Лазерная система со стабилизацией частоты лазеров
LASER SYSTEM WITH LASER FREQUENCY STABILIZATION

Заявленное изобретение относится к магнитометрии и гироскопии.
Из уровня техники известны научные работы, касающиеся лазерных систем со стабилизацией частоты лазера, в частности из «Стабилизация частоты излучения полупроводникового лазера модой шепчущей галереи», А.Н. Ораевский, А.В. Яровицкий, В.Л. Величанский «Квантовая электроника», №10, 2001 и «Лазерные стандарты частоты в ФИАНе», В.Л. Величанский, М.А. Губин «Успехи физических наук» том 179, №11, 11.2009.
Кроме того из патента на изобретение RU 94014549 A1 27.05.1996 известен способ стабилизации частоты излучения лазера, характеризующийся тем, что в лазере осуществляет генерацию периферийной многоходовой моды и настраивают резонатор так, чтобы его длина находилась вблизи критической для данной многоходовой моды, а ее лучевые потоки не сливались друг с другом в пространстве. Затем устанавливают за выходным зеркалом приемники излучения, регистрирующие поперечные смещения лучевых потоков многоходовой моды, и регулирует длину резонатора и наклоны его зеркал, добиваясь минимальных поперечных смещений лучевых потоков относительно приемников.
Также из уровня техники, из патента на изобретениие RU 2431909 С2 20.04.2011, известна система стабилизации частоты излучения лазера, содержащий регулятор, соединенный своим выходом с входом стабилизируемого лазера, и генератор, а также расположенный в пучке излучения стабилизируемого лазера первый лучерасщепитель. После лучерасщипителя последовательно установлены: эталон, первый фотоприемник и первый детектор. Устройство содержит второй лучерасщепитель, имеющий два канала, и расположенный в пучке излучения стабилизируемого лазера после первого лучерасщепителя. Модулятор расположен между первым и вторым лучерасщепителями, соединен своим входом с выходом генератора. Последовательно установлен второй фотоприемник и второй детектор, а также дифференциальный усилитель. 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. Технический результат заключается в повышении точности стабилизации средней частоты излучения без возрастания высокочастотных девиаций этой частоты.
Однако в известных устройствах отсутствует возможность стабилизации лазера без модуляции их частот для формирования сигнала ошибки в методе экстремального регулирования таким образом, чтобы эту отстройку можно менять.
Техническая проблема заключается в решении указанных недостатков с достижением технического результата, заключающегося в стабилизации частоты двух лазеров без расширения их спектров из-за модуляции причем частота одного из лазеров стабилизируется непосредственно по атомной линии, а частота второго по той же атомной линии, но с большой, варьируемой в широких пределах отстройкой его частоты относительно атомной линии. Указанный технический результат обеспечивается в лазерной системе со стабилизацией частоты лазеров, содержащей и установленные на плите два перестраиваемых диодных лазера с внешними резонаторами (ДЛВР1 и ДЛВР2), пучки излучения которых проходит через оптические изоляторы 1 и 2, соответственно полуволновые пластины и юстировочными поворотными зеркалами направляется по таким каналам:
- пучок лазера накачки ДЛВР1 после отражения от поляризационного кубика (ПК1) поступает в систему стабилизации частоты по внутридоплеровскому резонансу, делится на два пучка посредством делительной пластины (Д.Пл1); пучок большей мощности, после прохождения Д.Пл1, обходит вокруг опорной ячейки с атомами цезия (без буферного газа), которая находится в магнитном поле, создаваемом соленоидом, и возвращается через ячейку навстречу пробному пучку меньшей мощности, отраженному от пластинки Д.Пл1; пробный пучок линейной поляризации проходит ячейку с атомами цезия, четвертьволновую пластину, поляризационный кубик который разделяет поля ортогональных поляризаций и пучки этих ортогональных поляризаций направляются на балансный фотоприемник «Балансный»;
- вторая часть пучка лазера накачки ДЛВР1, прошедшая через ПК1, отраженная от делительной пластины (Д.пл2) и прошедшая через поляризационный кубик (ПК3), направляется на конфокальный сканирующий интерферометр (ИФП), и после прохождения ПК4 регистрируется фотоприемником ФП2, сигнал которого, возникающий из-за гармонической модуляции длины конфокального интерферометра, после синхронного детектирования формирует сигнал ошибки, который поступает на ПИД регулятор, управляющий длиной резонатора интерферометра;
- третья часть пучка лазера накачки ДЛВР1, прошедшая через делительную пластину Д. пл2 направляется на волоконный световод, который выводит излучение из системы;
- часть пучка зондирующего лазера ДЛВР2 после отражения делительной пластинкой Д.пл3 и отражении в ПК3 и ПК4 попадает на фотоприемник ФП3, сигнал которого после синхронного детектирования приходит на ПИД регулятор, который стабилизирует частоту ДЛВР2 по резонансу пропускания ИФП, отличающемуся по продольному индексу от резонанса пропускания, на который настроена частота лазера ДЛВР1;
- вторая часть пучка зондирующего лазера ДЛВР2 после прохождения делительной пластины Д.пл3 направляется в оптический волоконный световод.
