автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Разработка методов и средств стабилизации частоты He-Ne лазеров для прецизионных измерений

Министерство образования Российской Федерации САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи УДК 621.378.002.2

ВЛАСОВ Александр Николаевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ Не^е ЛАЗЕРОВ ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Специальность 05.27.03 - Квантовая электроника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 2003

Работа выполнена в Балтийском Государственном Техническом Университете (Военмехе) им. Д.Ф. Устинова

Научный консультант: доктор физико-математических наук.

профессор В.Е. Привалов

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор С.К. Стафеев

доктор физико-математических наук, профессор В.А. Степанов

доктор физико-математических наук Я.А. Фофанов,

Ведущее предприятие: ФГУП «Нижегородский научно-исследовательский приборостроительный институт «Кварц», Н. Новгород

Защита состоится «» июня 2003 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д212.227.01 при Санкт-Петербургском государственном инстшуте точной механики и оптики (техническом университете) по адресу: 197101, Санкт-Петербург, ул. Саблинская, 14. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан « Я Ч» апреля 2003 г.

Ваши отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах) просим высылать по адресу: 197101, Санкт-Петербург, ул. Саблинская, 14, секретарю диссертационного совета 212.227.01.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.227.01

В.М. Красавцев

£-006-4

заозб

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие современных технологий требует повышения точности линейных измерений. В этих видах прецизионных измерений наибольшая точность обеспечивается при использовании частотно-стабилизированных Не-№ лазеров. Необходимы лазеры с высокой стабильностью и воспроизводимостью частоты, обладающие при этом повышенной устойчивостью к внешним возмущающим воздействиям, способные работать не только в лабораторных, но и промышленных условиях эксплуатации.

Частотно-стабилизированные Не-Ие лазеры по сравнению с другими приборами аналогичного назначения (полупроводниковыми, СОг-лазерами, аргоновыми и т.п.) имеют ряд преимуществ, среди которых можно отметить следующие:

- удобный спектральный диапазон излучений (видимый и ближний инфракрасный;

- небольшая потребляемая мощность;

- компактность конструкций;

- принципиальная способность работать в широком диапазоне температур окружающей среды (от -50 до +50 °С).

- способность работать в широком диапазоне температур окружающей среды (от -50 до +50 °С).

Создание таких лазеров связано с решением двух технических проблем:

- формированием одночастотного излучения в рабочих модах излучения (одной или двух);

- стабилизацией частоты излучения в каждой из мод.

Решение первой проблемы связано с разработкой соответствующих конструкций излучателей, обладающих необходимыми параметрами для осуществления стабилизации частоты. Решение второй проблемы главным

РОС НАЦИОНАЛЬНА*. . БИБЛИОТЕКА С. Петербург ИК^ЕК_

разработкой эффективных методов и средств стабилизации частоты излучения, позволяющих снизить технические флуктуации частоты до необходимого для потребителей уровня.

Хотя к началу диссертационной работы было создано и исследовано довольно большое количество методов и средств стабилизации частоты излучения лазеров, системного подхода к этому вопросу не было. Кроме того, известный к началу диссертационной работы набор методов и средств стабилизации частоты не обеспечивал необходимый уровень стабильности в частотно-стабилизированных Не-Ие лазерах с терморегулируемыми резонаторами, поскольку не был известен ряд методов и средств, удовлетворяющий требованиям потребителей, таким, в частности, как возможность работы частотно-стабилизированных лазеров в жестких условиях эксплуатации. Необходимо также учитывать, что динамично развивающийся рынок постоянно предъявляет всё более высокие требования к разработчикам и производителям в части снижения себестоимости частотно-стабилизированных лазеров.

Таким образом, решение комплекса вопросов, связанных с разработкой новых и модернизацией существующих методов и средств стабилизации частоты излучения Не-№ лазеров для прецизионных измерений относится к числу актуальных.

Цели и задачи работы

Цель работы состояла в разработке системного подхода в создании частотно-стабилизированных лазеров и восполнении неиспользованных к началу работы возможностей в части разработки новых методов и средств стабилизации частоты Не-№ лазеров для прецизионных измерений, особенно лазеров с терморегулируемыми резонаторами, позволяющих разработчикам успешно проектировать, а потребителям - грамотно эксплуатировать лазеры данного типа.

Для достижение поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

• Разработать теоретическую модель частотно-стабилизированных лазеров.

• Создать излучатели лазеров с внутренними зеркалами с управляемой частотой, обладающих минимальной шириной линии излучения, устойчивых к возмущающим внешним воздействиям.

• Разработать системы автоподстройки (АПЧ) без поискового сигнала, управляющих частотой лазера методом терморегулирования длины резонатора, и системы АПЧ с частотной модуляцией поискового сигнала.

• Разработать дополнительные методы и средства для обеспечения надёжной стабилизации частоты излучения лазеров с ячейками поглощения, позволяющих эффективно использовать конструкторские решения для лазеров с внутренними зеркалами и технику терморегулирования длины резонатора.

• Теоретическое описать и определить допустимый уровень возмущающих воздействий, таких как вибрации, изменения температуры окружающей среды, конвекционные потоки, обратные отражения и нестабильности питающего напряжения.

Необходимо было также решить и ряд вспомогательных задач, таких как:

- улучшение параметров конструкции и характеристик излучателя лазера, состоящего из активного элемента и оптического резонатора, максимальное ослабление и экранирование внешних возмущающих воздействий;

- оптимизация параметров систем АПЧ, примёнёние оптимальных систем, обладающих повышенной точностью привязки частоты излучения лазера к реперу,

- применение реперов с максимальной стабильностью нуля, снижение ширины дискриминационной кривой^ повышение отношения сигнал/шум на выходе оптического дискриминатора;

- использование высокотехнологичных конструкторских

решений, позволяющих создавать частотно-стабилизированные лазеры с наименьшей себестоимостью.

Научная новизна.

Научная новизна выполненных исследований заключается в том, что в них впервые:

1. Разработана модель частотно-стабилизированного лазера с использованием критерия наименьшего уровня технических флуктуаций частоты излучения лазера в условиях одновременного воздействия возмущающих факторов на репер, оптическую длину резонатора при наличии шумов фотоприёмника оптического дискриминатора;

2. Получены соотношения, позволяющие рассчитать предельную нестабильность частоты излучения лазера в заданных условиях эксплуатации;

3. Найдено аналитическое выражение для оптимальной передаточной функции системы автоподстройки частоты лазера для каждого из используемых методов стабилизации;

4. Предложены, реализованы и экспериментально исследованы новые системы стабилизации частоты излучения лазеров с повышенной помехоустойчивостью и точностью регулирования;

5. Разработаны методы расчёта конструкций излучателей с внутренними зеркалами и систем автоподстройки лазеров нового поколения, стабилизированных методом терморегулирования длины резонатора;

6. Определены условия реализации метода терморегулирования длины резонатора в особо прецизионных лазерах с нелинейно поглощающими ячейками.

Достоверность и обоснованность основных теоретических результатов подтверждается рядом авторских свидетельств и патентов, экспериментальными исследованиями, статистической обработкой полученных данных и серийным выпуском разработанных автором приборов.

Практическая значимость

Разработанные методы и средства позволили:

• На этапах проектирования и разработки обоснованно выработать требования к конструкции излучателя и системам автоподстройки частотно-стабилизированных Не-Ие лазеров.

• Повысить стабильность и воспроизводимость частоты излучения лазеров.

• Уменьшить габариты, массу, потребляемую мощность, повысить надёжность частотно-стабилизированных лазеров.

• Решить проблему стабилизации частоты излучения лазера при воздействии дестабилизирующих факторов, соответствующих промышленным и полевым условиям эксплуатации;

• Решить вопрос об обоснованности требований со стороны потребителей.

Научные положения и результаты, выносимые на

защиту:

1. Использование аналитического выражения оптимальной передаточной функции частотно-стабилизированного лазера позволяет однозначно определить его предельно достижимую стабильность частоты для любых значений дестабилизирующих факторов, действующих на лазер, таких, как флуктуации репера, флуктуации длины оптического резонатора и шумы фотоприёмного устройства.

