён анализ влияния внутренних и внешних возмущающих факторов на стабильность и воспроизводимость частоты стабилизированных лазеров, найдена взаимосвязь частотного спектра на выходе оптического дискриминатора с флуктуациями частоты излучения лазера, получены соотношения для флуктуации и сдвигов частоты в стабилизированных лазерах, найдена передаточная функция оптимальной системы автоподстройки частоты (АПЧ). На основе разработанной теории рассмотрены общие и частные вопросы проектирования частотно-стабилизированных лазеров, в том числе и вопросы применения конкретных методов и средств стабилизации частоты He-Ne лазеров для различных условий эксплуатации.
Третья глава посвящена вопросам проектирования и разработки лазеров с внутренними зеркалами, стабилизированных методом терморегулирования длины резонатора. Приведены спектральные и дискриминационные характеристики этих лазеров, описаны конструкции излучателей и систем АПЧ, произведены расчеты стабильности и воспроизводимости частоты, исследованы динамические характеристики и ширина линии излучения при наличии возмущающих факторов, представлены результаты испытаний опытных образцов и серийно выпускаемых конструкций.
В четвертой главе рассмотрены конкретные и перспективные вопросы создания компактных терморегулируемых лазеров с ячейками поглощения на основе теоретического и экспериментального материала первых трёх глав, а также представлены результаты исследований флуктуации и сдвигов частоты излучения промышленно выпускавшихся лазеров, стабилизированных по внешним и внутренними ячейкам поглощения.
Пятая глава посвящена вопросам обработки
экспериментальных данных о частотных флуктуациях и прецизионным системам автоподстройки. В ней описаны способы измерения стабильности и воспроизводимости частоты излучения, используемые в промышленности, и представлены необходимые рекомендации по выбору и эксплуатации частотно-стабилизированных лазеров, проведён расчет параметров системы АГТЧ с частотной модуляцией поискового сигнала, обладающих повышенной помехоустойчивостью и точностью регулирования.
В заключении подведены итоги и сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе.
Классификация методов стабилизации
Отличительной чертой методов стабилизации по кривой усиления является совмещение в одном элементе - излучателе — и свойств генератора излучения и свойств, дискриминатора. Это существенно упрощает конструкцию стабилизированного лазера, но вместе с тем накладывает определённые ограничения на стабильность и воспроизводимость частоты излучения.
Исторически первыми были созданы лазеры со стабилизацией по максимуму кривой усиления [34] и по провалу Лэмба [35-37]. В лазерах данного типа осуществляется модуляция частоты, в результате чего в выходном излучении появляется сигнал ошибки, амплитуда и фаза которого зависит от расстройки среднего значения частоты от точки максимума или провала в контуре линии усиления. На рис. 1.5 приведён общий вид схемы стабилизации. В качестве, системы АПЧ здесь обычно используется экстремальная поисковая система, подстраивающая частоту лазера по минимуму амплитуды первой гармоники сигнала ошибки, рис. 1.3(6). Относительная нестабильность частоты излучения таких лазеров составляет величину порядка 10 9, а относительная погрешность воспроизведения частоты Ю-7.
Стабилизация по нелинейно поглощающей внутренней ячейке. Лазеры, стабилизированные по нелинейно поглощающей внутренней ячейке, обладают в настоящее время наилучшими значениями стабильности и воспроизводимости частоты излучения. В качестве внутренних ячеек в He-Ne лазерах в настоящее время используют метановые на длине волны 3,39 мкм, йодные на длине волны 0,63 и 0,61 мкм и неоновые - на длине волны 1,15 и 0,63 мкм. He-Ne лазере на 3,39 мкм с метановой ячейкой в качестве репера для стабилизации частоты используется пик выходной мощности при насыщении поглощения компоненты F2(2) колебательно-вращательного перехода Р(7) полосы V3 метана [45] или Е-компоненты молекулы метана [46]. В системе с длинными поглощающей ячейкой (3 м) и активным элементом (2 м), в которой параметры насыщения сред согласуются путём увеличения диаметра луча в СШ ячейке до I см, при давлении метана порядка 10 3 мм рт. ст. пик выходной мощности составляет несколько милливатт с контрастностью 50 % и шириной 30-50 МГц. Общая схема стабилизации приведена на рис. 1.5, при этом используется экстремальная система по первой или третьей гармонике сигнала ошибки, рис. 1.3. Особенностью такого типа лазеров является то, что используется частотная модуляция с индексом модуляции много меньшим единицы, что фактически приводит лишь к фазовой модуляции выходного излучения. В He-Ne лазере с метановой ячейкой поглощения к настоящему времени получены наилучшие результаты стабильности (Ю-15) и воспроизводимости (10 ,4) [48], ширина линии излучения таких лазеров достигает 0,4 Гц [49].
