RU2054773C1

RU2054773C1 - Frequency-regulated laser

Info

Publication number: RU2054773C1
Application number: RU93012265A
Authority: RU
Inventors: Александр Владимирович Миронов
Original assignee: Александр Владимирович Миронов
Priority date: 1993-03-03
Filing date: 1993-03-03
Publication date: 1996-02-20

Abstract

FIELD: optical frequency standards. SUBSTANCE: frequency-regulated laser has optical cavity one of whose mirrors is provided with piezocompensator connected to automatic frequency control unit, nonlinear-absorption cell, and photodetector whose output is electrically connected to input of high-frequency filter, is provided, in addition, with optical insulator, light splitter, cylindrical lens, flat reflecting mirror, amplitude detector, and astigmatic element with nontransparent spot applied to its surface. Optical insulator, light splitter, nonlinear-absorption cell, cylindrical lens, and reflecting mirror are installed in tandem behind mirror of laser cavity; photodetector is optically coupled with nonlinear-absorption cell through light splitter; high-frequency filter is connected to automatic frequency control unit through amplitude detector; cylindrical lens is spaced from reflecting mirror surface at distance equal to focal length of lens; astigmatic element is mounted in laser cavity; nontransparent spot is aligned with optical axis of laser cavity. It will be also good practice to mount mirror on piezomodulator connected to automatic frequency control unit. EFFECT: enlarged functional capabilities. 2 cl

Description

Изобретение относится к технике стабилизации частоты излучения лазеров по резонансам насыщенного поглощения и может быть использовано для создания оптических стандартов частоты. The invention relates to techniques for stabilizing the frequency of laser radiation by resonances of saturated absorption and can be used to create optical frequency standards.

Известен лазер, стабилизированный по насыщенному поглощению [1] содержащий оптический резонатор с активным элементом и зеркалами, установленными соответственно на пьезокорректоре и пьезомодуляторе, подключенных к блоку автоподстройки частоты (АПЧ), оптический изолятор, светоделитель, нелинейно поглощающую ячейку и плоское отражательное зеркало, последовательно установленные за выходным зеркалом резонатора лазера, и фотоприемник, оптически связанный с нелинейно поглощающей ячейкой через светоделитель и подключенный к блоку автоподстройки частоты. A known laser stabilized by saturated absorption [1] containing an optical resonator with an active element and mirrors mounted respectively on a piezoelectric corrector and a piezomodulator connected to an automatic frequency control unit (AFC), an optical isolator, a beam splitter, a nonlinear absorption cell and a flat reflective mirror, sequentially mounted behind the output mirror of the laser cavity, and a photodetector optically coupled to a nonlinearly absorbing cell through a beam splitter and connected to the autopod block triples of frequency.

Известный лазер работает следующим образом. Лазерное излучение, вышедшее из резонатора, проходит последовательно оптический изолятор, светоделитель, нелинейно поглощающую ячейку и, отразившись от отражательного зеркала, вторично проходит нелинейно поглощающую ячейку во встречном направлении. Та часть излучения, которая проходит светоделитель во встречном направлении, попадает в оптический изолятор и, задерживаясь им, не влияет на работу лазера. Другая часть излучения отражается от светоделителя и попадает на фотоприемник, который преобразует мощность этого излучения в электрический сигнал, поступающий в блок АПЧ и обрабатываемый в нем. A well-known laser operates as follows. Laser radiation emerging from the resonator passes sequentially through an optical isolator, a beam splitter, a nonlinearly absorbing cell, and, reflected from a reflective mirror, secondly passes through a nonlinearly absorbing cell in the opposite direction. The part of the radiation that passes through the beam splitter in the opposite direction enters the optical insulator and, delaying it, does not affect the operation of the laser. Another part of the radiation is reflected from the beam splitter and enters the photodetector, which converts the power of this radiation into an electrical signal that enters the AFC unit and is processed in it.

Две бегущие волны лазерного излучения, распространяющиеся в нелинейно поглощающей ячейке во встречных направлениях, взаимодействуют в поглощающей среде. В результате этого взаимодействия коэффициент поглощения среды падает в окрестности центра линии поглощения, и зависимость мощности излучения, падающего на фотоприемник, от частоты излучения приобретает пичок, совпадающий с центром линии поглощения. Блок АПЧ посредством пьезокорректора осуществляет автоподстройку частоты излучения лазера на вершину пичка. Two traveling waves of laser radiation propagating in a nonlinearly absorbing cell in opposite directions interact in an absorbing medium. As a result of this interaction, the absorption coefficient of the medium decreases in the vicinity of the center of the absorption line, and the dependence of the radiation power incident on the photodetector on the radiation frequency acquires a peak coinciding with the center of the absorption line. The AFC unit by means of a piezoelectric corrector performs automatic adjustment of the laser radiation frequency to the peak of the peak.

