частотно-стабилизированный газовый лазер
Классы МПК: | H01S3/13 стабилизация выходных параметров лазера, например частоты, амплитуды |
Автор(ы): | Азаров А.А., Ишутин А.Н., Макаров В.В. |
Патентообладатель(и): | Научное конструкторско-технологическое бюро "Феррит", Азаров Александр Александрович, Ишутин Александр Николаевич, Макаров Виктор Валентинович |
Приоритеты: |
подача заявки:
1989-02-13 публикация патента:
27.07.1996 |
Использование: в лазерной технике. Сущность изобретения: в тракте накачки газового лазера согласующее устройство выполнено так, что оно допускает регулировку согласования и имеет управляющий вход. В схему устройства введены перемножитель и интегратор. Система электродов разделена в продольном направлении по крайней мере на две части с независимыми трактами возбуждения. Цель - повышение стабильности частоты излучения. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
Формула изобретения
1. Частотно-стабилизированный газовый лазер с радиочастотным возбуждением, содержащий оптический резонатор, систему электродов для возбуждения активной среды, генератор накачки, согласующее устройство, блок выделения отраженного сигнала, схему обработки сигнала ошибки и управления частотой оптического резонатора, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности частоты излучения лазера за счет улучшения отношения сигнал-шум в тракте выделения сигнала ошибки, дополнительно введены перемножитель и интегратор, причем первый вход перемножителя соединен с выходом блока выделения отраженного сигнала, а второй вход с выходом генератора накачки, выход перемножителя соединен со схемой обработки сигнала ошибки и управления частотой оптического резонатора и с интегратором, выход которого соединен с управляющим входом согласующего устройства. 2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что в качестве блока выделения отраженного сигнала использован рефлектометр и его выходы соединены с входами перемножителя. 3. Лазер по п.1, отличающийся тем, что система электродов для возбуждения активной среды разделена в продольном направлении по крайней мере на две части с независимыми трактами возбуждения, дополнительно введен сумматор, входы которого соединены с выходами перемножителей каждого тракта возбуждения, а выход с входом схемы обработки сигнала ошибки и управления частотой оптического резонатора.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к лазерной технике, в частности к устройству газовых лазеров со стабилизацией частоты излучения, и может быть использовано для создания лазерных гетеродинов, в том числе в мобильных системах оптической связи и локации. Известны устройства стабилизированных по частоте газовых лазеров с радиочастотной накачкой, использующие для получения сигнала ошибки в системе стабилизации частоты фотоприемники [1] Эти устройства, особенно для лазеров инфракрасной области, имеют большие габариты, усложненные оптические схемы, обычно требуют охлаждаемых фотоприемников, что ограничивает область их применения лабораторными исследованиями. Известно устройство для стабилизации частоты лазера с радиочастотным возбуждением, использующее оптогальванический эффект (ОГЭ). Устройство содержит оптический резонатор, систему электродов для возбуждения активной среды, генератор накачки, согласующее устройство, средства выделения отраженного от согласующего устройства сигнала и схему обработки сигнала ошибки и управления частотой оптического резонатора (СОУ) (прототип) [2] В этом устройстве модулирующий сигнал, вырабатываемый СОУ, приводит к модуляции оптического поля в резонаторе лазера и, следовательно, к модуляции импеданса лазерной плазмы за счет ОГЭ. Изменение импеданса плазмы вызывает модуляцию коэффициента отражения высокочастотного сигнала генератора накачки от согласующего устройства. Эта модуляция и фиксируется в устройстве для получения сигнала ошибки. Известному устройству присущи недостатки, вызванные следующими причинами. Как известно, любой высокочастотный генератор является и источником шума, спектр которого сосредоточен около центральной частоты генерации, а интенсивность имеет обычно величину порядка -60 дБ (10-3) от интенсивности на центральной частоте ВЧ-генератора. В известном устройстве стабилизации частоты лазера информация о смещении частоты излучения лазера в виде амплитуды и фазы сигнала с частотой модуляции лазерного резонатора содержится только в отраженном от согласующего устройства сигнале. В точке размещения средств выделения отраженного сигнала (например, циркулятора) сигнал ошибки для CO2-лазера имеет величину порядка 2![частотно-стабилизированный газовый лазер, патент № 2064721](/images/patents/408/2064006/183.gif)
![частотно-стабилизированный газовый лазер, патент № 2064721](/images/patents/408/2064006/183.gif)
![частотно-стабилизированный газовый лазер, патент № 2064721](/images/patents/408/2064721/2064721-2t.gif)
где
![частотно-стабилизированный газовый лазер, патент № 2064721](/images/patents/408/2064721/2064721-3t.gif)
![частотно-стабилизированный газовый лазер, патент № 2064721](/images/patents/408/2064721/2064721-4t.gif)
где Zгн выходное сопротивление генератора накачки;
Zсу (1+m)
![частотно-стабилизированный газовый лазер, патент № 2064721](/images/patents/408/2064006/183.gif)
Zсу входное сопротивление согласующего устройства в отсутствие модуляции оптического резонатора;
m коэффициент рассогласования генератора накачки и согласующего устройства;
K коэффициент ОГЭ;
![частотно-стабилизированный газовый лазер, патент № 2064721](/images/patents/408/2064161/937.gif)
Pотр = 0,5
![частотно-стабилизированный газовый лазер, патент № 2064721](/images/patents/408/2064006/183.gif)
![частотно-стабилизированный газовый лазер, патент № 2064721](/images/patents/408/2064006/183.gif)
