Устройство температурной стабилизации оптических резонаторов

Полезная модель относится к лазерной технике и может быть использована в устройствах температурной стабилизации оптических резонаторов.
Для применения в прецизионной спектроскопии стабильность частот лазерных источников зачастую оказывается недостаточной и поэтому требуются дополнительные системы стабилизации частоты излучения, внешние по отношению к лазеру.
Из существующего уровня техники известно множество решений, в которых частота излучения лазера стабилизируется к собственной моде внешнего высокостабильного оптического резонатора (US 4451923A опубл. 29.05.1984; US 4700150A опубл. 13.10.1987; RU 2343611C1, опубл. 10.01.2009; US 8736845B2, опубл. 27.05.2014; СА 2690338С, опубл. 18.12.2008; US 20090310629A1, опубл. 11.01.2011).
Недостатком этих технических решений является относительно узкие функциональные возможности и сложность технической реализации.
Аналогом температурно-независимого резонатора могут служить резонаторы, изготовленные из материалов со сверхнизким коэффициентом теплового расширения (DE 102008049367B3 опубл. 08.10.2009; WO 2012130199A2 опубл. 04.10.2012; US 20070091975, опубл. 25.08.2008; J. Alnis et al., Phys. Rev. A, vol. 77, no. 5, pp. 1-9, 2008; D.G. Matei et al., Phys. Rev. Lett., vol. 118, no. 26, pp. 1-6, 2017).
Недостатками этих технических решений являются относительно высокая сложность изготовления подобных материалов, что предопределяет их высокую стоимость и необходимость работы в малой окрестности строго определенного значения температуры нулевого теплового расширения.
Наиболее близким к заявленному является устройство [US US 5982488 A, G02B 7/008, 09.11.1999], содержащее оптически прозрачную пластину, через которую оптическое излучение проходит вдоль оптического пути, и компенсатор температурных изменений оптической длины оптически прозрачной пластины в виде двух компенсационных пластин, между которыми устанавливается оптически прозрачная пластина и который испытывает тепловое расширение и деформирует оптически прозрачную пластину путем ее растяжения в направлениях, поперечных оптическому пути для уменьшения толщины оптически прозрачной пластины в направлении оптического пути, чтобы компенсировать увеличение оптической длины, вызванное изменениями температуры.
При правильном выборе материала компенсационных пластин и их толщин возможно обеспечить постоянство толщины (длины оптического пути) оптически прозрачной пластины в некотором диапазоне температур.
Используемый способ компенсации температурных изменений и соответствующее ему устройство достаточно хороши для температурной стабилизации тонких оптически прозрачных пластин, например, пластин Фабри-Перо, но не обеспечивает достаточную стабилизацию длины оптического пути в более сложных системах стабилизации частоты лазеров.
Другим недостатком этого способа и соответствующего устройства является трудность оптического доступа к оптически прозрачной пластине из-за компенсационных пластин, что снижает ремонтнопригодность и эксплуатационную надежность устройства.
Таким образом, недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности устройства, что не позволяет использовать его с достаточным качеством стабилизации для оптически прозрачных резонаторов сложной формы, что сужает арсенал технических средств, используемых в качестве устройств температурной стабилизации оптических резонаторов? и не обеспечивает высокого качества температурной стабилизации.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание устройства, отличающегося повышенным качеством стабилизации оптической длины объемных резонаторов.
Требуемый технический результат заключается в расширении арсенала технических средств, используемых для обеспечения температурной стабильности оптической длины резонаторов и повышения качества стабилизации.
0
0
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее компенсатор температурных изменений оптической длины оптического резонатора, выполненный с возможностью закрепления в нем оптического резонатора, согласно полезной модели, компенсатор температурных изменений выполнен в виде внешнего обжимного кольца, установленного перпендикулярно оптическому пути оптического резонатора, при этом, ширину а и толщину b внешнего обжимного кольца при заданных длине L и радиусе R оптического резонатора выбирают из условия
где:
М
Е и Е - модули Юнга оптического резонатора и обжимного кольца, соответственно;
σ - коэффициент Пуассона оптического резонатора;
0
n - показатель преломления оптического резонатора при начальной температуре;
μ - термооптический коэффициент материала оптического резонатора;
М
α и α - коэффициенты линейного расширения материалов обжимного кольца и оптического резонатора, соответственно.
На чертеже представлен оптический резонатор Фабри-Перо с обжимным кольцом, где L - оптическая длина резонатора.