2. Регистрация флуктуаций частоты излучения лазера в виде набора значений нестабильносгей частоты при различных временах усреднения задаёт взаимосвязь с коэффициентом разложения в ряд спектральной плотности флуктуаций частоты, которые однозначно определяют оптимальную передаточную функцию системы стабилизации;

3. Введение преобразований изменений амплитуды и фазы сигнала ошибки в соответствующие изменения частоты опорного генератора системы автоподстройки частоты методом внесения реактивных составляющих повышает помехоустойчивость и точность стабилизации параметров лазера;

4. Основное влияние на кратковременную нестабильность частоты терморегулируемого лазера с внутренними зеркалами, используемого для прецизионных измерений, оказывают флуктуации тока разряда, шумы излучения и помехи на входе системы АПЧ, а основное влияние на долговременную нестабильность оказывают уходы репера в виде разбаланса мод;

5. Терморегулирование в особо прецизионных лазерах с нелинейно поглощающими ячейками требует использования дополнительных быстродействующих элементов подстройки частоты, в частности, на основе электромагнитного эффекта.

6. Метод двойного терморегулирования с фиксированной температурной точкой повышает воспроизводимость частоты и позволяет увеличить температурный диапазон работы частотно-стабилизированных лазеров.

Практическая ценность

Научные исследования, определившие содержание диссертации проводились:

• в соответствии с планами научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Министерства электронной промышленности СССР;

• в соответствии с программой докторантуры Балтийского Государственного Технического Университета (Военмеха) им. Д.Ф. Устинова;

• Результаты диссертационных исследований были использованы при создании приборов ЛГ-149, ЛГ-149-1, ЛГН-209, ЛГ-64, ЛГН-303, ЛГН-212Т и ряда других приборов, разработанных в НПО «Плазма», г. Рязань.

• Разработанные приборы демонстрировались на ВДНХ СССР и были отмечены медалями.

Личный вклад автора. Диссертация написана по материалам исследований, выполненных лично автором, при его непосредственном участии или под его руководством. Автором выполнены исследования, определившие защищаемые положения и методики. Соавторство, в основном, относится к практической реализации и выполнению части экспериментальных исследований.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на IV Всесоюзной конференции по газовым лазерам, Рязань, 1974; на Всесоюзной межвузовской научно-технической конференции "Применение ОКГ в приборостроении, машиностроении и медицинской технике", Москва, 1976; на Межотраслевой научно-технической конференции по газовым лазерам, Рязань, 1980; на Всесоюзной научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение частотных и спектральных характеристик излучения лазеров." Харьков, 1982; на П Мёжотраслевой научно-технической конференции по газовым лазерам, Рязань, 1986; на семинаре Тихоокеанского океанологического института «Применение лазерных деформографов в сейсмоакустике», Владивосток, 1989; на пятом Петербургском семинаре-выставке "Лазеры для медицины и биологии", С - Петербург, 1997; International Workshop on New Approaches to И-Tech Materials 97, Nondestructive Testing and Computer Simulations in Material Science and Engineering (NTDCS-97), St. Petersburg, Russia, 1997; International Workshop on New Approaches to Hi-Tech Materials 98, Nondestructive Testing and Computer Simulations in Material Science and Engineering (NTDCS-98), St. Petersburg, Russia, 1998; IX Conference on Laser Optics, St. Petersburg, Russia, 1998; на седьмом Петербургском семинаре-выставке "Лазеры для медицины и биологии", С.- Петербург, 1999; Third International Workshop on New Approaches to И-Tech: Nondestructive Testing and Computer Simulations in Material Science and Engineering (NTDCS-99), St. Petersburg, Russia, 1999; International Con-

ference on Lasers for Measurements and Information Transfer, 8-9 June 2000 St Petersburg, Russia; Second International Conférence on Lasers for Measurements and Information Transfer, 6-8 June 2001 St Petersburg, Russia; на конференции «Лазеры для медицины и биологии», Санкт-Петербург 27-28 ноября 2002. Основные результаты диссертации опубликованы в 52 научных работах, перечень которых указан в конце рефератата.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и четырёх приложений. Материал изложен на 294 страницах, включает 105 рисунков, 12 таблиц и список литературы из 205 наименований. Приложения содержат 23 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении аргументирована актуальность работы, сформулированы задачи исследования и основные положения, защищаемые автором. Указана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приводится структура работы.

Глава первая. Данная глава является обзорной. В ней по имеющимся публикациям рассмотрены результаты разработок методов и средств стабилизации частоты излучения лазеров, способы измерения флуктуаций и сдвигов частоты.

Частота излучения лазера как и любого генератора является функцией времени и может быть рассмотрена в виде совокупности номинального значения, систематического изменения и статистических флуктуационных изменений. Систематическое изменение частоты связано с однонаправленными изменениями параметров, а статистические флуктуационные изменения - со случайными изменениями параметров лазера.

Основными характеристиками флуктуаций и сдвигов частоты лазеров являются нестабильности и погрешности вое-

прогаведения частоты, определение которых регламентировано Государственными и отраслевыми стандартами. Измерение отклонений частоты производится обычно путём смешивания излучений двух и более лазеров на фотоприёмниках.

Уменьшение флуктуаций частоты излучения лазеров достигается путём введения стабилизации и улучшения её качества. Обобщенная схема частотно-стабилизированного лазера содержит активный элемент, размещенный в оптическом резонаторе, оптически связанный с ними оптический дискриминатор, в котором с помощью фотоприёмника отклонения частоты преобразуются в сигнал ошибки, выход фотоприемника подключен ко входу системы автоподстройки частоты (АПЧ), выход которой связан с управляющим элементом оптического резонатора, подстраивающим частоту лазера в направлении к реперной точке. Такая схема может быть дополнена системой пассивной стабилизации.

Описанные в литературе методы и средства стабилизации частоты классифицированы на основе следующих существенных признаков: по режиму работы - различаются одно-частотные и многомодовые лазеры; по типу оптических дискриминаторов - различаются лазеры с внутренними, внешними и смешанными дискриминаторами, последние включают в себя элементы как внешнего, так и внутреннего дискриминаторов. Введение классификации позволило более чётко проанализировать достоинства и недостатки каждого из конкретных методов и средств стабилизации.

Анализ результатов, содержащихся в литературных источниках, позволил выделить вопросы, возникающие при создании частотно-стабилизированных лазеров, в частности вопросы, связанные с повышением стабильности и воспроизводимости частоты. На основании этих вопросов были сформулированы задачи, решаемые в данной диссертационной работе.

Глава вторая. В этой главе представлены теоретические основы проектирования частотно-стабилизированных лазеров. В рамках этой теории построена модель частотно-стабилизированного лазера, найдены предельно достижимые значения стабильности и воспроизводимости частоты лазера в заданных условиях эксплуатации, синтезирована оптимальная передаточная функция лазерной системы, приведены обоснования выбора составных элементов частотно-стабилизированных лазеров.

Исходным пунктом построения модели частотно-стабилизированного лазера является установление взаимосвязи частотного спектра сигнала ошибки на выходе оптического дискриминатора с флуктуациями частоты излучения лазера. Эта взаимосвязь в режиме стабилизации описывается соотношениями:

где и„- амплитуда сигнала ошибки; и - номер рабочей гармоники системы автоподстройки (обычно п= 1, или и=3); В^-коэффициент передачи оптического дискриминатора; и„тах-максимальное значение сигнала ошибки; О- расстройка частоты излучения лазера; |3„- постоянный для заданного типа лазера коэффициент, имеющий размерность оптической частоты; /?[*]- дискриминационная кривая оптического дискриминатора; £1птах- расстройка частоты излучения, соответствующая максимальному значению сигнала ошибки; €1М - ам-

я

плитуда модуляции частоты излучения; \|/(со0^)- модулирующая функция, например, \|/(ю= 5/то01; ©0- частота модуляции; I - текущее время.

А)

Иуд-^-^.....^

сел

8 0,0©) рР(М)

Б)

Рис. 1. Функциональная (А) и структурная (Б) схемы

частотно-стабилизированного лазера: 1 - излучатель; 2 - оптический дискриминатор; 3 - фотоприёмник; 4 - узкополосный усилитель; 5 - синхронный детектор; 6 - усилитель постоянного тока; 7 - исполнительный элемент; 8 - устройство регистрации частоты излучения лазера; 9 - генератор опорного напряжения; 10 - модулирующий элемент.

