Оптический резонатор для регулировки и стабилизации длины волны лазерного излучения

Полезная модель относится к оптическим интерферометрам и предназначена для стабилизации и регулировки длины волны излучения непрерывных лазерных источников.
Известна система для измерения длины волны [WO 2021/258184 A1, G01J 9/02, 22.06.2020], предназначенная для  измерения длины волны, содержащая интерферометр из двух отражающих поверхностей и среды между ними, при этом интерферометр принимает оптический сигнал и порождает интерферограмму, также содержащее систему камер, регистрирующих интерферограмму, также содержащее сенсоры для регистрации состояния окружающей среды и содержащее систему управления, обрабатывающее интерферограмму и сигналы с сенсоров и вычисляющую длину волны. При этом интерферометр выполнен в виде интерферометра Физо.
Недостатком устройства является низкое разрешение при измерении длины волны излучения, достигаемое в подобных устройствах, составляющее в частотном представлении не более 2 МГц.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному является сканирующий моноблочный интерферометр Фабри-Перо [RU 2726717 C2, 2019, G01B 9/02], содержащий два плоскопараллельных мембранных зеркала, обращенных одно к другому и зафиксированных с помощью оптического контакта на своих краях на противоположных сторонах разделительного кольца, а также два пьезоэлектрических элемента, наклеенные, каждый, с обратной стороны соответствующего зеркала, при этом каждое из упомянутых мембранных зеркал с обратной стороны выполнено с утолщенной центральной частью, соединенной через утонченную промежуточную часть с утолщенной краевой частью, на которой и наклеен соответствующий пьезоэлектрический элемент.
Недостатком устройства является плохая воспроизводимость длины резонатора, определяющей собственные его частоты, при управлении пьезоэлектрическими элементами.
В действительности пьезоэлектрические элементы обладают существенным гистерезисом при циклическом управлении напряжением. Одним из важных приложений, для которых используются подобные устройства, является регулировка и стабилизация длины волны излучения лазерного источника, которая активным образом с помощью дополнительной электроники, согласуется с длиной резонатора. В отсутствие гистерезиса длина волны излучения была бы всегда строго пропорциональна управляющему напряжению на пьезоэлектрическом элементе, и так им образом после калибровки устройства относительно некоторого внешнего референса, возможно было бы точное управление длиной волны излучения данным управляющим напряжением. Однако явление гистерезиса вносит систематическую ошибку, что приводит к необходимости калибровки после каждого изменения напряжения, и таким образом функционал устройства ограничивается.
Задача, которая решается в полезной модели, направлена на создание устройства, обеспечивающего возможность точной регулировки длины волны излучения непрерывного лазерного источника и ее стабилизации.
Требуемый технический результат заключается в увеличении точности управления длиной резонатора устройства.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее два зеркала, обращенных одно к другому и зафиксированных с помощью оптического контакта на своих краях на противоположных сторонах разделительного кольца, называемого далее телом резонатора, введены подвес, на котором установлено тело резонатора, тепловой экран, закрепленный на подвесе, датчик температуры, размещенный на подвесе, вакуумная камера, в которой расположены два зеркала, тело резонатора, тепловой экран и термоэлектрический элемент, установленный между подвесом и стенкой вакуумной камеры таким образом, чтобы подвес стоял на термоэлектрическом элементе, при этом тело резонатора изготовлено из плавленого кварца и его длина составляет от 3 до 7 см, а резкость резонатора, формируемого парой зеркал, составляет от 5000 до 20000.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что давление в вакуумной камере составляет менее  мбар.
На чертеже представлен оптический резонатор для регулировки и стабилизации длины волны лазерного излучения.
На фиг. 1 - оптический резонатор для регулировки и стабилизации длины волны лазерного излучения в разрезе.
На чертеже обозначены:
1 - первое зеркало;
2 - второе зеркало;
3 - тело резонатора;
4 - подвес;
5 - тепловой экран;
6 - термоэлектрический элемент;
7 - датчик температуры;
8 - вакуумная камера.
