RU2343611C1 - STABILISED DOUBLE-MODE He-Ne/CH4 LASER - Google Patents

STABILISED DOUBLE-MODE He-Ne/CH4 LASER Download PDF

Info

Publication number
RU2343611C1
RU2343611C1 RU2007133309/28A RU2007133309A RU2343611C1 RU 2343611 C1 RU2343611 C1 RU 2343611C1 RU 2007133309/28 A RU2007133309/28 A RU 2007133309/28A RU 2007133309 A RU2007133309 A RU 2007133309A RU 2343611 C1 RU2343611 C1 RU 2343611C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
resonator
laser
frequency
mirrors
optical
Prior art date
Application number
RU2007133309/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Александрович Губин (RU)
Михаил Александрович Губин
Эдвард Викентьевич Трушковский (RU)
Эдвард Викентьевич Трушковский
Дмитрий Алексеевич Тюриков (RU)
Дмитрий Алексеевич Тюриков
Александр Сергеевич Шелковников (RU)
Александр Сергеевич Шелковников
Original Assignee
Физический институт имени П.Н. Лебедева Российской академии наук
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 Физический институт имени П.Н. Лебедева Российской академии наук filed Critical Физический институт имени П.Н. Лебедева Российской академии наук
Priority to RU2007133309/28A priority Critical patent/RU2343611C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2343611C1 publication Critical patent/RU2343611C1/en

Links

Abstract

FIELD: electronics.
SUBSTANCE: invention is attributed to the field of optical maser frequency standards. It has been offered to make stabilised double-mode He-Ne/CH4 laser as single glass ceramic monoblock containing linear Fabty-Perot resonator of broken structure. Channels filled with absorbing (methane) and gain (He-Ne) mediums are made along optical axis. Gas-discharge channel with gain medium contains three electrodes. All optical components are installed on optical contact. Automatic frequency control system is made capable to independently regulate currents between electrode pairs of gain medium.
EFFECT: resonator passive stability improvement and automatic stabilisation of resonance asymmetry factor.
5 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области оптических стандартов частоты, в частности - лазерных стандартов частоты с внутренней поглощающей ячейкой, использующих для стабилизации частоты узкие нелинейные резонансы поглощения или дисперсии. Стабилизированные по частоте лазеры такого типа широко используются в прецизионной метрологии и спектроскопии сверхвысокого разрешения в качестве стандартов длины, а также задающих генераторов с узким спектром и вторичных стандартов с уровнем стабильности 10-13-10-14 [1-3].The invention relates to the field of optical frequency standards, in particular laser frequency standards with an internal absorption cell, using narrow nonlinear absorption or dispersion resonances to stabilize the frequency. Frequency-stabilized lasers of this type are widely used in precision metrology and ultra-high resolution spectroscopy as length standards, as well as narrow-spectrum oscillators and secondary standards with a stability level of 10 -13 -10 -14 [1-3].

Стабильность частоты лазерных стандартов зависит от трех основных составляющих:Frequency stability of laser standards depends on three main components:

- характеристик квантового репера - спектральной линии, по вершине которой производится стабилизация оптической частоты электронной системой автоподстройки (АПЧ),- characteristics of a quantum reference - a spectral line along the top of which the optical frequency is stabilized by an electronic self-tuning system (AFC),

- полосы частот и коэффициента усиления системы АПЧ,- frequency bands and gain of the AFC system,

- величины внешних возмущений.- magnitude of external disturbances.

При заданном уровне внешних возмущений чрезвычайно важной характеристикой стабилизируемого по частоте лазера является пассивная стабильность его оптического резонатора, т.е. устойчивость размеров и угловых настроек к вибрациям, изменениям окружающей температуры, давления, и т.д.For a given level of external disturbances, an extremely important characteristic of a frequency-stabilized laser is the passive stability of its optical cavity, i.e. stability of sizes and angular settings to vibrations, changes in ambient temperature, pressure, etc.

В портативных стабилизированных лазерах на основе внутренних поглощающих ячеек (He-Ne/CH4, He-Ne/I2 [2-5] и др.), для увеличения пассивной стабильности, применяется линейный резонатор Фабри-Перо, выполненный в виде массивной конструкции из инваровых труб или стержней (инвар - металл с коэффициентом температурного расширения α≈1*10-6), на которых установлены (как правило приварены) узлы юстировки зеркал с жесткими пружинящими элементами. Жесткость конструкции и малый коэффициент α позволяют снижать медленные дрейфы частоты и увеличивать время непрерывной работы приборов в заданных температурных условиях без переюстировок в пределах, определяемых свойствами используемых материалов и возможностями технологии изготовления.In portable stabilized lasers based on internal absorbing cells (He-Ne / CH 4 , He-Ne / I 2 [2-5], etc.), a Fabry-Perot linear resonator made in the form of a massive structure is used to increase passive stability from Invar pipes or rods (Invar - metal with a coefficient of thermal expansion α≈1 * 10 -6 ), on which mirror alignment units with rigid spring elements are installed (usually welded). Structural rigidity and a small coefficient α make it possible to reduce slow frequency drifts and increase the time of continuous operation of devices under given temperature conditions without rearrangements within the limits determined by the properties of the materials used and the capabilities of manufacturing technology.