В известном лазере амплитуда сигнала насыщенного поглощения, т.е. амплитуда пичка мощности, падает, по крайней мере, пропорционально уменьшению мощности излучения, попадающей в нелинейно поглощающую ячейку. Поэтому для лазерных переходов с малым усилием, у которых излучаемая мощность соответственно также мала, отношение сигнала насыщенного поглощения к шуму обычно менее единицы. Кроме того, коэффициент поглощения газа в нелинейно поглощающей ячейке также мал обычно это доли процента на метро. Наложение шума мощности излучения на исходный сигнал насыщенного поглощения ведет к возрастанию нестабильности частоты излучения лазера. При этом многочисленные существующие комбинации лазерная линия поглощающий переход из-за низкого отношения сигнала к шуму вообще недоступны наблюдению, что также сужает функциональные возможности лазера. In a known laser, the amplitude of the saturated absorption signal, i.e. the amplitude of the power peak decreases, at least in proportion to the decrease in the radiation power falling into the nonlinearly absorbing cell. Therefore, for low-intensity laser transitions, for which the radiated power is correspondingly also low, the ratio of the saturated absorption signal to noise is usually less than unity. In addition, the gas absorption coefficient in a nonlinearly absorbing cell is also small, usually a fraction of a percent on the subway. The superposition of noise of the radiation power on the initial saturated absorption signal leads to an increase in the instability of the laser radiation frequency. Moreover, the numerous existing combinations of the laser line and the absorption transition due to the low signal-to-noise ratio are generally inaccessible to observation, which also narrows the functionality of the laser.

Известен ряд средств увеличения отношения сигнала к шуму, например детектирование не интенсивности, а азимута поляризации поглощенной волны, а также применение акустооптического модулятора для увеличения скорости развертки частоты излучения лазера. Однако практическая реализация этих усовершенствований сопровождается рядом серьезных трудностей. В первом случае нарушается работа оптического изолятора, во втором случае требуется применять дорогостоящий акустооптический модулятор и осуществлять его питание электрическим сигналом частоты порядка 80 МГц мощностью около 5 Вт с частотной модуляцией порядка +1 МГц в мегагерцовом диапазоне частот модуляции. В обоих случаях дополнительные меры требуют применения дополнительных оптических элементов, являющихся самостоятельными источниками нестабильности частоты. A number of means are known for increasing the signal-to-noise ratio, for example, detecting not the intensity but the azimuth of the polarization of the absorbed wave, as well as the use of an acousto-optical modulator to increase the scanning speed of the laser radiation frequency. However, the practical implementation of these improvements is accompanied by a number of serious difficulties. In the first case, the operation of the optical insulator is disrupted, in the second case, it is required to use an expensive acousto-optical modulator and supply it with an electric signal of a frequency of about 80 MHz with a power of about 5 W with a frequency modulation of about +1 MHz in the megahertz range of modulation frequencies. In both cases, additional measures require the use of additional optical elements, which are independent sources of frequency instability.

Таким образом, недостатками известного лазера являются низкая стабильность частоты и узкие функциональные возможности. Thus, the disadvantages of the known laser are low frequency stability and narrow functionality.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является стабилизированный газовый лазер [2] принятый за прототип. Он содержит двухзеркальный резонатор, одно из зеркал которого снабжено пьезопреобразователем, поглощающую ячейку, помещенную внутрь резонатора, и систему стабилизации частоты, состоящую из последовательно соединенных фотоприемника сигнала расстройки частоты одной из мод относительно линии поглощения, синхронного усилителя с генератором модулирующего напряжения и интегратора, выход которого подключен к пьезопреобразователю, при этом выход генератора модулирующего напряжения подключен к пьезопреобразователю. Этот лазер также содержит дополнительную систему стабилизации частоты, включенную между выходом лазера и вторым входом интегратора и состоящую из соединенных последовательно фотоприемника сигнала межмодовых биений, преобразователя частоты, частотного дискриминатора и фильтра верхних частот. The closest in technical essence to the proposed one is a stabilized gas laser [2] adopted as a prototype. It contains a two-mirror resonator, one of the mirrors of which is equipped with a piezoelectric transducer, an absorbing cell placed inside the resonator, and a frequency stabilization system consisting of a photodetector of a frequency detuning signal of one of the modes in series with respect to the absorption line, a synchronous amplifier with a modulating voltage generator, and an integrator, the output of which connected to the piezoelectric transducer, while the output of the modulating voltage generator is connected to the piezoelectric transducer. This laser also contains an additional frequency stabilization system connected between the laser output and the second input of the integrator and consisting of an inter-mode beat signal, a frequency converter, a frequency discriminator, and a high-pass filter.