Оптический резонатор для регулировки и стабилизации длины волны лазерного излучения содержит первое зеркало 1 и второе зеркало 2, обращенные одно к другому и зафиксированные с помощью оптического контакта на своих краях на противоположных сторонах тела резонатора 3, выполненного из плавленного кварца и обладающего длиной от 3 до 7 см, при этом резкость резонатора, формируемого парой зеркал, составляет от 5000 до 2000, также содержит подвес 4, на котором закреплены тело резонатора 3, тепловой экран 5 и датчик температуры 7, установленный в вакуумной камере 8 таким образом, чтобы термоэлектрический элемент 6 находился между подвесом 4 и стенкой вакуумной камеры 8.
Оптический резонатор для регулировки и стабилизации длины волны лазерного излучения используется следующим образом.
Первое зеркало 1 и второе зеркало 2, обращенные друг к другу и зафиксированные с помощью оптического контакта на своих краях на противоположных сторонах тела резонатора 3, формируют оптический резонатор с резкостью от 5000 до 20000. Ввиду длины резонатора от 3 до 7 см обеспечивается ширина линии резонатора от 110 кГц до 1 МГц. Излучение непрерывного лазерного источника подается в оптический резонатор, таким образом, чтобы собственная мода резонатора была согласована с модой лазерного излучения, и по отраженному от оптического резонатора или прошедшему через оптический резонатор может быть осуществлена стабилизация длины волны излучения лазера относительно оптического резонатора. Тело резонатора 3 находится в контакте с подвесом 4, который также находится в контакте с термоэлектрическим элементом 6 и датчиком температуры 7. Температура тела резонатора 3 может быть стабилизирована в пределах 150 мК, что соответствует стабильности частоты собственной моды оптического резонатора от 25 кГц до 75 кГц. При вариации температуры тела резонатора 3 ввиду теплового расширения изменяется его длина и, как следствие, частота собственной моды. В случае, когда длина волны излучения лазера стабилизирована относительно оптического резонатора, таким образом осуществляется регулировка длины волны излучения лазера. Для обеспечения высокой температурной стабильности первое зеркало 1, второе зеркало 2, тело резонатора 3, подвес 4, термоэлектрический элемент 6 и датчик температуры 7 размещаются внутри вакуумной камеры 8, которая может быть откачана до давления менее  мбар, а также вводится тепловой экран 5, снижающий теплопередачу между телом резонатора 3 и вакуумной камерой 8 за счет теплового излучения.
Устройство предназначено для регулировки и стабилизации длины волны излучения непрерывного лазера, используемого для спектроскопии переходов, преимущественно в ионах и атомах и с характерной шириной от 100 кГц до 10 МГц. Спектроскопия переходов является одним из важных элементов при создании устройств на основе массивов холодных атомов или ионов, таких как стандарты частоты, гравиметры, квантовые вычислители и симуляторы. Рабочие режимы этих устройств подразумевают проведение процедур лазерного охлаждения и инициализации частиц в определенные квантовые состояния. Как правило, для этих задач используют переходы с характерной шириной от десятков килогерц до десятков мегагерц. При этом возникает необходимость контроля и управления длиной волны излучения соответствующих лазерных источников. Наиболее распространенным методом контроля и управления является использование измерителя длин волн на базе интерферометра Физо. Подобные устройства позволяют при соответствующей калибровке осуществлять измерение и подстройку длины волны с абсолютной точностью в частотном представлении около 2 МГц в широком диапазоне длин волн, достаточном для одновременного управления несколькими лазерами, для лучших коммерчески доступных решений. Такой уровень является приемлемым при работе с переходами, чья естественная ширина линии превосходит 10 МГц. В противном случае флуктуации длины волны лазерного источника приводят к нестабильной работе устройства и требуется дополнительная стабилизация длины волны. Для дополнительной стабилизации прибегают к использованию интерферометров Фабри-Перо, изготовленных из стекол с околонулевым показателем линейного расширения (церодур, ситаллы, УЛЕ стекло), и с зеркалами, реализующими высокую резкость получаемого резонатора свыше 100000, заключаемого в стабилизированную по температуре вакуумную камеру с использованием привязки длины волны лазерного излучения к резонатору по методу Паунда-Дривера-Холла.