![частотно-стабилизированный газовый лазер, патент № 2064721](/images/patents/408/2064161/937.gif)
Uотр = 0,5
![частотно-стабилизированный газовый лазер, патент № 2064721](/images/patents/408/2064006/183.gif)
![частотно-стабилизированный газовый лазер, патент № 2064721](/images/patents/408/2064006/183.gif)
![частотно-стабилизированный газовый лазер, патент № 2064721](/images/patents/408/2064006/183.gif)
![частотно-стабилизированный газовый лазер, патент № 2064721](/images/patents/408/2064161/937.gif)
Таким образом, в тракт выделения сигнала ошибки вносится шум от генератора накачки, пропорциональный коэффициенту рассогласования генератора накачки и согласующего устройства. При реальном значении этого коэффициента порядка 0,2 интенсивность шума в тракте сигнала ошибки составляет 10-4Uгн B. Коэффициент рассогласования может изменяться при работе лазера вследствие изменения мощности генератора накачки и давления газовой смеси. К числу недостатков известного устройства следует отнести и то, что применяемое в нем амплитудное детектирование может производиться только при наличии в отраженном сигнале напряжения несущей частоты достаточной амплитуды, то есть при рассогласовании генератора накачки и согласующего устройства. Таким образом, в случае полного (оптимального) согласования, соответствующего максимуму передаваемой мощности накачки, устройство стабилизации частоты становится неработоспособным. Итак, недостатком известного устройства является ограниченная стабильность частоты излучения лазера вследствие наличия неустранимого шума в тракте выделения сигнала ошибки. Цель изобретения повышение стабильности частоты излучения лазера за счет улучшения отношения сигнал-шум в тракте выделения сигнала ошибки. Цель достигается в частотно-стабилизированном газовом лазере с радиочастотным возбуждением, содержащем оптический резонатор, систему возбуждающих электродов, генератор накачки, согласующее устройство, средства выделения отраженного сигнала (циркулятор) и схему обработки сигнала ошибки и управления частотой оптического резонатора (СОУ), следующим образом. Согласующее устройство выполнено так, что оно допускает регулировку согласования, например, с помощью варикапов, установленных в плечах Г-образного фильтра. Дополнительно введены перемножитель и интегратор, причем на первый вход перемножителя подается напряжение со средств выделения отраженного сигнала, например циркулятора, а на второй вход напряжение с частотой генератора накачки, выход перемножителя соединен со входом СОУ и интегратором, выход которого подключен к управляющему входу согласующего устройства (фиг. 1). Указанная цепь позволяет устранить рассогласование генератора накачки и согласующего устройства, уменьшить за счет этого уровень шума в тракте выделения сигнала ошибки и, следовательно, повысить стабильность частоты излучения лазера. Новизну технического решения обусловливает применение в частотно-стабилизированном лазере с радиочастотным возбуждением последовательно соединенных перемножителя и интегратора, подключенных к управляющему входу регулируемого согласующего устройства. При этом на входы перемножителя подаются соответственно напряжение со средств выделения отраженного сигнала и напряжение с частотой генератора накачки, а с выхода перемножителя сигнал ошибки поступает на вход СОУ. В заявляемом техническом решении содержатся следующие существенные отличия: в лазере с радиочастотным возбуждением напряжение, полученное путем амплитудно-фазового детектирования отраженного сигнала, используется для двух целей для автоподстройки длины оптического резонатора с помощью СОУ по модуляционному способу и для автоподстройки согласования генератора накачки с лазерным разрядом по постоянной составляющей выделенного напряжения. В данном техническом решении впервые используется автоподстройка согласования для минимизации шумов в тракте выделения сигнала ошибки для СОУ частотно-стабилизированного лазера с радиочастотным возбуждением. Поскольку дисперсия частотной ошибки прямо пропорциональна спектральной плотности шума на частоте модуляции оптического резонатора, уменьшение шума приводит к увеличению стабильности частоты излучения лазера. В лазере по п. 2 формулы в качестве средства выделения отраженного от согласующего устройства сигнала использован рефлектометр (датчик падающего и отраженного сигнала), и с двух его выходов сигналы подаются соответственно на два входа перемножителя. Такое техническое решение позволяет отказаться от сравнительно дорогостоящего циркулятора и избавиться от нежелательных фазовых сдвигов между сигналами, подаваемыми на входы перемножителя. В лазере по п.3 формулы система электродов для возбуждения активной среды разделена в продольном направлении по крайней мере на две части с независимыми трактами возбуждения. При этом дополнительно введен сумматор, входы которого соединены с выходами перемножителей каждого тракта возбуждения, а выход подключен к входу СОУ (фиг. 2). Такое построение схемы допускает использование раздельных генераторов накачки без необходимости применять высокочастотное сложение мощности и выравнивать высокочастотный потенциал по всей длине системы электродов для возбуждения активной среды, а также позволяет повысить отношение сигнал-шум в тракте выделения сигнала ошибки в
![частотно-стабилизированный газовый лазер, патент № 2064721](/images/patents/408/2064721/2064721-5t.gif)
![частотно-стабилизированный газовый лазер, патент № 2064721](/images/patents/408/2064721/2064721-6t.gif)
![частотно-стабилизированный газовый лазер, патент № 2064721](/images/patents/408/2064006/183.gif)
Класс H01S3/13 стабилизация выходных параметров лазера, например частоты, амплитуды