Лазер работает следующим образом. Основная система стабилизации частоты осуществляет настройку частоты избранной моды на центр линии поглощения. Это делается методом синхронного усиления и детектирования гармоник, наблюдаемых в колебаниях мощности излучения либо, как в данном частном случае, в колебаниях огибающей частоты биений двух генерируемых мод, синхронных по отношению к вводимой малой модуляции частоты оптического излучения лазера. Узкий резонанс имеет крайне малые амплитуду и ширину в частности, у резонансов насыщенного поглощения в метане на линии F $\binom{(2)}{2}$ в режиме разрешения магнитной сверхтонкой структуры ширина резонанса составляет величину порядка единиц килогерц, поэтому основная система АПЧ принципиально не способна обеспечить не только высокую стабильность частоты излучения, но и простое выделение сигнала обратной связи, поскольку среднее время случайных уходов частоты составляет менее периода модуляции частоты излучения системой АПЧ, а величина неконтролируемых случайных уходов частоты превышает ширину резонанса. Этот вредный эффект подавляется дополнительной системой АПЧ, которая обеспечивает предварительную стабилизацию частоты излучения путем подавления быстрых изменений мгновенного значения частоты биений мод. Сигнал биений мод с фотоприемника сигнала биений переносится преобразователем частоты по оси частот в фиксированный частотный диапазон, удобный для качественного выполнения операции частотного детектирования, затем частотным дискриминатором выполняется операция выделения частотной огибающей. Фильтр верхних частот подавляет постоянную составляющую сигнала частотной огибающей, тем самым предотвращая появление помех со стороны дополнительной системы АПЧ по отношению к работе основной системы АПЧ. Кроме того, фильтр верхних частот обеспечивает оптимальную амплитудно-частотную характеристику системы автоматического регулирования путем усиления ее реакции на быстрые уходы по сравнению с медленными уходами частоты. Тем самым обеспечивается повышение стабильности частоты.The laser operates as follows. The main frequency stabilization system tunes the frequency of the selected mode to the center of the absorption line. This is done by the method of synchronous amplification and detection of harmonics observed in oscillations of the radiation power or, as in this particular case, in the oscillations of the envelope of the beat frequency of two generated modes synchronous with respect to the introduced small modulation of the frequency of the laser optical radiation. The narrow resonance has extremely small amplitude and width, in particular, for resonances of saturated absorption in methane on the F line $\binom{(2)}{2}$ in the resolution mode of the magnetic hyperfine structure, the resonance width is of the order of units of kilohertz, therefore, the main AFC system is fundamentally unable to provide not only high stability of the radiation frequency, but also a simple isolation of the feedback signal, since the average time of random frequency drifts is less than the period of modulation of the radiation frequency by the system AFC, and the magnitude of uncontrolled random frequency drifts exceeds the resonance width. This harmful effect is suppressed by an additional AFC system, which provides preliminary stabilization of the radiation frequency by suppressing rapid changes in the instantaneous value of the beat frequency of the modes. The beat signal of the mode from the photodetector of the beat signal is transferred by the frequency converter along the frequency axis to a fixed frequency range, convenient for high-quality performance of the frequency detection operation, then the frequency envelope is extracted with the frequency discriminator. The high-pass filter suppresses the constant component of the frequency envelope signal, thereby preventing interference from the secondary AFC system with respect to the operation of the main AFC system. In addition, the high-pass filter provides the optimal amplitude-frequency characteristic of the automatic control system by enhancing its response to quick departures compared to slow frequency departures. This provides increased frequency stability.

В известном лазере коэффициент усиления активного элемента должен превышать коэффициент поглощения нелинейно поглощающей среды, содержащейся в ячейке. Это обеспечивается большим коэффициентом усиления инфракрасной линии 3,39 мкм неона в гелий-неоновом лазере с метановой нелинейно поглощающей ячейкой. Этим весьма успешным конкретным исполнением до настоящего времени, собственно, и ограничивается использование известного технического решения. Однако существует ряд перспективных с точки зрения метрологии и измерительной техники лазерных переходов в первую очередь, это претендующая на роль эталонной слабая зеленая линия генерации гелий-неонового лазера с длиной волны 543 нм, имеющих столь слабое усиление, что получение генерации в резонаторе, содержащем внутреннюю поглощающую ячейку для лазера 543 нм это ячейка с парами изотопа иода-127, представляет практически непреодолимую проблему. In a known laser, the gain of the active element must exceed the absorption coefficient of the nonlinearly absorbing medium contained in the cell. This is ensured by a large gain of the infrared line of 3.39 μm neon in a helium-neon laser with a methane nonlinearly absorbing cell. To this very successful concrete execution to date, in fact, the use of the known technical solution is limited. However, there are a number of laser transitions that are promising from the point of view of metrology and measurement technology, first of all, this is the weak green line of generation of a helium-neon laser with a wavelength of 543 nm, which has such a weak amplification that claims to be a reference, that produces lasing in a resonator containing an internal absorption the 543 nm laser cell is a cell with iodine-127 isotope pairs, which is an almost insurmountable problem.

Таким образом, недостатком известного технического решения являются узкие функциональные возможности. Thus, the disadvantage of the known technical solutions are narrow functionality.

