SU768365A1 - Device for stabilizing radiation frequency of gas laser - Google Patents

Description

(sk) УСТРОЙСТВО Щ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ(sk) DEVICE W STABILIZATION OF FREQUENCY

ИЗЛУЧЕНИЯ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРАGAS LASER RADIATION

Изобретение относитс  к области . квантоерй электроники, а именно к устройствам дл  получени  стабилизированного по частоте излучени  сазовОго лазера и может найти применение при создании оптических квантовых стандартов частоты с высокими ёначенй ми стабильности ( и воспроизводимости (-vtO ) частоты.The invention relates to the field. quantum electronics, namely, devices for obtaining frequency-stabilized radiation from a SAS laser, can be used to create optical quantum frequency standards with high levels of stability (and reproducibility (-vtO) frequencies.

Известен стабилизированный ОКГ 1J, где с целью повышени  стабильности и воспроизводимости частоты излучени  газового ОКГ внутрь резонатора ОКГ помещена нелинейно-поглощающа  газоёа   чейка низкого давлени , центральна  частот поглощени  которой попадает в допплеровский контур линии уси/1ёни . Насыщение поглощени  в сто чей световой волне приводит к образованию узкого провала Лэмба в центре допплеровски-уширенной линии поглощени . В результате этого выходном иэлучё НИИ ОКГ возникает резонанс мощности, частота которого совпадает с частотойThe stabilized laser 1J is known, where in order to increase the stability and reproducibility of the radiation frequency of a gas laser, a low-pressure non-linear gas cell is placed inside the laser cavity, the central absorption frequency of which falls into the Doppler contour of the Wu / 1ion line. The saturation of the absorption in the standing light wave leads to the formation of a narrow Lamb dip in the center of the Doppler-broadened absorption line. As a result of this output, a power resonance occurs at the Research Institute of Laser, the frequency of which coincides with the frequency

линии поглощени , а ширина на несколько пор дко1а меньше ширина провала Лэмба в линии усилений.the absorption lines, and the width is several orders of magnitude smaller than the width of the Lamb dip in the reinforcement line.

Однако в данном устройстве практи ,чески не обеспечиваетс  точное совпа5 дениё центральных частот линий усилени /й поглощени , что приводит к не желс1Т ь ШМ эффектам отталкивани  и Зат гивани  частоты генерации. Ввиду этОгО ограничено достижение высоких 10 .значений ста.бйльности и воспроизводимости частоты излучени  стабилизированного ОКГ.However, in this device, the center frequencies of the absorption gain / intensity lines do not exactly coincide, which leads to the inadvertent control and repetition of the oscillation frequency. In view of this, the achievement of high 10 values of the stability and reproducibility of the radiation frequency of a stabilized laser is limited.

Известно устройство дл  стабилизации частоты излучени  газового лазера, A device for stabilizing the frequency of a gas laser radiation is known.

