SU1165210A1 - Стабилизированный лазер - Google Patents

Description

Изобретение относится к области квантовой электроники и измерительной техники и может быть использовано в квантовых стандартах частоты и длины.

Известен, лазер, стабилизированный по насыщенному поглощению в парах иода.

Сверхнизкое давление насыщенных паров иода в ячейке поглощения обусловливает малую зависимость длины волны выходного излучения от давления поглощающего газа. Однако воспроизводимость генерируемой длины волны от лазера к лазеру оказывается низкой из-за сильной нелинейности этой зависимости при низких давлениях

Наиболее близким к изобретению является стабилизированный лазер, содержащий оптический резонатор, обраΛ

зованный зеркалами, одно из которых установлено на пьезокорректоре, и расположенные в резонаторе активный элемент, поглощающую ячейку с отростком, перпендикулярным оси резонатора, заполненную парами иода, термобатАрею с двумя спаями и термодатчик, соединенный с входом системы термостабилизации, выход которой подключен к термобатарее, а также систему автоподстройки частоты (АПЧ), подключенную к пьезокорректору.

05

сд

ю

о

1 165210

Наличие поглощающей ячейки с насыщенными парами иода при низком давлении приводит к появлению в интенсивности излучения узких (по частоте) резонансов, С помощью системы авто- 5 подстройки производится привязка час^тоты излучения Не-Ые/1^ лазера к вершине одного из этих резонансов.

Стабильность и воспроизводимость длины вода излучения этого устройства в большей степени определяется стабильностью и воспроизводимостью центральной частоты репера (вершины какой-либо компоненты сверхтонкой структуры линий поглощения паров иода). ₁ В реальных условиях имеются сдвиги центральной частоты репера в за ~ висимости от изменения давления насыщенных паров иода в- поглощающей 20 ячейке. Наряду с этим, воспроизводимость частоты от прибора к прибору определяется -воспроизводимостью абсолютного значения давления насыщенных паров иода в йодной ячейке. ^5 Давление насыщенных паров иода в поглощающей ячейке стабилизируется за счет поддержания отростка при постоянной-температуре л/15°С» Эта температура ниже, чем температура оптичес-|30 кой части ячейки. При заданной температуре не происходит соединения·кристаллов иода изнутри ячейки.на брюстеровских окнах и возрастания потерь внутри резонатора,.а также повышает- 35 ся контрастность йодных резонаторов. Необходимая температура в отростке поглощающей ячейки получается за счет охлаждения стакана, в который помещен отросток с теплопроводящей 40 жидкостью, с помощью термобатареи. Стабилизация температуры отростка осуществляется путем регулирования тока через термобатарею с помощью системы термостабилизаиии. Сигнал об- 45 ратной связи система термостабилизации получает от термодатчика, находящегося в. .теплопроводящей жидкости. Давление насыщенных паров йода в поглощающей ячейке определяется 50 температурой самой холодной точки.

Ею является конец отростка. Сдвиг частоты линеен в диапазоне температур 8-20°С и составляет λΊ5 кГц/°С.

Поэтому для достижения воспроизводи- -55 мости длины волны на уровне абсолютное ^значение температуры наиболее холодной точки необходимо поддерживать с точностью ±0,01 °с.

ί В известном устройстве поглощаю'щая ячейка выполнена целиком из. стекла. Конечная теплопроводность стекла, наличие промежуточного .теплоносителя, обуславливают появление градиента в распределении температуры вдоль отростка ячейки в условиях, когда поглощающая ячейка находится в температурном поле системы активный элемент - термобатарея и особенно в случае применения подогрева стенок ячейки до 150-300°С, используемого для повышения контрастности резонансов .

При этом, несмотря,на то, что температура в точке расположения датчика- поддерживается с точностью £0,01^УС с помощью системы термостабич лизации и. термобатареи, различное пространственное расположение термодатчика, термобатареи и наиболее холодной точки ячейки приводит к. изменению температуры этой точки ячейки из-за нестабильности градиента рас-*пределения температуры вдоль отростка при изменении температуры внутри излучателя во времени.

'В результате происходит сдвиг частоты излучения лазера относительно заданной и ухудшаются стабильность и воспроизводимость длины волны (частоты) .

При размещении термодатчика непосредственно на оконечности отростка на некотором расстоянии от термобатареи происходит увеличение времени задержки между сигналом термодатчика к откликом термобатареи. Это снижает быстродействие системы терморегулирования, следовательно, (точность поддержания температуры.

Таким образом, недостатком известного устройства является низкая воспроизводимость длины волны излучения по сравнению с предельно достижимой.

Цель изобретения - повышение стабильности и воспроизводимости длины волны излучения.

. Поставленная цель достигается тем, что. в стабилизированном лазере, содержащем оптический резонатор, образованный зеркалами, одно из которых установлено на пьезокорректоре, и / расположенные в резонаторе активный элемент,, поглощающую ячейку с отростком, перпендикулярным Оси резонатора, заполненную парами иода, термобатарею с двумя спаями, термодатчик, соединен5 116521

ный с входом системы термостабилизации, выход которой подключен к термобатарее, а также систему автоподстройки частоты, :·подключенную к к

пьезокорректору, конец отростка по- , глощакнцей ячейки выполнен в виде ме-_ таллического стакана, дно которого установлено на холодном спае термобатареи, а термодатчик расположен щ в металлическом стакане. ,

При этом металлический стакан может быть выполнен с диаметром 1015 мм, длиной 10-50 мм, толщиной стенок 0,2-1 мм. 15

На чертеже представлена блок-схема устройства.