Изобретение направлено на расширение функциональных возможностей частотно-стабилизированного лазера. The invention is aimed at expanding the functionality of a frequency-stabilized laser.

Сущность изобретения заключается в решении проблемы расширения функциональных возможностей лазера, стабилизированного по насыщенному поглощению, посредством обеспечения быстропеременной во времени степени пространственного перекрытия встречных волн в нелинейно поглощающей ячейке на удвоенной частоте биений двух поперечных мод ТЕМ₀₁ и ТЕМ₁₀ лазера. Для этого частотно-стабилизированный лазер, включающий оптический резонатор, одно из зеркал которого снабжено пьезокорректором, подключенным к блоку АПЧ, нелинейно поглощающую ячейку и фотоприемник, выход которого электрически связан с входом фильтра высокой частоты, снабжен оптическим изолятором, светоделителем, цилиндрической линзой, плоским отражательным зеркалом, амплитудным детектором и астигматическим элементом с нанесенной на его поверхность непрозрачной точкой, при этом оптический изолятор, светоделитель, нелинейно поглощающая ячейка, цилиндрическая линза и отражательное зеркало последовательно установлены за выходным зеркалом резонатора лазера, фотоприемник оптически связан с нелинейно поглощающей ячейкой через светоделитель, фильтр высокой частоты подключен к блоку АПЧ через амплитудный детектор, цилиндрическая линза установлена на расстоянии от поверхности отражательного зеркала, равном фокусному расстоянию линзы, астигматический элемент установлен в резонаторе лазера, а непрозрачная точка совмещена с оптической осью резонатора лазера.The essence of the invention is to solve the problem of expanding the functionality of a laser stabilized by saturated absorption by providing a rapidly varying degree of spatial overlap of counterpropagating waves in a nonlinearly absorbing cell at a double beat frequency of two transverse laser modes TEM ₀₁ and TEM ₁₀ . For this, a frequency-stabilized laser including an optical resonator, one of the mirrors of which is equipped with a piezoelectric corrector connected to the AFC unit, a nonlinearly absorbing cell and a photodetector, the output of which is electrically connected to the input of the high-pass filter, is equipped with an optical insulator, a beam splitter, a cylindrical lens, a flat reflective a mirror, an amplitude detector, and an astigmatic element with an opaque point deposited on its surface, while an optical insulator, a beam splitter, nonlinear absorption The receiving cell, the cylindrical lens and the reflecting mirror are sequentially mounted behind the output mirror of the laser resonator, the photodetector is optically connected to the nonlinear absorbing cell through a beam splitter, the high-pass filter is connected to the AFC unit through an amplitude detector, the cylindrical lens is installed at a distance from the surface of the reflecting mirror equal to the focal length lenses, an astigmatic element is mounted in the laser cavity, and the opaque point is aligned with the optical axis of the laser cavity.

Это позволяет обеспечить быстропеременную во времени степень пространственного перекрытия встречных волн в нелинейно поглощающей ячейке на удвоенной частоте биений двух поперечных мод ТЕМ₀₁ и ТЕМ₁₀ лазера и тем самым, формируя сигнал насыщенного поглощения в высокочастотной спектральной области, свободной от шумов интенсивности излучения лазера и от составляющих полного сигнала интенсивности излучения, не связанных с взаимодействием встречных волн в нелинейно поглощающей ячейке, сделать доступными для регистрации сигналы насыщенного поглощения от переходов с малыми коэффициентами поглощения и для маломощных линий лазеров, т.е. расширить функциональные возможности.This makes it possible to provide a rapidly time-varying degree of spatial overlap of counterpropagating waves in a nonlinearly absorbing cell at a double beat frequency of two transverse modes TEM ₀₁ and TEM _{10 of the} laser and, thereby, generating a saturated absorption signal in the high-frequency spectral region free of noise from laser radiation intensity and components the full signal of the radiation intensity, not related to the interaction of counterpropagating waves in a nonlinearly absorbing cell, to make signals saturated of absorption of transitions with small coefficients of absorption and low-power laser lines, ie, expand functionality.

На фиг. 1 показана схема предлагаемого лазера; на фиг.2 схема расположения встречных световых пучков в нелинейно поглощающей ячейке, поясняющая формирование сигнала насыщенного поглощения на удвоенной частоте биений мод. In FIG. 1 shows a diagram of the proposed laser; figure 2 arrangement of oncoming light beams in a nonlinear absorbing cell, explaining the formation of a saturated absorption signal at a double beat frequency of the modes.