При стабилизации частоты с помощью систем АПЧ выделены следующие основные факторы, ограничивающие стабильность частоты излучения лазера: П^©) - внешние воздействия на оптическую длину резонатора лазера; п^(ую) -возмущения оптической длины резонатора лазера сигналом модуляции; С2р(у®) - шумы фотоприёмника и входных цепей системы АПЧ; Ол(у<») - флуктуации частоты репера. Каждое из воздействий приводит к соответствующему вкладу в результирующее отклонение частоты излучения лазера 0(уш), которое регистрируется в виде вариаций частоты излучения ДЧ/ю), рис. 1.

Структурная схема на рис. 1 приведена в сопоставлении с типичной функциональной схемой частотно-

стабилизированного лазера. Здесь /(,0е0) " передаточная функция репера; - передаточная функция системы

АПЧ; ЯГ(/со)- передаточная функция исполнительного устройства; /(/'©) - передаточная функция устройства регистрации частоты.

Регистрируемая вариация частоты излучения в этом случае может быть записана в операторной форме Ду(/со) и

представлена соотношениями, которые составляют основу теоретической модели частотно-стабилизированного лазера:

аЧ/ю) =/(/<$>) х

* {«,(>)[/ - Ч/е>)] - [ая(>) + пДуга)]ф(/а)) + Пм(/ю)}'

фГ/шЬ Л'Ош^О®)^®)

4 ' 1 + ^'0© )к 0<а)г0©)'

где Ф (7'ю ) - передаточная функция замкнутой лазерной системы.

Следствием вышеуказанных соотношений являются формулы для предельно достижимой в заданных условиях эксплуатации нестабильности частоты излучения - а(т) и оптимальной передаточной функции системы АПЧ - Г0(/а):

где иы напряжение шумов на входе системы АПЧ; Т7 - полоса частот, которую занимают эти шумы; т - время усреднения устройств регистрации; \0- номинальная частота излучения; - средний квадрат отклонений частоты излучения в свободном режиме генерации; Т- средний период этих отклонений.

Кроме того, указанные соотношения позволяют найти долговременную нестабильность и погрешность воспроизведения частоты излучения лазера. Эти параметры характеризуются сдвигами частоты излучения Л\> , определяемыми с помощью формул:

Ау = £2« +С1Р,

иптах I / /=I

где Од - систематический сдвиг частоты репера; О.Р - систематический сдвиг частоты лазера, вносимый системой АПЧ; С/, -паразитный сигнал на выходе / -го элемента системы АПЧ; к} - коэффициент усиления } -го элемента системы АПЧ.

На основе проведенного анализа сформулированы требования к элементам конструкции и составным частям частотно-стабилизированных лазеров:

• Аютивные элементы должны генерировать излучение без посторонних поперечных мод, иметь стабильную юстировку, жесткий оптический резонатор, повышенные точности наполнения и состава газовой смеси, должны отсутствовать страты и другие источники внутренние шумы, должны обеспечивать стабильность поляризации и возможность управления частотой излучения лазера с необходимой плавностью перестройки.

• Высоковольтные источники питания должны обеспечивать жесткие требования к стабильности тока, пониженные уровни пульсаций, повышенные требования по электромагнитной совместимости с другими электронными системами.

• Системы автоподстройки должны иметь оптимальную передаточную функцию и иметь элементы с минимальным дрейфом параметров.

• Выбор исполнительных элементов должен обеспечивать необходимый диапазон и точность автоподстройки частоты излучения лазеров.

Глава третья посвящена разработке методов и средств стабилизации частоты излучения Не-Ие лазеров с внутренними зеркалами, в которых в качестве репера используется линия усиления гелий-неоновой смеси. В данной разновидности лазеров в качестве основного используется метод терморегулирования длины оптического резонатора. Рассмотрены результаты разработок и исследований лазеров типа ЛГН-303, лазера с повышенной воспроизводимостью частоты для гравиметров, конструкций широкого применения со стабилизацией по уровню мощности, зеемановских лазеров, лазеров с фа-зоанизотропным элементом, многоволновых лазеров и терморегулируемого кольцевого лазера.

Для лазеров типа ЛГН-ЗОЗ со стабилизацией методом терморегулирования по заданному соотношения интенсивно-стей ортогонально поляризованных мод экспериментально установлено, что газоразрядные Не-Ке трубки с длиной резонатора порядка 24 см, рис. 2, работают в режиме генерации двух ортогонально поляризованных мод, причём с как с сохранением поляризаций в резонаторных модах, так и с перескоками поляризаций. Предпочтение отдавалось трубкам с сохранением поляризаций мод.

На основе теории, изложенной во 2-й главе, и экспериментальных данных вычислена ожидаемое значение нестабильности частоты излучения и найдена оптимальная передаточная функция системы АПЧ. Вычислены также параметры системы стабилизации: частота среза системы, определяющие её быстродействие, номиналы резисторов и конденсаторов в цепях обратной связи операционных усилителей системы АПЧ, постоянная времени медленнодействующего канала контура стабилизации. Это позволило спроектировать компактную и надёжную базовую конструкцию лазера для прецизионных измерений.

12 11 9 8 7 10 в 5 4 3 2 1 13

Рис. 2. Конструкция излучателя лазера ЛГН-ЗОЗ.

На боковую поверхность газоразрядной трубки 1 намотана би-филярная спираль 2. Для увеличения устойчивости к разъюстировке сверху наложена теплораспределительная рубашка 3 из трёх слоёв алюминиевой фольги и вся эта конструкция закреплена в пермаллоевом корпусе 4 с помощью заливки компаундом 5. К газоразрядной трубке 1 через стеклянную втулку 6 на основании 8 укреплён двулучепреломляющий кристалл 7 и фотодиод 9. Перед кристаллом 7 установлен фильтр красного излучения 10. На концах корпуса 4 установлены торцевые заглушки 12 и 13 на одной из которых закреплён блок балластных резисторов 11.

Показано экспериментально, что лазеры типа ЛГН-303 обладают относительной нестабильностью частоты излучения на уровне 2-Ю'10 за 15 минут и 2-10"9 за 8 часов работы, что близко к расчётным значениям. Диапазон отработки внешних температурных изменений для таких лазеров составляет ±7 К, при максимальной подводимой мощности к нагревателю 4 Вт.

Проведено также исследование ширины линии излучения лазера ЛГН-303 при модуляции тока разряда трубки. Уширение линии излучения составило 50 кГц на каждый процент амплитуды модуляции тока. При этом на частотах модуляции меньших 5 Гц происходит резкое снижение девиации частоты излучения благодаря отработке возмущений системой АПЧ. Собственная ширина линии излучения лазера при нулевой внешней модуляции тока разряда не превышало 20 кГц, что намного уже ширины линии излучения лазеров с внешними зеркалами.

Теоретические и экспериментальные исследования долговременной нестабильности и погрешности воспроизведения частоты излучения лазеров типа ЛГН-303 показали, что наиболее существенными факторами, приводящими к сдвигам частоты излучения, являются дрейфы параметров оптического дискриминатора и элементов системы АПЧ при изменении температуры окружающей среды. Поддержка температуры с точностью 1 К обеспечивает сдвиг не более 1 МГц, что соответствует относительному значению долговременной нестабильности порядка 210"9.

Повышение долговременной стабильности и воспроизводимости частоты излучения достигается в лазерах с внутренними зеркалами с уменьшенной длиной оптического резонатора. Такие лазеры могут быть использованы для абсолютных гравиметров. Улучшение параметров достигается за счёт существенного увеличения крутизны оптического дискриминатора. На рис. 3 показ&н спектр излучения лазера с ультракоротким резонатором в свободном режиме генерации:

Мощность

Контур мощности

Горизонтальная мода

Частота

Рис. 3. Спектральные характеристики лазерной трубки с ультракоротким оптическим резонатором:

(A) • область существования моды с вертикальной поляризацией;

(Б) - область «перескоков» поляризации;

(B) - область существования моды с горизонтальной поляризацией.

частотное расстояние между соседними модами резонатора c/2L=1300 МГц, а ширина доплеровской линии Avd =1500 МГц. В результате область существования двух поляризаций -очень узкая, порядка ±50 кГц, что обеспечивает очень высокую крутизну оптического дискриминатора. Дополнительным средством повышения воспроизводимости является использование двойного контура терморегулирования, благодаря чему обеспечивается стабилизация частоты при одной и той же температуре, задаваемой термодатчиком.