Известен [5] стабилизированный одномодовый He-Ne/CH4 лазер, состоящий из линейного резонатора Фабри-Перо, выполненного в виде параллелепипеда из инваровых стержней, в котором последовательно размещены: газоразрядная стеклянная трубка с усиливающей (He-Ne) и кварцевая трубка с поглощающей (СН4) средой, а на концах параллелепипеда укреплены юстируемые пружинами зеркала.Known [5] is a stabilized single-mode He-Ne / CH 4 laser, consisting of a linear Fabry-Perot resonator made in the form of a parallelepiped made of Invar rods, in which: a gas discharge glass tube with an amplifying (He-Ne) and a quartz tube with an absorbing (CH 4 ) medium, and mirrors adjusted by springs are fixed at the ends of the parallelepiped.

Недостатком такой конструкции, набранной из отдельных элементов, является невозможность дальнейшего повышения стабильности взаимного расположения составляющих ее элементов. При коэффициенте α инвара ≈1*10-6 и градиенте температуры в 1 градус на характерном поперечном линейном размере 100 мм возникает угловая разъюстировка зеркал порядка 5*10-6. Аналогичная разъюстировка может возникать из-за наклона оптических окон, герметизирующих стеклянную трубку с усиливающей средой, поскольку коэффициент α для стекла, из которого сделана газоразрядная трубка с усиливающей (He-Ne) средой, в 20-30 раз больше, чем у инвара. Кроме того, газоразрядная трубка является источником тепловыделения, а вытянутая конструкция (соотношение длина/диаметр порядка (10-20):1) увеличивает возможность возникновения температурных градиентов, что приводит к изменению углового и пространственного расположения оптических окон. Такие изменения, совместно с разъюстировкой зеркал, приводят к дрейфу и периодическим флуктуациям средней мощности генерации, вызванным изменениями спектрально селективных потерь, связанных с паразитными обратными отражениями и дифракцией излучения на внутренних диафрагмах резонатора. Изменение режимов генерации лазера, в конечном счете, искажает форму резонансов, по которым производится стабилизация частоты лазера. Возникающие искажения формы характеризуются так называемым «коэффициентом асимметрии», который не стабилен во времени, что приводит к медленным дрейфам стабилизированной частоты портативных He-Ne/CH4 лазеров на уровне 10-11-10-12 [6].The disadvantage of this design, recruited from individual elements, is the inability to further increase the stability of the mutual arrangement of its constituent elements. When the invar coefficient α is ≈1 * 10 -6 and the temperature gradient is 1 degree on a characteristic transverse linear dimension of 100 mm, angular misalignment of mirrors of the order of 5 * 10 -6 occurs. A similar misalignment can occur due to the tilt of the optical windows that seal the glass tube with a reinforcing medium, since the coefficient α for the glass from which the gas-discharge tube is made with a reinforcing (He-Ne) medium is 20-30 times larger than that of the Invar. In addition, the gas discharge tube is a source of heat, and the elongated structure (length / diameter ratio of the order of (10-20): 1) increases the possibility of temperature gradients, which leads to a change in the angular and spatial arrangement of the optical windows. Such changes, together with the misalignment of the mirrors, lead to a drift and periodic fluctuations in the average lasing power caused by changes in the spectrally selective losses associated with spurious back reflections and radiation diffraction at the internal diaphragms of the resonator. Changing the laser generation regimes ultimately distorts the shape of the resonances by which the laser frequency is stabilized. The resulting shape distortions are characterized by the so-called "asymmetry coefficient", which is not stable over time, which leads to slow drifts of the stabilized frequency of portable He-Ne / CH 4 lasers at the level of 10 -11 -10 -12 [6].

Известен [7,8] двухмодовый стабилизированный («опорный») He-Ne/CH4 лазер с узким спектром излучения, выбранный за прототип, состоящий из линейного резонатора Фабри-Перо, имеющего ломанную "П”-образную конфигурацию, в двух плечах которой последовательно размещены: газоразрядная стеклянная трубка с усиливающей (He-Ne) средой и кварцевая трубка с поглощающей (CH4) средой. Возбуждающее разряд в трубке с усиливающей средой напряжение прикладывается к двум электродам, расположенным на противоположных концах газоразрядной трубки. На каждую половину усиливающей среды наложены поперечные магнитные поля, ориентированные ортогонально друг к другу вдоль "S" и "Р" поляризаций излучения. Промежуточные зеркала резонатора, на которые луч падает неортогонально, вносят разность фаз для излучения с "S" и "Р" поляризациями, что в совокупности с наложенными на усиливающую среду магнитными полями обеспечивает устойчивую генерацию двух мод с линейными, взаимно ортогональными ("S" и "Р") поляризациями и разностью частот, определяемой длиной резонатора и разностью фаз на зеркалах. Наложение ортогональных магнитных полей приводит также к тому, что каждая часть He-Ne среды усиливает преимущественно одну из ортогональных "S" или "Р" поляризаций, т.е. одну из мод. Устойчивая двухмодовая генерация позволяет, по сравнению с одномодовым лазером, увеличить чувствительность выделения резонансов в метане, по которым производится стабилизация частоты излучения, и повысить, тем самым, стабильность частоты излучения при небольших габаритах лазера.Known [7,8] is a two-mode stabilized (“reference”) He-Ne / CH 4 laser with a narrow emission spectrum, selected as a prototype consisting of a Fabry-Perot linear resonator having a broken “P” -shaped configuration, in which two arms sequentially arranged:. a gas discharge tube with glass reinforcement (He-Ne) and medium quartz tube with absorbent (CH 4) medium is excited in the discharge tube with an amplifying medium voltage is applied to two electrodes located at opposite ends of the discharge tube on each half of y. transverse magnetic fields superimposed orthogonally to each other along the "S" and "P" polarizations of the radiation. Intermediate cavity mirrors, onto which the beam is incident non-orthogonally, introduce a phase difference for radiation with "S" and "P" polarizations, which Together with magnetic fields superimposed on the amplifying medium, it provides stable generation of two modes with linear, mutually orthogonal ("S" and "P") polarizations and a frequency difference determined by the cavity length and phase difference on the mirrors. The application of orthogonal magnetic fields also leads to the fact that each part of the He-Ne medium enhances predominantly one of the orthogonal “S” or “P” polarizations, i.e. one of the mods. Stable two-mode generation makes it possible, in comparison with a single-mode laser, to increase the sensitivity of the resonance emission in methane, by which the radiation frequency is stabilized, and thereby increase the stability of the radiation frequency with small laser dimensions.

