Методы и средства стабилизации характеристик гелий-неоновых лазеров для прецизионных измерительных систем

• Автор: Воробьев, Павел Геннадьевич
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Рязань
• Количество страниц: 137 с. : ил.

АННОТАЦИЯ
Диссертационная работа посвящена исследованию существующих и разработке новых методов и средств стабилизации характеристик гелий-неоновых лазеров, используемых в качестве источников эталонного излучения в прецизионных измерительных системах. Точность и скорость измерений таких систем в первую очередь зависит от стабильности характеристик используемых в них лазеров. Повышение требований к точности измерений таких систем и привело к написанию данной работы. В ходе проведенных исследований решен ряд актуальных задач.
Установлена теоретическая зависимости разностной частоты от расстройки оптического резонатора при совместном влиянии на активную среду продольного и поперечного магнитных полей в зеемановском лазере.
Разработана универсальная цифровая система автоподстройки оптической частоты, которая может быть использована в конструкциях лазеров, стабилизированных как по опорному значению разностной частоты, так и по интенсивности мощности.
Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для устройства стабилизации параметров излучения.
Разработан двухчастотный частотно-стабилизированный Не-№ лазер, обладающий техническими характеристиками, превосходящими отечественные аналоги по ряду параметров, а именно: мощность излучения повысилась в 1,5 раза, диапазон разностных частот увеличился с 4 до 5 МГц, стабильность разностной частоты повысилась не менее чем в 10 раз, стабильность оптической частоты увеличилась не менее чем в 5 раз.
Разработана конструкция выходного окна активного элемента, которая позволяет подавить конкуренцию длин волн 0,63 мкм и 3,39 мкм и достичь нестабильности мощности не хуже ±1% в Не-№ лазерах мощностью более 70 мВт.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Определение метра и его реализация
1.2 Частотно-стабилизированные лазеры
1.3 Лазерные интерферометры перемещений
1.4 Голографическая интерферометрия
1.5 Тенденции перехода от аналоговых к цифровым системам управления
1.6 Постановка задачи
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ИЗЛУЧЕНИЯ ГЕЛИЙ-НЕОНОВОГО ЛАЗЕРА
2.1 Теоретическое исследование свойств излучения частотно-стабилизированных лазеров
2.2 Активный элемент двухчастотного лазера
2.3 Расчет расщепления частоты в магнитном поле с продольной и поперечной составляющими
2.4 Исследование магнитной системы излучателя лазера
2.5 Диспергирующая призма как селектор длин волн в Не-Ие лазере
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ СТАБИЛИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ НЕ-ИЕ ЛАЗЕРОВ
3.1 Моделирование работы аналоговой системы автоподстройки частоты
3.2 Исследование тепловых режимов лазеров, стабилизированных методом термокомпенсации длины оптического резонатора
3.2.1 Экспериментальное исследование тепловых режимов лазера ЛГН-303.
3.2.2 Экспериментальные исследования тепловых режимов двухчастотных зеемановских лазеров
3.3 Разработка схемотехнических решений и алгоритма работы цифровой системы авторегулирования

3.4 Разработка методики определения параметров цифрового ПИД-регулятора на основе анализа экспериментальных измерений
3.5 Конструкция разработанного двухчастотного зеемановского Не-№ лазера.. 110 ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫХ ЛАЗЕРОВ
4.1 Характеристика стабильности оптической частоты
4.2 Экспериментальные методы определения стабильности частоты лазерного излучения
4.3 Расчет погрешности измерения длины волны поверяемого лазера
4.4 Обработка результатов полученных измерений
4.5 Измерение нестабильности мощности гелий-неонового лазера с внешними
зеркалами
Заключение
Библиографический список
ПРИЛОЖЕНИЕ А

Основные причины роста популярности цифровых технологий заключаются в следующем:
1. Цифровые системы, как правило, легче разрабатывать. Так происходит потому, что используемые схемы принадлежат к ключевым схемам, в которых важны не точные значения напряжения или тока, а лишь диапазон (высокий или низкий сигнал), в который они попадают.
2. Легко осуществить хранение информации. Хранение осуществляется с помощью специальных устройств и схем, которые могут считывать цифровую информацию и сохранять ее сколь угодно долго. Запоминающие устройства сверхбольшой емкости могут хранить миллиарды бит информации на сравнительно малом физическом пространстве. Аналоговые устройства хранения информации, наоборот, имеют крайне ограниченные возможности.
3. Большая точность. Цифровые системы могут оперировать любым необходимым количеством десятичных знаков путем простого увеличения числа ключевых схем. В аналоговых системах точность обычно ограничена тремя или четырьмя знаками, потому что значения тока или напряжения непосредственно зависят от номиналов компонент схемы и подвержены влиянию случайных флуктуаций напряжения (шумов).
4. Возможность запрограммировать действие. Достаточно легко спроектировать цифровые системы, в которых работа контролируется набором хранящихся команд, или программой. Аналоговые системы также можно программировать, но разнообразие и сложность имеющихся в распоряжении операций строго ограничены.
5. Цифровые схемы менее подвержены шумам. Паразитные флуктуации напряжения (шумы) некритичны для цифровых систем, потому что точные значения напряжения для них не столь важны (шум не настолько большой, чтобы нельзя было отличить высокий уровень сигнала от низкого).
6. Большее количество схемотехнических решений может быть изготовлено на интегральных схемах (ИС). Аналоговая схемотехника тоже выиграла от бурного развития ИС-технологий, но ее относительная сложность, а