научная статья по теме ВОЛОКОННЫЙ КОЛЬЦЕВОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ШИРИНЫ ЛИНИИ ИЗЛУЧЕНИЯ ОДНОЧАСТОТНЫХ ЛАЗЕРОВ Физика

Текст научной статьи на тему «ВОЛОКОННЫЙ КОЛЬЦЕВОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ШИРИНЫ ЛИНИИ ИЗЛУЧЕНИЯ ОДНОЧАСТОТНЫХ ЛАЗЕРОВ»

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»