Метод терморегулирования длины резонатора применен также в зеемановских лазерах. Для этого был разработан специальный активный элемент, эскиз которого представлен на рис. 4.

В результате сдвиги частоты при ДТ«3 °С составляют примерно 0,5 МГц, что соответствует воспроизводимости частоты от включения к включению прибора на уровне ~10"9.

Рис. 4. Эскиз терморегулируемого активного элемента для зеемановского лазера:

1- выходное зеркало; 2 - юстировочный патрубок с перетяжкой из сверх пластичного материала 42НАВИ; 3 - ко-варовый патрубок; 4 - стеклянный капилляр; 5 - стеклянная оболочка; 6 - нагревательный элемент (резистивная плёнка; 7 - стеклянный конус; 8 - катод; 9 - торцевая ко-варовая часка; 10 - юстировочный патрубок; 11 - плотное зеркало; 12 - технологический патрубок для откачки.

Созданный активный элемент пригоден для зееманов-ских лазеров как с продольным, так и поперечным магнитным полем.

Большое внимание в этой главе уделено частотным методам привязки частоты в зеемановских лазерах, обеспечивающих высокие характеристики стабилизации при относительно простых конструкциях излучателей и систем АПЧ.

В качестве перспективных конструкций в диссертации рассмотрены методы терморегулирования в двухчастотных лазерах с фазоанизотропными элементами. При этом терморегулирование осуществляется не только для подстройки оптической частоты, но и для управления разностной частотой.

Рассмотренные в главе двухволновые лазеры удобны для использования в абсолютных линейных измерениях и отличаются использованием двойного контура терморегулирования с точкой начальной привязки, задаваемой температурой оптического резонатора. Это обеспечивает высокую воспроизводимость частоты излучения от включения к включению лазера.

В главе также рассмотрен кольцевой лазер с повышенной начальной частотной расстройкой. Повышение частоты расстройки достигается за счёт генерации встречных волн на соседних модах оптического резонатора. Стабилизация частоты такого лазера осуществляется методом терморегулирования длины резонатора.

Глава четвёртая посвящена разработке методов и средств стабилизации частоты излучения компактных терморегулируемых Не-№ лазеров с ячейками поглощения.

В этой главе приведены результаты исследований про-мышленно выпускавшихся лазеров типа ЛГ-149-1, стабилизированных по внешней зеемановской ячейке, рассчитаны параметры системы стабилизации и получены экспериментальные данные по стабильности частоты, подтверждающие данные расчётов. Показано, что при воздействии возмущающих факторов в виде модуляции тока разряда активного элемента наблюдаются отклонения частоты, наибольшие всплески которых возникали при совпадении частоты возмущений с единичной и половинной частотой опорного генератора. На основе проведенных исследований созданы терморегулируемые излучатели с повышенной устойчивостью к возмущающим факторам.

Значительное внимание в рассматриваемой главе уделено лазерам, стабилизированным методом терморегулирования длины резонатора по пикам внутренней нелинейно поглощающей йодной ячейки. Рассмотрены особенности терморегулирования при узком резонансе. Показано, для осуществления метода терморегулирования при узких резонансах необходимо использование дополнительного быстродействующего исполнительного элемента. Сформулированы требования к дополнительному исполнительному элементу для лазера, стабилизированного методом терморегулирования по йодной ячейке: постоянная времени дополнительного исполнительного элемента должна быть не менее чем в три раза меньше ха-

р'актерного времени стабилизации хс, что соответствуют требованию к собственной частоте /.средства подстройки оптической частоты

Л 2твос

Показано, что /е >2 кГц при типичных значениях параметров.

Такое средство на основе электромагнитного эффекта было разработано автором. Оно показано на рис. 5 в составе терморегулируемого излучателя: это элементы 12-Иб.

Рис. в. Терморегулируемый излучатель с йодной ячейкой:

1 - анодный юстируемый патрубок с зеркалом оптического резонатора; 2 - баллон газоразрядной трубки - несущая часть оптического резонатора («А» -анод, «К» -катод); 3 - нагреватель; 4 - коваровая трубка; 5 - патрубок катодного торца; в - сварной шов; 7 - коваровый патрубок; 8 - стеклоцементный шов; 9 - иг-ячейка; 10 - кова-ровый диск; 11 - катодный юстируемый патрубок с зеркалом оптического резонатора; 12 - постоянный магнит; 13 - торцевой магнитопровод; 14 - внутренний цилиндрический магнитопровод; 15 - управляющая обмотка быстродействующего исполнительного элемента; 1в - внешний цилиндрический магнитопровод; 17 - охлаждаемый отросток ячейки с йодным конденсатом.

Для повышения контрастности пиков в главе рассмотрен линейный Не^еЛг -лазер, в котором возможен режим конкурирующих встречных волн по аналогии с кольцевым лазером, рис. 6. Он содержит активный элемент 1 и поглощающую ячейку 2, размещённые внутри оптического резонатора, состоящего из сферического зеркала 3 с пьезокорректором 4 и двух пластин 5 и 6, расположенных под углом ф относительно друг друга, и систему 7 стабилизации частоты.

Для разнесения пучков света в области пространства поглощающей ячейки между рабочими поверхностями пластин 5 и 6 выбирается угол <р, меньший тс¡2 радиан. Величина угла ф составляет

1С А

где А - расстояние между центрами рабочих поверхностей пластин; Ь - расстояние между отражателями. При типичных размерах й=3-10'3 м, 1=0,4 м угол ф составляет 1,5632963 радиан или 89°34\

Рассмотрены также конструкции, методы и средства стабилизации частоты излучения терморегулируемых Не-Ые/СН» лазеров, которые аналогичны таковым для Не-№/12 лазеров.

Глава пятая посвящена вопросам обработки экспериментальных данных о частотных флуктуациях и прецизионным системам автоподстройки. В ней излагаются практические методы измерения стабильности и воспроизводимости частоты посредством оптического гетеродинирования трёх лазеров с представлением достаточно большого количества результатов исследований промышленных образцов частотно-стабилизированных Не-Ке лазеров. Представлены также результаты измерения длины волны излучения лазеров типа ЛГН-303 методом метки нулевых биений с Не-ИеЯа лазером «Стандарт-У».

Существенное внимание в главе уделено рассмотрению влияния внешних возмущающих факторов, таких как изменения температуры и давления окружающей среды, колебания питающего напряжения, воздействие вибраций, акустических колебаний и турбулентных потоков, а также обратные отражения. Установлено, что существуют определённые расстояния от резонатора лазера, при котором воздействие обратных отражений уменьшается.

На основе проведенного анализа определены допустимые уровни внешних возмущающих воздействий, допустимые при эксплуатации частотно-стабилизированных лазеров, обосновывается типичный набор параметров, записываемый в технические условия на частотно-стабилизированные лазеры.

Особое внимание в главе уделено разработке систем автоподстройки частоты с повышенной помехоустойчивостью и точностью стабилизации, включая цифровые системы.

"с 6

VI

й-12

г™

7 х 1 1

- - 1

Рис. 7. Функциональная схема системы стабилизации частоты лазера с частотной модуляцией (ЧМ) поискового сигнала.

Повышение помехоустойчивости достигается посредством введения частотной модуляции в поисковый сигнал в зависимости от амплитуды и фазы сигнала ошибки, рис 7. Эта система содержит: 1 - объект регулирования, представляющий собой излучатель с оптическим дискриминатором, 2 - фильтр, 3 -усилитель, 4 - фазосдвигающий блок, 5 - первый сумматор, б -второй сумматор, 7 - частотозадающий блок, 8 - ограничитель амплитуды сигнала, 9 - функциональный преобразователь, 10 -генератор поискового сигнала, 11 - интегратор, 12 - частотный детектор. Показано, что при П « Ос, где Я - полоса частото-задающего блока, а Лс - частота среза системы АПЧ, помехоустойчивость рассматриваемой системы возрастает в 2Пе/П раз (примерно на один-два порядка).

На основе устройства, рис. 7, разработана цифровая система стабилизации, позволяющая увеличить точность регулирования и тем самым повысить долговременную стабильность и воспроизводимость частоты излучения лазеров.