15 состо щее из двух кольцевых газовых ла зеров, в резонаторе одного из которых помещеИа  чейка с нелинейно-погхющающим газом, а в резонаторе второгоэлемент длй регулировки величины об20 ратных отражений энергии бегущих ,Ьолн, фЬтоприемники, установленные на пути выходных пучков каждого лазера, системы автоматической подстройки частоты. 376 фотоприемник, установленный.на пути совмещённых пучков лазеров 2 Устройство работает следующим обра , эом. Основной Не-Ne лазер (, стабилизируемс  по центру нелинейного резонанса поглощающего газа (метана). Дополнительный кольцевой лазер (,39 мкм} стабилизируетс  по резонансу мощности на центральной частоте допплеровского контура линии усилени  В данном устройстве, использу  специфику кольцевого лазера, стабилизаци  частбты излучени  дополнительного лазера производитс  не по широкому (дес тки мГц) провалу Лэмба, а по боле е .; узкому (единицы мГц) резонансу, :вд;зиикающему за счет обрйТШх отражений энергии бегущих волн при малом значении коэффициента фазовой св зи. С6 м ёщёШе цёй альнь1хчастЪтДбпплеровских контуров усилени  и поглощени  в этом устройстве п)ОИЗ водиТС  следующим образом. Выходное излуче ,ние основного и дополнительного лазера совмещаетс  с помощью полупрозрачного зеркала, и поступает на общий фотоприемник . Частота сигнйла, выдел ющегос  на общем фотоприемни.ке, равна разности частот двух лазёров, а следовдтельно , и частотной расстройке центральных частот линий усилени  и поглощени . ,С фотопр1йёмнйка сиТйал поступает в систему автоматической регулиpOBkU давлением, а именно надискри мйнато|5 отклонени  частоты, выходной сигнал с которого определ етс  величиной и знаком.частотной расстройки центральных частот линий усилени  и поглощени . Сигнал ошибки с дйскриминатора поступаетдалее в сервопривод, который управл ет движением поршн . Различие центральных частот линий уси лени  и поглощени  устран етс  соответствуйщим изменением давлени  в соединенных между собой активных трубках обоих ОКГ при помощи поршн . Однако точность совмещени  центральных частот линий усилени  и поглощени  в описанном выше устройстве невысока ( Гц) и ограничена сравнительно большой (единицы мГц) шириной резо нанса на центральной частоте линии усилени ,что влечет за собой ограничение стабильности и воспроизводимости частоты газового ОКГ (о/Ю). Точность совмещени  центральных частот линий усилени  и поглощени  может быть значительно повышена, если оба стабилизировать по автоколёбатель 5 . 4 ,  ым резонансам мощности, которые возпикают на центральных частотах линий I усиливающей и поглощающей сред при увеличении коэффициента фазовой св зи волн д6 критического значени , что П|эивОдйт к повышению на пор док величину стабильности и воспроизводимости чacтotы газовогоОКГ. Однако в данном устройстве дл  получени  стабилизированных по частоте излучени , газового ОКГ путем совмещени  резонансов,возникающих за счет фазовой св зи бегущих волн, можно стабиЛмзирбвать частоту излучени  ОКГ, имеющего кольцевой резонатор, так как упом нутые рез.рн ансьг возникают только в ОКГ с кольцевым резонатором. Поэтому данное устройство не позвол ет обеспечить высокой стабильностии . воспроизводимости частоты излучени  ОКГ с резонатором Фабри-Перо, имеющего в насто щее врем  широкое распространение. Недостатком этого устройства  вл етс  также наличие оптической св зи стабилизируемого ОКГ со вспомогательным ОКГ, привод щей к дополнительным потер м мощности выходного излучени  стабилизируемого ОКГ, к внесению искажений ввиду вааимного вли ни  ОКГ .на режимы работы друг друга, к дополнительным отражени м энергии бегущих волн на общих отражающих поверхност х и т. п. Целью насто щего изобретени   вл етс  .ние стабильности частоты газового лазера. При этом Конструкци  резонатора произвольна . Указанна  цель достигаетс  тем, что устройство дл  стабилизации частоты газового лазера, состо щее из двух кольцевых ОКГ, активные трубки которых соединены между собой, в резонаторе одного из которых находитс  нелинейно-поглощающа   чейка, а в резонаторе другого - приспособление дл  регулировки величины обратных отражений энергии бегу1цих волн, например, плоскопараллельна  пластинка, фотоприемйиков , установленных на пути выходных пучков каждогр ОКГ, систем автоматической подстройки частоты, фотоприемника , установленного на пути совмещени  пучков лазеров, и содержит газовый лазер, на пути выходного излучени  которого установлены фотоприемник и система автоматической подстройки частбты излучени , а резонатор газового Лазера содержит газовую