Многоканальная система стабилизации частоты оптического излучения
MULTICHANNEL OPTICAL RADIATION FREQUENCY STABILIZATION SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к области стандартов частоты и устройствам для стабилизации, генерирования, усиления, модуляции, демодуляции или преобразования частоты лазерного излучения и может быть использовано при проектировании различных типов систем оптоэлектронной обратной связи, например, систем стабилизации частоты (ССЧ) излучения лазера в оптических стандартах частоты (ОСЧ) и времени на основе стронция, радиочастотных стандартах на основе рубидия, цезия и других приборах для частотно-временных измерений.
Принцип действия системы стабилизации частоты оптического излучения по высокодобротному резонатору заключается в получении сигнала ошибки гомодинным способом из оптического излучения и выработке радиочастоного сигнала коррекции. В подобном типе обратной связи или системы Паунда-Древера-Холла (ПДХ), кроме источника стабилизируемого лазерного излучения, используются электрооптический модулятор, смеситель, пропорционально-интегрально-дифференциальный фильтр (ПИД-регулятор), оптический узкополосный фильтр (например, высокодобротный резонатор) и высокочастотный лавинный фотоприемник. Для определения типа оптической моды с обратной стороны высокодобротного резонатора помещается миниатюрная видеокамера с дисплеем или «медленный» фотоприемник, отображающий характер оптической моды в резонаторе TEM00, ТЕМ01 и т.д.
Лазерное излучение, проходя через электрооптический (фазовый) модулятор приобретает дополнительные спектральные составляющие, отстоящие от оптической несущей на величину частоты опорного генератора. Беспрепятственно проходя через поляризационный куб, излучение, в спектре которого присутствуют дополнительные боковые составляющие, частично проходит в резонатор, а частично отражается от передней грани. Высокодобротный резонатор частично или полностью отфильтровывает боковые полосы оптической несущей. Проходя в обратном направлении оба излучения направляются на лавинный фотоприемник для выделения в сочетании со смесителем и опорным генератором сигнала ошибки. Данный сигнал ошибки через ПИД-регулятор поступает на органы управления источника лазерного излучения (пъезокерамику, токовый и/или температурный вход), что позволяет оперативно корректировать частоту оптического излучения.
Современные оптические установки, реперы и приборы для спектроскопии могут содержать два, три и более систем стабилизации излучений по высокодобротным резонаторам для получения узкополосных и стабильных линий лазерных систем.
87
Для уменьшения трудозатрат по настройке и уменьшению массогабаритных характеристик лазерных систем можно использовать совмещение систем стабилизации к одному высокодобротному резонатору. Многие ОСЧ имеют рабочие длины волн достаточно близкие для осуществления данного метода. Например, в ОСЧ на основе Sr, часовой переход находится в районе 698 нм, длина волны системы лазера вторичного охлаждения находится в районе 689 нм, длины волн лазеров перекачки 679 и 707 нм, что в общем случае укладывается в ширину полосы отражения диэлектрических зеркал резонатора.
87
В различных системах для фильтрации излучения могут быть использованы различные фильтры, такие как, фильтры поглощения, дихроичные фильтры. Но данные типы оптических элементов из-за своего принципа построения не позволяют получать полосы фильтрации оптического излучения уже 40-50 нм. Поэтому для построения систем с очень близко расположенными несущими длин волн, необходимо использовать интерференционные фильтры, оптические дисперсионные призмы или дифракционные решетки. Например, для случая ОСЧ на основе Sr, для совмещения систем часового лазера и стабилизированного лазера вторичного охлаждения необходимо использовать фильтр с рабочей полушириной менее 7 нм.
В модернизированной системе стабилизации излучение объединяется оптоволоконным объединителем и направляется на вход обычной одноканальной системы стабилизации. Проходя электрооптический модулятор все объединенные длины волн приобретают боковые полосы и после прохождения поляризационного куба могут беспрепятственно быть разделены на составляющие при помощи интерференционного фильтра, оптической дисперсионной призмы или дифракционной решетки и далее направлены на соответствующие фотоприемники соответствующих обратных связей источников лазерных излучений/лазеров.
