RU2723230C1 - Laser system with laser frequency stabilization - Google Patents

Laser system with laser frequency stabilization Download PDF

Info

Publication number
RU2723230C1
RU2723230C1 RU2020104058A RU2020104058A RU2723230C1 RU 2723230 C1 RU2723230 C1 RU 2723230C1 RU 2020104058 A RU2020104058 A RU 2020104058A RU 2020104058 A RU2020104058 A RU 2020104058A RU 2723230 C1 RU2723230 C1 RU 2723230C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
passing
frequency
plate
dividing plate
Prior art date
Application number
RU2020104058A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Сергеевич Чучелов
Сергей Александрович Зибров
Виталий Валентинович Васильев
Мария Игоревна Васьковская
Владимир Леонидович Величанский
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью «Лазерлаб» (ООО «Лазерлаб»)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью «Лазерлаб» (ООО «Лазерлаб») filed Critical Общество с ограниченной ответственностью «Лазерлаб» (ООО «Лазерлаб»)
Priority to RU2020104058A priority Critical patent/RU2723230C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2723230C1 publication Critical patent/RU2723230C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10076Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating using optical phase conjugation, e.g. phase conjugate reflection
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/06Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/065Mode locking; Mode suppression; Mode selection ; Self pulsating
    • H01S5/0651Mode control

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

FIELD: laser engineering.
SUBSTANCE: laser system with frequency stabilization of lasers has two tunable diode lasers with external resonators (DLER1 and DLER2) installed on the plate, which radiation beams pass through optical insulators 1 and 2, respectively, half-wave plates and adjustment rotary mirrors are directed as follows. Beam of the pumping laser DLER1 after reflection from the polarization cube (PC1) enters the frequency stabilization system by intra-Doppler resonance, is divided into two beams by means of a division plate (D.Pl1); after passing D.Pl1, beam of higher power passes around reference cell with cesium atoms (without buffer gas), which is located in magnetic field created by solenoid, and returns through cell opposite to test beam of lower power reflected from plate D.Pl1; trial beam of linear polarization passes a cell with cesium atoms, a quarter-wave plate, a polarization cube which separates orthogonal polarization fields, and beams of these orthogonal polarisations are directed to a balanced photodetector "Balancing". Second part of the DLER1 beam passing through the PC1 reflected from the dividing plate (D.Pl2) and passing through the polarization cube (PC3) is directed to the confocal scanning interferometer (IPR), and after passing PC4 is detected by photodetector PR2, which signal, which is due to harmonic modulation of the length of the confocal interferometer, after synchronous detection, generates an error signal which is transmitted to the PID controller which controls the length of the interferometer resonator. Third part of the DLER1 beam passing through the dividing plate D.Pl2 is directed to the fiber waveguide, which outputs radiation from the system. Part of the beam of the probing DLER2 laser after reflection by the D.Pl3 division plate and reflection in the PC3 and PC4 falls on the photodetector PR3, the signal of which after synchronous detection comes to the PID controller. Second part of the DLER2 beam after passing the dividing plate D.Pl3 is directed into the optical fiber waveguide.
EFFECT: technical result consists in stabilization of frequency of two lasers without expansion of their spectra due to modulation.
1 cl, 6 dwg

Description

Заявленное изобретение относится к магнитометрии и гироскопии.The claimed invention relates to magnetometry and gyroscopy.

Из уровня техники известны научные работы, касающиеся лазерных систем со стабилизацией частоты лазера, в частности из «Стабилизация частоты излучения полупроводникового лазера модой шепчущей галереи», А.Н. Ораевский, А.В. Яровицкий, В.Л. Величанский «Квантовая электроника», №10, 2001 и «Лазерные стандарты частоты в ФИАНе», В.Л. Величанский, М.А. Губин «Успехи физических наук» том 179, №11, 11.2009.The prior art scientific work relating to laser systems with stabilization of the laser frequency, in particular from the "Stabilization of the frequency of radiation of a semiconductor laser by the whispering gallery mode", A.N. Oraevsky, A.V. Yarovitsky, V.L. Velichansky “Quantum Electronics”, No. 10, 2001 and “Laser Frequency Standards at the Lebedev Physical Institute”, V.L. Velichansky, M.A. Gubin, Uspekhi Fizicheskikh Nauk, Volume 179, No. 11, 11.2009.

