способ стабилизации частоты излучения лазера

Формула изобретения

Способ стабилизации частоты излучения лазера, по которому формируют резонанс мощности излучения в резонаторе лазера, измеряют сигнал, пропорциональный выходной мощности излучения лазера, модулируют резонатор лазера пробным сигналом, пропорциональным флуктуациям частоты излучения лазера, определяют знак текущего градиента резонанса мощности излучения по сигналу, пропорциональному выходной мощности излучения лазера и названному пробному сигналу, и на каждом шаге подстройки формируют сигнал подстройки резонатора лазера, совпадающий со знаком текущего градиента, на экстремум резонанса мощности излучения лазера, отличающийся тем, что амплитуда сигнала подстройки на каждом шаге подстройки переменна и пропорциональна текущей величине модуля коэффициента асимметрии - нормированному третьему центральному моменту функции плотности распределения сигнала, пропорционального выходной мощности излучения лазера.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при стабилизации частоты излучения существующих и новых, которые только будут созданы высокостабильных по частоте лазеров, которые, в свою очередь, могут применяться в квантовой метрологии, спектроскопии, системах навигации, локации и других областях.

Известен способ активной стабилизации частоты лазера по экстремуму линии-репера - резонансу насыщенного поглощения в метане - и устройство для его реализации [Жмудь В.А., Бармасов С.В., Гительсон В.Д. «Электронная система стабилизации частоты He-Ne - лазера по линиям поглощения метана», - Приборы и техника эксперимента, 1999, № 4, стр.127-133], включающий формирование в резонаторе лазера, состоящем из ячеек с He-Ne и метановой (СН₄) средами, резонанса мощности и измерение сигнала, пропорционального выходной мощности излучения лазера, на выходе фотоприемника, модуляцию резонатора лазера пробным сигналом от генератора пробного сигнала, определение с помощью пробного сигнала в синхронном детекторе знака и величины текущего градиента резонанса мощности, использование знака и величины текущего градиента для формирования в высоковольтном усилителе сигнала подстройки резонатора на экстремум резонанса мощности. Эти способ не дает требуемого уровня стабильности, поскольку при его реализации возникает модуляционный сдвиг, вызванный девиацией резонатора внешним пробным сигналом, что дополнительно ограничивает точность настройки резонатора лазера на резонансную частоту ячейки-репера. Кроме того, наличие прецизионного генератора пробного сигнала усложняет устройство, реализующее описанный способ стабилизации частоты.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по наибольшему количеству сходных с ним признаков является способ стабилизации частоты излучения лазера, по которому формируют резонанс мощности излучения в резонаторе лазера, измеряют сигнал, пропорциональный выходной мощности излучения лазера, модулируют резонатор лазера пробным сигналом, в качестве пробного сигнала используют сигнал, пропорциональный флуктуациям частоты излучения лазера, знак текущего градиента резонанса мощности излучения определяют по сигналу, пропорциональному выходной мощности излучения лазера, и названному пробному сигналу, а сигнал подстройки резонатора лазера на экстремум резонанса мощности излучения лазера на каждом дискретном шаге принимают равным постоянной по амплитуде величине, знак которой совпадает со знаком текущего градиента [Патент РФ № 2266595, Бюллетень: Изобретения, полезные модели, 2005, № 35]. Этот способ принят за прототип изобретения.

Недостатком прототипа является то, что он не обеспечивает высокую точность настройки на экстремум линии-репера, а это означает, что уровень стабильности частоты лазерного излучения недостаточно высок из-за постоянного по амплитуде сигнала подстройки, величина которой выбирается из условий компромисса между точностью подстройки и временем подстройки (скоростью сходимости алгоритма настройки в область экстремума линии-репера).

Для обеспечения высокой точности настройки на экстремум линии-репера и быстрой сходимости в названную область экстремума линии-репера необходимо, чтобы в областях расстроек, далеких от экстремума линии-репера, шаг подстройки был большим, обеспечивая высокую скорость сходимости, а в области экстремума - маленьким, обеспечивая точность настройки на экстремум.

В основу изобретения положена задача повышения стабильности частоты лазерного излучения за счет увеличения точности настройки резонатора на экстремум линии-репера.

Поставленная задача решается тем, что предлагается способ стабилизации частоты излучения лазера, по которому формируют резонанс мощности излучения в резонаторе лазера, измеряют сигнал, пропорциональный выходной мощности излучения лазера, модулируют резонатор лазера пробным сигналом, пропорциональным флуктуациям частоты излучения лазера, определяют знак текущего градиента резонанса мощности излучения по сигналу, пропорциональному выходной мощности излучения лазера и названному пробному сигналу и на каждом шаге подстройки формируют сигнал подстройки резонатора лазера, совпадающий со знаком текущего градиента, на экстремум резонанса мощности излучения лазера, причем амплитуда сигнала подстройки на каждом шаге подстройки переменна и пропорциональна текущей величине модуля коэффициента асимметрии - нормированному 3-му центральному моменту функции плотности распределения сигнала выходной мощности излучения лазера.