Лазер (фиг. 1) содержит оптический резонатор с активным элементом 1 и зеркалами 2,3, установленными соответственно на пьезокорректоре 4 и пьезомодуляторе 5, подключенных к блоку 6 АПЧ, оптический изолятор 7, светоделитель 8, нелинейно поглощающую ячейку 9 и плоское отражательное зеркало 10, последовательно установленные за выходным зеркалом 2 резонатора лазера, и фотоприемник 11, оптически связанный с нелинейно поглощающей ячейкой 9 через светоделитель 9. Лазер также содержит астигматический элемент 12 с нанесенной на его поверхность непрозрачной точкой 13, цилиндрическую линзу 14, фильтр 15 высокой частоты и амплитудный детектор 16. Фотоприемник 11 подключен через фильтр 15 высокой частоты и амплитудный детектор 16 к блоку 6 АПЧ. Цилиндрическая линза 14 установлена между нелинейно поглощающей ячейкой 9 и отражательным зеркалом 10 на расстоянии от поверхности зеркала 10, равном фокусному расстоянию линзы 14, астигматический элемент 12 установлен в резонаторе лазера, а непрозрачная точка 13 совмещена с оптической осью. The laser (Fig. 1) contains an optical resonator with an active element 1 and mirrors 2,3 mounted respectively on a piezoelectric corrector 4 and a piezomodulator 5 connected to the AFC unit 6, an optical isolator 7, a beam splitter 8, a nonlinear absorption cell 9, and a flat reflective mirror 10 sequentially mounted behind the output mirror 2 of the laser resonator, and a photodetector 11, optically coupled to a nonlinearly absorbing cell 9 through a beam splitter 9. The laser also contains an astigmatic element 12 with an opaque deposited on its surface point 13, a cylindrical lens 14, a high-pass filter 15 and an amplitude detector 16. A photodetector 11 is connected through a high-pass filter 15 and an amplitude detector 16 to the AFC unit 6. A cylindrical lens 14 is mounted between the nonlinearly absorbing cell 9 and the reflective mirror 10 at a distance from the surface of the mirror 10 equal to the focal length of the lens 14, the astigmatic element 12 is mounted in the laser cavity, and the opaque point 13 is aligned with the optical axis.

Целесообразно ориентировать ось кривизны цилиндрической линзы 14 параллельно одной из главных осей кривизны астигматического элемента 12, однако предлагаемый лазер работоспособен и при других ориентациях линзы 14. It is advisable to orient the axis of curvature of the cylindrical lens 14 parallel to one of the main axes of curvature of the astigmatic element 12, however, the proposed laser is operable with other orientations of the lens 14.

Лазер работает следующим образом. The laser operates as follows.

Спектр излучения лазера состоит из двух поперечных мод ТЕМ₁₀ и ТЕМ₀₁, отличающихся ориентацией относительно оптической оси лазера. Это вызвано тем, что осевая мода ТЕМ₀₀ гасится за счет действия непрозрачной точки 13, создающей большие потери излучения преимущественно для моды ТЕМ₀₀ и лишь несущественно увеличивающей потери мод ТЕМ₀₁ и ТЕМ₁₀. Мода ТЕМ₁₀ образована дольками 17, 18 (фиг.2), а мода ТЕМ₀₁ дольками 19,20, причем колебания лазерного поля в двух дольках каждой моды взаимно-попарно противофазны. Оптическая длина резонатора для мод ТЕМ₀₁ и ТЕМ₁₀ различна из-за неравенства главных радиусов кривизны астигматического элемента 12. Поэтому резонаторные частоты мод различны, и их генерация происходит также на различных частотах. При этом излучение лазера линейно поляризовано, поскольку расщепленные по частоте моды отличаются здесь не поляризацией, а лишь пространственным распределением полей.The laser emission spectrum consists of two transverse modes TEM ₁₀ and TEM ₀₁ , which differ in orientation with respect to the optical axis of the laser. This is because the axial mode TEM _{00 is} suppressed due to the action of the opaque point 13, which creates large radiation losses mainly for the TEM ₀₀ mode and only slightly increases the loss of the TEM ₀₁ and TEM ₁₀ modes. The TEM ₁₀ mode is formed by segments 17, 18 (Fig. 2), and the TEM ₀₁ mode by segments 19.20, and the laser field oscillations in two segments of each mode are mutually pairwise antiphase. The optical cavity length for the TEM ₀₁ and TEM ₁₀ modes is different due to the inequality of the principal radii of curvature of the astigmatic element 12. Therefore, the resonator frequencies of the modes are different, and their generation also occurs at different frequencies. In this case, the laser radiation is linearly polarized, since the frequency-split modes here differ not in polarization, but only in the spatial distribution of the fields.