Заявленное изобретение поясняется с использованием чертежей.
Фиг.1. Схема стабилизации частот лазера, где:
Опт.изолятор - оптический изолятор,
λ/2 и λ/4 - полуволновая и четвертьволновая фазовые пластинки, соответственно,
ПК - поляризационный кубик,
З - 100% зеркала,
Д.пл - делительные пластинки,
ФП - фотоприемник,
Л - линзы,
ИФП - конфокальный интерферометр Фабри-Перо.
Фиг. 2а, б - внешний вид устройства, где
а) На переднем плане соленоид с опорной ячейкой. За ним на противоположной стороне интерферометр. Вертикальные параллелепипеды, выделяющиеся по высоте - фотоприемники.
б) Лазер накачки (в белом корпусе) в нижнем правом углу. Зондирующий лазер в таком же корпусе в верхнем правом углу. В верхнем левом углу оптика для ввода излучения в волоконные световоды.
1
Фиг. 3а - все компоненты D линии поглощения атомов цезия (λ = 895 нм) с внутридоплеровскими резонансами.
Фиг. 3б частота лазера накачки
Фиг. 4. Внутридоплеровские резонансы для ортогональных циркулярных поляризаций, преобразованных в ортогональные линейные поляризации четвертьволновой пластинкой и разделенные ПК2: зеленая кривая - для пучка, прошедшего через поляризационный разделительный кубик, синяя кривая для пучка, отраженного от него.
Фиг. 5. Разность двух сигналов, приведенных на предыдущем рисунке. Кривая дисперсионной формы с большой крутизной в центре зависимости обусловлена внутридоплеровским резонансом пропускания. Она наблюдается на фоне более пологой кривой такого же дисперсионного вида и возникает из-за более широкого доплеровского контура линии поглощения. Она имеет противоположный знак.
Фиг. 6. Система ввода излучения лазеров в оптические волокна, которые выводят излучение из системы для дальнейшего использования в магнитометре или в других приложениях
1
g
e
1
1
g
e
Схема лазерной системы показана на фиг. 1, а ее внешний вид на фиг. 2. Излучение требуемой частоты и мощности формируется перестраиваемыми диодными лазерами с внешним резонатором. Эти лазеры сохраняют режим одночастотной генерации при мощности непрерывного излучения до 200 мВт и обеспечивают плавную перестройку частоты генерации в пределах интервала 30 ГГц, охватывающего все сверхтонкие компоненты D линии цезия. Для обеспечения устойчивости частоты и режима генерации по отношению к паразитным отражениям от многих элементов системы, излучение обоих лазеров проходит сначала через оптические изоляторы (Опт. изолятор 1, Опт. изолятор 2). Поскольку эти изоляторы поворачивают направление линейной поляризации на 45°, перед поворотными зеркалами установлены полуволновые пластины. Они обеспечивают совпадение плоскости поляризации излучения с плоскостью падения на зеркало, что обеспечивает сохранение линейной поляризации при отражении. После поворотного зеркала излучение лазера накачки делится на 2 части. Пучок, отраженный от поляризационного кубика ПК1, идет на систему стабилизации частоты по внутридоплеровскому резонансу на переходе F=3 → F=3 D линии цезия [4,11,12,14]. В этой системе излучение лазера снова делится на две части делительной пластиной Д.Пл2. Пучок большей мощности проходит через эту пластину, обходит вокруг опорной ячейки диаметром 25,4 мм и длиной 70 мм с атомами цезия (без буферного газа), и возвращается уже через ячейку навстречу пробному пучку меньшей мощности, отраженному от пластинки Д.Пл1. В такой схеме в зависимости пропускания ячейкой излучения пробного пучка от частоты лазера регистрируются внутридоплеровские резонансы. Все компоненты D линии поглощения атомов цезия (λ = 895 нм) с внутридоплеровскими резонансами показаны на рис. 3а. Ширина резонансов составляет ~ 25 МГц. Этот спектр зарегистрирован лазером накачки. Две цифры около каждой линии соответствуют квантовым числам полного углового момента нижнего (F) и верхнего (F) сверхтонких подуровней. Часть этого спектра с двумя высокочастотными компонентами в другом масштабе показана на рисунке 3б. Частота лазера ДЛВР1 стабилизируется по одному из этих внутридоплеровских резонансов.