Резонатор Фабри-Перо лазера-прототипа выполнен в виде жесткой металлической конструкции, сваренной из инваровых труб, с четырьмя зеркалами, установленными на механических котировочных головках, причем в инваровые трубы помещены стеклянная газоразрядная трубка с усиливающая средой и ячейка с метаном, выполненная из кварца. Тонкая (в пределах длины волны) настройка длины резонатора обеспечивается пьезоэлектрическими элементами, через которые зеркала установлены на механических юстировочных устройствах. Излучение лазера-прототипа регистрируется фотодетектором и сигнал, пропорциональный интенсивности одной из мод и/или частоте межмодовых биений, подается на электронную систему автоподстройки частоты (АПЧ). Система АПЧ выделяет производные по частоте резонансов насыщенного поглощения или насыщенной дисперсии в метане: для этого вводится вспомогательная модуляция длины резонатора и выделяются гармоники (1ая, 2ая, …) частоты модуляции. Далее сигнал одной из гармоник резонанса (производных резонанса по частоте) подается на пьезоэлемент, управляющий длиной резонатора, и частота излучения стабилизируется в точке, где сигнал выбранной производной равен нулю, т.е. вблизи центра резонанса.The Fabry-Perot resonator of the laser prototype is made in the form of a rigid metal structure welded from invar tubes with four mirrors mounted on mechanical quotation heads, and a glass gas discharge tube with an amplifying medium and a cell with methane made of quartz are placed in the invar tubes. Fine (within the wavelength) adjustment of the cavity length is provided by piezoelectric elements through which the mirrors are mounted on mechanical alignment devices. The radiation from the prototype laser is detected by a photodetector and a signal proportional to the intensity of one of the modes and / or the frequency of intermode beats is fed to an electronic frequency-locked loop (AFC). The AFC system extracts derivatives with respect to the frequency of resonances of saturated absorption or saturated dispersion in methane: for this, auxiliary modulation of the cavity length is introduced and harmonics (1st, 2nd, ...) of the modulation frequency are extracted. Next, the signal of one of the resonance harmonics (frequency derivatives of the resonance) is applied to the piezoelectric element controlling the cavity length, and the radiation frequency stabilizes at the point where the signal of the selected derivative is zero, i.e. near the center of resonance.

Недостатки лазера-прототипа те же, что и у аналога, поскольку в нем также технологически невозможно существенно повысить поперечную и продольную жесткость конструкции (несмотря на использование сварных соединений, инвара), что приводит (под влиянием веса, вибраций, температуры, градиентов температуры) к медленным разьюстировкам резонатора и дрейфу параметров генерации - общей мощности, разности мощностей мод и.т.д. Как следствие, даже в лабораторных условиях стабильность частоты излучения начинает ухудшаться, начиная со времен усреднения 10-20 сек, что не позволяет получать в таком лазере высокой долговременной (вплоть до суток) стабильности частоты.The disadvantages of the laser prototype are the same as for the analogue, since it is also technologically impossible to significantly increase the transverse and longitudinal rigidity of the structure (despite the use of welded joints, Invar), which leads (under the influence of weight, vibration, temperature, temperature gradients) to slow alignment of the resonator and drift of the generation parameters — total power, mode power difference, etc. As a result, even in laboratory conditions, the stability of the radiation frequency begins to deteriorate, starting from the averaging time of 10-20 seconds, which does not allow to obtain high long-term (up to a day) frequency stability in such a laser.

