RU2073949C1 - Frequency-stabilized laser - Google Patents
Frequency-stabilized laser Download PDFInfo
- Publication number
- RU2073949C1 RU2073949C1 RU93026886A RU93026886A RU2073949C1 RU 2073949 C1 RU2073949 C1 RU 2073949C1 RU 93026886 A RU93026886 A RU 93026886A RU 93026886 A RU93026886 A RU 93026886A RU 2073949 C1 RU2073949 C1 RU 2073949C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- interferometer
- laser
- oscillator
- optical
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к квантовой электронике и лазерной технике, оно может быть использовано при создании газовых лазеров, стабилизированных по частоте, предназначенных для лазерной спектроскопии, метрологии, локации, а также других областей науки и техники, где необходима высокая стабильность лазерного излучения. The invention relates to quantum electronics and laser technology, it can be used to create frequency-stabilized gas lasers for laser spectroscopy, metrology, location, and other fields of science and technology where high stability of laser radiation is required.
Известны стабилизированные лазеры [1, 2] в которых в качестве оптических дискриминаторов системы стабилизации используются интерферометры Фабри-Перо, а репером, по которому стабилизируют частоту лазера, является контур пропускания интерферометра. Недостаток такой схемы стабилизации в том, что репер не является физической величиной и частота максимума пропускания интерферометра, а значит, и стабильность, особенно долговременная, полностью определяются внешними шумами, поэтому, даже при тщательной акустической и тепловой изоляции интерферометра, долговременная стабильность и воспроизводимость частоты лазера обычно остается ≈10-9 [2]
Известен также стабилизированный по частоте газовый лазер [3] содержащий задающий генератор, на выходе которого помещен дискриминатор отклонения частоты в виде настраиваемого интерферометра, полость между его зеркалами заполнена газом, обладающим нелинейным поглощением на частоте прибора, оптическую схему согласования волновых фронтов, фильтр-развязку, фотоприемник и систему автоподстройки. Стабильность и воспроизводимость частоты такого лазера главным образом зависят от параметров резонанса поглощения, возникающего в поле стоячей волны в интерферометре, а именно от его ширины и амплитуды и отношения сигнал/шум. Достижимые значения стабильности такого лазера оцениваются как ≈10-14 [4] Для получения высоких значений стабильности и воспроизводимости частоты лазера необходимо иметь резонанс с минимальной шириной, что достигается уменьшением давления поглощающего газа. Однако переход к низким давлениям в поглощении сопровождается резким уменьшением интенсивности резонанса, а значит, и величины отношения сигнал/шум в системе автоподстройки, что препятствует улучшению характеристик стабильности частоты лазера. Необходимое в этом случае повышение чувствительности дискриминатора обеспечивается, как правило, увеличением геометрических размеров поля в интерферометре и повышением добротности последнего. Традиционно это выражается в применении в интерферометре зеркал с большим радиусом кривизны (R ≥ 100 м), что делает интерферометр чувствительным к разъюстировкам и внешним шумам, в увеличении коэффициента отражения, что приводит к уменьшению амплитуды полезного сигнала (хотя контраст резонанса возрастет), а также к возрастанию стоимости системы, и в стремлении улучшить качество настройки интерферометра.Stabilized lasers are known [1, 2] in which Fabry-Perot interferometers are used as optical discriminators of the stabilization system, and the transmission loop of the interferometer is the reference point by which the laser frequency is stabilized. The disadvantage of such a stabilization scheme is that the reference is not a physical quantity and the frequency of the maximum transmission of the interferometer, and therefore stability, especially long-term, is completely determined by external noise, therefore, even with careful acoustic and thermal isolation of the interferometer, the long-term stability and reproducibility of the laser frequency usually remains ≈10 -9 [2]
Also known is a frequency-stabilized gas laser [3] containing a master oscillator, at the output of which there is a frequency deviation discriminator in the form of a tunable interferometer, the cavity between its mirrors is filled with gas having nonlinear absorption at the instrument frequency, an optical wavefront matching circuit, a filter decoupling, photodetector and auto-tuning system. The stability and reproducibility of the frequency of such a laser mainly depends on the parameters of the absorption resonance arising in the field of a standing wave in the interferometer, namely on its width and amplitude and signal-to-noise ratio. The achievable stability values of such a laser are estimated as ≈10 -14 [4] To obtain high stability and reproducibility of the laser frequency, it is necessary to have resonance with a minimum width, which is achieved by reducing the pressure of the absorbing gas. However, the transition to low absorption pressures is accompanied by a sharp decrease in the resonance intensity, and hence the signal-to-noise ratio in the auto-tuning system, which prevents the improvement of the stability characteristics of the laser frequency. The increase in the discriminator sensitivity necessary in this case is ensured, as a rule, by an increase in the geometric dimensions of the field in the interferometer and an increase in the quality factor of the latter. This is traditionally expressed in the use of mirrors with a large radius of curvature in the interferometer (R ≥ 100 m), which makes the interferometer sensitive to misalignment and external noise, in an increase in the reflection coefficient, which leads to a decrease in the amplitude of the useful signal (although the resonance contrast will increase), as well to increase the cost of the system, and in an effort to improve the quality of tuning of the interferometer.