Кроме того из патента на изобретение RU 94014549 A1 27.05.1996 известен способ стабилизации частоты излучения лазера, характеризующийся тем, что в лазере осуществляет генерацию периферийной многоходовой моды и настраивают резонатор так, чтобы его длина находилась вблизи критической для данной многоходовой моды, а ее лучевые потоки не сливались друг с другом в пространстве. Затем устанавливают за выходным зеркалом приемники излучения, регистрирующие поперечные смещения лучевых потоков многоходовой моды, и регулирует длину резонатора и наклоны его зеркал, добиваясь минимальных поперечных смещений лучевых потоков относительно приемников.In addition, from the patent for invention RU 94014549 A1 05.27.1996, a method is known for stabilizing the frequency of a laser radiation, characterized in that the laser generates a peripheral multi-path mode and adjusts the cavity so that its length is close to the critical one for this multi-path mode, and its beam fluxes did not merge with each other in space. Then, radiation detectors are installed behind the output mirror, which record the transverse displacements of the beam fluxes of the multi-path mode, and adjusts the length of the resonator and the tilts of its mirrors, achieving minimal transverse displacements of the beam flux relative to the receivers.

Также из уровня техники, из патента на изобретениие RU 2431909 С2 20.04.2011, известна система стабилизации частоты излучения лазера, содержащий регулятор, соединенный своим выходом с входом стабилизируемого лазера, и генератор, а также расположенный в пучке излучения стабилизируемого лазера первый лучерасщепитель. После лучерасщипителя последовательно установлены: эталон, первый фотоприемник и первый детектор. Устройство содержит второй лучерасщепитель, имеющий два канала, и расположенный в пучке излучения стабилизируемого лазера после первого лучерасщепителя. Модулятор расположен между первым и вторым лучерасщепителями, соединен своим входом с выходом генератора. Последовательно установлен второй фотоприемник и второй детектор, а также дифференциальный усилитель. Выход первого фотоприемника и выход второго фотоприемника соединены через дифференциальный усилитель с входом регулятора. Вход второго канала второго лучерасщепителя соединен с выходом первого лучерасщепителя, а выход каждого из каналов второго лучерасщепителя оптически соединен с входом одного фотоприемника напрямую и с входом другого фотоприемника - через эталон. Технический результат заключается в повышении точности стабилизации средней частоты излучения без возрастания высокочастотных девиаций этой частоты.Also from the prior art, from the patent for the invention RU 2431909 C2 04/20/2011, a laser radiation frequency stabilization system is known, comprising a regulator connected to its output with a stabilized laser input and a generator, as well as a first beam splitter located in the radiation beam of the laser to be stabilized. After the beam splitter, the following are installed in series: standard, first photodetector and first detector. The device comprises a second beam splitter having two channels and located in the radiation beam of a stabilized laser after the first beam splitter. The modulator is located between the first and second beam splitters, connected by its input to the output of the generator. A second photodetector and a second detector, as well as a differential amplifier, are installed in series. The output of the first photodetector and the output of the second photodetector are connected through a differential amplifier to the input of the regulator. The input of the second channel of the second beam splitter is connected to the output of the first beam splitter, and the output of each of the channels of the second beam splitter is optically connected to the input of one photodetector directly and to the input of another photodetector through a standard. The technical result consists in increasing the stabilization accuracy of the average radiation frequency without increasing the high-frequency deviations of this frequency.

Однако в известных устройствах отсутствует возможность стабилизации лазера без модуляции их частот для формирования сигнала ошибки в методе экстремального регулирования таким образом, чтобы эту отстройку можно менять.However, in the known devices there is no possibility of stabilizing the laser without modulating their frequencies to generate an error signal in the extreme control method so that this detuning can be changed.

Техническая проблема заключается в решении указанных недостатков с достижением технического результата, заключающегося в стабилизации частоты двух лазеров без расширения их спектров из-за модуляции причем частота одного из лазеров стабилизируется непосредственно по атомной линии, а частота второго по той же атомной линии, но с большой, варьируемой в широких пределах отстройкой его частоты относительно атомной линии. Указанный технический результат обеспечивается в лазерной системе со стабилизацией частоты лазеров, содержащей и установленные на плите два перестраиваемых диодных лазера с внешними резонаторами (ДЛВР1 и ДЛВР2), пучки излучения которых проходит через оптические изоляторы 1 и 2, соответственно полуволновые пластины и юстировочными поворотными зеркалами направляется по таким каналам:The technical problem consists in solving these drawbacks with the achievement of a technical result, which consists in stabilizing the frequency of two lasers without expanding their spectra due to modulation, the frequency of one of the lasers being stabilized directly along the atomic line, and the frequency of the second along the same atomic line, but with a large widely tuned by the detuning of its frequency relative to the atomic line. The indicated technical result is ensured in a laser system with stabilization of the laser frequency, comprising two tunable diode lasers with external resonators (DLVR1 and DLVR2) mounted on the plate, the radiation beams of which pass through optical isolators 1 and 2, respectively, half-wave plates and alignment rotary mirrors are guided along to such channels:

- пучок лазера накачки ДЛВР1 после отражения от поляризационного кубика (ПК1) поступает в систему стабилизации частоты по внутридоплеровскому резонансу, делится на два пучка посредством делительной пластины (Д.Пл1); пучок большей мощности, после прохождения Д.Пл1, обходит вокруг опорной ячейки с атомами цезия (без буферного газа), которая находится в магнитном поле, создаваемом соленоидом, и возвращается через ячейку навстречу пробному пучку меньшей мощности, отраженному от пластинки Д.Пл1; пробный пучок линейной поляризации проходит ячейку с атомами цезия, четвертьволновую пластину, поляризационный кубик который разделяет поля ортогональных поляризаций и пучки этих ортогональных поляризаций направляются на балансный фотоприемник «Балансный»;- the DLVR1 pump laser beam after reflection from the polarization cube (PC1) enters the frequency stabilization system by the intra-Doppler resonance, is divided into two beams by means of a dividing plate (D.Pl1); a beam of higher power, after passing through D.Pl1, goes around a support cell with cesium atoms (without buffer gas), which is in the magnetic field created by the solenoid, and returns through the cell towards a test beam of lower power reflected from the plate of D.Pl1; a linear polarization probe beam passes through a cesium atom cell, a quarter-wave plate, a polarizing cube that separates the fields of orthogonal polarizations and the beams of these orthogonal polarizations are sent to the Balance balanced photodetector;

- вторая часть пучка лазера накачки ДЛВР1, прошедшая через ПК1, отраженная от делительной пластины (Д.пл2) и прошедшая через поляризационный кубик (ПК3), направляется на конфокальный сканирующий интерферометр (ИФП), и после прохождения ПК4 регистрируется фотоприемником ФП2, сигнал которого, возникающий из-за гармонической модуляции длины конфокального интерферометра, после синхронного детектирования формирует сигнал ошибки, который поступает на ПИД регулятор, управляющий длиной резонатора интерферометра;- the second part of the DLVR1 pump laser beam transmitted through PC1, reflected from the dividing plate (D.pl2) and passed through the polarization cube (PC3), is sent to the confocal scanning interferometer (IFP), and after passing through PC4, the FP2 photodetector is recorded, whose signal arising due to harmonic modulation of the length of the confocal interferometer, after synchronous detection generates an error signal, which is fed to the PID controller that controls the length of the resonator of the interferometer;

- третья часть пучка лазера накачки ДЛВР1, прошедшая через делительную пластину Д. пл2 направляется на волоконный световод, который выводит излучение из системы;- the third part of the pump laser beam DLVR1, passed through the dividing plate D. pl2 is sent to the optical fiber, which removes radiation from the system;

- часть пучка зондирующего лазера ДЛВР2 после отражения делительной пластинкой Д.пл3 и отражении в ПК3 и ПК4 попадает на фотоприемник ФП3, сигнал которого после синхронного детектирования приходит на ПИД регулятор, который стабилизирует частоту ДЛВР2 по резонансу пропускания ИФП, отличающемуся по продольному индексу от резонанса пропускания, на который настроена частота лазера ДЛВР1; - a part of the DLVR2 probe laser beam after reflection by the dividing plate D.pl3 and reflected in PC3 and PC4 is incident on the FP3 photodetector, the signal of which after synchronous detection is fed to the PID controller, which stabilizes the DLVR2 frequency according to the transmission resonance of the IFP, which differs in longitudinal index from the transmission resonance which the laser frequency DLVR1 is tuned to;

- вторая часть пучка зондирующего лазера ДЛВР2 после прохождения делительной пластины Д.пл3 направляется в оптический волоконный световод.- the second part of the DLVR2 probe laser beam after passing through the dividing plate D.pl3 is sent to the optical fiber.