Кроме того, в нем также проявляется упоминавшийся выше физический механизм дрейфов стабилизированной частоты, связанный с изменением формы реперного резонанса в процессе стабилизации частоты по центру резонанса в метане. Это изменение формы описывается появлением в сигнале используемой для стабилизации гармоники небольшой добавки гармоники другой четности. Относительная величина этой добавки, называемая коэффициентом асимметрии, может достигать (0,1-1,0)% от величины основной гармоники.In addition, it also manifests the physical mechanism of stabilized frequency drifts mentioned above, associated with a change in the shape of the reference resonance in the process of stabilizing the frequency at the center of the resonance in methane. This change in shape is described by the appearance in the signal used to stabilize the harmonic of a small harmonic additive of a different parity. The relative value of this additive, called the asymmetry coefficient, can reach (0.1-1.0)% of the fundamental value.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является радикальное снижение дрейфов стабилизированной частоты и повышение, тем самым, на один-два порядка долговременной стабильности частоты, в частности, за счет резкого улучшения пассивной стабильности резонатора и автоматической стабилизации коэффициента асимметрии резонанса.The problem solved by the invention is to drastically reduce the drifts of the stabilized frequency and thereby increase by one or two orders of long-term frequency stability, in particular, due to a sharp improvement in the passive stability of the resonator and automatic stabilization of the resonance asymmetry coefficient.

Это достигается тем, что:This is achieved by the fact that:

- резонатор выполнен в виде единого моноблока из материала со сверхнизким коэффициентом температурного расширения, например - ситалла (коэффициент α ситалла ≈1×10-8, вместо 1×10-6 у инвара);- the resonator is made in the form of a single monoblock made of a material with an ultralow coefficient of thermal expansion, for example, a sitall (coefficient α of the sitall is ≈1 × 10 -8 , instead of 1 × 10 -6 from the invar);

- соотношение размеров моноблока лежит в интервале (3:3:1)-(4:4:1), что способствует увеличению жесткости конструкции и более равномерному распределению температуры;- the size ratio of the monoblock lies in the range (3: 3: 1) - (4: 4: 1), which helps to increase the rigidity of the structure and a more uniform temperature distribution;

- зеркала установлены на оптическом контакте, без механических (пружинных) юстировочных узлов;- mirrors are mounted on the optical contact, without mechanical (spring) adjustment nodes;

- для юстировки оси резонатора одно из зеркал резонатора выполнено сферическим и установлено на призме, расположенной на одном из изломов оси резонатора или на одном из концов резонатора;- to align the axis of the resonator one of the mirrors of the resonator is made spherical and mounted on a prism located on one of the kinks of the axis of the resonator or on one of the ends of the resonator;

- усиливающая и поглощающая среды заполнены в каналы, выполненные непосредственно в теле моноблока;- amplifying and absorbing media are filled into channels made directly in the body of the monoblock;

- для каждой части усиливающей среды в моноблоке выполнены парные прорези для магнитов, создающих поперечные, взаимно ортогональные поля;- for each part of the amplifying medium in the monoblock, pair slots are made for magnets creating transverse, mutually orthogonal fields;

- система автоподстройки частоты выполнена с возможностью независимой регулировки токов между парами электродов усиливающей среды;- the automatic frequency control system is configured to independently adjust the currents between the pairs of electrodes of the amplifying medium;

- в канал с усиливающей средой введен дополнительный электрод, что позволяет независимо регулировать токи между парами электродов.- an additional electrode is introduced into the channel with the amplifying medium, which allows independent control of currents between pairs of electrodes.

Сигналом для системы автоматической стабилизации коэффициента асимметрии резонанса служит другая, отличная от используемой в основной системе АПЧ, гармоника вспомогательной модуляции реперного резонанса по частоте. При отличии величины этой другой гармоники от первоначального значения сигнал рассогласования подается на устройство, воздействующее на режим генерации лазера.The signal for the automatic stabilization of the resonance asymmetry coefficient is another harmonic of the auxiliary modulation of the reference resonance in frequency, which is different from that used in the main AFC system. If the value of this other harmonic differs from the initial value, the mismatch signal is supplied to the device acting on the laser generation mode.

Для реализации такого устройства, поддерживающего постоянным величину коэффициента асимметрии, в газоразрядный канал с усиливающей средой вводится дополнительный электрод, расположенный примерно посередине канала, а в источник питания - два независимых выхода для возбуждения разряда в каждой половине активной среды. Поскольку на каждую половину активной среды наложены взаимно ортогональные магнитные поля, то каждая половины газоразрядной трубки усиливает преимущественно одну из ортогонально поляризованных мод, и регулировка тока, например, в одной из частей изменяет разность усилений мод и зависящий от разности усилений мод коэффициент асимметрии.To implement such a device, which maintains a constant value of the asymmetry coefficient, an additional electrode located approximately in the middle of the channel is introduced into the gas-discharge channel with an amplifying medium, and two independent outputs for excitation of the discharge in each half of the active medium are introduced into the power source. Since mutually orthogonal magnetic fields are superimposed on each half of the active medium, each half of the gas discharge tube amplifies predominantly one of the orthogonally polarized modes, and current regulation, for example, in one part changes the mode gain difference and the asymmetry coefficient depending on the mode gain.

Кроме автоматической стабилизации коэффициента асимметрии наличие дополнительного электрода позволяет компенсировать начальную разность превышений мод "S" и "Р" поляризаций, снижая тем самым начальную асимметрию резонанса и масштаб сдвигов стабилизированной частоты.In addition to automatic stabilization of the asymmetry coefficient, the presence of an additional electrode makes it possible to compensate for the initial difference between the excesses of the S and P polarization modes, thereby reducing the initial resonance asymmetry and the scale of the stabilized frequency shifts.