Устройство температурной стабилизации оптических резонаторов содержит компенсатор 1 температурных изменений оптической длины оптического резонатора, выполненный с возможностью закрепления в нем оптического резонатора 2. При этом, компенсатор 1 может быть выполнен в виде обжимного кольца, установленного перпендикулярно оптическому пути оптического резонатора 2.
Устройство температурной стабилизации оптических резонаторов используется следующим образом.
В заявленном устройстве температурной стабилизации оптических резонаторов с изменением температуры тепловое расширение оптического резонатора компенсируется изменением напряжения компенсатора 1, выполненным в виде обжимного кольца.
Результирующий (требуемый) нулевой коэффициент теплового расширения (КТР) резонатора обеспечивается количественным сочетанием КТР обжимного кольца и его геометрическими размерами.
Оптический резонатор 2 подвергнут обжатию обжимным кольцом 1 из материала с большим КТР, чем у оптического резонатора, чтобы увеличить его рабочую длину оптического резонатора, а размеры обжимного кольца 1 подобраны таким образом, чтобы при повышении (изменении) температуры сила обжатия снижалась и вызывала снижение рабочего размера оптического резонатора, компенсирующее собственное температурное расширение.
Для достижения температурной независимости рабочего размера оптического резонатора обжимное кольцо выбирают из материала с коэффициентом теплового расширения, превосходящим таковой материала резонатора, с тем эффектом, чтобы рабочая длина увеличилась. При повышении температуры размеры обжимного кольца увеличиваются в большей степени, чем размер оптического резонатора, и сила сжатия ослабевает, производя снижение рабочего размера оптического резонатора, компенсирующее его собственное тепловое расширение.
Если корпус оптического резонатора обжать обжимным кольцом 1 из материала с высоким коэффициентом теплового расширения (по сравнению с материалом оптического резонатора 2, то при повышении температуры сила обжатия уменьшится и длина резонатора получит отрицательную добавку к длине (см. чертеж). Суммируя ее с положительной добавкой из-за теплового расширения, получим нулевой эффект влияния температуры на длину оптического резонатора. Введем обозначения:
0
0
0
- длина и радиус оптического резонатора до обжатия L и R, температура Т;
0
0
0
- длина оптического резонатора после обжатия L(T,F), сила обжатия F;
- длина оптического резонатора с обжатием при изменении температуры L(T,F);
0
- радиус обжимающего кольца до контакта с корпусом R - ΔR;
- ширина кольца α, толщина кольца b;
М
- модули Юнга корпуса и кольца Е и Е;
- коэффициент Пуассона корпуса σ;
М
- коэффициенты линейного расширения материалов обжимного кольца и оптического резонатора α и α, соответственно
Проведем расчет силы обжатия корпуса кольцом, надетым на оптический резонатор, при неизменной температуре.
0
Сила обжатия F уменьшает радиус корпуса:
При этом кольцо увеличивает свой радиус:
Увеличение радиуса кольца определено по формуле зависимости радиуса трубы, испытывающей давление изнутри.
В исходном состоянии эти два радиуса равны. Из этого условия определяем связь силы обжатия с начальным диаметром кольца:
При этом длина оптического резонатора несколько увеличится:
В этой формуле подразумевается, что увеличение длины корпуса происходит вследствие сжатия только цилиндрической части корпуса в пределах ширины кольца. Для уточнения данного соотношения можно ввести безразмерный коэффициент k:
С ростом температуры размеры оптического резонатора и кольца увеличатся, сила обжатия упадет, и получим новые значения размеров:
и
откуда
что дает величину новой силы обжатия:
Тогда новая длина корпуса оценивается как
Сохранение длины корпуса наступает при равенстве:
т.е.
Подставляя сюда новую силу, получаем условие выбора размера кольца
и оценку оптимальной толщины кольца b:
Отсюда следует, что условие температурной независимости не связано с величиной начальной силы обжатия.
Вышеуказанное условие обеспечивает постоянство длины оптического резонатора при изменяющейся температуре.
В применениях чаще всего требуется постоянство оптической длины n(T)⋅L(T,F), где n - показатель преломления материала, из которого изготовлен оптический резонатор. Тогда условие сохранение оптической длины резонатора при изменяющейся температуре будет иметь вид:
Для примера рассмотрим корпус из плавленого кварца и латунное кольцо.
Тогда отношение толщины кольца к его радиусу при исходной температуре будет равно:
что вполне приемлемо для
практической реализации.
Таким образом, в предложенной полезной модели достигается требуемый технический результат, который заключается в расширении арсенала технических средств, используемых для обеспечения температурной стабильности оптической длины резонаторов и повышения качества стабилизации.