В He-Ne лазере на 0,63 мкм с йодной ячейкой поглощения для получения узких резонансов выходной мощности используется совпадение с линией усиления He-Ne смеси ряда линий поглощения в электронно-колебательном спектре паров 127J2 и 129J2 [50, 51]. При давлении йода 0,1 мм рт. ст. контраст пиков мощности составляет 0,1%, а ширина - 3-5 МГц. Для стабилизации используется система АПЧ по третьей гармонике, рис. 1.3(B). Относительная нестабильность частоты таких лазеров составляет величину порядка 10 12 за время усреднения 10 с, а погрешность воспроизведения - порядка 10п. Стабильность частоты излучения может быть улучшена примерно на порядок путём нагрева стенок йодной ячейки [52] или использования оптической линии задержки, в которой устанавливается йодная ячейка [53]. Представляется перспективным использование йодной ячейки гелий-неоновом лазере на длине волны излучения 0,612 мкм [54], поскольку эффективность поглощения йода с уменьшением длины волны существенно возрастает.
He-Ne лазер на 0,63 мкм с неоновой поглощающей ячейкой [55] по сравнению с лазером, имеющим йодную ячейку, имеет существенно худшие показатели: относительную нестабильность частоты порядка 10 10 за 10 с и погрешность воспроизведения -около 10 9. Воспроизводимость в данном случае ограничивается столкновительным сдвигом линии неона порядка 6 МГц/мм рт. ст., а также сдвигом линии, зависящем от тока разряда, и асимметричным положением пика мощности на контуре линии усиления.
Стабилизация по интерферометру. В методах стабилизации по интерферометру используется пик пропускания [58] или провал в отражении [59] пассивного оптического резонатора. Схема стабилизации приведена на рис. 1.5.
При этом используется система АПЧ по первой гармонике, рис. 1.3(6). Высокая стабильность в данных методах достигается за счёт высокой степени термостабилизации интерферометра. Термостабилизация осуществляется например путём размещения кварцевого эталона Фабри-Перо в ячейке тройной точки, наполненной дефинил-эфиром [60]. При этом модуляция осуществляется с помощью доплеровского модулятора. Относительная нестабильность частоты излучения таких лазеров достигает величины 4-Ю
Взаимосвязь спектра сигнала на выходе оптического дискриминатора с флуктуациями частоты излучения лазера
Оптический дискриминатор представляет собой устройство, проходя через которое излучение лазера изменяет свои параметры в соответствии с величиной и знаком расстройки частоты от центра дискриминационной кривой.
Пусть в общем случае дискриминационной кривая описывается функцией R(Q), аналитичной в каждой точке. Тогда её можно представить согласно методике [149, 134, 148] в виде ряда:
Для выделения сигнала ошибки частота лазера или какой-либо параметр дискриминатора модулируется, поэтому расстройка частоты лазера имеет вид: Q = Q(/) + nm (co00, (2.1.2) где Q(t) - расстройка частоты излучения лазера вызванная возмущающими воздействиями; Qm - амплитуда принудительной модуляции частоты излучения лазера или какого-либо параметра модулятора; {(Oot) - периодическая функция с периодом \1(00\ со0 - частота принудительной модуляции.