При добавлении достаточного узкополосного оптического селектирующего элемента, который позволяет разделить оптические несущие в пространстве и направить их на фотоприемники для получения разделенных сигналов ошибки и коррекции для каждого источника лазерного излучения/лазера, устраняется необходимость использования нескольких высокодобротных резонаторов, заменив их одним. Что, в свою очередь, позволяет уменьшить массогабаритные характеристики оконечных устройств, таких как оптические стандарты/реперы частоты (ОСЧ), а также упрощает настройку данного устройства.
Известна ССЧ (Patent No: US6,654,394 B1, Date of Patent: Nov. 25, 2003), являющееся аналогом предлагаемого изобретения и содержащее источник оптического лазерного излучения, к которому подключен электрооптический модулятор с генератором опорной частоты, далее через светоделительную пластинку подключен высокостабильный резонатор, к высокостабильному резонатору подключен смеситель, подключенный к нему генератор опорной частоты и фильтр низких частот, к фильтру низких частот подключен ПИД-регулятор, а к ПИД-регулятору источник оптического лазерного излучения, к высокостабильному резонатору с обратной стороны подключен фотоприемник.
Однако в указанной ССЧ используется только стабилизация одного источника оптического лазерного излучения (единственный канал), не используется видеокамера и дисплей для распознавания типа оптической моды в резонаторе. Отсутствуют элементы позволяющие стабилизацию дополнительных источников оптического лазерного излучения.
Кроме того, известна ССЧ (Patent No: US 10,009,103 В2, Date of Patent: Aug. 11,2016), являющееся прототипом предлагаемого изобретения и содержащее источники оптического лазерного излучения, подключенные к ним раздельные электрооптические модуляторы, к которым подключены раздельные генераторы опорной частоты, выходы электрооптических модуляторов через оптоволоконный объединитель соединены через волоконный циркулятор с одномодовым волокном с вынужденным Бриллюэновским рассеянием, которое соединено с оптоволоконным разделителем, два выхода оптоволоконного разделителя соединяются с двумя раздельными полосовыми оптчискими фильтрами, которые в свою очередь, соединяются с лавинными фотоприемниками, фотоприемники соединяются с соответствующими смесителями, а смесители через ПИД-регуляторы с системами управления источниками оптического лазерного излучения.
Однако в указанном устройстве используется два раздельных электрооптических модулятора, с дополнительным волоконным разделителем и двумя раздельными оптическими полосовыми фильтрами, вместо высокостабильного резонатора используется одномодовое волокно с вынужденным Бриллюэновским рассеянием. В схеме используются для стабилизации отдельные электрооптические модуляторы и генераторы опорной частоты. Множественные элементы повторяющие функции не улучшают массогабаритные характеристики ССЧ, а также не влекут упрощение конструкции и настройки.
Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение массогабаритных характеристик оконечных устройств, таких как оптические стандарты/реперы частоты (ОСЧ), а также упрощение настройки данного устройства путем объединения оптических частей систем стабилизации нескольких лазерных источников.
Изобретение поясняется чертежами. На Фиг. 1 приведена угловая зависимость коэффициента отражения оптического селектирующего элемента - оптической дисперсионной призмы или дифракционной решетки. На Фиг. 2 приведена спектральная зависимость коэффициентов пропускания и отражения оптического селектирующего элемента - интерференционного фильтра, на Фиг. 3 приведена блок-схема системы обратной связи ЦДХ со стабилизацией по высокодобротному резонатору с использованием изобретения.
ССЧ (ФИГ. 1) содержит изображение спектральной зависимости коэффициента отражения селектирующего элемента - дифракционной решетки.
ССЧ (ФИГ. 2) содержит изображение спектральной зависимости коэффициентов пропускания и отражения селектирующего элемента - интерференционного фильтра.