Подобное техническое решение, с одной стороны, позволяет стабилизировать длину волны лазерного источника в пределах вплоть до 1 Гц, при этом обеспечивая эффективное сужение ширины линии генерации источника, что позволяет проводить спектроскопию очень узких переходов, при этом с другой стороны накладывает ряд ограничений при использовании. В частности, в спектре лазерного источника возникают фазовые шумы, называемые «серво-пиками», за счет применения обратной связи, исключение которых из спектра требует применения дополнительных технических решений. Также за счет околонулевого коэффициента температурного расширения резонансная частота такой системы перестраивается в крайне узком диапазоне, и если частота перехода находится за пределами диапазона перестройки, что почти всегда реализуется на практике, требуется введение дополнительной отстройки частоты с использованием акустооптического модулятора, что усложняет систему, и при этом диапазон перестройки всей лазерной системы ограничивается диапазоном перестройки модулятора, который может составлять не более 200 МГц. В случае необходимости проведения спектроскопии за пределами диапазона перестройки, требуется замена модулятора. При этом требования к стабильности для переходов с промежуточными значениями естественной ширины линии в промежутке от 100 кГц до 10 МГц существенно ниже, чем позволяет реализовать данное решение.
Более низкие требования к стабильности при спектроскопии переходов с промежуточными значениями естественной ширины линии позволяют применить другой подход к решению задачи, нашедший свое воплощение в предлагаемой полезной модели. Также используя в качестве основы интерферометр Фабри-Перо, предлагается изготавливать соответствующий резонатор из стекла с заведомо ненулевым показателем теплового расширения, а именно из плавленого кварца, при этом резкость пары зеркал, используемых в резонаторе должна составлять в пределах от 5000 до 20000, таким образом, чтобы ширина линии пропускания резонатора при длинах резонатора от 3 до 7 см лежала в диапазоне от 110 кГц до 1 МГц. С одной стороны, при таких ширинах пропускания резонатора уже становится возможным достижение стабилизации длины волны излучения в пределах 100 кГц, с другой стороны, при заданных требуемых резкостях резонатора, возможно достижение высокого, свыше 50%, пропускания в резонансе, при этом в пропущенном через резонатор излучении отсутствуют «серво-пики», что позволяет использовать прошедшее через резонатор излучение непосредственно во взаимодействии с атомами или ионами. Проведем оценку нестабильности длины волны лазерного излучения с применением такого резонатора, а также диапазона его перестройки. Пусть  - длина резонатора,  - резонансная частота перехода в атоме,  - скорость света,  - коэффициент линейного расширения плавленого кварца,  - изменение температуры. Тогда собственные частоты  резонатора и их изменение при тепловом расширении могут быть определены по формулам:
Полагая, что  - шаг установки температуры, что находится в соответствии с типовыми значениями стабильности и точности температуры, реализуемыми прецизионными термоконтроллерами для вакуумированных систем, и  - диапазон перестройки температуры, а также для некоторого  на краях диапазона 350-1000 нм, получим:
Так как диапазон перестройки превышает половину расстояния между собственными модами на всем диапазоне длин волн, собственную моду резонатора всегда можно совместить по частоте с исследуемым переходом в атоме или ионе, а также осуществить отстройку по частоте на произвольную величину. Рассматриваемый диапазон перестройки 15 К является небольшим, что позволяет говорить о линейном характере зависимости частоты моды от температуры резонатора, а следовательно, при сканировании частоты с помощью температуры, возможен расчет значения частоты через линейную поправку к исходному значению.
Для обеспечения достаточной термостабильности резонатора предполагается расположить его в вакуумной камере, откачанной до давления менее  мбар.
Таким образом обеспечивается возможность точной регулировки длины волны излучения непрерывного лазерного источника и ее стабилизации.
Настоящая полезная модель была разработана в рамках реализации мероприятия № 18 «Подготовка и подача патентных заявок» детализированного плана-графика за 2022 год программы деятельности Лидирующего исследовательского центра "Квантовые вычисления" (соглашение №014/20 от 18.05.2020), в соответствии с дорожной картой «сквозной» цифровой технологии - «Квантовые технологии» при поддержке Фонда НТИ, АО «РВК» и Минцифры России.