Заявленное изобретение поясняется с использованием чертежей.The claimed invention is illustrated using the drawings.

Фиг.1. Схема стабилизации частот лазера, где:Figure 1. Laser frequency stabilization scheme, where:

Опт.изолятор - оптический изолятор,Optical isolator - optical isolator,

λ/2 и λ/4 - полуволновая и четвертьволновая фазовые пластинки, соответственно,λ / 2 and λ / 4 are half-wave and quarter-wave phase plates, respectively,

ПК - поляризационный кубик,PC - polarization cube,

З - 100% зеркала,Z - 100% of the mirror,

Д.пл - делительные пластинки,D.pl - dividing plates,

ФП - фотоприемник,FP - photodetector,

Л - линзы,L - lenses

ИФП - конфокальный интерферометр Фабри-Перо.IFP - Fabry-Perot confocal interferometer.

Фиг. 2а, б - внешний вид устройства, гдеFIG. 2a, b - the appearance of the device, where

а) На переднем плане соленоид с опорной ячейкой. За ним на противоположной стороне интерферометр. Вертикальные параллелепипеды, выделяющиеся по высоте - фотоприемники.a) In the foreground, a solenoid with a support cell. Behind him on the opposite side is an interferometer. Vertical parallelepipeds that stand out in height are photodetectors.

б) Лазер накачки (в белом корпусе) в нижнем правом углу. Зондирующий лазер в таком же корпусе в верхнем правом углу. В верхнем левом углу оптика для ввода излучения в волоконные световоды.b) The pump laser (in the white case) in the lower right corner. A probe laser in the same housing in the upper right corner. In the upper left corner there is an optics for introducing radiation into optical fibers.

Фиг. 3а - все компоненты D1 линии поглощения атомов цезия (λ = 895 нм) с внутридоплеровскими резонансами.FIG. 3a — all components of the D 1 absorption line of cesium atoms (λ = 895 nm) with intra-Doppler resonances.

Фиг. 3б частота лазера накачкиFIG. 3b pump laser frequency

Фиг. 4. Внутридоплеровские резонансы для ортогональных циркулярных поляризаций, преобразованных в ортогональные линейные поляризации четвертьволновой пластинкой и разделенные ПК2: зеленая кривая - для пучка, прошедшего через поляризационный разделительный кубик, синяя кривая для пучка, отраженного от него.FIG. 4. Intra-Doppler resonances for orthogonal circular polarizations converted to orthogonal linear polarizations by a quarter-wave plate and separated by PC2: green curve for a beam passing through a polarization separation cube, blue curve for a beam reflected from it.

Фиг. 5. Разность двух сигналов, приведенных на предыдущем рисунке. Кривая дисперсионной формы с большой крутизной в центре зависимости обусловлена внутридоплеровским резонансом пропускания. Она наблюдается на фоне более пологой кривой такого же дисперсионного вида и возникает из-за более широкого доплеровского контура линии поглощения. Она имеет противоположный знак.FIG. 5. The difference of the two signals shown in the previous figure. The dispersion curve with a large slope in the center of the dependence is due to the Doppler transmission resonance. It is observed against the background of a flatter curve of the same dispersion form and arises due to the wider Doppler contour of the absorption line. She has the opposite sign.

Фиг. 6. Система ввода излучения лазеров в оптические волокна, которые выводят излучение из системы для дальнейшего использования в магнитометре или в других приложенияхFIG. 6. A system for introducing laser radiation into optical fibers that remove radiation from the system for further use in a magnetometer or other applications

