Способ стабилизации частоты генерации твердотельного лазера с диодной накачкой

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ ГЕНЕРАЦИИ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Машко Василий Вячеславович Костик Олег Евстафьевич Тепляшин Леонид Леонидович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Способ стабилизации частоты генерации твердотельного лазера с диодной накачкой,характеризующийся тем, что в резонатор лазера помещают предварительный и основной селекторы и фазовый элемент, причем в качестве предварительного селектора используют селектор Фабри-Перо, образованный внешними гранями активного элемента лазера, а в качестве основного селектора и фазового элемента используют селектор Фабри-Перо, образованный внешними гранями стеклянной пластины, которую подвергают механической деформации в направлении, перпендикулярном оси резонатора, для получения двухчастотной генерации изменяя длину резонатора посредством пьезокорректора, определяют 16389 1 2012.10.30 диапазон изменения частоты межчастотного интервала двухчастотной генерации, которую определяют как разностную частоту между двумя генерирующими частотами,настраивают частоту генератора стандартных сигналов на одну из частот упомянутого диапазона и используют ее в качестве частоты сравнения, устанавливают длину резонатора, при которой частота межчастотного интервала совпадает с частотой сравнения, а при нарушении упомянутого условия по сигналу ошибки, пропорциональному величине разности частоты межчастотного интервала и частоты сравнения, стабилизируют частоту генерации лазера посредством стабилизации длины его резонатора системой автоматической подстройки, причем оперативную плавную перестройку частоты генерации лазера осуществляют путем изменения частоты сравнения генератора стандартных сигналов. Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к способам и устройствам управления и стабилизации лазерного излучения, и может найти применение при разработке приборов для мониторинга атмосферы, дальнометрии, измерения геометрических величин и перемещений в нанотехнологиях и научных исследованиях. Известны способы стабилизации частоты лазеров, основанные на дисперсионных свойствах их активной среды или поглощающей среды, помещенной внутрь резонатора лазеров. Так, в 1 для стабилизации частоты генерации используют трехчастотный режим генерации, при котором дисперсионные и нелинейные свойства активной среды приводят к неэквидистантности частот, генерируемых лазером, при расположении этих частот несимметрично относительно центра контура линии усиления. Неэквидистантность частот приводит к появлению низкочастотных биений. Частота этих биений может изменяться в зависимости от положения частот генерации относительно контура линии усиления, что и используется для автоматической подстройки частоты лазера. Недостатками способа являются необходимость использования дополнительных внерезонаторных оптических элементов для получения одночастотного и двухчастотного излучения, необходимого, например, для работы лазерных интерферометров второго поколения, и ограниченность возможности регулировки межчастотного интервала, так как его величина определяется шириной линии усиления лазера (должны генерировать три продольные моды). Наиболее близким к изобретению является способ стабилизации частоты лазеров с внутрирезонаторной нелинейно-поглощающей ячейкой работающих в двухчастотном режиме 2, в котором при достаточной величине межчастотного интервала, при перестройке частоты резонатора в межчастотных биениях на медленно меняющемся фоне наблюдается частотный резонанс дисперсионной формы, когда частота одной из мод приближается к центру линии поглощения, вызванный нелинейным затягиванием частоты к центру линии поглощения. Полученный частотный резонанс используется для автоматической стабилизации частоты лазера (сигналом с фотоприемника после обработки управляют длиной основного резонатора, стабилизируя, таким образом, частоту излучения лазера). Недостатком способа является сложность его реализации, так как внутри резонатора лазера необходимо расположить термически стабилизируемую поглощающую ячейку, линии поглощения вещества которой должны попадать в линию усиления лазера (каждой активной среде необходимо подбирать соответствующую поглощающую среду), что значительно увеличивает длину резонатора, и практически без дополнительных селекторов невозможно получить одночастотную или двухчастотную генерацию, если активная среда лазера имеет широкую область усиления (например, твердотельные лазеры с диодной накачкой). Техническая задача изобретения упрощение стабилизации частоты твердотельного лазера с диодной накачкой осуществление возможности оперативной плавной перестройки и стабилизации частоты генерации твердотельного лазера с диодной накачкой. 