Разработка методов и средств стабилизации частоты He-Ne лазеров для прецизионных измерений

• Автор: Власов, Александр Николаевич
• Шифр специальности: 05.27.03
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 315 с. : ил

АННОТАЦИЯ
В диссертации на основании теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором, изложены научно обоснованные технические и технологические решения в области частотно-стабилизированных гелий-неоновых лазеров, используемых для прецизионных измерений, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.
Создана теория частотно-стабилизированных лазеров, позволяющая использовать системный подход при разработке одночастотных и двухчастотных стабилизированных Не-Ие лазеров. Основное внимание уделено разработке методов и средств стабилизации частоты лазеров с терморегулируемыми резонаторами, обладающими улучшенными эксплуатационными характеристиками. Найдены условия, при которых возможны получения необходимых значений стабильности и воспроизводимости частоты, разработаны методы экспериментального определения параметров флуктуаций частоты излучения лазеров как в режиме стабилизации, так и в свободном режиме генерации.
Приведены методики расчётов параметров конструкций и результаты испытаний лазеров с внутренними зеркалами, стабилизированных методом терморегулирования по заданному соотношению интенсивностей ортогонально поляризованных мод. Рассмотрены различные модификации подобных конструкций с использованием различных методов и средств стабилизации частоты.
Рассмотрены терморегулируемые Не-Ке лазеры с внутренними ячейками поглощения, рассчитаны параметры таких лазерных систем. Разработаны системы автоподстройки с частотной модуляцией поискового сигнала, обеспечивающие повышенные

помехоустойчивости и точности стабилизации частоты излучения.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Материалы изложены на 294 страницах, включая 78 рисунков, 11 таблиц и список литературы из 205 наименований.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. ФЛУКТУАЦИИ И СДВИГИ ЧАСТОТЫ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРОВ
1.2. АКТИВНЫЕ МЕТОДЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ
1.2.1. Общие принципы стабилизации частоты
1.2.2. Классификация методов стабилизации
1.3. СТАБИЛИЗАЦИЯ В ОДНОЧАСТОТНОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ
1.3.1. Стабилизация по кривой усиления
1.3.2. Стабилизация по нелинейно поглощающей внутренней ячейке
1.3.3. Стабилизация по интерферометру
1.3.4. Стабилизация по линейно поглощающей
внешней ячейке
1.3.5. Стабилизация по нелинейно поглощающей внешней
ячейке
1.3.6. Комбинированные методы
1.4. СТАБИЛИЗАЦИЯ В МНОГОЧАСТОТНОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ 1.4.1. Стабилизация по дисперсионным кривым

ОГЛАВЛЕНИЕ

1.4.2. Метод частотной привязки
1.4.3. Стабилизация по конкурентным резонансам.
1.4.4. Стабилизация по частотным резонансам
1.5. СТАБИЛИЗАЦИЯ МЕТОДОМ
ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ ДЛИНЫ РЕЗОНАТОРА
1.6 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ФОРМУЛИРОВКА КОМПЛЕКСА
ЗАДАЧ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЧАСТОТНО-СТАБИЛИЗИРОВАННЫХ ЛАЗЕРОВ
Решаемые в главе задачи
2.1. МОДЕЛЬ ЧАСТОТНО-СТАБИЛИЗИРОВАННОГО ЛАЗЕРА
2.1.1. Взаимосвязь спектра сигнала на выходе оптического дискриминатора с флуктуациями частоты излучения лазера
2.1.2. Структурная схема частотно-стабилизированного лазера
2.1.3. Предельное значение кратковременно нестабильности частоты, достижимое при стабилизации
2.1.4. Передаточная функция системы АПЧ
2.1.5. Быстродействие лазерной системы
2.1.6. Долговременная нестабильность и погрешность воспроизведения частоты излучения лазера
2.1.7. Сдвиги частоты репера и способы их снижения
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРА ТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДА ЧИ
ячейка [53]. Представляется перспективным использование йодной ячейки гелий-неоновом лазере на длине волны излучения 0,612 мкм [54], поскольку эффективность поглощения йода с уменьшением длины волны существенно возрастает.
Не-Ые лазер на 0,63 мкм с неоновой поглощающей ячейкой [55] по сравнению с лазером, имеющим йодную ячейку, имеет существенно худшие показатели: относительную нестабильность частоты порядка 10 10 за 10 с и погрешность воспроизведения -около 10'9. Воспроизводимость в данном случае ограничивается столкновительным сдвигом линии неона порядка 6 МГц/мм рт. ст., а также сдвигом линии, зависящем от тока разряда, и асимметричным положением пика мощности на контуре линии усиления.
1.3.3. Стабилизация по интерферометру.
В методах стабилизации по интерферометру используется пик пропускания [58] или провал в отражении [59] пассивного оптического резонатора. Схема стабилизации приведена на рис. 1.5.
При этом используется система АПЧ по первой гармонике, рис. 1.3(6). Высокая стабильность в данных методах достигается за счёт высокой степени термостабилизации интерферометра. Термостабилизация осуществляется например путём размещения кварцевого эталона Фабри-Перо в ячейке тройной точки, наполненной дефинил-эфиром [60]. При этом модуляция осуществляется с помощью доплеровского модулятора. Относительная нестабильность частоты излучения таких лазеров достигает величины 4-10 9.
Кроме традиционного интерферометра Фабри-Перо используют дифракционные интерферометры, образованные поглощающей плёнкой перед одним из зеркал резонатора [61], а