Поскольку существует технологическое ограничение на максимальную длину каналов в теле моноблока, то компактность конструкции при сохранении требуемой (~1 м) оптической длины резонатора обеспечивается "ломаной" геометрией оптического пути за счет введения дополнительных высокоотражающих зеркал, также устанавливаемых на оптическом контакте. Число изломов выбирается больше или равно (N-2), где N - общее число зеркал резонатора, исходя из требуемой предельной стабильности частоты излучения (σ), определяемой соотношением:Since there is a technological limitation on the maximum channel length in the body of a monoblock, the compact design while maintaining the required (~ 1 m) optical length of the resonator is ensured by the “broken” geometry of the optical path due to the introduction of additional highly reflective mirrors also mounted on the optical contact. The number of kinks is chosen to be greater than or equal to (N-2), where N is the total number of resonator mirrors, based on the required limit stability of the radiation frequency (σ), defined by the relation:

σ=Г*{Ш/С}≈Г·T/(L2·S·nФ)σ = Г * {Ш / С} ≈Г · T / (L 2 · S · n Ф )

где Г - ширина реперного резонанса в метане, С - величина сигнала спектрального резонанса насыщенной дисперсии в межмодовой частоте, Ш - величина шума межмодовой частоты, определяемого спонтанным излучением, т.е. естественными флуктуациями частот мод, L -длина резонатора, S - площадь поперечного сечения моды резонатора, nф - объемная плотность фотонов в резонаторе.where Γ is the width of the reference resonance in methane, C is the value of the spectral resonance signal of the saturated dispersion at the intermode frequency, and - is the magnitude of the noise of the intermode frequency determined by spontaneous emission, i.e. natural fluctuations of the mode frequencies, L is the cavity length, S is the cross-sectional area of the resonator mode, n f is the bulk density of photons in the cavity.

В вышеприведенной формуле использовано соотношение Шавлова-Таунса для естественных шумов излучения [9], в которое входит ширина полосы резонатора (~1/L) и общее число фотонов (при фиксированной плотности насыщающего поля оно ~L). В результате при фиксированных потерях на зеркалах предельная стабильность квадратично зависит от длины резонатора. В предлагаемом изобретении увеличение длины L связано с изломами траектории луча и число таких изломов (N-2), где N - общее число зеркал, выбирается с учетом потерь, вносимых каждым дополнительным зеркалом, и технологических проблем при изготовлении моноблока.In the above formula, the Shavlov – Townes relation was used for natural radiation noise [9], which includes the cavity bandwidth (~ 1 / L) and the total number of photons (for a fixed density of the saturating field it is ~ L). As a result, at fixed losses on the mirrors, the ultimate stability quadratically depends on the cavity length. In the present invention, an increase in the length L is associated with kinks in the beam path and the number of such kinks (N-2), where N is the total number of mirrors, is selected taking into account the losses introduced by each additional mirror and technological problems in the manufacture of a monoblock.

На чертеже приведена блок-схема предлагаемого стабилизированного двухмодового лазера, содержащего:The drawing shows a block diagram of the proposed stabilized two-mode laser, containing:

1 - моноблочную ситалловую основу резонатора; 2 - плоские зеркала; 3 - сферическое зеркало; 4 - герметизирующие окна; 5 - ситалловую призму для установки сферического зеркала (3); 6 - аноды; 7 - катод; 8 - систему регистрации; 9 - электронную систему автоподстройки частоты по резонансу в метане; 10а - каналы с усиливающей средой, 10б - каналы с поглощающей средой, 12 - пьезоэлемент, управляющий длиной резонатора; 14 - блок независимого питания разряда в двух каналах с усиливающей средой.1 - monoblock ceramic base of the resonator; 2 - flat mirrors; 3 - spherical mirror; 4 - sealing windows; 5 - a glass prism for mounting a spherical mirror (3); 6 - anodes; 7 - cathode; 8 - registration system; 9 - electronic resonance frequency tuning system in methane; 10a - channels with an amplifying medium, 10b - channels with an absorbing medium, 12 - a piezoelectric element controlling the length of the resonator; 14 - block independent power supply of the discharge in two channels with an amplifying medium.

На чертеже показаны также: 11 - путь луча в резонаторе и к системе регистрации (8); 13 - путь сигнала автоподстройки к пьезоэлементу (12) лазера; 15 - путь сигнала автоподстройки к блоку питания газоразрядных каналов (14).The drawing also shows: 11 - the path of the beam in the cavity and to the registration system (8); 13 - the path of the auto-tuning signal to the piezoelectric element (12) of the laser; 15 - the path of the auto-tuning signal to the power supply unit of gas-discharge channels (14).

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Плоские зеркала (2) устанавливаются на оптическом контакте на полированные грани моноблочной основы (1), угловая неточность изготовления которых не превышает 2-5 угловых секунд, и устанавливаются разделительные вакуумно-герметичные окна для каждой из сред. После заполнения каналов усиливающей и поглощающей средами производится окончательная юстировка лазера сферическим зеркалом (3), устанавливаемым на оптическом контакте на дополнительной призме (5), которая, в свою очередь, установлена на оптическом контакте на моноблоке (1). Сферическое зеркало (3) может быть установлено и на одном из концов резонатора, но в таком случае перед ним вводится дополнительное вакуумно-герметичное окно (4), для возможности окончательной юстировки резонатора на «атмосфере».Flat mirrors (2) are mounted on optical contact on the polished faces of the monoblock base (1), the angular inaccuracy of which does not exceed 2-5 arc seconds, and separation vacuum-tight windows for each medium are installed. After filling the channels with amplifying and absorbing media, the laser is finally aligned with a spherical mirror (3) mounted on the optical contact on an additional prism (5), which, in turn, is mounted on the optical contact on the monoblock (1). A spherical mirror (3) can also be mounted on one of the ends of the resonator, but in this case an additional vacuum-tight window (4) is introduced in front of it, so that the resonator can finally be adjusted to the “atmosphere”.

