Исследование и разработка частотно-стабилизированных лазеров для прецизионных измерений

• Автор: Чуляева, Елена Георгиевна
• Шифр специальности: 05.27.02
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Рязань
• Количество страниц: 252 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1. Классификация методов стабилизации.

1.2. Стабилизация частоты в одночастотном режиме работы лазера

1.2.1. Лазеры со стабилизацией частоты по провалу Лэмба.

1.2.2. Лазеры со стабилизацией частоты по внешней ячейке

поглощения

1.3. Стабилизация в двухчастотном режиме работы.

1.3.1. Лазеры со стабилизацией частоты по равенству

интенсивностей двух ортогонально поляризованных мод.

1.3.2. Лазеры, стабилизированные путем использования
эффекта Зеемана в продольном магнитном поле.
1.3.3. Лазер с фазоанизотропным резонатором.
1.4. Анализ методов измерения длины волны, воспроизводимости и стабильности частоты
1.5. Применение частотностабилизированных лазеров в лазерном интерферометре перемещений
1.6. Общие выводы и формулировка комплекса задач
Глава2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ
ИЗЛУЧЕНИЯ ЧАСТОТНОСТАБИЛИЗИРОВАННЫХ ЛАЗЕРОВ
2.1. Модель частотностабилизированного лазера для исследования параметров его выходного излучения дискриминатора лазера.
2.1.1. Расчет сдвигов оптической частоты для лазера, стабилизированного по внешней неоновой ячейке поглощения
лазер ЛГ
2.1.2. Оценка долговременной нестабильности частоты и воспроизводимости частоты для реализуемой схемы оптического дискриминатора одночастотного
стабилизированного лазера.
2.2. Методы определения стабильности частоты лазерного излучения.
2.3. Связь спектральной плотности шумов, нестабильности оптической частоты и автокорреляционной функции.
2.4. Выводы.
ГлаваЗ. ВЫБОР КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ, ПОЛОЖЕННЫХ В ОСНОВУ РАЗРАБОТАННЫХ ЛАЗЕРОВ.
3.1. Одночастотный стабилизированный лазер с внешней неоновой ячейкой в магнитном поле
3.1.1. Конструктивные особенности и характеристики одночастотного стабилизированного лазера, положенные в
основу лазера образцового средства измерения 1го разряда.
3.2. Частотностабилизированные лазеры второго поколения.
3.2.1. Функциональная схема одночастотного лазера второго
поколения.
3.2.2. Конструкция и принцип работы излучателя ЛГН2.
3.3. Двухчастотные зеемановские лазеры.
3.3.1. Конструктивные особенности двухчастотного стабилизированного лазера со встроенным фотоприемником
с ФПУ
3.3.2. Технические характеристики двухчастотного лазера с ФПУ
3.4. Лазер с фазоанизотропным зеркалом.
3.4.1. Конструкция фазоанизотропного зеркала с гофром
3.4.2. Стабилизация частоты излучения лазера с
фазоанизотропным зеркалом
3.5. Фазоанизотропные гелийнеоновые лазеры в продольном магнитном поле.
3.5.1. Расчет расщепления частоты в магнитном поле.
3.5.2. Способ получения повышенной разностной частоты
3.5.3. Определение фазовой анизотропии резонатора
3.6. Выводы
Глава4. ВЛИЯНИЕ НАПОЛНЕНИЯ В АКТИВНОМ ЭЛЕМЕНТЕ
НА СТАБИЛЬНОСТЬ ОПТИЧЕСКОЙ И РАЗНОСТНОЙ ЧАСТОТЫ
4.1. Расчет сдвигов оптической частоты для одночастотного лазера
4.2. Экспериментальное исследование влияния давления в активном элементе и ячейке поглощения на сдвиг частоты лазерного излучения одночастотного лазера
4.3. Измерения сдвига частоты в зависимости от давления неона
4.4. Влияние примеси кислорода на частотные и энергетические характеристики двухчастотного зеемановского лазера.
4.5. Влияние наполнения в активных элементах на стабильность поляризационночастотных характеристик.
4.6. Выводы
Глава5. МОДУЛЯЦИЯ ОПТИЧЕСКОЙ И РАЗНОСТНОЙ ЧАСТОТЫ ИЗЛУЧЕНИЯ ВОЗМУЩЕНИЯМИ ТОКА РАЗРЯДА
5.1. Механизмы сдвига и девиации частоты излучения, обусловленные нестабильностями тока разряда
5.2. Экспериментальные результаты и их обсуждение
5.3. Влияние возмущений в активной среде на стабильность оптической и разностной частоты в двухчастотном лазере.
5.4. Выводы
Главаб. ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ
ХАРАКТЕРИСТИ ЧАСТОТНО СТАБИЛИЗИРОВАННЫХ ЛАЗЕРОВ
6.1. Влияние обратных отражений на стабильность оптической частоты.
6.2. Экспериметальное исследование сдвигов оптической частоты
6.3. Поверочная установка для аттестации лазеров по длине волны
и нестабильности оптической частоты.
6.4. Измерения стабильности частоты и номинального значения
длины воны лазерного излучения
6.5. Выводы.
Заключение
Список литературы


