ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2004, том 96, № 3, с. 500-502
ЛАЗЕРЫ ^^^^^^^^^^^^^^
И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
УДК 621.373:535
ЧАСТОТНО-СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ Не^е-ЛАЗЕР ЛГН-303 С МОДУЛИРУЮЩЕЙ ПРИСТАВКОЙ
© 2004 г. А. Н. Власов, В. Е. Привалов
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия
Поступила в редакцию 29.01.2003 г. В окончательной редакции 23.04.2003 г.
Рассмотрены принцип работы и элементы конструкции частотно-стабилизированного Не-№-лазе-ра ЛГН-303 с модулирующей приставкой. Приведены основные параметры прибора, даны рекомендации по использованию модулирующей приставки в Не-№-лазерах, стабилизированных по йодной ячейке поглощения.
ВВЕДЕНИЕ
Частотно-стабилизированный Не-№е-лазер ЛГН-303 выпускается в России с 1986 г. по настоящее время. Эксплуатация данного прибора показала его высокую надежность, но в то же время выявила некоторые недостатки, в частности отсутствие возможности получения частотной модуляции. Частотная модуляция является полезной для некоторых конструкций длиннобазовых интерферометров. В настоящей работе дано описание прибора ЛГН-303 с модулирующей приставкой. Использование такой приставки может оказаться актуальным при стабилизации частоты по йодной ячейке поглощения с использованием активных элементов Не-№е-лазеров с внутренними зеркалами.
ПРИНЦИП РАБОТЫ И ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИЯ ЛАЗЕРА
В частотно-стабилизированном Не-№е-лазере ЛГН-303 стабилизация частоты производится методом терморегулирования резонатора по заданному соотношению интенсивностей ортогонально поляризованных мод [1]. Управление частотой излучения при этом производится за счет изменения длины оптического резонатора, образованного зеркалами, жестко закрепленными на торцах активного элемента, посредством регулирования теплового потока на боковых стенках активного элемента. Перед выходом на стационарный режим осуществляется прогрев излучателя при повышенной мощности, подаваемой на боковые стенки.
Лазер состоит из излучателя и источника питания, соединяемых между собой.
Излучатель (рис. 1) представляет собой модульную конструкцию, содержащую корпус 1 из магни-томягкого материала, в котором установлены активный элемент 2 и комбинированный блок 3.
Блок закреплен на торце корпуса и содержит соединительные высоковольтный и низковольтные жгуты, с помощью которых излучатель подсоединяется к источнику питания. Активный элемент 2 закреплен в корпусе с помощью компаунда и сцентрирован относительно посадочных поясков 4 корпуса. На выходе излучателя расположен двулучепреломляющий кристалл 5, установленный на чашке 6, имеющей маркировку Еч для вектора Е поля с вертикальной поляризацией (основной пучок, совпадающий с осью корпуса) и Ен - для вектора Е с горизонтальной поляризацией (смещенный относительно центра пучка).
При возбуждении разряда в активном элементе, представляющем собой газоразрядную трубку с внутренними зеркалами, возникает генерация на двух ортогонально поляризованных модах излучения, частотная расстройка между которыми составляет 640 ± 30 МГц. При изменении частоты излучения мощность мод изменяется в противофа-зе. Функциональная система стабилизации частоты лазера представлена на рис. 2. Лазерное излучение со стороны сферического зеркала, проходя через лучепреломляющий кристалл, расщепляется по поляризационным составляющим и подается на два сектора фотодиода. Фототоки по кабелю передаются в систему автоподстройки частоты (АПЧ). Вырабатываемый системой АПЧ сигнал
21
5 6
Рис. 1. Конструкция излучателя лазера ЛГН-303 (пояснения в тексте).
ЧАСТОТНО-СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ Ие-Ме-ЛАЗЕР ЛГН-303
501
подается на нагреватель боковой стенки активного элемента.
Система АПЧ начинает работать в режиме стабилизации после начального прогрева активного элемента. Критерием достаточности прогрева является снижение скорости изменения частоты излучения лазера до величины порядка 40 МГц/с. При этой скорости блок управления начальным прогревом переводит ПИД-регулятор в режим стабилизации.
