ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 2, с. 122-126
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ^^^^^^^^^^ ТЕХНИКА
УДК 681.7.015.2
КОМПАКТНЫЙ ЧАСТОТНО-СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ га2-ЛАЗЕР ДЛЯ КАЛИБРОВКИ
ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ДЛИН ВОЛН
© 2014 г. А. А. Карапузиков, А. И. Карапузиков*, Д. А. Каштанов*, И. Б. Мирошниченко*, И. В. Шерстов
Институт лазерной физики СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, ул. Академика Лаврентьева, 13/3 *000 "Специальные технологии" Россия, 630060, Новосибирск, ул. Зеленая горка, 1/3 E-mail: kashtanov.st@yandex.ru Поступила в редакцию 01.07.2013 г.
Разработан компактный импульсно-периодический волноводный СО2-лазер с высокочастотным возбуждением с автоматическим заданием линии 10Р(14) и стабилизацией частоты излучения по центру указанной линии с помощью отпаянной оптико-акустической ячейки, заполненной смесью C2H4 (0.1%) и азота. Показано, что нестабильность частоты лазера не превышает 3 МГц, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к средствам калибровки измерителей длины волны высокого разрешения, подобным WS-6IR.
DOI: 10.7868/S0032816214020098
ВВЕДЕНИЕ
Методы стабилизации частоты излучения СО2-лазеров достаточно подробно представлены в литературе [1]. Как правило, речь идет о стабилизации непрерывных СО2-лазеров. В этом случае для задания требуемой линии генерации используется дифракционная решетка. Непрерывный режим генерации и наличие дифракционной решетки накладывают ряд ограничений на массо-габаритные параметры лазера и его энергопотребление.
Вопросы стабилизации частоты лазеров, работающих в импульсно-периодических режимах, рассматривались менее тщательно по причине принципиально более высокой нестабильности частоты, обусловленной изменением параметров разряда в течение импульса накачки. Исключение составляют СО2-ТЕА-лазеры, для которых для достижения одночастотного режима генерации разработаны различные методы инжекции стабилизированного излучения, как правило, от непрерывного лазерного источника [2].
Для ряда приложений актуальным является стабилизация частоты излучения компактных волноводных СО2-лазеров, работающих в импульс-но-периодических режимах генерации при низких уровнях потребляемой мощности. Такие лазеры используются в современных переносных приборах, например в лазерных течеискателях [3], а также мо-
гут применяться в качестве частотного репера для лазерных измерителей длин волн ^8-61Я и др.).
Один из методов стабилизации частоты излучения импульсно-периодического СО2-лазера рассматривается в работе [4], где предлагается автоматическая настройка на максимальную мощность линии генерации путем определения и последующего задания с помощью пьезокерамиче-ского актуатора минимальной задержки импульса генерации относительно импульса запуска, соответствующей максимальной мощности излучения. При задержке 4 мкс ширина линии генерации лазера составила ±20 МГц, при 16 мкс — ±100 МГц. Указанный метод стабилизации предполагает использование быстродействующих фотоприемников и дифракционной решетки, с помощью которой выбиралась линия излучения лазера.
В том случае, когда для работы прибора требуется всего одна известная линия генерации, как показано в нашей работе [5], может быть использован алгоритм стабилизации частоты импульс -но-периодического волноводного СО2-лазера с помощью оптико-акустической ячейки, наполненной поглощающим газом с известным спектром поглощения. В частности, в [5] для задания и стабилизации частоты линии 10Р(1б) использовалась отпаянная оптико-акустическая ячейка (о.а.я.), наполненная 8Б6. Для подстройки длины резонатора одно из зеркал располагалось на пьезоэлектрическом актуаторе, который устанавливался в положение, соответствующее требуемой
КОМПАКТНЫЙ ЧАСТОТНО-СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ..
123
Рис. 1. Структурная схема прибора. ОАЯ — оптико-акустический детектор; ВВУ — высоковольтный усилитель; PZT — пьезоактуатор; АЦП — аналого-цифровой преобразователь; ПК — персональный компьютер.
Р^Т
линии генерации. Измерения показали возможность получения амплитудной нестабильности на уровне 3%, что соответствует частотной нестабильности ±6 МГц.
В данной работе представлен более совершенный вариант подобного устройства, предназначенный для работы в качестве частотного репера для калибровки измерителя длин волн
Структурная схема прибора представлена на рис. 1.
В качестве источника излучения в приборе используется компактный отпаянный волноводный СО2-лазер с в.ч.-возбуждением с размерами волновода 1.8 х 1.8 х 150 мм.
Резонатор лазера образован двумя плоскими зеркалами, расположенными вблизи выходных торцов волновода (тип I по классификации, предложенной в работе [6]). Плотное зеркало изготовлено на подложке из кремния и имеет золотое покрытие. Выходное зеркало имеет коэффициент отражения 92% и устанавливается на юстировочном устройстве с пьезокерамическим актуатором, позволяющим менять длину резонатора в пределах 5 мкм. Напряжение на пьезокерамическом актуаторе задается высоковольтным усилителем PA97DR по сигналу микроконтроллера.
Лазер наполнен газовой смесью С02 : N : Не = = 1 : 1 : 5 + 5% Хе при рабочем давлении 40 Торр. Мощность импульсов накачки достигала 200 Вт, мощность импульсов генерации — 8—10 Вт, средняя мощность лазера — порядка 2 Вт.