Выражение (2.1.3) фактически описывает сигнал на выходе оптического дискриминатора во временной форме. Для нахождения спектральных составляющих сигнала кратных со0 представим (2.1.3) в виде разложения Фурье: где коэффициенты а„ и Ь„ представляют собой значения амплитуд я-х гармоник частоты соо , Яо - постоянная составляющая. Эти амплитуды с учётом (2.1.3) равны:
Учитывая, что в режиме стабилизации, характерном для рассматриваемого случая Q(t)— 0, все члены [Q(t)]kl при k-i 2 будут величинами высшего порядка малости по сравнению с величинами [Q(t)]kt при k-i = 1. Из этого следует, что в режиме стабилизации i = k-l (2.1.6) Заметим при этом, что суммирование по индексам к в этом случае имеет смысл лишь при к 2, т.к. члены с к 2 равны нулю после взятия интегралов (2.1.4) и (2.1.5). Исходя из того, что Q(i)— 0, с учётом (2.1.6) получаем из (2.1.4)
Из (2.1.7) и (2.1.8) следует важный вывод, что в режиме стабилизации для любого вида дискриминационной кривой ЩП), модулирующей функции Щюо 0 и для любого номера рабочей гармоники п имеет место пропорциональная зависимость между амплитудой сигнала ап и Ь„ и расстройкой Q(t), т.е. для лазера в режиме стабилизации имеет место соотношение: и.=КП, (2.1.9) где U„ - амплитуда рабочего сигнала; Q - расстройка частоты излучения лазера; R n - коэффициент передачи оптического дискриминатора; п - номер рабочей гармоники.
Коэффициент передачи оптического дискриминатора R можно найти либо проводя непосредственное измерение малого отклонения оптической частоты и соответствующее ему значение сигнала на выходе оптического дискриминатора, либо используя известную формулу дискриминационной кривой, производя лишь замер максимального значения сигнала ошибки.
Таким образом, спектральная плотность сигнала на выходе оптического дискриминатора Sn(co) однозначно связана со спектральной плотностью флуктуации частоты излучения относительно центра дискриминационной кривой. Это позволяет известной спектральной плотности на выходе фотоприёмника SAco) поставить в соответствие спектральную плотность флуктуации оптической частоты Sa(СО):
Определим значение Д , входящее в fy, для двух частных случаев, наиболее часто встречающихся на практике: 1) Максимально возможная перестройка существенно больше полуширины дискриминационной кривой A Vmax » Г; 2) Максимально возможная перестройка частоты лазера существенно меньше полуширины дискриминационной кривой Первый случай имеет место при стабилизации по узким и сверхузким резонансам. В этом случае дискриминационная кривая может быть описана функцией Г R(Q) = Г2+П2 где Г- полуширина дискриминационной кривой с лоренцевой формой на уровне 0,5 от максимального значения. При ( У) = Smu)0t, П=\ и Avmax » Г имеем из (2.1.17)
Второй случай имеет место для лазеров, стабилизированных по внешней неоновой ячейке, а также по максимуму линии усиления Не-Ne лазера. В этом случае дискриминационную кривую можно разложить в степенной ряд, ограничиваясь первым членом т.е. в этом случае величина /? характеризует линейную связь частоты расстройки с сигналом на выходе оптического дискриминатора во всём диапазоне перестроек частоты.
На рис. 2.1. показана типичная функциональная схема частотно стабилизированного лазера и соответствующая ей обобщенная структурная схема [150, 170], в которой цифрами обозначены соответствующие функциональные блоки. Такой подход основан на следующих рассуждениях. Если бы система АГТЧ отсутствовала, то изменения оптической длины резонатора приводили бы к уходу частоты генерации на величину ClL(jco). Процесс стабилизации заключается в том, что система АПЧ вырабатывает сигнал обратной связи ClF(ja ), компенсирующий уходы QL(y7y). Неполная компенсация уходов приводит к отклонению частоты генерации от среднего значения Cl jco) = QL(JU))-QF(JCD), которая зависит от флуктуации частоты репера ПЛ(у у), шумов фотоприёмника ПДуТу), от вида дискриминационной кривой ЩСЇ), передаточной функции системы дискриминационной кривой R(0), передаточной функции системы АПЧ W(jd)) и передаточной функции пьезокорректора K jco).
Возможные конструкции мощных и сверхмощных активных элементов
При проектировании систем АПЧ, как следует из формулы (2.1.81) нестабильные элементы следует по возможности располагать за интегратором, а основное усиление осуществлять в высокостабильных элементах.
Элементы, которые требуют особенно тщательного подбора в системе АПЧ, а точнее в её медленно действующем канале, являются для рассмотренного выше случая избирательный усилитель, синхронный детектор и интегратор.
Снижение ошибки, вносимой избирательным усилителем.
Это возможно за счёт снижения уровня наводок путём тщательной экранировки входных цепей системы. Допустимый уровень наводок не должен превышать величины порядка 60 дБ. Второй путь - подавление наводок за счёт введения одновременной манипуляции фаз в сигнале модуляции и опорном сигнале, подаваемом в синхронный детектор, аналогично [106]. Весьма желательным является уменьшение ширины полосы пропускания вплоть до относительной величины, ограниченной нестабильностями частотно задающих цепей. В пределе последняя цель достигается введением квантования фазы в избирательном усилителе. Кроме того, необходим соответствующий выбор коэффициента усиления узкополосного усилителя.