Таким образом, получение высокостабильного по частоте лазерного излучения с применением известного стабилизированного газового оптического квантового генератора сопряжено со значительными трудностями, поскольку с увеличением контраста репера одновременно понижается его интенсивность и отношение сигнал/шум, а применение широкоапертурной, высококачественной оптики повышает требования к настройке интерферометра и существенно повышает стоимость системы. Thus, obtaining highly stable laser radiation using a well-known stabilized gas optical quantum generator is associated with significant difficulties, since the intensity and signal-to-noise ratio decrease simultaneously with increasing the contrast of the rapper, and the use of wide-aperture, high-quality optics increases the requirements for tuning the interferometer and significantly increases the cost of the system.
В основу изобретения положена задача создания стабилизированного по частоте лазера, конструкция которого позволила бы повысить амплитуду полезного сигнала, увеличить контраст репера и тем самым улучшить стабильность и воспроизводимость частоты излучения лазера. The basis of the invention is the creation of a frequency-stabilized laser, the design of which would increase the amplitude of the useful signal, increase the contrast of the reference and thereby improve the stability and reproducibility of the laser radiation frequency.
Поставленная задача решается тем, что в стабилизированный по частоте лазер, содержащий задающий оптический квантовый генератор, дискриминатор отклонения частоты в виде настраиваемого интерферометра, содержащего внутри ячейку со средой, нелинейно поглощающей на частоте прибора; оптическую схему согласования волновых фронтов резонаторов генератора и интерферометра; фильтр-развязку; фотоприемник и систему автоподстройки частоты, согласно изобретению, в полость интерферометра дополнительно к поглощающей ячейке помещен оптический квантовый усилитель, работающий на частоте опорного генератора, действие которого компенсирует диссипативные потери в интерферометре, что позволяет повысить контраст и амплитуду репера, отношение сигнал/шум и тем самым достичь более высоких характеристик по стабильности частоты лазера. The problem is solved in that in a frequency-stabilized laser containing a master optical quantum generator, a frequency deviation discriminator in the form of a tunable interferometer containing inside a cell with a medium nonlinearly absorbing at the frequency of the device; optical matching scheme of the wave fronts of the resonators of the generator and the interferometer; decoupling filter; a photodetector and a frequency-locked loop system according to the invention, in addition to the absorbing cell, an optical quantum amplifier operating at the frequency of the reference generator is placed in the cavity of the interferometer, the action of which compensates for the dissipative losses in the interferometer, which allows to increase the contrast and amplitude of the reference, the signal-to-noise ratio and thereby achieve higher laser frequency stability characteristics.
На чертеже представлена схема устройства. The drawing shows a diagram of the device.