трубку с активным веществом, сбедийенную с гачповыми трубка и кольцевых лазеров и нелинейно поглощающую  чейку, соеди ненную с нелинейно-поглощающей  мейкой одного из кольцевых лазеров. Сущность изобретени  по сн етс  чертежом, где изображена принципиальна  схема устройства. Активна  трубка 1 стабилизируемого по частоте газового лазера I, имеющего резонатор произвольной конструкции например Фабри-Перо, образованный зер . калами 2, 3, соединена с активными трубками , 5двух дополнительных ОКГ И , III, с кольцевыми резонаторами, образованными зеркалами 6,7, 8., 9 10,11, Поглощающа   чейка 12 ОКГ 1 соединена с поглощающей  чейкой 13 ОКГ 1I,Внутри кольцевых резонаторов II и ОКГ 1М помещены плоскопараллельные пластинки 1 и 15 дл  регулировки величины обратных отражений энергии бегущих волн. Зеркала 3, 6, 9 резонаторов лазеров , |I и |)| укреплены на пьезокерамиках 16, 17, 18 дл  управлени  частотой выходного излучени  этих ОКГ. На пути выходных пучков ОКГ 1, I Г, III установлены фотоприемники 19, 20, 21. Сигналы с фотоприемников через системы автоматической подстрой ки частоты 22 и 16, 23 и 17, 2 и 18 замыкаютс  на входах ОКГ I, 11, HJ. На пути выходных излучений лазеров I I и III установлено полупрозрачное зёрк ло 25 дл  совмещени  их излучений. Совмещенное излучение ОКГ II и IП через фотоприемник 2б поступает в систему 27, 28, 29 автоматической регулировки давлени  в соединенных активных трубках 1, ii, 5 ОКГ I, II и 111, при котором центральные частоты линий усилени  и поглощени  совмещены. Принцип действи  описанного выше устройства состоит в следующем. Частота излучени  лазера I стабилизирована на центральной lacTOTe допплеров ски-уширенной линии поглощени  по инвертированному провалу Лэмба С помощью фотопрйемника 19 и системы АПЧ 22 и 16. Частота излучени  лазера I I стабилизирована на центральной частоте допплеровского контура линии поглощени  по автоколебательному резонансу , возникающему на центре погЛощени , с помощью фотоприемника 20 и системы АПЧ 23 и 17. Частота излучени  лазера III стабилизирована на центральной частоте допплеровского 76 5 6 контура линии усилени  по автоколеВательному резонансу, возникающему на центре линии усипеии  с помощью фотоприемника 21 и системы АПЧ 2 и 18. Режим возникновени  автоколебательных резонансов мощности достигнут в дополнительных лазерах увеличением коэффициента св зи бегущих волн до его критического значени  (1СГ . Дл  достижени  этого углы между оптическими ос ми резонаторов лазеров II и f I I и нормал ми к пластинкам 1 и 15 составл ли 1-2. Как следует из описани  прототипа, частота сигнала, выдел ющегос  на общем фотоприемнике 25- равн етс  частотной расстройке центральных частот линий усиливающей и поглощающей сред лазеров И и III. Поскольку активна  трубка ОКГ | соединена с активными трубками лазеров II и 1П , а его поглощающа   чейка с поглощающей  чейкой лазеров ||, то сигнал биений частот лазеров 11 и I | |. выдел ющийс  на фотоприемнике 25,  вл етс  индикатором расстройки центральных частот линий усиливающей и поглощающей сред и дл  ОКГ I. Сигнал биений частот лазеров fI и с фотоприемника 25 поступает на дискриминатор отклонени  частоты и далее на сервопривод, который управл ет поршнем , регулирующим давление в соединенных между собой активных трубках лазеров I, II и III до такого значени  , при котором сигнал биений частот лазеров И и III будет (эавен нулю. В этом случае давление активной среды в соединенных активных трубках лазеров I, II, П1 соответствует значению, при котором центральные частоты линий усиливающей и поглощающей сред в кольцевом лазере IJ, а следовательно, и в лазере I, совпадают. г . ... Таким образом, в данном устройстве устранена причина, ограничивающа  доctижeниe высоких значений стабильно ти и воспроизводимости частоты излучени  газового лазера с произвольной конструкцией резонатора. Как следует из схемы, лазер I, частота которого подлежит стабилизации, не требует оптической св зи с дополнительными лазерами I и III, вход щими в устройство. Тем самым устранены последстви , имеющиеместо в устройствах , в которых стабилизируемый . ОКГ оптически св зан с дополнительными лазерами.15 consisting of two annular gas lasers, in the resonator of one of which is placed a cell with nonlinear-ingress gas, and in the resonator of the second element to adjust the magnitude of the reverse reflections of the energy of the running, electrons in the path of the output beams of each laser frequency adjustment. 