Лазерное излучение, вышедшее из резонатора, проходит последовательно оптический изолятор 7, светоделитель 8, нелинейно поглощающую ячейку 9, линзу 14 и, отразившись от отражательного зеркала 10, вторично проходит линзу 14 и нелинейно поглощающую ячейку 9 во встречном направлении. Та часть излучения, которая проходит светоделитель 8 во встречном направлении, попадает в оптический изолятор 7 и, задерживаясь им, не влияет на работу лазера. Другая часть излучения отражается от светоделителя 8 и попадает на фотоприемник 11. The laser radiation emerging from the resonator passes sequentially through an optical insulator 7, a beam splitter 8, a nonlinearly absorbing cell 9, a lens 14, and, reflected from the reflective mirror 10, passes through the lens 14 and a nonlinearly absorbing cell 9 in the opposite direction. That part of the radiation, which passes the beam splitter 8 in the opposite direction, enters the optical insulator 7 and, delaying it, does not affect the operation of the laser. Another part of the radiation is reflected from the beam splitter 8 and enters the photodetector 11.

При прохождении излучения через цилиндрическую линзу 14 пучок излучения лазера фокусируется на поверхности зеркала 10 и затем после отражения и вторичного прохождения линзы 14 преобразуется во встречный пучок, претерпевая при этом зеркальное отображение в пространстве, так что дольки 17 и 18 моды ТЕМ₁₀ меняются местами.When radiation passes through a cylindrical lens 14, the laser beam focuses on the surface of the mirror 10 and then, after reflection and secondary passage of the lens 14, is converted into an oncoming beam, undergoing a mirror image in space, so that the slices 17 and 18 of the TEM ₁₀ mode are swapped.

Излучения мод ТЕМ₀₁ и ТЕМ₁₀ интерферируют в секторах 21, 22, 23, 24. Поскольку частоты мод различны, а колебания в дольках мод попарно противофазны, то профили 25,26,27,28 пучка излучения лазера при пробегании разностью фаз мод значений 0, π/2, π, 3π/2 приобретают поочередно соответственно вид цифры "8" и "бублика" за счет интерференции полей в секторах 21,22,23,24. После зеркального отображения пучка в пространстве профили 25,26,27,28 пучков преобразуются соответственно в профили 29,30,31,32. При этом, когда разность фаз мод равна нулю или π, излучения встречных пучков с профилями, 25,29 и 27,31 соответственно распространяются в нелинейно поглощающей ячейке 9 в различных областях пространства и не взаимодействуют друг с другом в поглощающем газе. Когда разность фаз мод ТЕМ₀₁ и ТЕМ₁₀ составляет π/2 и 3 π/2, то излучения встречных пучков с профилями 26,30 и 28, 32 соответственно распространяются в одной и той же области пространства и возникает эффект насыщения поглощения встречных волн в нелинейно поглощающем газе. Этот эффект сопровождается уменьшением коэффициента поглощения и появлением узкого пичка мощности пучка излучения, прошедшего ячейку 9, при совпадении полусуммы частот мод с частотой центра линии поглощения резонансного перехода в поглощающем газе. В результате того, что пространственное перекрытие полей встречных волн изменяется дважды за период биений мод, амплитуда пичка переменна во времени, а именно совершает колебания на удвоенной частоте биений мод. Колебания суммарной мощности излучения мод ТЕМ₀₁ и ТЕМ₁₀ ни на частоте биений, ни на удвоенной частоте в отсутствие нелинейно поглощающего газа не имеют места, поскольку при интерференции полей мод не происходит ни потерь, ни возникновения энергии. Поэтому переменное во времени перекрытие полей в ячейке 9 является единственным источником появления колебаний амплитуды пичка мощности на удвоенной частоте биений мод.The TEM ₀₁ and TEM ₁₀ mode radiation interferes in sectors 21, 22, 23, 24. Since the mode frequencies are different and the oscillations in the mode segments are pairwise antiphase, then the profiles of the laser radiation beam 25.26.27.28 when the mode difference travels 0 , π / 2, π, 3π / 2 take on the form of the figures “8” and “bagel”, respectively, due to the interference of fields in sectors 21,22,23,24. After the mirror image of the beam in space, the profiles of 25,26,27,28 beams are converted into profiles 29,30,31,32, respectively. Moreover, when the mode phase difference is zero or π, the radiation of the opposing beams with profiles 25.29 and 27.31 respectively propagate in a nonlinearly absorbing cell 9 in different regions of space and do not interact with each other in the absorbing gas. When the phase difference between the TEM ₀₁ and TEM ₁₀ modes is π / 2 and 3 π / 2, then the radiation of the counterpropagating beams with profiles 26.30 and 28, 32, respectively, propagate in the same region of space and the effect of saturation of the absorption of counterpropagating waves in a nonlinear absorbing gas. This effect is accompanied by a decrease in the absorption coefficient and the appearance of a narrow power peak of the radiation beam passing through cell 9, when the half-sum of the mode frequencies coincides with the frequency of the center of the absorption line of the resonant transition in the absorbing gas. As a result of the fact that the spatial overlap of the fields of counterpropagating waves changes twice during the period of beatings of the modes, the amplitude of the peak is variable in time, namely, it oscillates at the doubled frequency of beatings of the modes. Oscillations of the total radiation power of the TEM ₀₁ and TEM ₁₀ modes do not occur either at the beat frequency or at the doubled frequency in the absence of a nonlinearly absorbing gas, since no energy is lost or generated upon interference of the mode fields. Therefore, the time-varying overlap of fields in cell 9 is the only source of amplitude fluctuations in the power peak at the doubled beat frequency of the modes.