С конца х годов, лазеры, стабилизированные по провалу Лэмба, выпускались также фирмой i ГДР. В ЧССР лазер модели фирмы выпускался с известным до восьмого знака значением длины волны. Отечественной промышленностью выпускались лазеры ЛГ и ЛГ, стабилизированные по провалу Лэмба. На базе этих приборов были разработаны лазерные интерферометры ИПЛЮМ и ИПЛ1 ОМ . Воспроизводимость длины волны и надежность этих приборов оказались недостаточными для измерительной техники, тем не менее, эти приборы положили начало развитию лазерной измерительной технике. Рис. Графическая иллюстрация формирования сигнала ошибки при перестройке частоты от центра доплеровского контура при наличии провала Лэмба. Рис. Поглощающая ячейка, наполненная неоном, помещалась в магнитное поле и служила вместе с фотоприемником в качестве оптического дискриминатора. Зеемановское расщепление линии поглощения в продольном магнитном поле на сг и а компоненты приводит к тому, что излучение с левой и правой круговыми поляризациями ЛКП и ПКП неодинаково поглощается, когда частота генерации смещается от центра линии поглощения. Разница в поглощении излучения с ЛКП и ПКП пропорциональна смещению частоты генерации от центра линии поглощения. Схема стабилизации частоты по зеемановской ячейке поглощения представлена на рис. Электрооптический модулятор света, управляемый прямоугольными импульсами напряжения амплитудой кВ с генератора, попеременно преобразует линейно поляризованное излучение лазера в излучение с ЛКП и ПКП. ЛКП и ГЖП. Фотоприемник выделяет электрический сигнал, пропорциональный разности поглощения излучения с ЖП и ГЖП при изменении напряжения на элекгрооптическом модуляторе. Электрический сигнал детектируется на фазовом детекторе, усиливается и подается на пьезоэлемент, управляющий положением зеркала. Сравнение частоты биений двух независимо стабилизированных лазеров показало, что нестабильность частота составляет 2. К недостаткам схемы оптического дискриминатора следует отнести наличие элекгрооптического модулятора света, на который необходимо подавать высокое напряжение. В процессе работы токи смещения, протекающие через модулятор, могут приводить к его разогреву, изменению оптических характеристик сдвигу оптической частоты. Рис. Схема стабилизации частоты по зеемановской ячейке поглощения 1 одночастотный гелнйнеоновый лазер 2 электрооптический модулятор света 3 фотоприемник 4 предусилитель 5 синхронный детектор 6 усилитель постоянного тока 7 опорный генератор. На рис. В дискриминаторах отсутствует четвертьволновой переключатель. Вместо него устанавливается четвертьволновая пластина, преобразующая линейно поляризованное излучение лазера в излучение, поляризованное по кругу. На ячейку поглощения накладывается переменное магнитное поле с частотой о, приводящее к сканированию по частоте контуров поглощения а и а. Сигнал ошибки формируется также на частоте а и имеет фазовый сдвиг 0 или я по отношению к фазе магнитного поля. Дискриминатор, представленный на рис. ФРГ. Дискриминатор на рис. Наряду с высокой чувствительностью он обеспечивает возможность плавной перестройки стабилизируемой частоты излучения в пределах сотен мегагерц от частоты репера. Взаимодействие ортогональных циркулярных поляризаций в поглощающей ячейке пренебрежимо мало при напряженности магнитных полей до 4. Ам. Это обусловило создание оптического дискриминатора, приведенного на рис. В нем на ячейку подается линейно поляризованное излучение, являющееся суперпозицией волн ортогональных циркулярных поляризаций, каждая из которых взаимодействует с соответствующим контуром поглощения. На выходе ячейки помещен оптический фильтр, представляющий собой сочетание четвертьволновой пластины и линейного поляризатора со скрещенными под углом осями пластины относительно плоскости пропускания поляризатора. Экспериментальные исследования такого типа оптического дискриминатора показали, что крутизна его дискриминационной кривой не отличается от аналогичной характеристики устройства рис. Балансный оптический дискриминатор рис.