Для настройки лазера на линию 10Р(14) применяется отпаянная нерезонансная ячейка — о.а.я., заполненная азотом с небольшой добавкой С2Н4 (0.1%). О.а.я. имеет длину 1 см и герметизируется окнами из просветленного селенида цинка. На ее корпусе располагался электретный микрофон.
Режим работы лазера задается по ШВ-интер-фейсу от компьютера с помощью специализированного контроллера. В рабочем режиме длитель-
ность импульсов накачки составляет 25 мкс, частота следования импульсов в режиме поиска линии 10Р(14) 850 Гц, в режиме захвата линии — 170 Гц, напряжение на актуаторе меняется в пределах 0.-300 В.
Сигналы оптико-акустического детектора ОАЯ оцифровываются с помощью одного из каналов четырехканального АЦП под управлением компьютера, где результаты измерений затем обрабатываются и выводятся на монитор.
представляет собой высокочувствительный компактный измеритель длины волны лазерных источников в диапазоне от 2 до 11 мкм и может работать как с непрерывными, так и с им-пульсно-периодическими источниками лазерного излучения. Абсолютная точность измерений длины волны составляет 200 МГц, разре-
шение 50 МГц. использовался для изме-
рения длины волны генерации лазера. В дальнейшем планируется использовать описываемое в данной статье устройство в качестве репера для калибровки новых измерителей длины волны из серии
ОПИСАНИЕ АЛГОРИТМА ПОИСКА ЛИНИИ ГЕНЕРАЦИИ ЛАЗЕРА 10Р(14) И СИСТЕМЫ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ
Согласно [5] необходимость удержания линии лазерного излучения основывается главным образом на изменении показателя преломления газовой среды лазера вследствие монотонного роста температуры и давления внутри волноводного канала. Как результат, происходит периодическая смена линий генерации лазера. Принцип селекции заключается в определении и последующем удержании диапазона длин резонатора, в котором происходит генерации требуемой линии. Для обеспечения одночастотного режима генерации принципиально важно возбуждать среду лазерно-
ьи ^
К о
® «
^ К
® X
о £
О 3
О о
о ч
^ 13 с
700 600 500 400 300 200 100
I коэффициенты поглощения 8Б4
(а)
940 942 944
40 30 20 10
946 948 950 952 954 Волновое число, см-1
I коэффициенты поглощения С2Н4
т ,Т ,т Т
(б)
м
940 942 944
946 948 950 952 954 Волновое число, см-1
Рис. 2. Спектры поглощения 8Б6 (а) и С2Н4 (б) на линиях генерации СО2-лазера в области от 943.9 до 961.5 см
-1
0
0
го источника излучения в.ч.-импульсами длительностью не более 25-30 мкс [7].
Проведем небольшой сравнительный анализ спектров поглощения 8Б6 и С2Н4 по данным Н1Т-RAN (рис. 2)
В схеме прибора нерезонансная ячейка заполняется смесью азота с небольшой добавкой газа маркера (порядка 40-100 млн-1 для 8Б6 и 1000 млн-1 для С2Н4) и имеет длину / = 1 см. Оптическую толщину такой ячейки можно считать небольшой (а/ << 1). Тогда сигнал о.а.я будет прямо пропорционален произведению коэффициента поглощения излучения (а, см-1) на мощность лазера в импульсе.
В самом общем случае селекция требуемой линии производится по существенному различию коэффициента поглощения на реперной линии по сравнению с другими линиями генерации С02-лазера в спектральном диапазоне в области 10.6 мкм.
Спектр поглощения 8Б6 содержит целый ряд близких по коэффициентам поглощения линий (рис. 2а). Стабилизация линии генерации лазера возможна по сигналу о.а.я. на самом сильном пике поглощения на линии 10Р(16). При этом сильно мешают два соседних пика на линиях 10Р(18) и 10Р(20). Кроме близких коэффициентов поглощения эти линии имеют большую интенсивность. На практике превышение уровня сигнала о.а.я. на линии 10Р(16) по сравнению с соседними линиями не превышает 2-5 раз. Поэтому для правильной работы алгоритма необходимо проводить периодическое сканирование контура перестройки лазера до тех пор, пока за один скан в генерацию не выйдет линия 10Р(16) без линий 10Р(18) и 10Р(20). Подобная система в виде лабораторной установки ранее позволяла авторам статьи в более ранних работах выходить на режим стабилизации линии 10Р(16) в течение 3-5 мин.
Спектр поглощения этилена в области от 943.9-961.5 см-1 содержит один ярко выраженный
пик на линии 10Р(14) (рис. 2б). Вследствие отсутствия конкуренции с соседними линиями (коэффициенты поглощения линии на линии 10Р(14) и соседних линиях отличаются в 8-10 раз) алгоритм стабилизации лазера может работать при условии простого наличия линии 10Р(14) в контуре перестройки. При практической реализации время ожидания срабатывания алгоритма стабилизации при переходе с 8Б6 на С2Н4 практически не изменилось (3-5 мин), хотя длина лазера сократилась с 225 до 150 мм.
Иллюстрация процесса выхода лазера на режим стабилизации линии 10Р(14) представлена на рис. 3.
При активации алгоритма стабилизации линии производится периодическое изменение уровня напряжения на пьезокерамическом актуа-торе и одновременный анализ
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.