Устройство содержит задающий оптический квантовый генератор 1; оптическую схему согласования волновых фронтов резонаторов генератора и интерферометра 2, 3; фильтр-развязку 4; дискриминатор отклонения частоты 5 в виде интерферометра Фабри-Перо, образованного зеркалами 6 и 7, одно из которых наклеено на пьезокерамику 8, и содержащего внутри резонатора ячейку 9, наполненную газом с нелинейным поглощением на частоте задающего генератора, и оптический квантовый усилитель 10; фотодетектор 11; систему автоподстройки частоты 12. The device comprises a master optical quantum generator 1; optical matching circuit of the wave fronts of the resonators of the generator and interferometer 2, 3; decoupling filter 4; a frequency deviation discriminator 5 in the form of a Fabry-Perot interferometer formed by mirrors 6 and 7, one of which is glued to piezoceramics 8, and containing inside the resonator a cell 9 filled with gas with nonlinear absorption at the frequency of the master oscillator, and an optical quantum amplifier 10; photodetector 11; automatic frequency control system 12.
Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.
Задающий генератор 1 работает на частоте, значение которой управляется электрическим сигналом, поступающим на пьезокерамический пакет, на котором закреплено зеркало генератора. Зеркала 2 и 3, образующие оптическую схему согласования волновых фронтов резонаторов генератора 1 и интерферометра 5, направляют излучение генератора 1 в интерферометр 5. Фильтр-развязка 4 исключает влияние оптической обратной связи от зеркал интерферометра на работу генератора. Излучение, пройдя через поглощающую ячейку 9 и оптический квантовый усилитель 10, помещенные между зеркалами 6 и 7 интерферометра, попадает на фотодетектор 11. Система автоподстройки частоты 12 вырабатывает сигнал ошибки и замыкает обратную связь на пьезокерамический пакет 8 зеркала генератора 1. Частота излучения задающего генератора 1, частоты максимумов линий поглощения и усиления, а также частота одного из максимумов пропускания интерферометра должны быть согласованы. The master oscillator 1 operates at a frequency, the value of which is controlled by an electric signal supplied to the piezoceramic package, on which the mirror of the generator is fixed. Mirrors 2 and 3, forming the optical matching circuit of the wavefronts of the resonators of the generator 1 and the interferometer 5, direct the radiation of the generator 1 to the interferometer 5. The filter isolation 4 eliminates the influence of optical feedback from the mirrors of the interferometer on the operation of the generator. The radiation passing through the absorbing cell 9 and the optical quantum amplifier 10, placed between the mirrors 6 and 7 of the interferometer, is incident on the photodetector 11. The self-tuning frequency system 12 generates an error signal and closes the feedback to the piezoceramic packet 8 of the mirror of the generator 1. The radiation frequency of the master oscillator 1 , the frequencies of the maxima of the absorption and amplification lines, as well as the frequency of one of the transmission maxima of the interferometer should be consistent.
Принцип действия дискриминатора основан на свойстве поглощающего газа насыщаться под действием проходящего электромагнитного излучения. В поле стоячей волны, в интерферометре, это насыщение приводит к возникновению резонансного провала в центре линии поглощения (т.н. провала Лэмба), полуширина которого может быть порядка однородной полуширины Г линии поглощения. Эффект образования провала Лэмба, а также обратного провала Лэмба хорошо известен и широко применяется в квантовой оптике. Дискриминатор предлагаемого устройства включает в себя кроме ячейки, заполненной резонансно поглощающим на частоте прибора газом, и оптический квантовый усилитель, действие которого следующим образом благотворно сказывается на работе всего устройства:
повышает добротность интерферометра, т.е. возрастает число проходов излучения внутри дискриминатора. Это эквивалентно увеличению эффективной длины поглощения и, следовательно, росту контраста резонанса;
в системе увеличивается отношение сигнал/шум, что позволяет уменьшить давление поглотителя без потери в амплитуде резонанса;
с уменьшением давления поглотителя падает величина ухода нуля дискриминатора, что влечет за собой повышение воспроизводимости частоты стабилизированного лазера. Использование меньших давлений в поглощающей ячейке позволяет получать более узкий резонанс, что дает возможность повысить точность привязки лазера к его вершине, а значит, повысить кратковременную стабильность;