В связи с тем, что стабильность тока разряда существенно влияет на характеристики лазера, в главе существенное внимание уделено прецизионным источникам питания. Рассмотрены однотактные и двухтактные схемы, приведены конкретные схемотехнические решения.

Заключение

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Изложены научно обоснованные технические решения в области частотно-стабилизированных лазеров, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса, в частности, позволило создать рад частотно-стабилизированных Не-№ лазеров для прецизионных линейных и угловых измерений.

2. Создана теоретическая модель частотно-стабилизированных лазеров, в камках которой установлена взаимосвязь частотного спектра сигнала на выходе оптического дискриминатора с

флукхуациями частоты излучения в частотно-стабилизированных лазерах, найдены коэффициенты взаимосвязи для различного типа лазеров.

3. Получена передаточная функция оптимальной системы АПЧ, позволяющая создавать частотно-стабилизированные лазеры с наименьшими уровнями флуктуаций частоты излучения.

4. Определены предельно достижимые значения кратковременной нестабильности частоты излучения в частотно-стабилизированных лазерах, которые могут быть получены в заданных условиях эксплуатации при наличии внешних возмущающих факторах, таких как вибрации, акустические колебания, турбулентные потоки, обратные отражения.

5. Получены соотношения для сдвигов частоты, определяющих долговременную нестабильность и погрешность воспроизведения частоты излучения в стабилизированных лазерах, в том числе подробно проанализированы сдвиги, вносимые системами АПЧ; показаны пути повышения долговременной стабильности и воспроизводимости частоты излучения стабилизированных лазеров.

6. Выработаны требования к конструкции излучателей, оптических дискриминаторов и систем АПЧ, что позволяет осуществлять оптимальное проектирование частотно-стабилизированных лазеров.

7. Установлено, что в случае стационарности случайного процесса флуктуаций частоты излучения существует однозначная взаимосвязь спектральной плотности S(e>) и дисперсии D{x), получаемой при различных временах усреднения т, что позволяет корректировать исходные данные для оптимизации систем АПЧ.

8. Предложены и опробованы методы частотной модуляции поискового сигнала в системах АПЧ, что позволяет создавать цифровые системы АПЧ и на один-два порядка повысить помехоустойчивость и точность привязки частоты в реперу в частотно-стабилизированных лазерах.

9. Разработан ряд лазеров с внутренними зеркалами, стабилизированных методом терморегулирования длины резонатора, в которых применены новые методы и средства стабилизации частоты.

10. Проведены теоретические и экспериментальные исследования флуктуаций и сдвигов частоты излучения лазеров, стабилизированных по ячейкам поглощения.

11. Проведены экспериментальные исследования характеристик различных частотно-стабилизированных Не-Ме лазеров в реальных условиях эксплуатации при использовании их в научных исследованиях и промышленности

12. Разработаны конструкции лазеров с внутренними нелинейно поглощающими ячейками поглощения (Не-НеДг, Не-Ме/СНД стабилизированные методом терморегулирования длины резонатора. Разработан универсальный подход к проектированию частотно-стабилизированных лазеров любых типов для любых условий эксплуатации.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. А. с. № 661504 с приоритетом от 4.03.1974 г. Система экстремального регулирования// А.Н. Власов.

2. А. с. № 649273 с приоритетом от 10.12.1976 г. Газоразрядная трубка газового лазера// АН. Власов, В.А. Перебя-кин, Г.Т. Тимошенко.

3. А. с. № 679064 с приоритетом от 16.02.1977 г. Устройство стабилизации частоты лазера// А.Н. Власов, В.В. Тесел-кин.

4. А. с. № 646734 с приоритетом от 4.01.1977 г. Газовый лазер// А.Н. Власов, В.А. Перебякин, Г.Т. Тимошенкб.

5. А. с. № 719301 с приоритетом от 3.05.1978 г. Система экстремального регулирования// А.Н. Власов.

6. А. с. № 888069 с приоритетом от 10.03 .1980 г. Система экстремального регулирования// А.Н. Власов.

7. А. с. № 888070 с приоритетом от 20.03.1980 г. Система экстремального регулирования// А.Н. Власов.

8. А. с. №893100 с приоритетом от 21.08.1981 г. Газоразрядная трубка газового лазера// А.Н. Власов, А .Я. Паюров,

B.А. Перебякин, Г.Т. Тимошенко.

9. А. с. № 1251768 с приоритетом от 18.10.1983 г. Частотно-стабилизированный газовый лазер// А.Н. Власов, В.Е. Привалов.

10. А. с. № 1202476 с приоритетом от 25.04.1984 г. Устройство для стабилизации частоты лазера// С.П. Борисовский, А.Н. Власов, A.B. Козлов.

11. А. с. № 1396898 с приоритетом от 13.04.1984 г. Частотно-стабилизированный лазер// А.Н. Власов, В.А. Перебякин, В.Е. Привалов, Г.Т. Тимошенко.

12. А. с. № 1335099 с приоритетом от 22.04.1985 г. Двух-частотный газовый лазер// С.П. Борисовский, А.Н. Власов,

C.Ю. Поляков, Г.Т. Тимошенко.

13. А. с. № 1327760 с приоритетом от 2.12.1985 г. Частотно-стабилизированный лазер// А.Н. Власов, К.С. Гайнутди-нов, Г.Т. Тимошенко.

14. А. с. № 1302971 с приоритетом от 8.12.1986 г. Газовый лазер// А.Н. Власов, В.А. Перебякин.

15. А с. № 1403944 с приоритетом от 19.11.1986 г. Частотно-стабилизированный лазер// А.Н. Власов, В.А. Перебякин, Г.Т. Тимошенко.

16. А. с. № 1505134 с приоритетом от 16.06.1986 г. Фотоприёмное устройство// А.Н. Власов, Е.И. Чернов.

17. А. с. № 1477205 с приоритетом от 24.02.1986 г. Кольцевой газовый лазер// Д.П. Вельский, А Н. Власов, В.Е. Привалов.

18. А. с. № 1445494 с приоритетом от 31.10.1986 г. Способ стабилизации частоты излучения двухмодового лазера// А.Н. Власов, В.П. Инденко, Г.Т. Тимошенко.

19. А. с. № 1324547 с приоритетом от 15.03.1987 г. He-Ne лазер// А Н. Власов, В.Е. Привалов.

20. А. с. № 1560009 с приоритетом от 8.06.1987 г. Частотно-стабилизированный лазер// А.Н. Власов, П С. Крылов, A.B. Миронов, В.Е. Привалов.

21. А. с. № 1535307 с приоритетом от 4.03.1988 г. Двух-частотный газовый лазер// АН. Власов, С.Ю. Поляков, Г.Т. Тимошенко, И.С. Чуляев, Е.Г. Чуляева.

22. А. с. № 1549436 с приоритетом от 8.11.1989 г. Двух-модовый стабилизированный лазер// А Н. Власов, С.Ю. Поляков, Г.Т. Тимошенко, Ю.М. Яковлев.

23. Патент СССР № 1830231 с приоритетом от 28.03.1991 г. Устройство для получения высокотемпературной плазмы// АН. Власов.

25. Технический отчёт № 3/110-86. Per. № Ф29095/4005384, Рязань: НПО «Плазма», 1986 г. Разработка одночастотного стабилизированного лазера с повышенной надёжностью и уменьшенными массогабаритными показателями для измерительного оптико-механического оборудования//

A.Н. Власов, Т.М. Емельянова, В.А. Перебякин, В.Г. Самородов, О.В. Тарасова, Г.Т. Тимошенко.

26. Научно-технический отчёт № 14/110-90. Рег. № Ф32303, Рязань: НПО «Плазма», 1990 г. Разработка частотно-стабилизированного гелий-неонового лазера с мощностью излучения 3 мВт для интерферометрии// С.П. Борисовский, АН. Власов, Т.М. Емельянова, В.А. Касельский, С.М. Кузнецов,

B.А. Перебякин, С.Ю. Поляков, В.Г. Самородов, О.В. Тарасова, Г.Т. Тимошенко.

27. Власов А.Н., Перебякин В.А., Чуляева Е.Г. Определение корреляционной функции и спектральной плотности флуктуации частоты излучения лазера по ряду значений его нестабильности частоты. - В кн.: Тезисы докладов всесоюзной научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение частотных и спектральных характеристик излучения лазеров." - Харьков: ГК СССР по стандартам, Харьковское областное правление НТО Приборпром, НТО "Метрология", 1982, с.38-39.

