ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 3, с. 89-92
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 535.3
волоконный кольцевой интерферометр
для измерения спектральной ширины линии излучения одночастотных лазеров
© 2014 г. Г. С. Софиенко, А. А. Колегов, А. В. Бочков
РФЯЦ-ВНИИ технической физики им. академика Е.И. Забабахина Россия, 456770, Снежинск Челябинской обл., ул. Васильева, 13 E-mail: Albatrosing@yandex.ru Поступила в редакцию 22.07.2013 г.
Разработан волоконный кольцевой многопроходной сканирующий интерферометр для измерения спектральной ширины линии излучения одночастотных волоконных лазеров на длине волны 1.55 мкм в диапазоне от 5 кГц до 1 МГц при уровне сигнала от 0.5 мВт.
DOI: 10.7868/S0032816214030082
ВВЕДЕНИЕ
Ширина спектра лазерного излучения является одной из важнейших характеристик любого задающего генератора. Для одночастотных лазеров она, как правило, лежит в интервале от единиц килогерц до 10 МГц. Для измерения ширины линии излучения одночастотных лазеров применяются интерферометрические методы. Наиболее часто для этих целей используют интерферометры Фабри—Перо, Маха—Цендера и кольцевые интерферометры [1—4]. Оптоволоконные интерферометры просты и удобны в эксплуатации в отличие от объемных оптических интерферометров, исполнение которых требует высокой точности изготовления и юстировки оптических компонентов.
В настоящей работе для измерения спектральной ширины линии использован сканирующий кольцевой волоконный интерферометр. Простота конструкции, небольшая длина линии задержки делают этот интерферометр наиболее привлекательным для измерений ширины спектра одночастотных лазеров в диапазоне от единиц килогерц до 10 МГц.
ОПИСАНИЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ
Схема волоконного интерферометра представлена на рис. 1.
Излучение лазера 1 вводилось в сплавной волоконный делитель 2 с коэффициентом деления к = 0.95. Плечо, в которое выводилась меньшая часть мощности, замыкалось в кольцо. Плечо интерферометра включало в себя фазовый модулятор 5 на основе пьезокерамического цилиндра, контроллер поляризации и набор из катушек ли-
ний задержки длиной 100, 200 и 850 м. Общая длина плеча составляла 10 м + линия задержки.
При сборке интерферометра применялось волокно 8МР28, поддерживающее одномодовый режим на длине волны 1.55 мкм. Выходное излучение регистрировалось с помощью фоторезистора 6 на основе сульфида свинца ФСА-Г1.
В схеме применялся фазомодулятор, который был изготовлен из пьезокерамической катушки с намотанным на нее волокном. Длина волокна на пьезоэлементе составляла 6 м. Пьезокерамиче-ская катушка имела следующие размеры: внешний диаметр 44 мм, внутренний диаметр 38 мм, высота 30 мм. Эффективность модуляции составила 3.75 В/рад.
На фазовый модулятор подавался сигнал с генератора сигналов специальной формы марки GFC-3015 фирмы GWINSTEK. Сигнал имел треугольную форму, амплитуда сигнала 10 В, частота 130 Гц. Все параметры сигнала подбирались экс-
6
Рис. 1. Схема волоконного кольцевого интерферометра. 1 — одночастотный лазер; 2 — волоконный раз-ветвитель; 3 — контроллер поляризации; 4 — линия задержки; 5 — фазовый модулятор; 6 — фотоприемник; 7 — генератор сигналов; 8 — осциллограф; 9 — коннектор с косым сколом.
1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
Частота излучения /, МГц
Рис. 2. Спектральная передаточная характеристика кольцевого интерферометра.
периментально до достижения наилучшей картины распределения интерференционного сигнала.
Измерение интерференционного и фазомоду-лирующего сигналов проводилось цифровым осциллографом фирмы Tektronix марки TDS 3052B.
При сборке интерферометра использовался лазерный диод SFL1550 фирмы Thorlabs с длиной волны 1.55 мкм. Паспортная ширина спектра такого диода составляет 100 кГц.
Соединение волокон осуществлялось посредством сварки. Для этих целей использовался сварочный аппарат Fujikura FSM-40 PM.
Для уменьшения влияния внешних факторов на работу интерферометра все элементы, включая юстировочное устройство и сам фотоприемник, размещались внутри металлического корпуса. Изнутри корпус обклеивался слоем виброизоляционного материала.
Сигнал кольцевого многопроходного интерферометра в соответствии с [5, 6] определяется как
I (t) = к + Т- (Аф )} /0, (1)
к + кт - 2Vкт cos (Аф (t))
где I0 — интенсивность излучения на входе интерферометра; к — коэффициент деления разветвите-ля; т — коэффициент пропускания (по мощности) волоконного тракта интерферометра, учитывающий потери мощности в волокне и внутренние потери разветвителя при прохождении через него излучения; Аф(/) — разность фаз взаимодействующих волн.
Область свободной дисперсии Af волоконного кольцевого интерферометра определяется соотношением [4, 5]
где X — длина волны; /— частота излучения; с — скорость света в вакууме; п — показатель преломления сердцевины волокна; Ь — длина плеча интерферометра.