376 photodetector mounted. On the path of the combined laser beams 2 The device operates as follows. Primary He-Ne laser (, stabilized at the center of the nonlinear resonance of the absorbing gas (methane). Additional ring laser (, 39 µm) stabilized by the power resonance at the central frequency of the Doppler loop of the amplification line) In this device, using the specifics of the ring laser, the stabilization of the frequency the laser is not produced by a wide (10 MHz) Lamb dip, but by a larger e.; narrow (units of MHz) resonance,: dv; downturn due to the reflection of the energy of traveling waves at a small value of Phase Communication Phase. C6 More specifically, the alias 1xDTDBepplerov amplification and absorption contours in this device n) OIZ VODITS as follows. The output radiation of the main and additional laser is combined with a translucent mirror, and goes to the common photodetector. total photoreceiver, is equal to the frequency difference between two lasers, and, consequently, the frequency mismatch of the center frequencies of the amplification and absorption lines. The photocell is supplied to the system by automatically adjusting the pressure, i.e., the overdiscount | 5 frequency deviation, the output signal from which is determined by the magnitude and sign of the frequency detuning of the center frequencies of the gain and absorption lines. The error signal from the discriminator goes further into the servo, which controls the movement of the piston. The difference in center frequencies of the amplification and absorption lines is eliminated by a corresponding change in pressure in the interconnected active tubes of both laser with a piston. However, the accuracy of combining the center frequencies of the amplification and absorption lines in the device described above is low (Hz) and limited to a relatively large (units of MHz) resonance width at the center frequency of the amplification line, which entails a limitation on the stability and reproducibility of the gas laser frequency (o / y) . The accuracy of combining the center frequencies of the amplification and absorption lines can be significantly improved if both are stabilized by the auto-oscillator 5. 4th power resonances that occur at the center frequencies of lines I of the amplifying and absorbing media with an increase in the phase coupling coefficient of the waves d6 of the critical value, which is equal to the magnitude of the stability and reproducibility of the gas OCG. However, in this device for obtaining frequency-stabilized radiation of a gas laser by combining resonances arising due to phase coupling of traveling waves, it is possible to stabilize the radiation frequency of a laser having a ring resonator, since the above-mentioned res.irn occur only in a laser with a ring resonator. Therefore, this device does not provide high stability. reproducibility of the radiation frequency of a laser with a Fabry-Perot resonator, which is currently widely used. A disadvantage of this device is also the presence of optical communication of a stabilized laser with an auxiliary laser, resulting in additional power losses of the output radiation of the laser being stabilized, to introduce distortions due to the alternating effect of the laser on the modes of each other, to additional reflections of the energy of traveling waves. on common reflective surfaces, etc. The aim of the present invention is to determine the frequency stability of a gas laser. In this case, the design of the resonator is arbitrary. This goal is achieved by the fact that a device for stabilizing the frequency of a gas laser, consisting of two annular laser tubes, whose active tubes are interconnected, in the resonator of one of which is a nonlinearly absorbing cell, and in the resonator of the other - a device for adjusting the amount of reverse energy reflections running waves, for example, a plane-parallel plate, photo-receivers installed in the path of the output beams of each laser, automatic frequency control systems, a photo-receiver installed in the path with laser beam, and contains a gas laser, in the path of the output radiation of which a photodetector and an automatic adjustment system are installed, and the gas laser resonator contains a gas tube with an active substance, mixed with a gash tube and ring lasers and a nonlinearly absorbing cell connected to a nonlinear -absorbing meyka of one of the ring lasers. The invention is illustrated in the drawing, which shows a schematic diagram of the device. The active tube 1 of a gas laser I, which is stabilized in frequency, has a resonator of arbitrary design, for example, a Fabry-Perot formed by a mirror. 