В режиме стабилизации энергия, выделяемая нагревателем, устанавливает такую температуру боковых стенок активного элемента, при которой разность фототоков поддерживается постоянной. При повышении температуры окружающей среды энергия, подаваемая на нагреватель, уменьшается, а при понижении - увеличивается. Этим достигается стабилизация частоты лазерного излучения.
ШИРИНА ЛИНИИ ИЗЛУЧЕНИЯ И УХОДЫ ЧАСТОТЫ ЛАЗЕРА ЛГН-303
Вопросы ширины линии лазера ЛГН-303 исследовались в работе [2]. Типичная ширина линии составляет в обычных лабораторных условиях примерно 20 кГц и в значительной степени обусловлена пульсациями в токе разряда активного элемента. Долговременные уходы частоты лазера обусловлены дрейфом параметров оптического дискриминатора и системы АПЧ. Их амплитуда достигает нескольких мегагерц [3]. Долговременная нестабильность частоты лазера не хуже 1 х 10-8 (типичное значение 2 х 10-9), а погрешность воспроизведения частоты лежит в пределах 1 х 10-7. Улучшение значений стабильности и воспроизводимости частоты возможно за счет использования системы двойного терморегулирования [4].
МОДУЛИРУЮЩАЯ ПО ЧАСТОТЕ ПРИСТАВКА К ЛАЗЕРУ ЛГН-303
На рис. 3 схематически представлена конструкция модулирующей по частоте приставки к лазеру ЛГН-303, размещаемой на торце активного элемента 1 с внутренними зеркалами. Она содержит катушку 4, намотанную на ферритовый магнит 5, закрепленный с небольшим зазором от зеркала 3 на втулке 6 и шайбе 7, которые в свою очередь через цилиндр 2 закреплены на катодном узле 8 активного элемента. Работа модулятора основана на упругих свойствах катодного узла, позволяющих получить некоторые перемещения
Рис. 2. Функциональная схема системы стабилизации частоты лазера ЛГН-303.
1 - активный элемент; 2, 3 - двулучепреломляющий кристалл, 4 - фотодиод (2 секции), 5 - высоковольтный блок, 6 - блок питания схем АПЧ, 7 - усилитель мощности, 8 - ПИД-регулятор (компаратор), 9 - дифференциальный усилитель, (10 - блок прогрева, 11 -блок индикации.
т
8 2 3 4 567
Рис. 3. Конструкция модулирующей приставки (пояснения в тексте).
зеркала при изменении величины его притяжения магнитом 3 при протекании тока через катушку 4.
Основные параметры модулирующей приставки
Частота модуляции, кГц 52-63
Амплитуда перемещения лазерного зеркала, 10-10 м/В 2.5
Максимальное напряжение модуляции, В 3
Сопротивление на постоянном токе, Ом 10
Индуктивность, мкГн 400
Питание модулирующей приставки осуществляется от отдельного генератора.
В диапазоне рабочих частот входной импеданс цепи приставки имеет преимущественно индуктивный характер. Размах девиации на оптической несущей частоте составляет около 1 МГц. Амплитудная модуляция при этом практически отсутствует. Вне диапазона рабочих частот, особенно в области низких частот, наблюдаются значительные механические резонансы.
"Ч
А 1 к
У
ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ том 96 № 3 2004
502
ВЛАСОВ, ПРИВАЛОВ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Использование модулирующей приставки на активном элементе лазера ЛГН-303 позволяет расширить область применения частотно-стабилизированных лазеров. Кроме того, описанная приставка благодаря возможности создания необходимой частотной модуляции позволяет на основе конструкций активных элементов с внутренними зеркалами создать гелий-неоновые лазеры, стабилизированные по нелинейным поглощающим ячейкам. Это позволяет надеяться на определенный прогресс в конструкциях оптических стандартов частоты.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Власов АН., Каселъский В.А., Перебякин В А., Поляков С.Ю. // Квант. электрон. 1984. Т. 11. № 4. С. 709-714.
2. Власов А Н., Крылов П.С., Привалов В.Е. // Опт. и спектр. 1985. Т. 58. В. 3. С. 717-719.
3. Власов А Н., Перебякин В.А., Поляков С.Ю., Привалов В.Е. // Квант. электрон. 1986. Т. 13. № 2. С. 320-325.
4. Vlasov A. // Proc. SPIE. 1998. V. 3345. P. 37-39.
ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ том 96 < 3 2004
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.