Устройство стабилизации частоты диодного лазера

Полезная модель относится к оптико-электронной технике и может быть использована в качестве устройства управления в системах стабилизации частот излучения независимых лазерных источников к частотам собственных резонансов эталонных резонаторов.
Недостатки лазерных источников излучения, например диодных лазеров, заключаются в том, что их ширина линии свободной генерации превышает требуемые значения этой характеристики, что нежелательно в некоторых прикладных задачах.
Предложенное устройство позволяет стабилизировать частоту лазерного излучения с привязкой к моде спектрального фильтра опорного резонатора, например, фильтра Фабри-Перо. Такие лазерные системы, с относительно узкой спектральной линией и, как следствие, с высокой длиной когерентности излучения, могут использоваться в различных прикладных системах голографической микроскопии, безопасности, хранении данных, интерферометрии и т.п.
Известно спектрально-селективное устройство [RU 2526584, С2, G01J 3/44, 27.08.2017], содержащее микроскопный объектив или микроскоп, укомплектованный и подключенный к компьютеру одно- или двухкоординатным транслятором образца в плоскости, перпендикулярной оптической оси объектива, и выполнен с возможностью управления устройством перемещения образца, а также синхронизации пошагового сканирования образца и идентификации вещества на каждом шаге с фокусировкой лазерного луча объективом микроскопа в пятно микронных или субмикронных размеров.
Недостатком устройства является относительно ограниченная область применения, исключающая возможность его использования для стабилизации частот излучения независимых лазерных источников к частотам собственных резонансов эталонных интерферометров.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство [RU 2564517, С2, H01S 3/067, 10.10.2015], представляющее собой волоконный импульсный линейный лазер с пассивной синхронизацией мод излучения, который содержит оптически связанные источник излучения накачки, поддерживающий поляризацию излучения волоконный линейный резонатор, содержащий последовательно расположенные спектрально селективный отражающий элемент, коллиматор, торец волокна, не отражающий излучение лазера назад в это волокно, усиливающее волокно, минимум один волоконный модуль спектрального сведения для введения излучения накачки в резонатор, минимум один поляризационно-зависимый ответвитель для вывода излучения из резонатора, торец волокна, не отражающий излучение лазера назад в это волокно, коллиматор, фокусирующий излучение оптический элемент, зеркало резонатора. Зеркало резонатора расположено на плоской поверхности прозрачного для излучения лазера оптического элемента с керровской нелинейностью и толщиной более 0,5 мм, вторая плоская поверхность которого расположена между зеркалом и фокусирующим излучение оптическим элементом и имеет угол наклона более одного градуса к оси резонатора лазера.
Недостатком наиболее близкого к предложенному технического решения является относительно ограниченная область применения, исключающая возможность его использования для стабилизации частот излучения независимых лазерных источников к частотам собственных резонансов эталонных интерферометров и обеспечивающих большую длину когерентности излучения. Это сужает арсенал технических средств, которые могут быть использованы для стабилизации частот диодных лазеров.
Задачей, которая решается в полезной модели, является создание устройства для стабилизации частоты лазерного излучения к моде спектрального фильтра опорного резонатора с целью расширения области применения и его использования для стабилизации частот излучения независимых лазерных источников к частотам собственных резонансов эталонных интерферометров с повышенным качеством стабилизации, обеспечивающего большую длину когерентности излучения, а также расширения на это основе арсенала технических средств, которые могут быть использованы для стабилизации частот диодных лазеров.
Требуемый технический результат заключается в повышении качества стабилизации и в расширении арсенала технических средств, которые могут быть использованы для стабилизации частот диодных лазеров к частотам собственных резонансов эталонных резонаторов.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее оптический резонатор и первое полупрозрачное зеркало, оптический вход которого соединен с выходом оптического резонатора, согласно полезной модели, введены второе полупрозрачное зеркало, выполненное с возможностью подачи на его оптический вход излучения диодного лазера, отражающее зеркало, оптический вход которого соединен с первым оптическим выходом первого полупрозрачного зеркала, а выход соединен с оптическим входом оптического резонатора, третье полупрозрачное зеркало, первый оптический вход которого соединен с выходом второго полупрозрачного зеркала, четвертое полупрозрачное зеркало, первый оптический вход которого соединен с выходом третьего полупрозрачного зеркала, а оптический выход объединен со вторым оптический входом, соединенным с первым оптическим выходом первого полупрозрачного зеркала, первый фотодетектор, оптический вход которого соединен со вторым оптическим выходом первого полупрозрачного зеркала, первый пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор, вход которого соединен с выходом первого фотодетектора, сумматор, первый вход которого соединен с выходом первого пропорционально-интегрально-дифференцирующего регулятора, а выход выполнен с возможностью соединения с токовым входом диодного лазера, второй фотодетектор, оптический вход которого соединен с оптическим выходом четвертого полупрозрачного зеркала, второй пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор, вход которого соединен с выходом второго фотодетектора, а выход соединен со вторым входом сумматора.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что оптический резонатор может быть выполнен в виде резонатора Фабри-Перо.