ССЧ (ФИГ. 3) содержит: 1 - высокодобротный резонатор, 2 - четвертьволновая пластинка, 3 - светоделительный поляризационный куб, 4 - электрооптический модулятор, 5 - оптоволоконный объединитель, 6 - источник лазерного излучения, 7 - ПИД-регулятор обратной связи, 8 - смеситель, 9, 10 - фазовращатели, 11 - источник лазерного излучения, 12 - ПИД-регулятор обратной связи, 13 - смеситель, 14 - генератор опорной частоты, 15, 16 - фотоприемники, 17 - оптический селектирующий элемент, интерференционный фильтр, оптическая дисперсионная призма или дифракционная решетка, 18,19 - видеокамеры, 20, 21 - дисплеи, 22 - оптический селектирующий элемент, интерференционный фильтр, оптическая призма или дифракционная решетка.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве стабилизации частоты, содержащего, высокодобротный резонатор (1), соединенный с ним двухсторонней оптической связью через четвертьволновую пластинку (2) выход светоделительного поляризационного куба (3), к которому подключен оптический вход фотоприемника (15), к входу светоделительного поляризационного куба (3) подключен оптический выход электрооптического модулятора (4), к которому подключен оптический выход источника лазерного излучения (6) и к электрическому входу - выход генератора опорной частоты (14), электрический вход источника лазерного излучения (6) соединен с выходом ПИД-регулятора (7), который соединен входом с выходом смесителя (8), входы которого, в свою очередь, соединены с электрическим выходами фотоприемника (15) и выходом фазовращателя (9), а вход фазовращателя (9) соединен с выходом генератора опорной частоты (14), к противоположному выходу резонатора (1) подключен оптичский вход видеокамеры (18), электрический выход которой соединен со входом дисплея (20), заключающееся в том, что в него введены дополнительные оптический объединитель (5), фазовращатель (10), источник лазерного излучения (11), ПИД-регулятор (12), смеситель (13), фотоприемник (16), оптический селектирующий элемент (17), видеокамера (19), дисплей (21), второй оптический селектирующий элемент (22), при том, оптический объединитель (5), выход которого соединен со входом электрооптического модулятора (4), а входы подключены к выходам источников лазерного излучения (6) и дополнительного (11), дополниетльный источник лазерного излучения (11) присоединяется к выходу ПИД-регулятора (12), к которому подключены выход смесителя (13), входы которого подключены к электрическим выходам фотоприемника (16) и фазовращателя (10), вход фазовращателя (10) подсоединен к выходу генератора опорной частоты (14), при этом второй оптический селектирующий элемент (22) помещается между выходом поляризационного куба (3) и оптическим входом фотоприемника (15), дополнительный выход второго оптического селектирующего элемента (22) соединен с оптическим входом дополнительного фотоприемника (16), причем между вторым выходом резонатора (1) и входом первой видеокамеры (18) включен дополнительный оптический селектирующий элемент (17), к дополнительному выходу этого селектирующего элемента (17) также подключен оптический вход второй видеокамеры (19), к электрическим выходам видеокамер (18) и (19) подключены соответствующие входы дисплеев (20) и (21).
При этом высокодобротный резонатор 1, соединенный с ним через четвертьволновую пластинку 2 двусторонней связью светоделительный поляризационный куб 3, к которому подключен фотоприемник 15 и электрооптический модулятор 4, с подключенным источником лазерного излучения 6 и генератором опорной частоты 14, соединенный с ПИД-регулятором 7 со смесителем 8, который, в свою очередь, соединен с фотоприемником 15, фазовращателем 9 и генератором опорной частоты 14, к высокодобротному резонатору также подключены видеокамера 18, которая соединена с дисплеем 20. источник лазерного излучения 11, с подключенным ПИД-регулятором 12, к которому подключены смеситель 13 с фотоприемником 16, фазовращателем 10, подсоединенный к генератору опорной частоты 14, оптический селектирующий элемент 22 включен между поляризационным кубом 3 и фотоприемником 15, дополнительный выход оптического селектирующего элемента 22 соединен с фотоприемником 16, между высокодобротным резонатором 1 и видеокамерой 18 включен оптический селектирующий элемент 17, к оптическим каналам которого подключены видеокамеры 18 и 19, с соответствующими дисплеями 20 и 21.