Схема лазерной системы показана на фиг. 1, а ее внешний вид на фиг. 2. Излучение требуемой частоты и мощности формируется перестраиваемыми диодными лазерами с внешним резонатором. Эти лазеры сохраняют режим одночастотной генерации при мощности непрерывного излучения до 200 мВт и обеспечивают плавную перестройку частоты генерации в пределах интервала 30 ГГц, охватывающего все сверхтонкие компоненты D1 линии цезия. Для обеспечения устойчивости частоты и режима генерации по отношению к паразитным отражениям от многих элементов системы, излучение обоих лазеров проходит сначала через оптические изоляторы (Опт. изолятор 1, Опт. изолятор 2). Поскольку эти изоляторы поворачивают направление линейной поляризации на 45°, перед поворотными зеркалами установлены полуволновые пластины. Они обеспечивают совпадение плоскости поляризации излучения с плоскостью падения на зеркало, что обеспечивает сохранение линейной поляризации при отражении. После поворотного зеркала излучение лазера накачки делится на 2 части. Пучок, отраженный от поляризационного кубика ПК1, идет на систему стабилизации частоты по внутридоплеровскому резонансу на переходе Fg=3 → Fe=3 D1 линии цезия [4,11,12,14]. В этой системе излучение лазера снова делится на две части делительной пластиной Д.Пл2. Пучок большей мощности проходит через эту пластину, обходит вокруг опорной ячейки диаметром 25,4 мм и длиной 70 мм с атомами цезия (без буферного газа), и возвращается уже через ячейку навстречу пробному пучку меньшей мощности, отраженному от пластинки Д.Пл1. В такой схеме в зависимости пропускания ячейкой излучения пробного пучка от частоты лазера регистрируются внутридоплеровские резонансы. Все компоненты D1 линии поглощения атомов цезия (λ = 895 нм) с внутридоплеровскими резонансами показаны на рис. 3а. Ширина резонансов составляет ~ 25 МГц. Этот спектр зарегистрирован лазером накачки. Две цифры около каждой линии соответствуют квантовым числам полного углового момента нижнего (Fg) и верхнего (Fe) сверхтонких подуровней. Часть этого спектра с двумя высокочастотными компонентами в другом масштабе показана на рисунке 3б. Частота лазера ДЛВР1 стабилизируется по одному из этих внутридоплеровских резонансов.A diagram of the laser system is shown in FIG. 1, and its appearance in FIG. 2. Radiation of the required frequency and power is generated by tunable diode lasers with an external resonator. These lasers maintain the single-frequency generation regime with a cw power of up to 200 mW and provide smooth tuning of the generation frequency within the 30 GHz interval, covering all ultrathin components of the D 1 cesium line. To ensure the stability of the frequency and the generation regime with respect to spurious reflections from many elements of the system, the radiation of both lasers passes first through optical isolators (Opt. Isolator 1, Opt. Isolator 2). Since these insulators rotate the linear polarization direction by 45 °, half-wave plates are installed in front of the turning mirrors. They ensure that the plane of polarization of radiation coincides with the plane of incidence on the mirror, which ensures the preservation of linear polarization during reflection. After the rotary mirror, the pump laser radiation is divided into 2 parts. The beam reflected from the polarization cube PK1 goes to the frequency stabilization system by the intra-Doppler resonance at the transition F g = 3 → F e = 3 D 1 of the cesium line [4,11,12,14]. In this system, the laser radiation is again divided into two parts by a dividing plate D.Pl2. A beam of greater power passes through this plate, bypasses around a support cell with a diameter of 25.4 mm and a length of 70 mm with cesium atoms (without buffer gas), and returns through the cell towards the test beam of lower power reflected from the plate D.Pl1. In such a scheme, depending on the transmittance of the probe beam radiation by the cell on the laser frequency, intra-Doppler resonances are recorded. All components of the D 1 absorption line of cesium atoms (λ = 895 nm) with intra-Doppler resonances are shown in Fig. 3a. The width of the resonances is ~ 25 MHz. This spectrum is recorded by a pump laser. The two digits near each line correspond to the quantum numbers of the total angular momentum of the lower (F g ) and upper (F e ) hyperfine sublevels. A part of this spectrum with two high-frequency components on a different scale is shown in Figure 3b. The laser frequency DLVR1 is stabilized by one of these intra-Doppler resonances.