Для возбуждения двух частей газового разряда между парами электродов (7,6) используются два независимых выхода высоковольтного источника питания (14) и устанавливаются токи, обеспечивающие не только необходимую для насыщения поглощения метана интенсивность излучения двух мод с ортогональными линейными поляризациями, но и разбаланс усилений мод, необходимый для компенсации неизбежной небольшой разности потерь мод. Для получения устойчивого двухмодового режима генерации в прорези вдоль разрядных каналов устанавливаются магниты с взаимно ортогональным направлением поля. Излучение лазера, выходящее через одно из зеркал, направляется на систему регистрации (8), электрический сигнал после которой содержит, в частности, сигнал биений на межмодовой частоте. Сигнал биений поступает на систему автоподстройки частоты (9), формирующую на выходе сигналы гармоник (производных по частоте) резонанса насыщенной дисперсии спектральной линии метана (или насыщенного поглощения при регистрации интенсивности одной из мод). Далее, сигнал одной из гармоник резонансов поступает на пьезоэлемент (12), что замыкает основную петлю обратной связи и стабилизирует частоту лазера по центру резонанса насыщенной дисперсии (насыщенного поглощения). Сигнал для стабилизации асимметрии формы реперного резонанса, пропорциональный другой, отличной от используемой при первой стабилизации, производной реперного резонанса по частоте, берется со второго выхода системы автоподстройки частоты (9) и поступает на блок (14) независимого питания разрядов в двух каналах с усиливающей средой таким образом, чтобы его воздействие на один из токов или разность токов в каналах стабилизировало коэффициент асимметрии формы реперного резонанса.To excite two parts of the gas discharge between the pairs of electrodes (7.6), two independent outputs of a high-voltage power source (14) are used and currents are set that provide not only the radiation intensity of two modes necessary for saturation of methane absorption with orthogonal linear polarizations, but also an imbalance of mode amplifications necessary to compensate for the inevitable small difference in mode loss. To obtain a stable two-mode generation mode, magnets with mutually orthogonal field direction are installed in the slot along the discharge channels. Laser radiation emerging through one of the mirrors is directed to a registration system (8), after which the electrical signal contains, in particular, a beat signal at the intermode frequency. The beat signal is fed to a frequency-locked loop (9), which generates at the output harmonic signals (frequency derivatives) of the resonance of the saturated dispersion of the methane spectral line (or saturated absorption when the intensity of one of the modes is recorded). Further, the signal of one of the harmonics of the resonances enters the piezoelectric element (12), which closes the main feedback loop and stabilizes the laser frequency at the center of the resonance of the saturated dispersion (saturated absorption). The signal for stabilizing the asymmetry of the shape of the reference resonance, proportional to a different derivative of the reference resonance in frequency, which is different from the first stabilization, is taken from the second output of the automatic frequency control system (9) and fed to the independent power supply unit for discharges in two channels with an amplifying medium so that its effect on one of the currents or the current difference in the channels stabilizes the asymmetry coefficient of the shape of the reference resonance.

Для проверки работы предлагаемого устройства был реализован моноблочный Не-Ne/CH4 лазер с числом зеркал N=6, обеспечившим при компактных габаритах моноблока оптическую длину резонатора L≈1 м и низкий (≈0,3 Гц/Гц1/2) уровень естественных шумов межмодовой частоты, что важно также для получения и высокой кратковременной стабильности частоты. Помимо принципиально новой конструкции, резко повысившей по сравнению с лазером-прототипом пассивную стабильность резонатора, применялась активная стабилизация коэффициента асимметрии реперного резонанса: для второй петли обратной связи использовался сигнал 4-ой гармоники резонанса насыщенной дисперсии, регулировавший разность токов в газоразрядных каналах. Сравнение со стационарным («эталонным») стабилизированным He-Ne/CH4 лазером с внутрирезонаторным телескопом, имеющим высокую долговременную стабильность за счет стабилизации по существенно более узкому реперному резонансу (центральная компонента разрешенной магнитной сверхтонкой структуры линии метана шириной ~3 кГц), показало, что долговременная стабильность моноблочного лазера возросла по сравнению с прототипом в 50-100 раз: характерное для прототипа увеличение параметра Алана в зависимости от времени усреднения вместо 10 сек происходило на 1000 сек. Измерения на более длительных временах усреднения были не доступны из-за медленных дрейфов самого «эталонного» лазера, возникающих из-за недостаточной пассивной стабильности его резонатора.To test the operation of the proposed device, a monoblock He-Ne / CH 4 laser was implemented with the number of mirrors N = 6, which ensured the optical cavity length L≈1 m and a low (≈0.3 Hz / Hz 1/2 ) level of natural intermode frequency noise, which is also important for obtaining high short-term frequency stability. In addition to the fundamentally new design, which dramatically increased the passive stability of the resonator compared to the prototype laser, active stabilization of the asymmetry coefficient of the reference resonance was used: for the second feedback loop, the 4th harmonic of the saturated dispersion resonance was used, which regulated the current difference in the discharge channels. Comparison with a stationary (“reference”) stabilized He-Ne / CH 4 laser with an intracavity telescope having high long-term stability due to stabilization by a much narrower reference resonance (the central component of the allowed magnetic hyperfine structure of the methane line ~ 3 kHz wide) showed that the long-term stability of a monoblock laser increased by 50-100 times compared with the prototype: an increase in the Alan parameter, characteristic of the prototype, depending on the averaging time instead of 10 sec about for 1000 sec. Measurements at longer averaging times were not available due to the slow drifts of the “reference” laser itself, arising from the insufficient passive stability of its cavity.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. «Справочник по лазерам» под ред. А.М.Прохорова, изд-во «Советское радио», 1978 г., том 1, стр.225.1. "Handbook of Lasers", ed. A.M. Prokhorov, publishing house "Soviet Radio", 1978, volume 1, p. 225.