28. Власов А.Н., Перебякин В.А., Тимошенко Г.Т., Яковлев Ю.М. Технические характеристики и эксплуатационные возможности стабилизированных Не-№ лазеров с внутренними зеркалами. - В кн.: Применение лазерных деформографов в сейсмоакустике./ Тезисы доклада школы-семинара. Владивосток, 19-21 декабря 1989 г.// Академия наук СССР. Дальневосточное отделение. Тихоокеанский океанологический институт. Владивосток, 1989, с. 17-18.

29. Власов АН. Высоковольтный источник для гелий-неоновых лазеров и биологических исследований. - В кн.: Тезисы докладов пятого Петербургского семинара-выставки "Лазеры для медицины и биологии", Российский центр лазерной физики, Балтийский Государственный технический У ни-

верситет, Научно-исследовательский центр "Репер", С.- Петербург, 1997 г.

30. Власов А.Н. Источник питания гелий-неонового лазера для прецизионной диагностической медицинской аппаратуры. - В кн.: Тезисы докладов седьмого Петербургского семинара-выставки "Лазеры для медицины и биологии", Российский центр лазерной физики, Балтийский Государственный технический Университет, Научно-исследовательский центр "Репер", С.- Петербург, 1999 г.

31. Власов АН., Гримблатов В.М., Теселкин В.В. Исследование спектра сигнала на выходе оптического дискриминатора в системах стабилизации частоты генерации газовых лазеров. - Электронная техника. Серия 4. Электровакуумные и газоразрядные приборы, 1973, Вып. 12, с.34-41.

32. Власов А.Н., Теселкин В.В. Анализ влияния флук-туаций репера и длины резонатора на нестабильность частоты газового лазера и требования к системам автоподстройки. -Квантовая электроника, 1976, т.З, №6, с. 1299-1306.

33. Борисовский С П., Власов АН., Верейкин В.А. и др. Измерение стабильности и воспроизводимости частоты генерации газовых лазеров. - Измерительная техника, 1977, №8, с. 45-48.

34. Власов А Н. Долговременная нестабильность и невоспроизводимость частоты газового лазера и требования к системам автоподстройки. - Квантовая электроника, 1978, т. 5, №7, с. 1518-1524.

35. Власов А.Н., Теселкин В.В. Флуктуации частоты генерации Не-Ые лазера, стабилизированного по линии поглощения метана. -Метрология, 1978, №2, с. 55-57.

36. Власов А.Н., Касельский В.А., Перебякин В.А., Поляков С.Ю. Стабилизация частоты излучателя с внутренними зеркалами ИЛГН-202. - Квантовая электроника, 1984, т. 11, с. 709-714.

37. Власов А.Н., Крылов П.С., Привалов В.Е. Исследование влияния возмущений в активной среде на уширение линии излучения стабилизированного Не-№ лазера с внутренними зеркалами. - Оптика и спектроскопия, 1985, т.58, вып.З, с.717-719.

38. Власов А.Н., Перебякин В.А., Поляков С.Ю., Привалов В.Е. Долговременная стабильность и воспроизводимость частоты Не-Ке лазера с внутренними зеркалами. - Квантовая электроника, 1986, т. 13, № 2, с. 320-325.

39. Власов А.Н., Перебякин В.А., Привалов В.Е. Стабилизированные гелий-неоновые лазеры с внутренними зеркалами. - Обзоры по электронной технике. Серия 11, выпуск 7 (1206), М., ЦНИИ «Электроника», 1986. - 50 с.

40. Власов А.Н. Исследование технических флуктуаций частоты в стабилизированных Не-Ые лазерах и создание лазера для прецизионных измерений // Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Рязань: НПО «Плазма», 1986, 198 с.

41. Власов АН., Крылов П.С., Миронов А.В., Привалов В.Е. Получение узкой спектральной линии излучения (0,63 мкм) с минимальной погрешностью воспроизведения длины волны.// Оптика и спектроскопия, 1987, Т.62, вып 6, с. 13391341.

42. Власов АН. О возможности формирования тороидального токового слоя при искровом разряде. - Журнал экс-

периментальной и теоретической физики, 1990, Т. 97, вып. 2, с. 468-475.

43. Власов АН., Привалов В.Е., Чуляева Е.Г. Влияние модуляции тока разряда на нестабильность частоты стабилизированного гелий-неонового лазера с внешней ячейкой поглощения // Оптика и спектроскопия, 1994, Т. 76, вып 4, с. 677680.

48. Borisovsky S.P., Chulaeva E.G. and Vlasov A.N. HighSensitive Airborne Methane Gas Analyzer, - In International Conference on Lasers for Measurements and Information Transfer, Vadim E. Privalov, Editor, Proceedings of SPIE Vol. 4316, p. 8991 (2000).

49. Vlasov A.N. Single-Frequency He-Ne Laser for Linear Measurements. - International Workshop on New Approaches to Hi-Tech Materials 97. Nondestructive Testing and Computer Simulations in Material Science and Engineering (NTDCS-97). Program, abstracts. 9-13 June 1997. St. Petersburg, Russia.

50. Vlasov A.N. Stability and Reproducibility of Single-Frequency He-Ne Laser for Linear Measurements. - International Workshop on New Approaches to Hi-Tech Materials 98. Nondestructive Testing and Computer Simulations in Material Science and Engineering (NTDCS-98). Preprints &Program, 8-12 June, A3 (1998), St. Petersburg, Russia.

51. Krylov P. S., Privalov V.E. and Vlasov A.N. Measurement of Characteristics of Frequency Stabilized He-Ne Laser LGN-303 with the Means of Frequency Modulating, - In Second International Conference on Lasers for Measurements and Information Transfer, Vadim E. Privalov, Editor, Proceedings of SPIE Vol. 4680, p. 52-56 (2002).

52. Власов А.Н., Привалов В.Е., Чуляева Е.Г. О влиянии обратных отражений в оптическом дискриминаторе двухмодово-го лазера, - Оптика и спектроскопия, 2002, том 92, № 4, с. 701-703.

Тиражирование и брошюровка выполнены в Муниципальном унитарном предприятии

«Информационно-кадастровый центр по землеустройству и градостроительству» 390046, Рязань, ул. Введенская, 107. Тел. (0912) 28-96-31. Тираж 100 экз.

л и

РНБ Русский фонд

2006-4 32036

¡

I ,

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. ФЛУКТУАЦИИ И СДВИГИ ЧАСТОТЫ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРОВ.

1.2. АКТИВНЫЕ МЕТОДЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ

1.2.1. Общие принципы стабилизации частоты.

1.2.2. Классификация методов стабилизации.

1.3. СТАБИЛИЗАЦИЯ В ОДНОЧАСТОТНОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ

1.3.1. Стабилизация по кривой усиления.

1.3.2. Стабилизация по нелинейно поглощающей внутренней ячейке.

1.3.3. Стабилизация по интерферометру.

1.3.4. Стабилизация по линейно поглощающей внешней ячейке.

1.3.5. Стабилизация по нелинейно поглощающей внешней ячейке.

1.3.6. Комбинированные методы.

1.4. СТАБИЛИЗАЦИЯ В МНОГОЧАСТОТНОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ 1.4.1. Стабилизация по дисперсионным кривым

1.4.2. Метод частотной привязки.

1.4.3. Стабилизация по конкурентным резонансам.

1.4.4. Стабилизация по частотным резонансам.

1.5. СТАБИЛИЗАЦИЯ МЕТОДОМ

ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ ДЛИНЫ РЕЗОНАТОРА.

Развитие современных технологий требует повышения точности измерений линейных перемещений, углов, показателей преломления и т.п. В этих видах измерений наибольшая точность обеспечивается при использовании частотно-стабилизированных He-Ne лазеров [1-5]. Именно на использовании этого типа лазеров основано современное определение метра [6 - 8]. Необходимы частотно-стабилизированные He-Ne лазеры с минимальной нестабильностью частоты, обладающие при этом высокой устойчивостью к возмущающим воздействиям и способные работать не только в лабораторных, но и промышленных условиях эксплуатации.

