СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРА
SYSTEM TO STABILISE FREQUENCY OF LASER RADIATION

Изобретение относится к измерительной лазерной технике и может использоваться в системах стабилизации частоты излучения, применяемых в лазерных высокочувствительных измерителях вибраций, перемещений и расстояний, в лазерных метрологических стендах, в оптических стандартах частоты.
Для бесконтактных измерений сверхмалых вибраций применяют оптические когерентные методы на основе монохроматических свойств лазерного излучения. В этих измерительных устройствах перемещения преобразуются в изменения фаз оптического сигнала, причем коэффициент преобразования зависит от частоты излучения. Поэтому снижение погрешности измерений требует постоянства частоты излучения. Это достигается системами стабилизации частоты. Известные системы стабилизации частоты лазерного излучения используют физические реперы, имеющие экстремальную характеристику, и требуют применения пробной модуляции этой частоты. В таких системах стабильность средней частоты существенно повышается, но возрастают ее кратковременные девиации. Измерение сверхмалых вибраций требует высокоточной стабилизации средней частоты излучения без возрастания кратковременных девиаций, что не позволяет применять непосредственную модуляцию частоты лазеров. Поэтому необходима стабилизация частоты лазерного излучения без ввода тестовой девиации.
Известна система стабилизации частоты лазерного излучения, которая включает: лазер, эталон, фотоприемник, опорный источник напряжения, регулятор, высоковольтный усилитель [В.А.Жмудь. Прецизионные системы управления лазерным излучением. Учеб. пособие. Новосибирск: НГУ, 2005, с.49].
В этом устройстве изменения частоты излучения лазера, которое подается на вход эталона, вызывают изменения мощности сигнала на его выходе за счет свойств характеристики пропускания эталона, которая зависит от входной частоты лазерного излучения. Эти изменения преобразуются в электрический сигнал фотоприемником. Опорный источник формирует сигнал желаемого уровня выходного сигнала на выходе фотоприемника, регулятор формирует усиленный сигнал разности этих величин, который поступает на вход усилителя, где усиливается по мощности. Усиленный сигнал подается на содержащиеся в лазере средства управления частотой и вызывает изменение частоты его излучения. В равновесном состоянии выходной сигнал на выходе фотоприемника совпадает с напряжением опорного источника, поэтому сигнал на выходе регулятора и на выходе высоковольтного усилителя равен нулю; частота излучения лазера не изменяется. При отклонении частоты от предписанного значения коэффициент пропускания света через эталон меняется, поэтому равновесие нарушается, и регулятор вырабатывает сигнал, поступающий через высоковольтный усилитель на лазер и изменяющий частоту лазера в обратном направлении, что возвращает ее к исходному значению. Таким образом, частота оказывается стабилизированной. Недостатком этого устройства является зависимость стабильности частоты от мощности излучения лазера. Изменение этой мощности вызовет изменение мощности сигнала на входе и на выходе эталона и фотоприемника, что приведет к изменению частоты излучения лазера действием регулятора.
Наиболее близкой к заявляемой системе является система, схема которой содержит: лазер, лучерасщепитель, эталон, фотоприемник, синхронный детектор, генератор, регулятор [Газовые лазеры, лазеры на основе конденсированных сред, пропускание атмосферы в оптических диапазонах, индекс длин волн генерации лазеров. Справочник по лазерам, т.1. - М.: Советское радио, 1978, с.224]. Эта система принята за прототип изобретения. В ее схеме устранена зависимость от мощности излучения лазера. Выходом системы также является выход основной мощности излучения с лучерасщепителя 2.
Эта система работает следующим образом.