2. B.C.Летохов, В.П.Чеботаев, Нелинейная лазерная спектроскопия сверхзвысокого разрешения. Наука, 1990, стр.411.2. B.C. Letokhov, V.P. Chebotaev, Non-linear super-high resolution laser spectroscopy. Science, 1990, p. 411.

3. M.Gubin, E.Kovalchuk, et al, "Absolute frequency measurements with a set of transportable He-Ne/CH4 OFS and prospects for future design and applications", in Proceedings of the 6th International Symposium on Frequency Standards and Metrology, 9-14 September 2001, St.Andrews, Scotland, World Scientific Publishing Ltd, editor P.Gill., pp.453-460.3. M. Gubin, E. Kovalchuk, et al, "Absolute frequency measurements with a set of transportable He-Ne / CH 4 OFS and prospects for future design and applications", in Proceedings of the 6 th International Symposium on Frequency Standards and Metrology, 9-14 September 2001, St. Andrews, Scotland, World Scientific Publishing Ltd, editor P. Gill., Pp. 453-460.

4. W.G.Schweitzer, Jr., E.G.Kessler, R.D.Deslattes, et al, "Description, performance and Wavelength of Iodine stabilized lasers", Applied Optics, Vol.12, #12, pp.2927-2938. December 1973.4. W. G. Schweitzer, Jr., E. G. Kessler, R. D. Deslattes, et al, "Description, performance and Wavelength of Iodine stabilized lasers", Applied Optics, Vol. 12, # 12, pp. 2927-2938. December 1973.

5. Y.Akimoto, "A transportable methane stabilized He-Ne laser", IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, vol IM-36, #2, рр.633-635, June 1987.5. Y. Akimoto, "A transportable methane stabilized He-Ne laser", IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, vol IM-36, # 2, pp. 633-635, June 1987.

6. Крылова Д.Д., Шелковников А.С., Петрухин Е.А., Губин М.А., Квантовая электроника, 34, 554 (2004).6. Krylova D.D., Shelkovnikov A.S., Petrukhin E.A., Gubin M.A., Quantum Electronics, 34, 554 (2004).

7. Губин М.А., Проценко Е.Д., Квантовая электроника, 24, 1080 (1997).7. Gubin MA, Protsenko ED, Quantum Electronics, 24, 1080 (1997).

8. M. Gubin, D.Tyurikov, A-Shelkovnikov, E.Kovalchuk, G.Kramer and B.Lipphardt, "Transportable He-Ne/CH4 Optical frequency Standard and Absolute Measurements…", IEEE, J. of Quantum Electronics, v.31, No.12, p.2177 (1995).8. M. Gubin, D. Tyurikov, A-Shelkovnikov, E. Kovalchuk, G. Kramer and B. Lipphardt, "Transportable He-Ne / CH 4 Optical frequency Standard and Absolute Measurements ...", IEEE, J. of Quantum Electronics , v.31, No.12, p.2177 (1995).

9. А.Мэйтланд, М.Дан, «Введение в физику лазеров», Москва «Наука», ФМЛ, 1978 г., стр.113.9. A. Meytland, M. Dan, “Introduction to Laser Physics”, Moscow “Nauka”, FML, 1978, p. 113.

Claims (5)