2 16389 1 2012.10.30 Способ стабилизации частоты генерации твердотельного лазера с диодной накачкой,характеризующийся тем, что в резонатор лазера помещают предварительный и основной селекторы и фазовый элемент, причем в качестве предварительного селектора используют селектор Фабри-Перо, образованный внешними гранями активного элемента лазера, а в качестве основного селектора и фазового элемента используют селектор Фабри-Перо, образованный внешними гранями стеклянной пластины, которую подвергают механической деформации в направлении, перпендикулярном оси резонатора, для получения двухчастотной генерации изменяя длину резонатора посредством пьезокорректора, определяют диапазон изменения частоты межчастотного интервала двухчастотной генерации, которую определяют как разностную частоту между двумя генерирующими частотами,настраивают частоту генератора стандартных сигналов на одну из частот упомянутого диапазона и используют ее в качестве частоты сравнения, устанавливают длину резонатора, при которой частота межчастотного интервала совпадает с частотой сравнения, а при нарушении упомянутого условия по сигналу ошибки, пропорциональному величине разности частоты межчастотного интервала и частоты сравнения, стабилизируют частоту генерации лазера посредством стабилизации длины его резонатора системой автоматической подстройки, причем оперативную плавную перестройку частоты генерации лазера осуществляют путем изменения частоты сравнения генератора стандартных сигналов. Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показаны частотные зависимости рассчитанных поправок на фиг. 2 - схема лазера на фиг. 3 - зависимость межчастотного интервала от длины резонатора лазера (частоты генерации). Предлагаемый способ стабилизации частоты твердотельного лазера с диодной накачкой основывается на эффекте дисперсии фазовых набегов волн в элементах, помещенных в лазерный резонатор. Для его более детальной интерпретации произведены соответствующие численные расчеты. Набег фазы в активной среде на частоте , возникающий за счет усиления, для лоренцевского контура выражается формулой 3( 0) 0 2 2( 0) 2 где 0 - коэффициент усиления активной среды,и 0 - ширина контура усиления и его центральная частота,- длина возбужденной области активной среды. Зависимость фазового набега от частоты в активной среде приводит к появлению дополнительной поправки к разнице 0 частот двух компонент, первоначально обусловленной наличием фазовой анизотропии резонатора. Еще к одной дополнительной поправке приводит наличие в резонаторе селекторов. Действительно, амплитудному резонансу (резонансу пропускания) интерферометра Фабри-Перо соответствует дисперсионная кривая, характеризующая частотную зависимость фазырезультирующего колебания, возникающего в результате сложения интерферирующих в селекторе световых пучков 4 122 где- оптическая база селектора- энергетический коэффициент отражения зеркал 4 Для получения одночастотного и двухчастотного перестраиваемых режимов генерации твердотельного лазера с диодной накачкой, как правило, необходимо использовать два внутрирезонаторных селектора Фабри-Перо с различными, соответственно подобранными оптическими базами и коэффициентами отражения зеркал в зависимости от длины 3 16389 1 2012.10.30 резонатора и мощности накачки. Параметры элементов резонатора лазера, используемые при расчетах, соответствуют параметрам экспериментального лазера, на котором апробировался предлагаемый способ стабилизации частоты. На фиг. 1 представлены рассчитанные зависимости вносимых элементами резонатора поправок к величине межчастотного интервала двухчастотной генерации от величины отстройки нерасщепленной частоты генерации от центра контура усиления. Межчастотный интервал определяется как разностная частота 1, 221 между двумя генерирующими частотами, которая соответствует частоте биений