Колебания мощности преобразуются фотоприемником 11 в электрический сигнал, из которого фильтр 15 высокой частоты выделяет высокочастотную составляющую колебаний мощности на удвоенной частоте биений мод, а амплитудный детектор 16 выделяет амплитудную огибающую колебаний мощности. Блок 6 АПЧ посредством пьезокорректора 4 осуществляет автоподстройку средней частоты излучения лазера на вершину пичка, присутствующего в амплитудной огибающей, поскольку она повторяет по форме контур обычного пичка мощности. При этом вводится обычная для такого рода лазеров небольшая частотная модуляция оптического излучения с помощью отдельного пьезомодулятора 5, причем использование отдельного пьезомодулятора способствует улучшению эксплуатационных свойств системы АПЧ благодаря лучшей электрической развязке сигналов переменного и постоянного тока. The power oscillations are converted by the photodetector 11 into an electrical signal, from which the high-frequency filter 15 emits a high-frequency component of the power oscillations at the doubled beat frequency of the modes, and the amplitude detector 16 emits the amplitude envelope of the power oscillations. The AFC unit 6, by means of a piezocorrector 4, automatically adjusts the average frequency of the laser radiation to the top of the peak present in the amplitude envelope, since it follows the shape of the contour of a conventional power peak. In this case, a small frequency modulation of optical radiation, which is usual for such lasers, is introduced using a separate piezomodulator 5, and the use of a separate piezomodulator helps to improve the operational properties of the AFC system due to better electrical isolation of the AC and DC signals.

Описанная работа лазера соответствует оптимальной ориентации оси кривизны линзы 14 параллельно одной из осей кривизны астигматического элемента 12. При повороте линзы 14 вокруг оптической оси лазера происходит поворот плоскости, относительно которой имеет место зеркальное отображение лазерного пучка в пространстве, при этом профили 29,30,31 и 32 испытывают поворот на угол, равный удвоенному углу поворота линзы 14. Результатом этого является появление и возрастание пространственного перекрытия пучков с профилями 25,29 и 27,31 соответственно. Это приводит к монотонному и плавному ослаблению колебаний амплитуды пичка мощности, причем при повороте линзы 14 на угол 45^о вокруг оптической оси указанный сигнал пропадает полностью. Таким образом, предлагаемый лазер работоспособен при любой ориентации оси кривизны линзы 14, причем ориентация оси кривизны линзы 14 параллельно главным осям кривизны астигматического элемента 12 является оптимальной.The described laser operation corresponds to the optimal orientation of the axis of curvature of the lens 14 parallel to one of the axes of curvature of the astigmatic element 12. When the lens 14 is rotated around the optical axis of the laser, the plane rotates relative to which the laser beam is mirrored in space, with profiles 29,30,31 and 32 experience rotation at an angle equal to twice the angle of rotation of lens 14. The result is the appearance and increase of spatial overlap of beams with profiles 25.29 and 27.31, respectively. This leads to a smooth and monotonic weakening power spike amplitude oscillations, wherein during rotation of the lens 14 at an angle of ⁴⁵ ° around the optical axis of said signal disappears completely. Thus, the proposed laser is operable for any orientation of the axis of curvature of the lens 14, and the orientation of the axis of curvature of the lens 14 parallel to the main axis of curvature of the astigmatic element 12 is optimal.

Целесообразно установить разность частот мод ТЕМ₀₁ и ТЕМ₁₀ максимальной, но меньше ширины пичка мощности, во избежание ослабления полезного сигнала из-за инерционности реагирования состояния резонансного поглощающего перехода на изменение насыщающего поля с удвоенной частотой биений мод. В частности, пички насыщенного поглощения в парах иода имеют ширину ≈0,5-5 МГц, что позволяет без ослабления регистрировать сигнал насыщенного поглощения на частотах ≈1-10 МГц. В этом частотном диапазоне технические флуктуации мощности излучения лазера, связанные главным образом с дробовым шумом газового разряда, ослабляются до уровня не выше естественных флуктуаций мощности за счет инерционности установления равновесной мощности в активном резонаторе лазера. В гелий-неоновом лазере частота среза частотной характеристики колебаний мощности составляет 10 кГц, поэтому при наклоне характеристики 20 дБ в декаду технические флуктуации мощности в диапазоне частот 1-10 МГц ослабляются на 40-60 дБ, или в 10²-10³ раз по сравнению с низкочастотным диапазоном частот. Во столько же раз возрастает отношение сигнала насыщенного поглощения к шуму и диапазон изменения мощности лазерных линий и коэффициентов поглощения эталонных переходов, доступных регистрации. Таким образом, расширяются функциональные возможности лазера.It is advisable to establish the frequency difference between the TEM ₀₁ and TEM ₁₀ modes as maximum, but less than the width of the power peak, in order to avoid attenuation of the useful signal due to the inertia of the response of the state of the resonant absorbing transition to a change in the saturating field with a double beat frequency of the modes. In particular, saturated absorption peaks in iodine vapors have a width of ≈0.5-5 MHz, which makes it possible to record a saturated absorption signal at frequencies of ≈1-10 MHz without attenuation. In this frequency range, technical fluctuations in the laser radiation power, associated mainly with shot noise of a gas discharge, are attenuated to a level no higher than natural power fluctuations due to the inertia of establishing equilibrium power in the active laser cavity. In a helium-neon laser, the cutoff frequency of the frequency response of power fluctuations is 10 kHz, therefore, with a slope of 20 dB per decade, technical power fluctuations in the frequency range 1-10 MHz are attenuated by 40-60 dB, or 10 ² -10 ³ times compared with a low frequency range. The ratio of the signal of saturated absorption to noise and the range of variation of the power of laser lines and the absorption coefficients of the reference transitions available for registration increase by the same amount. Thus, the functionality of the laser is expanded.