При этом высокодобротный резонатор 1 может быть выполнен из стекла с низким коэффициентом теплового расширения, типа, титаново-силикатное стекло Corning ULE@7973, четвертьволновая пластинка 2 может быть фирмы Thorlabs WPQ05M-694, светоделительный поляризационный куб 3 из стекла N-SF1 с просветляющими покрытиями, электрооптический модулятор 4 может быть фирмы QUBIG РМ 20 МГц или широкополосный модулятор Newport 4002, оптоволоконный объединитель 5 фирмы Thorlabs TW670R5A1, источником лазерного излучения 6 и 11 может служить лазерная система на основе диодного лазера Dlpro фирмы Toptica, либо лазерная система фирмы MoglabsCEL 689, ПИД-регулятор обратной связи 7, 12 может быть реализован на основе системы FALCpro Toptica, либо ПИД Moglabs FSC, смеситель 8, 13 фирмы Minicircuits ZFM-150, фазовращатели 9,10 могут представлять собой фазовращатели Minicircuits JSPHS-150+, генератор опорной частоты 14 фирмы Qubig QDR20, фотоприемник 15, 16 могут быть фирмы Menlo APD210, оптический селектирующий элемент 17 и 22 -интерференционный фильтр LaserOptics В-08561, (IF698/6°, FWHM 0.3 нм), оптическая дисперсионная призма Thorlabs PS852 или дифракционная решетка Thorlabs 830 штр/мм, GT13-08, видеокамера 18,19 - Falcon Eye FE-Q90A со снятым объективом, дисплей 20, 21 может быть ROLSEN RCL-1000Z.
Устройство работает следующим образом, оптическое лазерное излучение двух различных длин волн от источников лазерного излучения 6 и 11 соединяется в один канал посредством оптоволоконного объединителя 5 и поступает в электрооптический модулятор 4. Далее в электрооптическом модуляторе излучение, которое представляет собой смесь, например, двух длин волн у каждой из частотных несущих возникают боковые модуляционные полосы, отстоящие от каждой из них на частоту генератора опорной частоты 14. Высокодобротный резонатор 1 отфильтровывает модуляционные составляющие части оптического излучения, прошедшего внутрь через поляризационный куб 3 и четвертьволновую пластинку 2. Далее часть излучения без модуляционных полос, вышедшая из резонатора 1, прошедшая через четвертьволновую пластинку 2, отклоняется поляризационным кубом 3 в сторону фотоприемника 15, смешивается с отраженным от резонатора 1 излучением с модуляционными полосами на фотоприемниках 15, 16, предварительно отсортированных оптическим селектирующим элементом. На каждом из фотоприемников выделяются биения соответствующие изначальным несущим источников 6 и 11. Далее сигналы с фотоприемников 15, 16 поступают на соответствующие смесители 8 и 13, которые смешивают их с сигналом генератора опорной частоты 14 с задержкой, обеспечиваемой фазовращателями 9 и 10, с дальнейшей фильтрацией и выделением сигналов управления через ПИД-регуляторы 7 и 12 для корректировки выходного излучения источников 6 и 11.
В случае дифракционной решетки 22, обе изначальные несущие отражаются от нее, приобретая пространственное разделение по углу в соответствии с передаточной характеристикой приведенной на ФИГ. 1, каждая спектральная составляющая излучения направляется на соответствующий фотоприемник 15 и 16.
В случае интерференционного фильтра 22, одна из изначальных несущих проходит через фильтр в соответствии с передаточной характеристикой фильтра приведенной на ФИГ. 2 (зависит от типа и угла поворота фильтра), попадая на первый фотоприемник 15, а оставшаяся спектральная часть, содержащая вторую несущую, отражается в соответствии с характеристикой фильтра, попадая на второй фотоприемник 16.
Результатом работы является уменьшение массогабаритных характеристик ССЧ, упрощение настройки оптической части ОСЧ, повышение числа лазерных источников, которые можно стабилизировать по одному высокодобротному резонатору с одновременной стабилизацией источников спектрально отстоящих друг от друга на расстоянии не ближе ширины контура пропускания интерференционного фильтра, либо значения дисперсии дифракционной решетки.
Таким образом, посредством использования ССЧ с оптическим селектирующим элементом в виде узкополосного интерференционного фильтра или дифракционной решетки, возможно обеспечить одновременную стабилизацию нескольких источников лазерного излучения по одному высокодобротному оптическому резонатору, что позволит уменьшить массогабаритные характеристики систем стабилизации лазерных и оптических систем входящих в ОСЧ и упростить настройку оптической части, заменив настройку многих оптичских систем на настройку одной оптической системы.