1. Стабилизированный двухмодовый He-Ne/CH4 лазер, содержащий линейный резонатор Фабри-Перо ломаной конструкции, в котором вдоль оптической оси расположены поглощающая метановая ячейка и усиливающая He-Ne газоразрядная трубка с двумя электродами на концах, вдоль которой последовательно размещены две пары постоянных магнитов с направлениями полей, ортогональными друг другу и оптической оси, а также систему автоподстройки частоты, отличающийся тем, что резонатор выполнен в виде единого моноблока из материала с коэффициентом теплового расширения не больше 1×10-8 град-1, усиливающая и поглощающая среды помещены в каналы, расположенные вдоль оптической оси резонатора и выполненные ломаными, зеркала резонатора установлены на оптическом контакте на краях изломов, причем общее число изломов больше или равно (N-2), где N - число зеркал резонатора.1. A stabilized two-mode He-Ne / CH 4 laser containing a Fabry-Perot linear resonator with a broken structure, in which an absorbing methane cell and a He-Ne gas discharge tube with two electrodes at the ends are arranged along the optical axis, along which two pairs of constant magnets with field directions orthogonal to each other and the optical axis, as well as a self-tuning system, characterized in that the resonator is made as a single monoblock made of a material with a thermal expansion coefficient Ia is not greater than 1 × 10 -8 -1 degrees, and amplifying the absorbent medium placed in the channels disposed along the optical axis of the resonator and formed by broken lines, are installed on the resonator mirror optical contact at the edges of breaks, the total number of breaks is greater than or equal to (N-2 ), where N is the number of resonator mirrors. 2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что материалом моноблока служит ситалл.2. The laser according to claim 1, characterized in that the material is a monoblock ceramic. 3. Лазер по п.1, отличающийся тем, что в канал с усиливающей средой введен дополнительный электрод для независимой регулировки токов между парами электродов.3. The laser according to claim 1, characterized in that an additional electrode is introduced into the channel with an amplifying medium for independent adjustment of currents between the pairs of electrodes. 4. Лазер по п.1, отличающийся тем, что для юстировки оси резонатора одно из зеркал резонатора выполнено сферическим и установлено на призме, расположенной на одном из изломов оси резонатора.4. The laser according to claim 1, characterized in that for aligning the axis of the resonator one of the mirrors of the resonator is made spherical and mounted on a prism located on one of the kinks of the axis of the resonator. 5. Лазер по п.1, отличающийся тем, что для юстировки оси резонатора одно из зеркал резонатора выполнено сферическим и установлено на призме, расположенной на одном из концов резонатора. 5. The laser according to claim 1, characterized in that for aligning the axis of the resonator one of the mirrors of the resonator is made spherical and mounted on a prism located at one of the ends of the resonator.
RU2007133309/28A 2007-09-05 2007-09-05 STABILISED DOUBLE-MODE He-Ne/CH4 LASER RU2343611C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007133309/28A RU2343611C1 (en) 2007-09-05 2007-09-05 STABILISED DOUBLE-MODE He-Ne/CH4 LASER

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007133309/28A RU2343611C1 (en) 2007-09-05 2007-09-05 STABILISED DOUBLE-MODE He-Ne/CH4 LASER

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2343611C1 true RU2343611C1 (en) 2009-01-10

Family

ID=40374367

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007133309/28A RU2343611C1 (en) 2007-09-05 2007-09-05 STABILISED DOUBLE-MODE He-Ne/CH4 LASER

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2343611C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU183838U1 (en) * 2017-11-01 2018-10-05 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт газоразрядных приборов "Плазма" (АО "ПЛАЗМА") SMALL RADIATOR OF HELIUM-NEON LASER

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU183838U1 (en) * 2017-11-01 2018-10-05 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт газоразрядных приборов "Плазма" (АО "ПЛАЗМА") SMALL RADIATOR OF HELIUM-NEON LASER

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3170122A (en) Frequency stabilized optical maser
Schmidt-Kaler et al. High-resolution spectroscopy of the 1S-2S transition of atomic hydrogen and deuterium
Shimada et al. A simplified 461-nm laser system using blue laser diodes and a hollow cathode lamp for laser cooling of Sr
US3718868A (en) I{11 {11 {11 {11 INVERTED LAMB DIP STABILIZED He-Ne LASER
Marshall et al. Design of a tunable L-band multi-wavelength laser system for application to gas spectroscopy
Hamilton An introduction to stabilized lasers
Smith A study of factors affecting the performance of continuously pumped doubly resonant optical parametric oscillator
Birnbaum Frequency stabilization of gas lasers
US3831108A (en) Method of frequency and intensity stabilization of the radiation emitted by a high-power gas laser and a gas laser for the application of said method
Shi et al. Frequency Stabilization of a Cesium Faraday Laser with a double-layer vapor cell as frequency reference
RU2343611C1 (en) STABILISED DOUBLE-MODE He-Ne/CH4 LASER
Sonnenschein et al. A direct diode pumped Ti: sapphire laser with single-frequency operation for high resolution spectroscopy
Li et al. Narrow-line and frequency tunable diode laser system for S–D transition of Ca+ ions
Jackson et al. Doppler-free optogalvanic spectroscopy using an infrared color center laser
US5091913A (en) Quartz crystal tuning he-ne double frequency laser
US3496488A (en) Frequency-stabilized optical maser
Celikov et al. Diode laser spectroscopy in a Ca atomic beam
US3484719A (en) Stabilized single mode laser
Uetake et al. Saturation spectroscopy of potassium for frequency stabilization of violet diode lasers
US7787505B1 (en) Multi-longitudinal mode laser providing polarization control
de Angelis et al. Tunable frequency-controlled laser source in the near ultraviolet based on doubling of a semiconductor diode laser
Gawlik et al. Stabilization of diode-laser frequency to atomic transitions
von Zanthier et al. A single indium ion optical frequency standard
Bhatia et al. A single-mode semiconductor diode laser operating in the strong optical feedback regime and tunable within the D1 line of the Cs atom
JP4547513B2 (en) Laser frequency stabilizer using multiple saturation spectroscopy

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20150906