Выбор оптимального коэффициента усиления производится исходя из минимизации ошибки, вносимой синхронным детектором. Дело в том, что казалось бы, для получения минимальной ошибки системы справедливо было бы требовать максимальной величины кх.
Но при увеличении кх растёт и амплитуда шумов на входе синхронного детектора, что в конечном итоге приводит к ограничению полезного сигнала, т.е. фактически коэффициент передачи синхронного детектора в этом случае является функцией от кх: к2 =к2\кху Для оптимизации к возьмём первую производную de2jdkx в (2.1.69) и приравняв её нулю получим уравнение: ( ) + - - = 0. (2.1.82) дкх
Для аналитического решения уравнения (2.1.82) допустим, что коэффициент передачи синхронного детектора описывается функцией насыщения 2\ l) T к 20 (2.1.83) + kx/kxs где k2Q- ненасыщенный коэффициент усиления синхронного детектора; kxs - коэффициент усиления узкополосного усилителя, при котором наступает насыщение синхронного детектора: U г к =-=Ж=. (2.1.84) Здесь UInS - величина входного напряжения, при котором наступает насыщение синхронного детектора. Подставляя (2.1.83) в (2.1.82) и проводя разрешение относительно кхс учётом (2.1.84) получаем соотношение для оптимального коэффициента к t: ,,= - г «ОМс. (2.1.85) lopt 2 ЩР 15 Таким образом, согласование коэффициентов усиления узкополосного усилителя и синхронного детектора способствует повышению точности системы АПЧ. Из (2.1.85) также следует, что для повышения точности системы АПЧ следует снижать полосу F. Для синхронного детектора в соответствии с (2.1.77) очевидны также требования повышения симметричности (снижение у) и балансировки (снижение U2D). Для интегратора в соответствии с (2.1.80) основной путь в снижении вносимой ошибки состоит в снижении дрейфа нуля. При этом изменение постоянной времени ты не приводит к изменению ошибки, поскольку дрейф выходного напряжения Uы обратно пропорционален постоянной времени т1пГ Радикальный путь снижения ошибки, вносимой интегратором, состоит в применении цифрового интегрирования [106]. Проведенный анализ позволяет оценить максимально достижимую стабильность частоты излучения в частотно-стабилизированных лазеров, находящихся под воздействием заданных внешних факторов, и произвести выбор параметров оптимальных систем АПЧ. Проанализированы также вопросы долговременной стабильности и воспроизводимости частоты лазеров. Если стоит задача снижения нестабильности частоты до получения предельно возможных значений плоть до естественного уровня, то необходимо наряду с использованием оптимальных систем АПЧ уменьшать принять следующие меры: 1. Уменьшать флуктуации оптической длины резонатора в свободном режиме генерации; 2. Снижать уровень шумов фотоприёмника и входных цепей системы АПЧ; 3. Повышать крутизну оптического дискриминатора; 4. Снижать флуктуации репера. Измеряемые значения нестабильности как правило уменьшаются при увеличении времени усреднения т устройства регистрации частоты, рис. 2.1.1. При этом измеряемая нестабильность при г 1С практически не зависит от параметров флуктуации оптической длины резонатора в свободном режиме генерации (2.1.34). Это на практике даёт возможность в этом случае изготавливать оптические резонаторы достаточно простыми и из материалов, имеющих большой коэффициент теплового расширения. Однако при малых временах усреднения ) предельно достижимая нестабильность, как следует из формул (2.1.27) и (2.1.37), имеет вид т.е. существенно зависит от флуктуации оптической длины резонатора в свободном режиме генерации. К конструкции резонатора в этом случае должны предъявляться весьма жесткие требования, при этом может возникнуть необходимость и в пассивной стабилизации. Условие достижимости естественного уровня флуктуации частотно-стабилизированного лазера следует из (2.1.90) с учётом (2.1.32) при QM = 0: где JNat- естественный уровень флуктуации (crNat = 10 15 ч-10 16V Из (2.1.91) следует, естественный уровень флуктуации в частотно-стабилизированном лазере может быть получен при очень жестком и хорошо термостатированном и виброизолированном оптическом резонаторе (соответствующие значения \ПЛ и Т), низком значении шумов на входе системы АПЧ NQ, весьма высокой крутизне оптического дискриминатора R! и при использовании оптимальной системы АПЧ, поскольку таковая подразумевалась при выводе формулы (2.1.91).