2, 3, connected to the active tubes, 5 two additional lasers And, III, with ring resonators formed by mirrors 6,7, 8., 9 10,11, Absorbing cell 12 JAG 1 connected to the absorbing cell 13 JAG 1I, Inside the ring resonators II and laser 1M placed plane-parallel plates 1 and 15 to adjust the amount of reverse reflections of the energy of traveling waves. Mirrors 3, 6, 9 laser resonators, | I and |) | mounted on piezoceramics 16, 17, 18 to control the output frequency of these laser. Photodetectors 19, 20, 21 are installed in the path of the output laser beams 1G, IG, III. In the path of the output radiation of lasers I I and III, a translucent mirror 25 was installed to match their radiation. Combined radiation of Laser II and IП through photodetector 2b enters the system 27, 28, 29 of automatic pressure control in connected active tubes 1, ii, 5 of Laser OK I, II and 111, at which the central frequencies of the amplification and absorption lines are combined. The principle of operation of the device described above is as follows. Laser frequency I is stabilized on the central lacTOTe doppler of a ski-enhanced absorption line through an inverted Lamb dip With the help of a photoprinter 19 and an AFC system 22 and 16. The frequency of the radiation of laser II is stabilized at the center frequency of the Doppler contour of the absorption line along a self-oscillating resonance arising at the absorption center using the photodetector 20 and the AFC system 23 and 17. The radiation frequency of the laser III is stabilized at the center Doppler frequency 76 5 6 contour of the gain line along autocoloring the resonance arising at the center of the usipii line with the help of the photodetector 21 and the AFC system 2 and 18. The mode of occurrence of self-oscillating power resonances is achieved in additional lasers by increasing the coupling coefficient of traveling waves to its critical value (1HG. To achieve this, the angles between the optical axes of the laser resonators II and f II and the normals to the plates 1 and 15. were 1-2. As follows from the description of the prototype, the frequency of the signal allocated to the common photodetector 25 is equal to the frequency detuning of the center frequencies th amplifying and absorbing media and lasers and III. Since the tube is active | connected to the active tubes of lasers II and 1P, and its absorbing cell with the absorbing cell of lasers ||, then the beat signal of the frequencies of the lasers 11 and I | |. allocated at the photodetector 25, is an indicator of the detuning of the center frequencies of the amplifying and absorbing media lines for LAG I. The beat signal of the laser frequencies fI and from the photoreceiver 25 goes to the frequency deviating discriminator and then to the servo drive that controls the piston regulating the pressure in the connected between each of the active tubes of lasers I, II and III to such a value that the beat signal of the frequencies of lasers I and III will be (equal to zero. In this case, the pressure of the active medium in the connected active tubes of lasers I, II, P1, respectively This is the case at which the center frequencies of the amplifying and absorbing medium lines in the ring laser IJ, and consequently, in laser I, coincide. ... Thus, this device eliminates the reason for limiting the high frequency stability and reproducibility radiation of a gas laser with an arbitrary resonator design. As follows from the scheme, laser I, whose frequency is to be stabilized, does not require optical communication with additional lasers I and III included in the device. Thereby, the consequences that exist in devices in which it is stabilized are eliminated. The laser is optically coupled with additional lasers.

Claims (1)

; Формула изобретения; Claim Устройство для стабилизации часто /ты излучения газового лазера, содержащее два кольцевых лазера, газовые трубки с активным веществом которых , Мир, 1974, • ΤA device for stabilizing the frequency of a gas laser radiation, containing two ring lasers, gas tubes with the active substance of which, Mir, 1974, • Τ С*-. - -с * JFROM*-. - with * J ·.-;· л. · \t )· .-; · l. \ T) ал» иal "and N*10467/3N * 10467/3 ВНИИПИ ЗаказVNIIIPI Order Филиал'ППП ’’Патент”, г. Ужгород, ул. Проектная, 4.Branch 'PPP ’’ Patent ”, Uzhhorod, st. Project, 4.