двух генерирующих компонент (частот). Видно, что основной вклад в наблюдаемый эффект вносит селектор с большей базой 1 (кривая 3). Второй по величине вклад вносит селектор с меньшей базой 2 (кривая 2), причем соотношение величин этих вкладов определяется соотношением величин их оптических баз и коэффициентов отражения зеркал. Однако для получения одночастотного и двухчастотного режимов генерации необходимо соблюдать определенное соотношение между величинами оптических баз интерферометров, и, следовательно, величина поправки интерферометра с меньшей базой будет всегда значительно меньше. Вклад дисперсии возбужденной области активной среды (кривая 1) сравнительно мал и практически не изменяется в пределах области перестройки частоты генерации лазера. Кривая 4 показывает суммарное изменения величины межчастотного интервала. Минимальный межчастотный интервал наблюдается, когда генерация осуществляется вблизи центра контура линии пропускания главного селектора. Симметричность зависимости величины межчастотного интервала относительно центра контура линии пропускания главного селектора нарушается из-за небольшого влияния дисперсии усиливающей среды и предварительного селектора. На фиг. 2 приведена схема лазера для реализации заявляемого способа, где 1, 2 - зеркало 3 - активный элемент 4 - стеклянная пластина 5 - пьезокорректор 6 - лазерный диод. Устройство работает следующим образом. В резонатор лазера, образованный зеркалами 1, 2, с накачкой лазерным диодом 6 помещают два селектора Фабри-Перо (основной и предварительный селекторы) и фазовый элемент (для упрощения схемы резонатора и увеличения его стабильности в качестве предварительного селектора используют селектор Фабри-Перо, образованный внешними гранями активного элемента 3, а в качестве основного селектора и фазового элемента - селектор Фабри-Перо, образованный внешними гранями стеклянной пластины 4, которая подвергается механической деформации деф в направлении, перпендикулярном оси резонатора), получают двухчастотную генерацию с взаимно ортогональной поляризацией и производят сканирование частоты генерацию изменением длины резонатора с помощью пьезокорректора 5, в процессе которого изменяется межчастотный интервал двух генерирующих частот из-за дисперсионных свойств резонатора в соответствии с графиком,представленном на фиг. 3 (изменения происходят периодически с периодом в полволны,показан один период), затем, исходя из графика на фиг. 3, устанавливают частоту генератора стандартных сигналов (на фигурах не показан), которая используется в качестве частоты сравнения, и подбирают такую длину резонатора, при которой частота межчастотного интервала совпадает с частотой сравнения. Если из-за нестабильности резонатора лазера частота межчастотного интервала становится отличной от частоты сравнения, то появляется сигнал ошибки, пропорциональный величине разности частоты межчастотного интервала и частоты сравнения. По сигналу ошибки стабилизируют длину резонатора с помощью системы автоматической подстройки (на фигурах не показана) и, следовательно,частоту генерации лазера. Наибольшая чувствительность системы стабилизации достига 4 16389 1 2012.10.30 ется в том случае, когда частота сравнения находится в точке графика, показанного на фиг. 3, для которой величина изменения межчастотного интервала 1, 2/ имеет максимальное значение. Оперативная плавная перестройка частоты генерации лазера осуществляется изменением частоты сравнения генератора стандартных сигналов с последующей стабилизацией частоты генерации вышеуказанным способом. Отличительные признаки способа позволяют получить новое свойство - стабилизацию частоты твердотельного лазера с диодной накачкой посредством использования дисперсионных свойств внутрирезонаторного селектора Фабри-Перо без принудительной модуляции оптической длины резонатора и ее оперативную плавную перестройку в пределах контура пропускания основного селектора. Источники информации 1. Капралов В.П., Булыгин А.С. Оптика и спектроскопия. - 1974. - Т. 27. -5. С. 993-994. 2. Губин М.А., Проценко Е.Д. Квантовая электроника. - 1997. - Т. 24. -12. С. 1080-1094. 3. Войтович А.П. ЖПС. - 1977. - Т. 26. - Вып. 3. - С. 436-442. 4. Машко В.В., Войтович Д.А. Препринт / Ин-т физики АН БССР 539. - Минск,1989. - 21 с. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5