Устройство содержит излучатель 1 и систему АПЧ 2, оптически и электрй- 20 чески связанную с излучателем. Излучатель 1 включает в себя оптический резонатор, образованный зеркалами 3 и и 4. Зеркало 4 установлено на пьезокорректор 5, электрически связанный с 25 системой АПЧ 2. Внутри оптического резонатора установлены активный элемент 6 и поглощающая ячейка 7.

Металлический стакан 8 представляет конец отростка-9 ячейки 7 и ₃θ

/πτΰΤΗο прижат к холодному спаю.термобатареи 10, электрически соединённой с системой термостабилизации 11. Система термостабилизации 11 подключена к термодат.чику 12, размещенному в углублении металлического стака- 35 на . 8 отростка 9. Углубле-

ние под термодатчик 12 сделано в верхней части металлического стакана отростка 9. В наиболее холодной точке металлического стакана 8 отростка 9 ячейки 7 находился кристаллический иод.

Устройство работает следующим образом. 45

Зеркала 4 и 3 с активным элементом 6 обеспечивают генерацию индуцированного излучения с заданной длиной волны.

Наличие поглощающей ячейки 7с 50 парами йода при низком давлении приводит к появлению в интенсивности излучения узких (по частоте) резонансов.

С помощью системы АПЧ 2 производите ся привязка частоты излучения Не-Ые/Л^зз лазера к вершине каких-либо из этих резонансов.

Необходимая стабильность и воспроизводимость давления паров йода в

поглощающей ячейке 7 поддерживается за счет стабилизации температуры металлического стакана 8 отростка 9, в самой холодной точке 13 которой находится кристаллический йод,

Температура металлического стакана 8 отростка 9 ячейки поглощения 7 стабилизируется с помощью системы термостабилизации 11 термобатареей 10 за счет изменения протекающего через нее тока. Сигнал обратной связи, пропорциональный температуре, вырабатывается термодатчиком 12, который размещен в. металлическом стакане 8 отростка 9 ячейки 7 вблизи от точки 13 концентрации кристаллического йода.

Термодатчик 12 имеет хороший тепловой контакт с металлом. Благодаря шлифованной поверхности металлического стакана обеспечивается пдотный контакт и эффективная теплопередача от термобатареи внутрь поглощающей ячейки. Другой конец металлического стакана 8 припаян к стеклянной части отростка 9.

Температуры термобатареи, термодатчика и самой холодной точки 13 отростка 9 совпадают с большей степенью точности и изменения температуры внутри резонатора лазера уже не влияют на это совпадение.

Благодаря калиброванной длине отростка 9 поглощающей ячейки 7 это совпадение сохраняется от лазера к лазеру и при замене ячейки 7 внутри одного лазера.

Стабильность температуры металлического стакана не зависит от изме^ нения температурных условий в резонаторе и определяется только эффективностью системы термостабилизации II. Последняя может обеспечить стабильность температуры холодной поверхности термобатареи 10 с погрешностью 1СГ²·- 10^_3 градуса при высоком быстродействии.

Металлический стакан может быть выполнен из различных материалов, например, из меди, и может 1шеть диаметр 10-15 мм, который соответствует диаметру ячейки и стеклянной части отростка. Диаметр ячейки выби» рается в пределах 10-15 мм из условий оптимального поглощения в иоде и требований к юстировке системы.

В зависимости от теплопроводности материала стакана его длина мо7

1165210

8

жет быть 10-50 мм из условия плотного контакта с холодным спаем термобатареи, а толщина от 0,2 до 1 мм, что определяется необходимостью спая со $ стеклом и требованием к жесткости конструкции.

Проведенные исследования показали, что в данном устройстве по сравнению с с прототипом точность стабилизации и воспроизведения температуры на порядок лучше.

Таким образом, данное устройство позволяет, по сравнению с известными лазерами, имеющими воспроизводимость длины волны излучения порядка 2· 10 _? обеспечить более высокую стабильность и воспроизводимость давления паров йода в поглощающей ячейке, улучшить взаимозаменяемость ячеек и получить воспроизводимость длины волны излучения лазера порядка 1*10 .

Claims (2)

1. СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ЛАЗЕР, содержащий оптический резонатор, образованный зеркалами, одно из которых установлено на пьезокорректоре, и расположенные в резонаторе активный элемент, поглощающую ячейку с отростком, перпендикулярным оси реэонатора, заполненную парами иода, термобатарею с двумя спаями и термодатчик, соединенный с входом системы термостабилизации, выход которой подключен к термобатарее, а также систему автоподстройки частоты, подключенную к пьезокорректору, о т л и чающийся тем, что, с целью повышения стабильности и воспроизводимости длины волны излучения, конец отростка поглощающей ячейки выполнен в виде металлического стакана, дно которого установлено на холодном спае термобатареи, а термодат чик расположен в металлическом стакане. в

2. Стабилизированный лазер по п.1, отличающийся тем, что металлический стакан выполнен с диаметром 10-15 мм, длиной 10-50 мм, толщиной стенок 0,2-1 мм.