Ожидаемая кратковременная нестабильность частоты излучения и передаточная функция оптимальной системы АПЧ
Первоначально для создания частотно-стабилизированных Не-Ne лазеров с внутренними зеркалами были использованы серийно выпускаемые излучатель ИЛГН-202 и активный элемент лазера ЛГН-303.
Излучатель ИЛГН-202 и активный элемент лазера ЛГН-303 представляют собой газоразрядные трубки с внутренними зеркалами с коаксиально расположенными капилляром, холодным катодом и внутренними зеркалами, образующими оптический резонатор. Зеркала закреплены на торцевых втулках оболочки газоразрядной трубки и являются одновременно электродами для подсоединения источника питания. Различие элементов состоит в геометрических размерах, выборе зеркал резонатора, способа их крепления и герметизации. Если в ИЛГН-202 использована герметизация с помощью клея К-400, то в газоразрядной трубке лазера ЛГН-303 применена запайка. Последнее обеспечивает высокую эксплуатационную надёжность лазера ЛГН-303
Излучение с входа исследуемого лазера ГРТ подавалось на сканирующий интерферометр ИСИ сигнал с которого подавался на запоминающий осциллограф ОСЦ. Между исследуемым лазером и сканирующим интерферометром в период проведения эксперимента мог устанавливаться поляроид. Регистрация результатов осуществлялась с помощью фотоаппарата.
На рис. 3.1.3 и рис. 3.1.4 показаны спектры излучений и зависимости мощностей компонентов от частоты для излучателя ИЛГН-202 и лазера ЛГН-303, соответственно. Как видно из фотографий рис.3.1.3(6) и 3.1.4(a), полученных без внесения поляроида 4, спектр излучения ИЛГН-202 и ЛГН-303 состоит из частот. Расстояния между частотами в ИЛГН-202 составляет порядка 510 МГц, а в ЛГН-303 - 630 МГц.
Внесение поляроида и соответствующая его ориентация позволяет выделить в каждом из приборов одну частоту с параллельной или ортогональной поляризацией относительно выбранного направления.
Спектральный состав излучения и зависимости интенсивностей компонент от частоты лазера ЛГН-303: суммарный спектр (а) и суммарный контур излучения (г); спектр (б) и контур излучения (д) вертикально поляризованной компоненты; (в) и (е) - спектр и контур излучения для горизонтально поляризованной компоненты; (ж) - разность интенсивностей компонент; C/2L -межмодовый интервал.
Зависимость интенсивностей компонент от частоты излучения снималась в процессе прогрева газоразрядной трубки и возрастания длины оптического резонатора и, следовательно, при уменьшении частоты излучения. На рис. 3.1.3 и рис. 3.1.4 представлены суммарные контуры обеих ортогональных компонент излучения, рис.3.1.3,а, 3.1.4,г и каждой из компонент, рис.3.1.3,в,д, 3.1.4,д,е. Как видно из приведённых рисунков поведение ортогональных мод при перестройке частоты в приборах ИЛГН-202 и ЛГН-303 существенно различаются: если в лазере ЛГН-303 поляризация мод при прохождении по контуру линии усиления не меняется, то в излучателе ИЛГН-202 приблизительно в центре линии усиления происходит перескок поляризации, так что в каждой из половин контура линии усиления существует лишь мода с определённой поляризацией.
Полученные экспериментальные зависимости мощности от частоты излучения позволяют графически построить функцию разности мощности ортогональных мод от изменения длины резонатора для излучателя ИЛГН-202 и лазера ЛГН-303, рис.3.1.5. При построении было учтено, что разность между модами составляет соответственно 510 и 630 МГц и в процессе перестройки частоты в излучателе ИЛГН-202 происходит перескок поляризаций в центре контура, а в лазере ЛГН-303 положение поляризаций мод сохраняется за всё время изменения длины резонатора и частоты излучения.
Как видно из рис. 3.1.5 поведение разности интенсивностей мод для исследуемых лазеров с внутренними зеркалами существенно различается, но в обоих случаях разность проходит через нулевое значение. Это позволяет использовать эту точку как репер стабилизации частоты.