Формирование дискриминационной кривой для стабилизации частоты производится методом DAVLL. Для этого: 1) в ячейке с помощью соленоида создается магнитное поле, параллельное ее оси и направлению распространения излучения пробного пучка; 2) излучение пробного пучка после прохождения ячейки разделяется четвертьволновой пластинкой и поляризационным кубиком ПК3 на два пучка с ортогональными линейными поляризациями. Зависимости пропускания ячейки от частоты лазера для этих двух пучков показаны на фиг. 4, а зависимость сигнала балансного фотоприемника, регистрирующего разность сигналов для названных пучков от частоты лазера, имеет вид дискриминационной кривой фиг. 5. Этот сигнал ошибки поступает на ПИД регулятор, управляющий частотой ДЛВР2. Достоинством этой схемы стабилизации частоты является формирование сигнала ошибки без принудительной модуляции частоты лазера. Стабилизация частоты лазера накачки по внутридоплеровскому резонансу дает дополнительные преимущества: во-первых, ширина опорного резонанса на полтора порядка меньше, чем ширина доплеровского контура для ячейки без буферного газа и порядка на 2 меньше, чем в ячейке с буферным газом; во-вторых, во столько же раз уменьшается магнитное поле, необходимое для DAVLL схемы.
Излучение лазера накачки, прошедшее через ПК1, отраженное от Д.пл2 и прошедшее через ПК3, направляется на конфокальный сканирующий интерферометр (ИФП), и после ПК4 регистрируется фотоприемником ФП2. Изменением длины интерферометра с помощью пьезокерамики осуществляется настройка резонанса пропускания интерферометра на частоту лазера накачки. Дополнительное гармоническое напряжение, подаваемое на пьезокерамику, позволяет модулировать частоту резонанса с амплитудой, составляющей малую долю ширины резонанса пропускания. После синхронного детектирования сигнала с ФП2 формируется сигнал ошибки, который поступает на ПИД регулятор, стабилизирующий частоту резонанса пропускания интерферометра на частоте лазера накачки. При этом стабилизируются и частоты всех остальных резонансов пропускания этого интерферометра.
Излучение второго зондирующего лазера ДЛВР2 после отражения делительной пластинкой Д.пл3 и отражении в ПК3 и ПК4 попадает на фотоприемник ФП3. Частота зондирующего лазера настраивается на другой резонанс пропускания интерферометра и стабилизируется по нему петлей обратной связи аналогичной вышеописанной. Только первая петля стабилизирует частоты резонансов интерферометра по частоте первого лазера, привязанной к атомной линии, а вторая петля стабилизирует частоту зондирующего лазера по другому резонансу, смещенному на целое требуемое число областей свободной дисперсии интерферометра. Таким образом, интерферометр позволяет передать стабильность атомного резонанса второму лазеру. Для подавления взаимного влияния двух лазеров и разделения сигналов их излучение, поступающее на интерферометр, имеет ортогональные линейные поляризации.