Для оценки величины спектральной ширины аппаратной функции кольцевого сканирующего интерферометра можно воспользоваться соотношением [4]
_ А/ (1 - к) ( АХ (1 - к)
8fo = —Ч—^ I или 8Х = —^ 7 пу1 к V пу/к
(3)
Более точно, с учетом потерь в волоконном тракте, можно определить аппаратную функцию, воспользовавшись частотной характеристикой кольцевого сканирующего интерферометра, представленной в работе [6]:
H _ I (v) _ к + т - 2л/кт cos (2nnvL/c) ^ I0 к + кт- 2л/кт cos (2nnvL/c)
На рис. 2 представлена спектральная передаточная характеристика H(v), рассчитанная по формуле (4), для длины волокна плеча интерферометра L = 200 м и коэффициента пропускания т = 0.93. Показаны область свободной дисперсии А/и ширина аппаратной функции интерферометра 6/0, которая определяется по уровню 0.5 от амплитуды сигнала.
Линия задержки представляет собой катушку с намотанным на нее волокном. Намотка волокна на катушку осуществлялась на станке с постоянным усилием натяжения и контролем укладываемого волокна.
В процессе сборки интерферометра контролировался коэффициент пропускания в плече, который для катушек длиной 100, 200 и 850 м составил 0.926, 0.927 и 0.930 соответственно. В таблице приведены параметры интерферометра для использованных катушек.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
На рис. 3 представлены типичные осциллограммы сигнала интерферометра, полученные при измерениях ширины линии одночастотного лазерного диода SFL1550 фирмы Thorlabs с длиной волны 1.55 мкм, работающего в непрерывном режиме. Обращает на себя внимание нестабильность и биение сигнала интерференционной картины, которые и вносят основной вклад в по-
А/
nL
или
V
12^ nL
(2)
Длина линии задержки L, м Область свободной дисперсии Af, кГц Спектральная ширина аппаратной функции 5/0, кГц
110 ± 0.1 1818.2 ± 1.7 44.50 ± 0.04
210 ± 0.1 952.4 ± 0.5 22.985 ± 0.012
860 ± 1 232.5 ± 0.3 5.371 ± 0.007
ВОЛОКОННЫЙ КОЛЬЦЕВОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР
91
Рис. 3. Осциллограммы, полученные для одночастот-ного лазерного диода SFL1550 фирмы ТИог1аЪ8 с длиной волны 1.55 мкм при значении тока накачки: а — 65 мА (1.5 мВт) и б — 75 мА (3.5 мВт). 1 — интерференционный сигнал, 2 — сигнал на фазовом модуляторе. Линия задержки в плече интерферометра 210 м. Масштаб: по горизонтали — 400 мкс/деление; по вертикали: для сигнала 1 — 50 мВ/деление, для сигнала 2 — 5 В/деление.
грешность проводившихся измерений. При обработке оцифрованных сигналов для величин тока 65 и 75 мА на исследуемом диоде получены значения ширины линии 98 ± 5 кГц и 120 ± 7 кГц соответственно. Видно, что с ростом тока на диоде идет уширение линии излучения. С повышением тока более 90 мА уширение продолжается, при этом в сигнале возрастает уровень шумов, а контрастность и стабильность интерференционной картины ухудшаются. Такое поведение объясняется режимом работы лазерного диода, поскольку при токе накачки >80 мА последний переходит в многочастотный режим работы.
Рис. 4. Осциллограммы интерференционного сигнала, полученные для волоконного кольцевого одноча-стотного лазера при линии задержки интерферометра: 210 м (а) и 860 м (б). 1 — интерференционный сигнал, 2 — сигнал на фазовом модуляторе. Масштаб: по горизонтали — 400 мкс/деление; по вертикали: для сигнала 1 — 50 мВ/деление, для сигнала 2 — 5 В/деление.
На следующем этапе были проведены измерения ширины линии лазерного излучения одноча-стотного волоконного кольцевого лазера, разработанного в РФЯЦ-ВНИИТФ. На рис. 4 представлены осциллограммы интерференционного сигнала, полученные при измерениях ширины линии работающего в непрерывном режиме на длине волны 1.55 мкм одночастотного кольцевого лазера.
Согласно рис. 4, с увеличением линии задержки стабильность сигнала ухудшается. Внешние факторы вызывают биения и шумы в сигнале, а нестабильность во времени, прежде всего, связана с точностью термостабилизации одночастот-
ного лазерного источника. Обработка оцифрованного сигнала показывает, что при длине плеча 860 м ширина измеряемого спектра составила 5.1 ± 0.2 кГц, что соответствует аппаратной функции интерферометра. Таким образом, можно сказать, что ширина спектра лазерной генерации кольцевого лазера не превышает 5 кГц.
Дальнейшее улучшение спектрального разрешения прибора может быть получено с использованием линии задержки большей длины. Однако для этого потребуются дополнительные меры по температурной и акустической стабилизации волокна. А также, возможно, потребуется использование волокна, поддерживающего состояние поляризации излучения, распространяющегося в плече интерферометра.
Разработанный интерферометр может быть использован для выбора оптимального режима работы одночастотного источника (по току накачки, температурной стабилизации). Он может работать в режиме мониторинга и осуществлять
наблюдение за стабильностью частоты излучения одночастотного лазера.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Jhon Y.M., Kim M.W., Kim B.K, Lee J.C., Kim S.K, Choi S.S. // CLEO/Pacific Rim '99. The Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics. Renaissance Seoul Hotel, Korea, 1999. V 1. P. 23. DOI: 10.1109/CLE-OPR.1999.811594.
2. Morkel P.R., Cowel G.J., Payne D.N. // Electronic Letters. 1990. № 10. P. 632. DOI: 10.1049/el:19900414.
3. Iwatsuki K., Okamura H., Saruwatari M. // Electronic Le
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.