Частота излучения лазера изменяется в небольших пределах за счет воздействия на лазер генератора. Излучение лазера, содержащее эти тестовые изменения частоты, поступает через лучерасщепитель и через эталон на фотоприемник. Тестовые изменения частоты порождают синхронные изменения мощности на выходе эталона, что позволяют определять знак наклона характеристики пропускания эталона при данном значении средней частоты и, как следствие, - настраиваться не на фиксированный уровень выходного излучения на выходе эталона, а на экстремум характеристики эталона, то есть на ту точку, где знак наклона меняется. Характеристика пропускания эталона имеет различную крутизну, которая меняет знак вблизи экстремума, проходя через ноль. Определение крутизны этой характеристики осуществляется следующим образом. Если крутизна положительна, то есть рост частоты сопровождается ростом коэффициента пропускания, то модуляция частоты порождает синфазную модуляцию сигнала на выходе эталона. Если же крутизна отрицательна, то модуляция частоты порождает противофазную модуляцию частоты на выходе эталона, поскольку увеличение частоты вызовет уменьшение коэффициента пропускания эталона. Вблизи точки экстремума этой характеристики как увеличение, так и уменьшение частоты излучения вызовет уменьшение коэффициента пропускания, поэтому в выходном сигнале эталона частота модуляции удвоится, то есть основная гармоника будет отсутствовать, а в сигнале будет присутствовать лишь удвоенная частота модуляции. Синхронный детектор осуществляет умножение сигнала с выхода фотоприемника на опорный сигнал с выхода генератора, а результат усредняет (фильтрует). Синфазные сигналы на выходе синхронного детектора формирует положительный сигнал на его выходе, а противофазные - отрицательный. Таким образом, на выходе синхронного детектора сигнал совпадает со значением крутизны характеристики эталона на этой частоте излучения. Регулятор усиливает сигнал с выхода синхронного детектора и подает на средства регулировки частоты в лазере. Образуемый контур с обратной связью осуществляет стабилизацию средней частоты излучения. В точке экстремума характеристики поглощения эталона ее крутизна равна нулю, сигнал обратной связи также равен нулю, обеспечивается равновесие системы, независимо от мощности излучения лазера. В такой системе изменения мощности излучения вызывают лишь изменения коэффициента усиления обратной связи, поэтому не влияют на положение равновесной точки. Таким образом, в такой системе стабильность частоты практически не зависит от стабильности мощности лазерного излучения. Недостатком такой системы является необходимость внесения тестовой девиации непосредственно в лазер, вследствие чего стабилизация средней частоты излучения достигается ценой возрастания ее кратковременных девиаций.
Таким образом, прототип не обеспечивает высокой точности стабилизации средней частоты излучения при сохранении высокочастотных девиаций этой частоты неизменными.
Предлагаемое изобретение решает задачу повышения точности стабилизации средней частоты излучения лазера без возрастания высокочастотных девиаций этой частоты.
Поставленная задача решается тем, что предлагается система стабилизации частоты излучения лазера, содержащая регулятор, соединенный своим выходом с входом стабилизируемого лазера, и генератор, а также расположенный в пучке излучения стабилизируемого лазера первый лучерасщепитель, после которого последовательно установлены: эталон, первый фотоприемник и первый детектор, которая содержит второй лучерасщепитель, имеющий два канала, и расположенный в пучке излучения стабилизируемого лазера после первого лучерасщепителя модулятор, расположенный между первым и вторым лучерасщепителями, соединенный своим входом с выходом генератора, последовательно установленные второй фотоприемник и второй детектор, а также дифференциальный усилитель, причем выход первого фотоприемника и выход второго фотоприемника соединены через дифференциальный усилитель с входом регулятора, вход второго канала второго лучерасщепителя соединен с выходом первого лучерасщепителя, а выход каждого из каналов второго лучерасщепителя оптически соединен с входом одного фотоприемника напрямую и с входом другого фотоприемника - через эталон.
Для большей точности стабилизации система может содержать дополнительный генератор и дополнительный модулятор, установленные последовательно между первым лучерасщепителем и вторым лучерасщепителем.