усилитель, кроме того, обеспечивает и просто абсолютное увеличение амплитуды сигнала.The principle of operation of the discriminator is based on the property of the absorbing gas to saturate under the influence of transmitted electromagnetic radiation. In the field of a standing wave, in the interferometer, this saturation leads to the appearance of a resonance dip in the center of the absorption line (the so-called Lamb dip), the half-width of which can be of the order of the uniform half-width Г of the absorption line. The effect of the formation of the Lamb dip, as well as the reverse of the Lamb dip, is well known and is widely used in quantum optics. The discriminator of the proposed device includes, in addition to the cell filled with resonantly absorbing gas at the frequency of the device, and an optical quantum amplifier, the action of which, as follows, has a beneficial effect on the operation of the entire device:
increases the quality factor of the interferometer, i.e. the number of radiation passes inside the discriminator increases. This is equivalent to an increase in the effective absorption length and, consequently, an increase in the resonance contrast;
in the system, the signal-to-noise ratio increases, which allows to reduce the absorber pressure without loss in resonance amplitude;
as the absorber pressure decreases, the value of the zero of the discriminator decreases, which entails an increase in the reproducibility of the frequency of the stabilized laser. The use of lower pressures in the absorbing cell makes it possible to obtain a narrower resonance, which makes it possible to increase the accuracy of the binding of the laser to its apex, which means to increase short-term stability;
the amplifier, in addition, provides simply an absolute increase in the amplitude of the signal.
Сигнал на выходе такого дискриминатора будет принимать максимальное значение, когда интерферометр находится на пороге самовозбуждения. The signal at the output of such a discriminator will take its maximum value when the interferometer is on the threshold of self-excitation.
В Институте лазерной физики были проведены эксперименты, в которых был зарегистрирован резонанс насыщенного поглощения в активном интерферометре с нелинейно поглощающей средой. Параметры системы: задающий генератор - волноводный СO2 лазер, интерферометр с базой ≈6 м образован зеркалом с R 15 м и пропусканием ≈4,5% с алюминиевой дифракционной решеткой со 150 шт./мм. Усиливающая трубка длиной ≈1,8 м наполнялась смесью CO2:He под общим давлением ≈6 Торр. Поглощающая ячейка имела длину ≈4 м и наполнялась CO2 при давлении 5х10-4 Торр. Вся система была настроена на линию R30. Нами наблюдался резонанс насыщенного поглощения шириной ≈25 кГц и контрастом ≈8% С такими параметрами резонанса нестабильность частоты излучения лазера, стабилизированного по такому реперу, будет составлять величину 10-14 - 10-15. Для сравнения контраст резонанса в работах [2] не превышал 0,5% а ширина была порядка 30 кГц [4]
Таким образом, использование настоящего изобретения позволяет улучшить стабильность и воспроизводимость частоты излучения лазера. Кроме того, применение данного изобретения позволит исключить использование высококачественной оптики в конструкции и снизить требования к юстировке.At the Institute of Laser Physics, experiments were carried out in which a saturated absorption resonance was recorded in an active interferometer with a nonlinearly absorbing medium. System parameters: the master oscillator is a CO 2 waveguide laser, an interferometer with a base of ≈6 m is formed by a mirror with R 15 m and transmission of ≈4.5% with an aluminum diffraction grating with 150 pcs / mm. The reinforcing tube ≈1.8 m long was filled with a mixture of CO 2 : He at a total pressure of ≈6 Torr. The absorbing cell was ≈4 m long and was filled with CO 2 at a pressure of 5x10 -4 Torr. The entire system was tuned to the R30 line. We observed a saturated absorption resonance with a width of ≈25 kHz and a contrast of ≈8%. With such resonance parameters, the frequency instability of the laser radiation stabilized by such a reference will be 10 -14 - 10 -15 . For comparison, the resonance contrast in [2] did not exceed 0.5% and the width was about 30 kHz [4]