Формирование дискриминационной кривой для стабилизации частоты производится методом DAVLL. Для этого: 1) в ячейке с помощью соленоида создается магнитное поле, параллельное ее оси и направлению распространения излучения пробного пучка; 2) излучение пробного пучка после прохождения ячейки разделяется четвертьволновой пластинкой и поляризационным кубиком ПК3 на два пучка с ортогональными линейными поляризациями. Зависимости пропускания ячейки от частоты лазера для этих двух пучков показаны на фиг. 4, а зависимость сигнала балансного фотоприемника, регистрирующего разность сигналов для названных пучков от частоты лазера, имеет вид дискриминационной кривой фиг. 5. Этот сигнал ошибки поступает на ПИД регулятор, управляющий частотой ДЛВР2. Достоинством этой схемы стабилизации частоты является формирование сигнала ошибки без принудительной модуляции частоты лазера. Стабилизация частоты лазера накачки по внутридоплеровскому резонансу дает дополнительные преимущества: во-первых, ширина опорного резонанса на полтора порядка меньше, чем ширина доплеровского контура для ячейки без буферного газа и порядка на 2 меньше, чем в ячейке с буферным газом; во-вторых, во столько же раз уменьшается магнитное поле, необходимое для DAVLL схемы.The formation of a discrimination curve for frequency stabilization is performed by the DAVLL method. To do this: 1) a magnetic field is created in the cell using a solenoid parallel to its axis and the direction of propagation of the probe beam radiation; 2) the radiation of the probe beam after passing through the cell is separated by a quarter-wave plate and a polarizing cube PK3 into two beams with orthogonal linear polarizations. The dependences of the cell transmission on the laser frequency for these two beams are shown in FIG. 4, and the dependence of the balanced photodetector signal detecting the signal difference for the aforementioned beams on the laser frequency has the form of a discriminating curve of FIG. 5. This error signal is fed to the PID controller that controls the frequency of DLVR2. The advantage of this frequency stabilization scheme is the generation of an error signal without forced modulation of the laser frequency. The stabilization of the frequency of the pump laser by the intra-Doppler resonance provides additional advantages: firstly, the width of the reference resonance is one and a half orders of magnitude less than the width of the Doppler contour for a cell without a buffer gas and about 2 less than in a cell with a buffer gas; secondly, the magnetic field required for the DAVLL circuit is reduced by the same amount.

Излучение лазера накачки, прошедшее через ПК1, отраженное от Д.пл2 и прошедшее через ПК3, направляется на конфокальный сканирующий интерферометр (ИФП), и после ПК4 регистрируется фотоприемником ФП2. Изменением длины интерферометра с помощью пьезокерамики осуществляется настройка резонанса пропускания интерферометра на частоту лазера накачки. Дополнительное гармоническое напряжение, подаваемое на пьезокерамику, позволяет модулировать частоту резонанса с амплитудой, составляющей малую долю ширины резонанса пропускания. После синхронного детектирования сигнала с ФП2 формируется сигнал ошибки, который поступает на ПИД регулятор, стабилизирующий частоту резонанса пропускания интерферометра на частоте лазера накачки. При этом стабилизируются и частоты всех остальных резонансов пропускания этого интерферометра.The radiation of the pump laser transmitted through PC1, reflected from D.pl2 and transmitted through PC3, is directed to a confocal scanning interferometer (IFP), and after PC4 it is detected by an FP2 photodetector. By changing the length of the interferometer using piezoceramics, the transmission resonance of the interferometer is tuned to the frequency of the pump laser. An additional harmonic voltage applied to the piezoceramics allows modulating the resonance frequency with an amplitude that is a small fraction of the transmission resonance width. After synchronously detecting the signal from FP2, an error signal is generated, which is fed to the PID controller, which stabilizes the frequency of the transmission resonance of the interferometer at the frequency of the pump laser. In this case, the frequencies of all other transmission resonances of this interferometer are also stabilized.

Излучение второго зондирующего лазера ДЛВР2 после отражения делительной пластинкой Д.пл3 и отражении в ПК3 и ПК4 попадает на фотоприемник ФП3. Частота зондирующего лазера настраивается на другой резонанс пропускания интерферометра и стабилизируется по нему петлей обратной связи аналогичной вышеописанной. Только первая петля стабилизирует частоты резонансов интерферометра по частоте первого лазера, привязанной к атомной линии, а вторая петля стабилизирует частоту зондирующего лазера по другому резонансу, смещенному на целое требуемое число областей свободной дисперсии интерферометра. Таким образом, интерферометр позволяет передать стабильность атомного резонанса второму лазеру. Для подавления взаимного влияния двух лазеров и разделения сигналов их излучение, поступающее на интерферометр, имеет ортогональные линейные поляризации.The radiation of the second DLVR2 probing laser after reflection by the dividing plate D.pl3 and reflection in PC3 and PK4 is incident on the FP3 photodetector. The frequency of the probe laser is tuned to a different transmission resonance of the interferometer and stabilized by a feedback loop similar to that described above. Only the first loop stabilizes the resonance frequencies of the interferometer by the frequency of the first laser attached to the atomic line, and the second loop stabilizes the frequency of the probe laser by another resonance shifted by an integer number of free dispersion regions of the interferometer. Thus, the interferometer allows you to transfer the stability of atomic resonance to a second laser. To suppress the mutual influence of two lasers and separate the signals, their radiation entering the interferometer has orthogonal linear polarizations.