Целесообразно также выполнить астигматический элемент 12 в виде плосковыпуклой или плосковогнутой линзы, установленной в резонаторе лазера под углом Брюстера между плоской поверхностью линзы и оптической осью. Эксперимент показывает, что расщепление частот мод ≈4 МГц достигается при радиусе кривизны сферической поверхности ≈10 м при выполнении указанной линзы из стекла К8. It is also advisable to make the astigmatic element 12 in the form of a plano-convex or plano-concave lens mounted in the laser cavity at a Brewster angle between the flat surface of the lens and the optical axis. The experiment shows that the splitting of the mode frequencies ≈4 MHz is achieved when the radius of curvature of the spherical surface is ≈10 m when the specified lens is made of K8 glass.

Вместо цилиндрической линзы 14 может быть использован любой оптический элемент или устройство, обеспечивающее переворачивание изображения в одной плоскости. Например, может использоваться двугранный уголковый отражатель в виде крышеобразной призмы с углом при вершине 90^о. Однако цилиндрическая линза 14 значительно более проста в изготовлении и освоена в производстве (применяется, например, в области широкоформатного кино).Instead of a cylindrical lens 14, any optical element or device can be used to rotate the image in the same plane. For example, it can be used dihedral corner reflector in the form of gable prisms with a vertex angle ^of 90. However, the cylindrical lens 14 is much simpler to manufacture and mastered in production (used, for example, in the field of widescreen cinema).

Для реализации предлагаемого технического решения имеется следующая элементная база. Оптический изолятор 7 представляет собой последовательно установленные четвертьволновую пластину и поляроид. Цилиндрическая линза 14 относится к изделиям массового выпуска отечественной оптической промышленности. В качестве астигматического элемента 12 может быть использована заготовка (подложка) длиннофокусного лазерного зеркала. For the implementation of the proposed technical solution there is the following elemental base. The optical isolator 7 is a sequentially mounted quarter-wave plate and polaroid. A cylindrical lens 14 refers to the mass production of the domestic optical industry. As an astigmatic element 12, a blank (substrate) of a long-focus laser mirror can be used.

Таким образом, предлагаемое техническое решение является легко осуществимым и позволяет существенно более простыми и унифицированными средствами в сравнении с известными техническими решениями решить проблему расширения совокупности лазерных линий и эталонных поглощающих переходов, пригодных для создания лазерного стандарта частоты на основе лазера, стабилизированного по насыщенному поглощению. Thus, the proposed technical solution is easily feasible and allows significantly simpler and more standardized means in comparison with the known technical solutions to solve the problem of expanding the totality of laser lines and reference absorbing transitions suitable for creating a laser frequency standard based on a laser stabilized by saturated absorption.

Claims

A FREQUENCY-STABILIZED LASER, including an optical resonator, one of the mirrors of which is equipped with a piezoelectric corrector connected to an automatic frequency block, a nonlinear absorbing cell and a photodetector, the output of which is electrically connected to the input of the high-pass filter, characterized in that it is equipped with an optical isolator, a beam splitter, a cylindrical lens , a flat reflective mirror, an amplitude detector and an astigmatic element with an opaque point deposited on its surface, while the optical insulator , a beam splitter, a nonlinear absorbing cell, a cylindrical lens and a reflective mirror are sequentially mounted behind the output mirror of the laser resonator, a photodetector is optically coupled to the nonlinear absorbing cell through a beam splitter, a high-pass filter is connected to the automatic frequency block through an amplitude detector, a cylindrical lens is installed at a distance from the surface of the reflective mirror, equal to the focal length of the lens, the astigmatic element is installed in the laser cavity, and the opaque point with It is located with the optical axis of the laser cavity.