В предлагаемой системе тестовая девиация не воздействует непосредственно на частоту лазерного излучения. Эта девиация вводится лишь в отщепленный пучок света, предназначенный для работы системы стабилизации, на выход устройства поступает свет, в котором отсутствует высокочастотная девиация. Это достигается применением, например, акустооптического модулятора, который позволяет ввести частотный сдвиг в пучок лазерного излучения. Далее в эталон могут быть введены одновременно два пучка излучения, сдвинутый по частоте и исходный. Если частоты обоих этих пучков находятся в пределах одной нелинейной характеристики пропускания эталона, то знак разности выходных сигналов зависит от наклона этой характеристики. Но даже если эти частоты отстоят существенно, то вследствие того, что характеристика эталона, как правило, имеет несколько гребней, есть возможность выбрать разностную частоту таким образом, чтобы две получаемые частоты располагались на участках этой характеристики с различными знаками ее наклона. Оптические сигналы на выходе эталона в этом случае уже не имеют модуляции мощности, поэтому на точность их детектирования может повлиять низкочастотный шум фотоприемника. Однако прием оптических сигналов целесообразно осуществлять гетеродинным способом, то есть смешиванием двух пучков света с различными значениями оптических частот. В результате на выходе фотоприемника сигнал имеет высокочастотную модуляцию, что позволяет качественно отделить его от низкочастотных шумов, порождаемых засветкой и дрейфом смещения фотоприемника. С этой целью могут быть применены детекторы, например синхронные, или узкополосные фильтры с амплитудным детектором на выходе.
Лазер может быть выполнен, например, на гелий-неоновой смеси. Лучерасщепители могут быть выполнены в виде стеклянных пластин. Модулятором частоты может служить акустооптический модулятор. Эталоном может служить поглощающая ячейка, например, на парах метана.
Фотоприемником может служить фоторезистор, охлажденный жидким азотом. Дифференциальный усилитель может быть выполнен на операционном усилителе. Регулятор может быть выполнен на операционных усилителях с соответствющими схемами коррекции (пропорционально-интегральный регулятор), оснащенных усилителем мощности на выходе.
Генератор может быть выполнен по одной из типовых схем кварцевых генераторов.
Детекторы могут быть выполнены, например, как узкополосные фильтры с амплитудными детекторами на выходе.
Схема предлагаемой системы приведена на фиг.1. Она содержит:
- 1 - стабилизируемый лазер;
- 2 - первый лучерасщепитель;
- 3 - второй лучерасщепитель;
- 4 - генератор;
- 5 - модулятор;
- 6 - эталон;
- 7 - первый фотоприемник;
- 8 - второй фотоприемник;
- 9 - первый детектор;
- 10 - второй детектор;
- 11 - дифференциальный усилитель;
- 12 - регулятор.
Выходом устройства является выход основной мощности излучения от лучерасщепителя 2.
Этот устройство работает следующим образом.
1
2
1
1
Подбирается эталон, который имеет нелинейность в двух частотных диапазонах, отличающихся таким частотным сдвигом, который может быть обеспечен модулятором, например акустооптическим. Пример такой характеристики показан на фиг.2. Частотный сдвиг, задаваемый генератором, имеет такую величину, что если, например, частота ν излучения на выходе лазера соответствует положительному склону характеристики эталона, то частота ν излучения на выходе модулятора соответствует отрицательному склону характеристики эталона (или наоборот). Разность этих частот задается частотой генератора 4, равна частоте его генерации F и остается неизменной при изменении частоты генерации лазера ν, которые осуществляются действием регулятора на лазер.
a
d
a
d
Через эталон пропускаются части несмещенного и смещенного по частоте пучка. На двух фотоприемниках совмещаются попарно части каждого из этих пучков до эталона и после эталона, причем они совмещаются крест-накрест. А именно: пучок без смещения частоты до прохождения эталона совмещается с пучком со смещением после прохождения эталона, и наоборот. На чертеже эти пучки обозначены буквами а, b, с и d. Интенсивности пучков до прохождения эталона I, I и после его прохождения I, I связаны коэффициентом пропускания на данной частоте.