Нестабильность частоты излучения лазеров, также как и любых генераторов, определяется частотными флуктуациями, которые условно разделяются на естественные и технические [9]. Нижним пределом частотных флуктуаций является естественный уровень, обусловленный воздействием спонтанного излучения[10-11]. В связи с тем, что естественные флуктуации в He-Ne лазерах очень низки, основной вклад в нестабильность частоты излучения вносят технические флуктуации. Последние могут быть существенно уменьшены благодаря использованию определённых методов и средств стабилизации частоты He-Ne лазеров, разработка которых является предметом исследования данной работы.

Термин «частотно-стабилизированный He-Ne лазер» подчёркивает основное свойство прибора - генерирование высокостабильного по частоте излучения. Определим также термины «метод стабилизации частоты» и «средство стабилизации частоты»:

- под термином «метод стабилизации частоты» подразумевается установление определённого направления связей и процессов выполнения действий в материальных объектах, составляющих в совокупности частотно-стабилизированный лазер, для достижения главной цели - получения необходимого значения стабильности частоты излучения (как кратковременной, так и долговременной, включая воспроизводимость) в заданных условиях воздействия возмущающих факторов; под термином «средство стабилизации частоты» подразумевается материальный объект, включаемый в конструкцию частотно-стабилизированного лазера, способствующий достижению главной цели, или позволяющий достигнуть какую-либо из вспомогательных целей (например, получения заданного диапазона перестройки частоты, линейности модуляции, виброустойчивости и т.п.).

Частотно-стабилизированные He-Ne лазеры по сравнению с другими приборами аналогичного назначения (полупроводниковыми, СОг-лазерами, аргоновыми и т.п.) имеют ряд преимуществ, среди которых можно отметить следующие:

- удобный спектральный диапазон излучений (видимый и ближний инфракрасный;

- небольшая потребляемая мощность;

- компактность конструкций;

- принципиальная способность работать в широком диапазоне температур окружающей среды (от -50 до +50 °С).

Создание таких лазеров связано с решением двух технических проблем:

- формированием одночастотного излучения в рабочих модах излучения (одной или двух);

- стабилизацией частоты излучения в каждой из мод.

Решение первой проблемы связано с разработкой соответствующих конструкций излучателей, обладающих необходимыми параметрами для осуществления стабилизации частоты. Решение второй проблемы главным образом связано с разработкой эффективных методов и средств стабилизации частоты излучения, позволяющих снизить технические флуктуации частоты до необходимого для потребителей уровня.

Хотя к началу диссертационной работы было создано и исследовано довольно большое количество методов и средств стабилизации частоты излучения лазеров [1-3, 9-100], системного подхода к этому вопросу не было. Кроме того, с учётом возмущающих факторов, воздействующих на измерительные системы, известный к началу диссертационной работы набор методов и средств стабилизации частоты не обеспечивал необходимый уровень стабильности в частотно-стабилизированных лазерах, поскольку не был известен ряд методов и средств, удовлетворяющий ряду требований потребителей, в частности таким, как возможность работы частотно-стабилизированных лазеров в жестких условиях эксплуатации. Необходимо было также учитывать, что динамично развивающийся рынок постоянно предъявляет всё более высокие требования к разработчикам и производителям в части снижения себестоимости частотно-стабилизированных He-Ne лазеров.

Таким образом, решение комплекса вопросов, связанных с разработкой новых и модернизацией существующих методов и средств стабилизации частоты излучения He-Ne лазеров относится к числу актуальных.

Диссертационная работа посвящена решению важной научной проблемы - разработке методов и средств стабилизации частоты He-Ne лазеров. Именно восполнение неиспользованных к началу работы возможностей в части разработки новых методов и средств стабилизации частоты He-Ne лазеров, а также разработка системного подхода в создании частотно-стабилизированных лазеров, позволяющих разработчикам успешно разрабатывать, а потребителям - успешно эксплуатировать частотно-стабилизированные He-Ne лазеры, явилось основной целью данной диссертации.

В рамках диссертационной работы разработаны новые методы и средства стабилизации, защищенные авторскими свидетельствами и патентами, и разработаны теоретические основы проектирования частотно-стабилизированных лазеров, выполнены теоретические и экспериментальные исследования лазеров с внутренними зеркалами и лазеров с ячейками поглощения. В диссертационной работе, в частности, рассмотрен и решен ряд таких важных научно-технических и конструкторских вопросов, как терморегулирование длины резонатора He-Ne лазеров, создание оптимальных систем автоподстройки частоты, элементов модуляции активных элементов с твердой запайкой.

Решение технической проблемы - разработка новых типов частотно-стабилизированных He-Ne лазеров - потребовало проведения широких теоретических и экспериментальных исследований, постановки большого количества научноисследовательских и опытно-конструкторских работ, а также проведения больших подготовительных работ при освоении промышленностью новых типов частотно-стабилизированных лазеров.

Научные исследования, определившие содержание диссертации проводились:

• в соответствии с планами научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Министерства электронной промышленности СССР в том числе в соответствии с программой «Спектр»;

• в соответствии с программой докторантуры Балтийского Государственного Технического Университета (Военмеха) им. Д.Ф. Устинова;

• в инициативном порядке.

По материалам данной диссертационной работы осуществлено 66 публикаций [101-165], в том числе получено 23 авторских свидетельства и патента [101-123], сделаны доклады на 13-ти отраслевых, межотраслевых, Всесоюзных и международных конференциях [134-146], опубликовано 18 статей в Российских и зарубежных журналах [146-166], результаты использованы в 10-ти научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах [124133]. Приборы, разработанные автором диссертации (ЛГН-303, ЛГН-303А), уже на протяжении многих лет используются в различных областях науки и техники и зарекомендовали себя как высокостабильные и надёжные изделия (См. приложение 1). Разработанный при научном руководстве автора частотно-стабилизированный Ne-Ne лазер для абсолютного гравиметра может работать в полевых условиях эксплуатации (См. приложение 2).

Результаты диссертационных исследований были использованы также при создании приборов ЛГ-149, ЛГ-149-1, J1TH-209, JIT-64, ЛГН-301, ЛГН-212Т и ряда других приборов, разработанных в НПО «Плазма», г. Рязань.

Разработанные приборы демонстрировались на ВДНХ СССР и были отмечены медалями.

Научная новизна.

Научная новизна выполненных исследований заключается в том, что в них впервые:

1. Разработана модель частотно-стабилизированного лазера с использованием критерия наименьшего уровня технических флуктуаций частоты излучения лазера в условиях одновременного воздействия возмущающих факторов на репер, оптическую длину резонатора при наличии шумов фотоприёмника оптического дискриминатора;

2. Получены соотношения, позволяющие рассчитать предельную нестабильность частоты излучения лазера в заданных условиях эксплуатации;

3. Найдено аналитическое выражение для оптимальной передаточной функции системы автоподстройки частоты лазера для каждого из используемых методов стабилизации;

4. Предложены, реализованы и экспериментально исследованы новые системы стабилизации частоты излучения лазеров с повышенной помехоустойчивостью и точностью регулирования;

5. Разработаны методы расчёта конструкций излучателей с внутренними зеркалами и систем автоподстройки лазеров нового поколения, стабилизированных методом терморегулирования длины резонатора;

6. Определены условия реализации метода терморегулирования длины резонатора в особо прецизионных лазерах с нелинейно поглощающими ячейками.

Научная новизна, достоверность и обоснованность основных теоретических результатов подтверждается рядом авторских свидетельств и патентов, экспериментальными исследованиями и статистической обработкой полученных данных.

Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что они позволяют:

1. На этапах проектирования и разработки обоснованно выработать требования к конструкции излучателя и системам автоподстройки частотно-стабилизированных He-Ne лазеров.

2. Повысить стабильность и воспроизводимость частоты излучения лазеров.

3. Уменьшить габариты, массу, потребляемую мощность, повысить надёжность частотно-стабилизированных лазеров.

4. Решить проблему стабилизации частоты излучения лазера при воздействии дестабилизирующих факторов, соответствующих промышленным и полевым условиям эксплуатации;

5. Решить вопрос об обоснованности требований со стороны потребителей.

