ФЕМТОСЕКУНДНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА СО СТАБИЛИЗАЦИЕЙ ЧАСТОТЫ ПОВТОРЕНИЯ ИМПУЛЬСОВ С ПОМОЩЬЮ МЕТАНОВОГО ЭТАЛОНА ЧАСТОТЫ

Полезная модель относится к области лазерных устройств со стабилизацией выходного параметра частоты лазера, а именно лазерных оптических эталонов частоты для стабилизации частоты повторения фемтосекундного волоконного эрбиевого лазера.
Стабилизированные по частоте повторения фемтосекундные волоконные эрбиевые лазеры широко используются в частотно-временных методах измерений радиоастрономии, навигации, создания стандартов частоты на лазерно-охлажденных атомах и др.
Известно множество устройств, предназначенных для стабилизации частоты повторения фемтосекундного волоконного эрбиевого лазера, из них ближайший аналог (прототип) описан в патенте США №6,785,303 (опубл. 31.08.2004). В данном патенте предложен генератор стабилизированных сверхкоротких световых импульсов для синтезирования оптических частот на основе лазерного источника с синхронизацией мод с тремя петлями обратной связи: петлей контроля дисперсии I, петлей контроля частоты повторения II и петлей контроля опорного лазера III. В петле контроля частоты повторения импульсы лазерного источника посредством светоделителя и зеркала направляют на фотоприемное устройство (ФПУ). Электрический сигнал с выхода ФПУ поступает на вход смесителя в виде базовой частоты (порядка 70 МГц) или одной из ее высших гармоник и смешивается с сигналом генератора опорной частоты радиодиапазона. На выходе смесителя формируется сигнал биений частоты повторения импульсов лазерного источника (или одной из ее высших гармоник) и опорной радиочастоты. Полученный сигнал биений используется для контроля и управления частоты повторения импульсов лазерного источника путем регулировки длины его резонатора. В описанном изобретении для осуществления генератора опорной частоты используют цезиевые атомные часы с типовой частотой 9,2 ГГц.
-14
Основным недостатком рассматриваемого аналога является применение опорного источника частоты в радиодиапазоне с пониженной стабильностью частоты порядка 10 и достаточно высокими массо-габаритными параметрами цезиевых атомных часов, являющихся сложной дорогостоящей лабораторной установкой.
Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, заключается в повышении стабильности частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера и в попутном снижении массо-габаритных параметров системы.
-14
-16
Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве вместо генератора опорной частоты в радиодиапазоне (цезиевые атомные часы из прототипа) предложен опорный лазер, стабилизированный по метановой ячейке (так называемый метановый эталон частоты). В качестве опорного лазера могут использовать гелий-неоновый лазер, или хром-цинк-селеновый лазер, или хром-кадмий-селеновый лазер. Известно, что нестабильность подобных опорных источников гораздо лучше, чем у опорного источника частоты в радиодиапазоне, как в ближайшем аналоге (порядка 10), и может быть снижена до 10 за 1 с (см. Губин М.А., Киреев А.Н. и др. «Реализация компактных метановых оптических часов». Квантовая электроника, 38, №7, 2008, с.613-614), то есть до 100 раз лучше, чем в прототипе.
В состав предлагаемой фемтосекундной лазерной системы входят фемтосекундный волоконный эрбиевый лазерный источник, светоделитель, зеркало, фотоприемное устройство (ФПУ) со смесителем частот, блок управления длиной резонатора. Сигнал лазерного источника в светоделителе поделен на полезный выходной сигнал системы и сигнал петли контроля частоты повторения импульсов, который далее проходит через зеркало и поступает на ФПУ со смесителем частот. На второй вход ФПУ со смесителем частот подключен сигнал с генератора опорной частоты или одной из ее высших гармоник. На выходе смесителя сформированный сигнал биений частоты повторения импульсов подключен к блоку управления длиной резонатора, выход которого является сигналом обратной связи фемтосекундного лазерного источника. При этом в качестве генератора опорной частоты использован опорный лазер, стабилизированный по метановой ячейке. В качестве опорного лазера, стабилизированного по метановой ячейке, может быть использован гелий-неоновый лазер или хром-цинк-селеновый лазер или хром-кадмий-селеновый лазер, любой из этих лазеров более компактный и меньшего веса (до 2 раз), чем цезиевые атомные часы. Между выходом опорного лазера и вторым входом ФПУ со смесителем частот установлен генератор второй гармоники.
На фиг.1 изображена структурная блок-схема предлагаемого устройства.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Последовательность импульсов с выхода фемтосекундного волоконного эрбиевого лазера 1 направляют через светоделитель 2 и зеркало 3 на ФПУ со смесителем частот 4. На ФПУ со смесителем частот 4 поступает также сигнал опорной частоты от метанового эталона частоты 5 через генератор второй гармоники б. Метановый эталон частоты имеет частоту вблизи 88 ТГц, а на выходе генератора второй гармоники 6 формируется опорный оптический сигнал на удвоенной высшей частотной гармонике 176 ТГц для осуществления последующего оптимального смешивания с сигналом фемтосекундного волоконного эрбиевого лазера на частоте вблизи 200 ТГц, который также поступает на первый вход ФПУ со смесителем частот 4. В результате на выходе смесителя 4 формируется сигнал биений, который поступает в блок управления длиной резонатора 7 и используется для контроля частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера 1 путем регулировки длины его резонатора 7. Для регулировки длины резонатора 7 волоконного эрбиевого лазера 1 обычно применяют пьезопривод, который растягивает приклеенный к нему участок активного волоконного световода.
Таким образом, предлагаемое устройство стабилизации частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера по метановому эталону частоты обеспечивает повышение стабильности частоты повторения фемтосекундного лазера, а также попутно уменьшает массу и габариты всей фемтосекундной лазерной системы.