На фиг.1 представлена функциональная схема стабилизированного по частоте лазера, реализующего предлагаемый способ. Лазер включает резонатор (1), образованный подвижным зеркалом ЗК1 (2), установленном на пьезокорректоре ПК (3), и неподвижным зеркалом ЗК2 (4), установленном на пьезодатчике ПД (5). Резонатор лазера содержит усиливающую среду и нелинейно поглощающую среду, формирующую узкую линию-репер. Излучение лазера регистрируется фотоприемником ФП (6), сигнал с выхода которого, усиленный в предварительном усилителе ПУ1 (7), подается на вход определителя знака градиента и амплитуды подстройки (8). Пьезокорректор ПК подключен к входу предварительного усилителя ПУ2 (9) и служит датчиком, регистрирующим пробный сигнал, возмущающий резонатор и пропорциональный флуктуациям частоты излучения лазера, который с выхода предварительного усилителя ПУ2 подается на второй вход определителя знака градиента и амплитуды подстройки. Выход определителя знака градиента и амплитуды подстройки через высоковольтный усилитель ВВУ (10) связан с управляющим пьезокорректором ПК.

Способ осуществляют следующим образом.

Излучение на выходе резонатора лазера детектируется фотоприемником ФП. Сигнал, пропорциональный выходной мощности излучения лазера, усиленный в предварительном усилителе ПУ1, подается на 1-й вход определителя знака градиента и амплитуды подстройки. На его 2-й вход подается возмущающий резонатор сигнал, снимаемый с пьезодатчика ПД, усиленный в предварительном усилителе ПУ2 и пропорциональный флуктуациям частоты лазера. Резонатор со своими элементами - зеркалами, фиксирующей арматурой, пьезокорректорами - образует инерционную механическую систему, на которую действуют возмущения в инфранизком и акустическом диапазонах частот. В этом диапазоне (0.1-12000 Гц) сосредоточена основная спектральная мощность возмущений, в том числе акустических и микросейсмических полей, поэтому и в известных системах стабилизации частота пробного сигнала выбирается в этом диапазоне. Пьезокорректор установлен на арматуре резонатора, а на нем, в свою очередь, закреплено зеркало. Механические возмущения, действующие на арматуру, вызывают перемещение зеркала через пьезокорректор. Сила, возникающая за счет инерции зеркала, приводит к появлению на пьезокорректоре (за счет пьезоэффекта) электрического сигнала, который пропорционален амплитуде перемещения зеркала, а следовательно, и изменению частоты лазера. Таким образом, возмущения, испытываемые всей системой резонатора, преобразуются пьезодатчиком ПД в электрический сигнал, несущий информацию о флуктуациях частоты.

В определителе знака градиента и амплитуды подстройки, который может быть реализован или в виде программы ЭВМ, или аппаратно в микропроцессоре, по сигналам U_ПУ1 и U_ПУ2 определяется знак градиента Sign( U_ПУ1/ U_ПУ2), а по сигналу U_ПУ1 - переменная амплитуда сигнала подстройки.

Для определения величины амплитуды используется признак, по которому на вершине (экстремуме) линии-репера в силу локальной симметрии линии функция плотности распределения (гистограмма) сигнала U_ПУ1 выходной мощности излучения тоже симметрична. Значит, отклонение рабочей точки от искомой точки экстремума вызывает асимметрию гистограммы, и степень отклонения - коэффициент асимметрии, может служить мерой величины амплитуды сигнала управления. Эта амплитуда будет тем больше, чем больше отклонение рабочей точки от точки экстремума. Как известно, этот нормированный коэффициент К ^a равен [Вентцель Е.С. Теория вероятности, М., 1962]

где

- оценка 3-го центрального момента на текущем дискретном интервале (n-m), n - текущий дискретный шаг, m - начальное значение интервала усреднения,

- оценка скользящего среднего значения сигнала U_ПУ1

- среднеквадратичное отклонение (дисперсия ², 2-й центральный момент) на этом текущем интервале.

Для исключения высокого уровня вычислительных шумов, возникающих при определении градиента, используется только знак текущего градиента, с учетом которого на управляющий пьезокорректор ПК от высоковольтного усилителя ВВУ подается сигнал управления с переменной амплитудой.

Сигнал управления U _n на каждом дискретном шаге подстройки n определяется с помощью алгоритма итерационного типа

где в текущем режиме определяются знак и значение K^a по (1), (2) и (4).

На фиг.2 (правом) представлена динамика сигнала управления U _n (сигнал ошибки - расстройка относительно уровня _max) при работе по алгоритму (5) с переменной амплитудой K_a(n) (длительность шага n=10^-4 с) для стабилизации He-Ne лазера с внутренней метановой ячейкой по экстремуму узкого оптического резонанса с полушириной на полувысоте Г=30 кГц. Начальная расстройка ₀=10 кГц. Для наглядности здесь представлена область расстроек в окрестности экстремума _max. Здесь же для сравнения (левый рисунок) представлена динамика сигнала управления U_n при работе по алгоритму (5) с постоянной амплитудой, реализованная по способу-прототипу при тех же условиях.

Из фиг.2 наглядно видно, что скорость сходимости в область экстремума и точность удержания рабочей точки системы АПЧ на уровень экстремума резонанса _max в предлагаемом способе существенно выше, чем в известном способе стабилизации частоты.

Предлагаемый способ стабилизации частоты лазера, основанный на использовании экстремума линии-репера, отличается от известных аналогов тем, что не требует дополнительного гармонического пробного сигнала с большой амплитудой девиации, а прямо использует в качестве пробного сигнал возмущающий резонатор, при этом формирование сигнала подстройки с переменной амплитудой приводит к повышению точности подстройки частоты лазера к экстремуму линии-репера и улучшению стабильности его частоты. Следует также отметить, что лазеры, реализующие описанный способ, по конструкции проще лазеров, реализующих иной способ стабилизации, а стабилизированы они более надежно.