Практическая ценность результатов диссертационной работы подтверждается разработкой частотно-стабилизированных для прецизионных измерений, выпускавшихся на ряде предприятий России и Украины.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Использование аналитического выражения оптимальной передаточной функции частотно-стабилизированного лазера позволяет однозначно определить его предельно достижимую стабильность частоты для любых значений дестабилизирующих факторов, действующих на лазер, таких, как флуктуации репера, флуктуации длины оптического резонатора и шумы фотоприёмного устройства.

2. Регистрация флуктуаций частоты излучения лазера в виде набора значений нестабильностей частоты при различных временах усреднения задаёт взаимосвязь с коэффициентом разложения в ряд спектральной плотности флуктуаций частоты, которые однозначно определяют оптимальную передаточную функцию системы стабилизации;

3. Введение преобразований изменений амплитуды и фазы сигнала ошибки в соответствующие изменения частоты опорного генератора системы автоподстройки частоты методом внесения реактивных составляющих повышает помехоустойчивость и точность стабилизации параметров лазера;

4. Основное влияние на кратковременную нестабильность частоты терморегулируемого лазера с внутренними зеркалами, используемого для прецизионных измерений, оказывают флуктуации тока разряда, шумы излучения и помехи на входе системы АПЧ, а основное влияние на долговременную нестабильность оказывают уходы репера в виде разбаланса мод;

5. Терморегулирование в особо прецизионных лазерах с нелинейно поглощающими ячейками требует использования дополнительных быстродействующих элементов подстройки частоты, в частности, на основе электромагнитного эффекта.

6. Метод двойного терморегулирования с фиксированной температурной точкой повышает воспроизводимость частоты и позволяет увеличить температурный диапазон работы частотно-стабилизированных лазеров.

Достоверность и обоснованность научных положений подтверждена прямыми экспериментами и практическим использованием разработанных приборов.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Материалы изложены на 284 страницах, включая 105 рисунков, 12 таблиц, список литературы, состоящий из 205 наименований на 25 стр. Приложения содержат 23 стр.

1. Частотно-стабилизированные лазеры по сравнению с другими типами лазеров более подвержены внешним возмущающим факторам и требуют особого подхода при эксплуатации.2. Рассмотренные методики измерений флуктуации и сдвигов te| частоты излучения позволяют решить задачу определения допустимого уровня возмущающих воздействий, таких как вибрации, Глава 5. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ... 265 изменения температуры окружающей среды, конвекционные потоки, >^ обратные отражения и нестабильности питающего напряжения.3. Для лазеров, используемых в составе измерительных средств, период времени, в течении которого обеспечивается заданное значение воспроизведения частоты излучения лазера, может служить ориентиром для задания периода периодических поверок длины волны излучения,

4. Регистрация флуктуации частоты излучения лазера в виде й| набора значений нестабильностей частоты при различных временах усреднения задаёт взаимосвязь с коэффициентом разложения в ряд спектральной плотности флуктуации частоты, которые однозначно определяют оптимальную передаточную функцию системы стабилизации;

5. Введение преобразований изменений амплитуды и фазы сигнала ошибки в соответствующие изменения частоты опорного генератора системы автоподстройки частоты методом внесения реактивных составляющих повышает помехоустойчивость и точность ^ стабилизации параметров лазера; Несмотря на повышенную техническую сложность указанные системы являются предпочтительными для применения в лазерах с ячейками поглощения для прецизионных измерений.ЗАКЛЮЧЕНИЕ 266 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Основные итоги диссертационной работы состоят в обобщении вопросов, связанных с разработкой методов и средств стабилизации частоты He-Ne лазеров, и решении крупной научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение, - создание ряда частотно-стабилизированных лазеров, освоение их в производстве и внедрение в аппаратуру.Научная ценность диссертации состоит в том, что: ^ - теоретически обобщены и развиты принципы конструирования частотно-стабилизированных He-Ne лазеров; обоснованы и реализованы методы улучшения характеристик частотно-стабилизированных лазеров, исследованы процессы стабилизации частоты излучения под воздействием внешних и внутренних дестабилизирующих факторов; • созданы новые методы и средства стабилизации частоты излучения He-Ne лазеров включая системы АПЧ и ^ высоковольтные источники питания, позволяющие существенно продвинуть вперед технику стабилизации частоты излучения и питания He-Ne лазеров.Практическая ценность работы заключается: • в разработке значительного числа новых методов и средств стабилизации частоты He-Ne лазеров, работоспособность которых подтверждена теоретическими и экспериментальными исследованиями, защищена публикациями, в том числе авторскими свидетельствами и патентами; У^ - в разработке базовых конструкций частотно стабилизированных He-Ne лазеров с внутренними зеркалами, стабилизированных методом терморегулирования длины ЗАКЛЮЧЕНИЕ 267 резонатора, являющихся основой для конструирования других 01 типов частотно-стабилизированных лазеров с более сжатые сроки и при меньших затратах на их разработку и освоение в производстве; • во внедрении в аппаратуру ряда типо^ частотно стабилизированных лазеров, что позволило от их использования получить существенные технические и экономические результаты.Основные результаты диссертационной работы более детально могут быть сформулированы следующим образом:

1. Создана теоретическая модель частотно-стабилизированного лазера, в камках которой установлена взаимосвязь частотного спектра сигнала на выходе оптического дискриминатора с флуктуациями частоты излучения в частотно стабилизированных лазерах и найдены коэффициенты пропорциональности для различного типа лазеров, получена передаточная функция оптимальной системы АПЧ, позволяющая создавать частотно-стабилизированные лазеры с наименьшими уровнями флуктуации частоты излучения.^ 2. Определены предельно достижимые значения кратковременной нестабильности частоты излучения в частотно стабилизированных лазерах, которые могут быть получены в заданных условиях эксплуатации при наличии внешних возмущающих факторах, таких как вибрации, акустические колебания, турбулентные потоки, обратные отражения.3. Получены соотношения для сдвигов частоты, определяющих долговременную нестабильность и погрешность воспроизведения частоты излучения в стабилизированных т* лазерах, в том числе подробно проанализированы сдвиги, вносимые системами АПЧ; показаны пути повышения ЗАКЛЮЧЕНИЕ 268 долговременной стабильности и воспроизводимости частоты Щ излучения стабилизированных лазеров.4. Выработаны требования к конструкции излучателей, оптических дискриминаторов и систем АПЧ, что позволяет осуществлять оптимальное проектирование частотно стабилизированных лазеров.5. Установлено, что в случае стационарности случайного процесса флуктуации частоты излучения существует взаимная однозначность соответствия спектральной плотности S^co) и дисперсии ^ х ) , получаемой при различных временах ycpe^щeния т, что позволяет корректировать исходные данные для оптимизации систем АПЧ.

6. Предложены и опробованы методы частотной модуляции поискового сигнала в системах АПЧ, что позволяет создавать цифровые системы АПЧ и на один-два порядка повысить помехоустойчивость и точность привязки частоты в реперу в частотно-стабилизированных лазерах.7. Разработан ряд лазеров с внутренними зеркалами, стабилизированных методом терморегулирования длины резонатора, в которых применены новые методы и средства стабилизации частоты; проведены исследования их характеристик в реальных условиях эксплуатации при использовании их в научных исследованиях и промышленности.8. Проведены теоретические и экспериментальные исследования флуктуации и сдвигов частоты излучения лазеров, стабилизированных по ячейкам поглощения. Разработаны конструкции лазеров с внутренними нелинейно поглощающими ячейками поглощения (He-Ne/J2, He-Ne/CH4), стабилизированные методом терморегулирования длины резонатора.ЗАКЛЮЧЕНИЕ 269

9. Разработан универсальный подход к проектированию Щ частотно-стабилизированных лазеров любых типов для любых условий эксплуатации.По результатам диссертационной работы подготовлена рукопись монографии, посвященной вопросам стабилизации частоты гелий-неоновых лазеров.

1. Более жесткие требования к стабильности тока;

2. Пониженные уровни пульсаций на первой и высших гармониках частоты преобразования и на второй и высшей гармониках питающей сети;

3. Активные элементы для частотно-стабилизированных лазеров имеют существенно более высокие требования по сравнению с активными элементами общего назначения. Внимание следует акцентировать преимущественно на активные элементы с внутренними зеркалами.

4. Высоковольтные источники питания существенно влияют на стабильность и воспроизводимость частоты излучения и поэтому должны удовлетворять повышенным требованиям по стабильности тока, пульсациям и наводкам на элементы контура автоподстройки частоты.