Thus, the use of the present invention improves the stability and reproducibility of the laser radiation frequency. In addition, the use of this invention will eliminate the use of high-quality optics in the design and reduce the requirements for alignment.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU93026886A RU2073949C1 (en) | 1993-05-12 | 1993-05-12 | Frequency-stabilized laser |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU93026886A RU2073949C1 (en) | 1993-05-12 | 1993-05-12 | Frequency-stabilized laser |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU93026886A RU93026886A (en) | 1995-06-27 |
| RU2073949C1 true RU2073949C1 (en) | 1997-02-20 |
Family
ID=20141719
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU93026886A RU2073949C1 (en) | 1993-05-12 | 1993-05-12 | Frequency-stabilized laser |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2073949C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2634368C1 (en) * | 2016-05-25 | 2017-10-26 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук | Method of stabilizing laser radiation frequency and laser stabilized by radiation frequency |
| RU197054U1 (en) * | 2019-12-12 | 2020-03-26 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук | Subminiature quantum frequency standard |
-
1993
- 1993-05-12 RU RU93026886A patent/RU2073949C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| A.G. Adam et al. Rev. Sci Оnstr. 1989, v. 52, N 1, p.6. Базаров Е.Р. и др. Сдвиги частоты узкого резонанса в O S O 4 во внешнем интерферометре вследствиие самофокусировки излучения. Квантовая электроника, 1991, 18, 6, с. 766. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2634368C1 (en) * | 2016-05-25 | 2017-10-26 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук | Method of stabilizing laser radiation frequency and laser stabilized by radiation frequency |
| RU197054U1 (en) * | 2019-12-12 | 2020-03-26 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук | Subminiature quantum frequency standard |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7471710B2 (en) | Narrow linewidth semiconductor laser device | |
| US3628173A (en) | Laser mode selection and stabilization apparatus employing a birefringement etalon | |
| Bertinetto et al. | Frequency stabilization of DBR diode laser against Cs absorption lines at 852 nm using the modulation transfer method | |
| JPH0815739A (en) | Method and device for controlling laser radiation wavelengthusing nonlinear effect | |
| JP3718164B2 (en) | In-fiber frequency locker | |
| Birnbaum | Frequency stabilization of gas lasers | |
| CN114899702A (en) | Laser device offset frequency stabilizing device and method based on optical fiber ring resonator | |
| RU2073949C1 (en) | Frequency-stabilized laser | |
| CN110911963B (en) | High-stability polarization spectrum frequency stabilizer | |
| US3537027A (en) | Frequency-stabilized single mode ring lasers | |
| US5251229A (en) | Laser with reduced intensity fluctuations | |
| Svelto et al. | Characterization of Yb–Er: glass lasers at 1.5 μm wavelength in terms of amplitude and frequency stability | |
| Hackel et al. | Molecular beam stabilized multiwatt argon lasers | |
| KR100559185B1 (en) | Method and apparatus for stabilizing laser frequency using electromagnetically induced transparency | |
| Celikov et al. | Diode laser spectroscopy in a Ca atomic beam | |
| Uetake et al. | Saturation spectroscopy of potassium for frequency stabilization of violet diode lasers | |
| US6084893A (en) | Apparatus and method of laser power and frequency stabilization of radio frequency excited laser using optogalvanic effect | |
| CA1085501A (en) | Methods and devices for utilizing amplifying and bistable characteristics of a cavity-enclosed nonlinear medium | |
| US3976957A (en) | Method of frequency-stabilization of a laser and a laser for carrying out said method | |
| RU2210847C1 (en) | Radiation frequency stabilized laser | |
| Gawlik et al. | Stabilization of diode-laser frequency to atomic transitions | |
| Yoshino et al. | Fiber-coupling-operated orthogonal-linear-polarization Nd: YAG microchip laser: photothermal beat-frequency stabilization and interferometric displacement measurement application | |
| Steier | A push-pull optical amplitude modulator | |
| Guionie et al. | Microwave-optical fiber lasers stabilized by frequency-shifted feedback | |
| RU2343611C1 (en) | STABILISED DOUBLE-MODE He-Ne/CH4 LASER |