Claims (6)

Лазерная система со стабилизацией частоты лазеров, содержащая установленные на плите два перестраиваемых диодных лазера с внешними резонаторами (ДЛВР1 и ДЛВР2), пучки излучения которых проходят через оптические изоляторы 1 и 2, соответственно полуволновые пластины и юстировочными поворотными зеркалами направляются по таким каналам:A laser system with stabilization of laser frequency, containing two tunable diode lasers mounted on a plate with external resonators (DLVR1 and DLVR2), the radiation beams of which pass through optical isolators 1 and 2, respectively, half-wave plates and alignment rotary mirrors are directed through such channels: - пучок лазера накачки ДЛВР1 после отражения от поляризационного кубика (ПК1) поступает в систему стабилизации частоты по внутридоплеровскому резонансу, делится на два пучка посредством делительной пластины (Д.Пл1); пучок большей мощности, после прохождения Д.Пл1, обходит вокруг опорной ячейки с атомами цезия (без буферного газа), которая находится в магнитном поле, создаваемом соленоидом, и возвращается через ячейку навстречу пробному пучку меньшей мощности, отраженному от пластинки Д.Пл1; пробный пучок линейной поляризации проходит ячейку с атомами цезия, четвертьволновую пластину, поляризационный кубик, который разделяет поля ортогональных поляризаций, и пучки этих ортогональных поляризаций направляются на балансный фотоприемник «Балансный»;- the DLVR1 pump laser beam after reflection from the polarization cube (PC1) enters the frequency stabilization system by the intra-Doppler resonance, is divided into two beams by means of a dividing plate (D.Pl1); a beam of higher power, after passing through D.Pl1, goes around a support cell with cesium atoms (without buffer gas), which is in the magnetic field created by the solenoid, and returns through the cell towards a test beam of lower power reflected from the plate of D.Pl1; a linear polarization probe beam passes through a cesium atom cell, a quarter-wave plate, a polarization cube that separates the fields of orthogonal polarizations, and the beams of these orthogonal polarizations are sent to the Balance balanced photodetector; - вторая часть пучка лазера накачки ДЛВР1, прошедшая через ПК1, отраженная от делительной пластины (Д.Пл2) и прошедшая через поляризационный кубик (ПК3), направляется на конфокальный сканирующий интерферометр (ИФП), и после прохождения ПК4 регистрируется фотоприемником ФП2, сигнал которого, возникающий из-за гармонической модуляции длины конфокального интерферометра, после синхронного детектирования формирует сигнал ошибки, который поступает на ПИД регулятор, управляющий длиной резонатора интерферометра;- the second part of the DLVR1 pump laser beam transmitted through PC1, reflected from the dividing plate (D.Pl2) and passed through the polarization cube (PC3), is sent to the confocal scanning interferometer (IFP), and after passing through PC4, the FP2 photodetector is detected, the signal of which arising due to harmonic modulation of the length of the confocal interferometer, after synchronous detection generates an error signal, which is fed to the PID controller that controls the length of the resonator of the interferometer; - третья часть пучка лазера накачки ДЛВР1, прошедшая через делительную пластину Д.Пл2, направляется на волоконный световод, который выводит излучение из системы;- the third part of the laser beam DLVR1, passed through the dividing plate D.Pl2, is sent to the fiber optic fiber, which removes radiation from the system; - часть пучка зондирующего лазера ДЛВР2 после отражения делительной пластинкой Д.Пл3 и отражении в ПК3 и ПК4 попадает на фотоприемник ФП3, сигнал которого после синхронного детектирования приходит на ПИД регулятор, который стабилизирует частоту ДЛВР2 по резонансу пропускания ИФП, отличающемуся по продольному индексу от резонанса пропускания, на который настроена частота лазера ДЛВР1; - a part of the DLVR2 probe laser beam after reflection by D.Pl3 dividing plate and reflected in PC3 and PC4 gets to the FP3 photodetector, the signal of which after synchronous detection comes to the PID controller, which stabilizes the DLVR2 frequency according to the IFP transmission resonance, which differs from the transmission resonance in longitudinal index which the laser frequency DLVR1 is tuned to; - вторая часть пучка зондирующего лазера ДЛВР2 после прохождения делительной пластины Д.Пл3 направляется в оптический волоконный световод.- the second part of the DLVR2 probe laser beam after passing through the dividing plate D.Pl3 is sent to the optical fiber.
RU2020104058A 2020-01-30 2020-01-30 Laser system with laser frequency stabilization RU2723230C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020104058A RU2723230C1 (en) 2020-01-30 2020-01-30 Laser system with laser frequency stabilization