Поэтому имеют место следующие соотношения:
b
d
2
c
a
1
I=IK( ν), I=IK(ν).
1
Здесь K(ν) коэффициент пропускания эталона на данной частоте.
На фотоприемник 7 поступает смесь пучков а и b, а на фотоприемник 8 - смесь пучков с и d. Поскольку выходной сигнал фотоприемника в гетеродинном режиме равен произведению поступающих на него интенсивностей света, то на выходах первого и второго фотоприемников будут формироваться сигналы, пропорциональные соответственно следующим величинам:
1
a
c
2
2
a
c
1
U=IIK(ν), U=IIK(ν).
Таким образом, оба сигнала на выходах фотоприемников 7 и 8 имеют одинаковый множитель, пропорциональный произведению интенсивностей двух пучков, на входе эталона, а отличаются множителем, описывающим зависимость коэффициента пропускания эталона от частоты. Амплитуда этих сигналов детектируется с помощью детекторов 9 и 10, а сигнал, пропорциональный их разности, формирует затем дифференциальный усилитель 11. Как видно из фиг.4, при возрастании частоты лазерного излучения сигнал на выходе эталона в разных пучках получит приращение мощности различных знаков, и только в некотором фиксированном по отношению к характеристике эталона значении разностный сигнал будет равен нулю. То есть сигнал на выходе дифференциального усилителя 11 пропорционален отклонению частоты от некоторого значения, характерного для данного эталона, поэтому он может служить сигналом ошибки для регулятора. Регулятор служит для обеспечения этой обратной связи. Это позволяет в контуре с отрицательной обратной связью обеспечить стабилизацию частоты без применения тестовой девиации непосредственно к лазеру.
Таким образом, стабилизация частоты осуществляется без разрушения кратковременной стабильности лазерного излучения. В результате повышается точность стабилизации средней частоты лазерного излучения без возрастания высокочастотных девиаций этой частоты. Это позволяет повысить точность оптических измерений при применении лазера с такой системой стабилизации.
Исходя из вышеизложенного можно утверждать, что предлагаемая система обеспечивает повышенную точность стабилизации средней частоты без возрастания высокочастотных девиаций этой частоты
2
1
Дополнительно точность стабилизации в этом устройстве можно повысить, обеспечив настройку на единственный резонанс, для чего разность частот ν-ν необходимо сделать небольшой. Для этого потребуется дополнительный акустооптический модулятор 13 и дополнительный генератор 14, как показано на фиг.3.
1
2
1
2
В этом случае один модулятор формирует сдвиг частоты на величину F, а второй - на величину F. Значительная величина каждой из этих частот (обычно около 80 МГц) задается физическими особенностями акустооптического модулятора. Частоты F и F могут отличаться на небольшую величину, например 1 КГц.
Дополнительное преимущество такой схемы состоит в том, что лучи с частотным сдвигом могут использоваться не только для системы стабилизации частоты лазерного излучения, но и в качестве опорных лучей в дифференциальном виброметре (измерителе перемещений), где также требуются сдвинутые по частоте пучки для получения сигнала на высокой несущей частоте. Пример такой схемы приведен на фиг.4. Введение отражателя 15, фотоприемника 16, фазометра 17, зеркала 18 и лучерасщепителя 19 преобразует эту схему в полную схему виброметра или измерителя перемещений. Действительно, перемещение отражателя 15 вызывает изменение фазы отраженного луча, в гетеродинном сигнале фаза также изменится пропорционально этому перемещению, поэтому на выходе фотоприемника 16 сигнал изменит фазу, что может быть измерено фазометром. Введение второго комплекта элементов 15, 16 и 18 позволяет преобразовать схему в дифференциальный виброметр для измерения разностей перемещений и вибраций.