На чертеже представлен:
на фиг. 1 - устройство стабилизации частоты диодного лазера совместно с диодным лазером;
ф1
0
на фиг. 2 - сигнал на выходе первого фотодетектора I в зависимости от отстройки частоты лазерного излучения от частоты собственной моды резонатора V.
Устройство стабилизации частоты диодного лазера содержит оптический резонатор 1 и первое полупрозрачное зеркало 2, оптический вход которого соединен с выходом оптического резонатора 1.
Кроме того, устройство содержит второе полупрозрачное зеркало 3, выполненное с возможностью подачи на его оптический вход излучения диодного лазера 4, отражающее зеркало 5, оптический вход которого соединен с первым оптическим выходом первого полупрозрачного зеркала 3, а выход соединен с оптически входом оптического резонатора 1, третье полупрозрачное зеркало 6, первый оптический вход которого соединен с выходом второго полупрозрачного зеркала 3, четвертое полупрозрачное зеркало 7, первый оптический вход которого соединен с выходом третьего полупрозрачного зеркала 6, а оптический выход объединен со вторым оптический входом, соединенным с первым оптическим выходом первого полупрозрачного зеркала 2, первый фотодетектор 8, оптический вход которого соединен со вторым оптическим выходом первого полупрозрачного зеркала 2, первый пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор 9, вход которого соединен с выходом первого фотодетектора 8, сумматор 10, первый вход которого соединен с выходом первого пропорционально-интегрально-дифференцирующего регулятора 9, а выход выполнен с возможностью соединения с токовым входом диодного лазера 4, второй фотодетектор 11, оптический вход которого соединен с оптическим выходом четвертого полупрозрачного зеркала, второй пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор 12, вход которого соединен с выходом второго фотодетектора 11, а выход соединен со вторым входом сумматора 10.
Используется устройство стабилизации частоты диодного лазера следующим образом.
Излучение диодного лазера 4 делится с помощью второго полупрозрачного зеркала 3 на два потока. Меньшая часть излучения, примерно 10% от общей его мощности, попадает в резонатор 1 через отражающее зеркало 5 и после выхода из него снова делится на два потока в отношении 1:1. Первый поток, пройдя первое полупрозрачное зеркало 2, поступает на оптический вход первого фотодетектора 8, а второй поток сбивается с излучением диодного лазера 4 на четвертом полупрозрачном зеркале 7 и направляется на оптический вход второго фотодетектора 11.
При совпадении частот излучением диодного лазера 4 с собственной модой резонатора 1 первый фотодетектор 8 зарегистрирует максимум пропускания, а несовпадение этих частот ведет к снижению амплитуды этого сигнала на выходе первого фотодетектора 8.
Первый фотодетектор 8, расположенный после резонатора 1, чье пропускание зависит от отстройки частоты лазерного излучения от моды резонатора 1, формирует сигнал, подаваемый на вход первого пропорционально-интегрально-дифференцирующего регулятора 9, который необходим для медленной подстройки частоты излучения диодного лазера 4.
На фиг. 2 представлен график сигнала на выходе 1 первый фотодетектор 8 в зависимости от отстройки частоты лазерного излучения от частоты собственной моды резонатора 1. К склону, который помечен наклонной линией, касательной к сигналу пропускания, осуществляется привязка частоты диодного лазера 4: устанавливается значение, равное около 50 процентов пропускания от максимального значения сигнала пропускания первого фотодетектора 8, если сигнал пропускания меньше установленного значения, то первый пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор 9 формирует сигнал ошибки, который используется для подстройки частоты диодного лазера 4, так, чтобы пропускание первого фотодетектора 8 приблизилось к установленному значению.
Быстрая петля обратной связи формируется гомодинным детектором, функции которого выполняет второй фотодетектор 11, сигнал которого пропорционален интенсивности биений двух потоков излучений: прошедшего сквозь резонатор 1 с более стабильной частотой и пришедшего напрямую из диодного лазера 4 с менее стабильной частотой. Полученный сигнал биений на выходе второго фотодетектора 11 поступает во второй пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор 12, который формируют сигнал ошибки для быстрой подстройки частоты диодного лазера 4.
Сигналы ошибок быстрой и медленной петель обратной связи суммируются сумматором 10 и подаются токовый вход диодного лазера 4 для управления частотой его излучения.
Стабилизированное по частоте излучение возможно отделить с помощью светоделителя на участке между вторым 3 и третьим 6 полупрозрачными зеркалами и использовать с прикладными целями.
Стабильность излучения диодного лазера 4 с предложенным устройством стабилизации его частоты будет ограничено шириной резонансного пропускания резонатора 1 и мощностью излучения, направляемого в резонатор 1. Так, для стабилизированного лазерного излучения с шириной спектральной линии 100 кГц, длина когерентности источника стабильной частоты составит несколько километров, что является хорошим результатом для некоторых прикладных и научных задач и иллюстрирует высокое качество стабилизации.
Таким образом, в предложенном устройстве достигается требуемый технический результат, который заключается в повышении качества стабилизации и расширении арсенала технических средств, которые могут быть использованы для стабилизации частот диодных лазеров к частотам собственных резонансов эталонных резонаторов, например, интерферометров Фабри-Перо.