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020104058A RU2723230C1 (en) 2020-01-30 2020-01-30 Laser system with laser frequency stabilization

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2723230C1 true RU2723230C1 (en) 2020-06-09

Family

ID=71067806

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020104058A RU2723230C1 (en) 2020-01-30 2020-01-30 Laser system with laser frequency stabilization

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2723230C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU218563U1 (en) * 2022-10-28 2023-05-31 Общество с ограниченной ответственностью "Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий" Laser system for controlling optical qubits and qudits

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2431909C2 (en) * 2009-10-12 2011-10-20 Учреждение Российской Академии Наук Сибирское Отделение Ран Институт Лазерной Физики System to stabilise frequency of laser radiation
WO2016048740A2 (en) * 2014-09-22 2016-03-31 Imra America, Inc. Low carrier phase noise fiber oscillators
US9653873B1 (en) * 2013-01-16 2017-05-16 Chemled Technologies, LLC Self-locking atomic emission laser with an intracavity atomic plasma as the resonance line seeder
JP6284176B2 (en) * 2013-08-02 2018-02-28 国立研究開発法人情報通信研究機構 Narrow linewidth light source with optical frequency averaging achieved by parallel operation of external optical resonators

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2431909C2 (en) * 2009-10-12 2011-10-20 Учреждение Российской Академии Наук Сибирское Отделение Ран Институт Лазерной Физики System to stabilise frequency of laser radiation
US9653873B1 (en) * 2013-01-16 2017-05-16 Chemled Technologies, LLC Self-locking atomic emission laser with an intracavity atomic plasma as the resonance line seeder
JP6284176B2 (en) * 2013-08-02 2018-02-28 国立研究開発法人情報通信研究機構 Narrow linewidth light source with optical frequency averaging achieved by parallel operation of external optical resonators
WO2016048740A2 (en) * 2014-09-22 2016-03-31 Imra America, Inc. Low carrier phase noise fiber oscillators

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU218563U1 (en) * 2022-10-28 2023-05-31 Общество с ограниченной ответственностью "Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий" Laser system for controlling optical qubits and qudits

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10215816B2 (en) Magnetic field measuring apparatus
US20180180655A1 (en) Ultra-low noise photonic phase noise measurement system for microwave signals
WO2015015628A1 (en) Magnetic field measuring device
CN111697422B (en) Phase modulation type Raman optical power control method and system
EP3514491B1 (en) Apparatus and method for diminished bias error due to polarization mismatch
EP3620748B1 (en) Apparatus and method for optical power control
US5412676A (en) Method and apparatus for the determination of the relative frequency offset between an input optical signal and a resonance frequency of an optical cavity
US5841536A (en) Polarization interferometer apparatus using the polarization dependent phase lag in a birefringent retarder
CN109839606B (en) Novel atomic magnetometer device and detection method
CN112366515B (en) Bidirectional beam expansion frequency stabilization method and device for cold atom interferometer
Bertinetto et al. Frequency stabilization of DBR diode laser against Cs absorption lines at 852 nm using the modulation transfer method
US4327327A (en) All-angle gradient magnetometer
CN112117636A (en) Double-feedback semiconductor laser frequency stabilization system based on optical frequency comb
CN110426652A (en) A kind of SERF magnetometer optical frequency shift fictitious magnetic field Inhibition test device and method
CN110911963B (en) High-stability polarization spectrum frequency stabilizer
US6477189B1 (en) Laser oscillation frequency stabilizer
CN114899702A (en) Laser device offset frequency stabilizing device and method based on optical fiber ring resonator
US20180246175A1 (en) System and method for a cavity magnetometer using a pound-drever-hall detector
US20200072609A1 (en) Apparatus and method for diminished bias error due to polarization mismatch
US6744793B2 (en) Method and apparatus for stabilizing a broadband source
RU2723230C1 (en) Laser system with laser frequency stabilization
CN110165547A (en) A kind of laser frequency stabilisation device and method
CN113655413B (en) Optical fiber type atomic magnetometer probe and adjusting method thereof
US4984298A (en) Wideband low noise detector
Fang et al. Frequency stabilization of semiconductor lasers