Методы и средства стабилизации характеристик гелий-неоновых лазеров для прецизионных измерительных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат наук Воробьев, Павел Геннадьевич

• Воробьев, Павел Геннадьевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Воробьев, Павел Геннадьевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Определение метра и его реализация

1.2 Частотно-стабилизированные лазеры

1.3 Лазерные интерферометры перемещений

1.4 Голографическая интерферометрия

1.5 Тенденции перехода от аналоговых к цифровым системам управления

1.6 Постановка задачи

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ИЗЛУЧЕНИЯ ГЕЛИЙ-НЕОНОВОГО ЛАЗЕРА

2.1 Теоретическое исследование свойств излучения частотно-стабилизированных лазеров

2.2 Активный элемент двухчастотного лазера

2.3 Расчет расщепления частоты в магнитном поле с продольной и поперечной составляющими

2.4 Исследование магнитной системы излучателя лазера

2.5 Диспергирующая призма как селектор длин волн в Не-№ лазере

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ СТАБИЛИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ НЕ-ЫЕ ЛАЗЕРОВ

3.1 Моделирование работы аналоговой системы автоподстройки частоты

3.2 Исследование тепловых режимов лазеров, стабилизированных методом термокомпенсации длины оптического резонатора

3.2.1 Экспериментальное исследование тепловых режимов лазера ЛГН-303

3.2.2 Экспериментальные исследования тепловых режимов двухчастотных зеемановских лазеров

3.3 Разработка схемотехнических решений и алгоритма работы цифровой системы авторегулирования

3.4 Разработка методики определения параметров цифрового ПИД-регулятора на основе анализа экспериментальных измерений

3.5 Конструкция разработанного двухчастотного зеемановского He-Ne лазера.. 110 ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫХ ЛАЗЕРОВ

4.1 Характеристика стабильности оптической частоты

4.2 Экспериментальные методы определения стабильности частоты лазерного излучения

4.3 Расчет погрешности измерения длины волны поверяемого лазера

4.4 Обработка результатов полученных измерений

4.5 Измерение нестабильности мощности гелий-неонового лазера с внешними

зеркалами

Заключение

Библиографический список

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и средства стабилизации характеристик гелий-неоновых лазеров для прецизионных измерительных систем»

ВВЕДЕНИЕ

Измерения для современной научной и практической деятельности играют первостепенную роль. Только в России ежедневно осуществляется более миллиона измерений, проводимых с помощью специальных измерительных приборов, устройств и систем. Поэтому разработка и создание новых средств измерений является одним из основных направлений научно-технического прогресса, тесно связанным с развитием науки и технологии.

Среди факторов, оказывающих значительное влияние на развитие приборостроения и измерительной техники, следует отметить принципиально новые подходы по использованию средств вычислительной техники, в частности, введение ее в измерительную цепь, выполнение ею функций управления экспериментом и принятие решений. Это сделало возможным переход к созданию нового поколения средств измерений, а именно, интеллектуальных средств измерений (интеллектуальных датчиков-сенсоров и компьютерных измерительных систем, использующих базы знаний и нейронные сети), которые представляют собой многофункциональные измерительные системы, отличающиеся от обычных средств измерений тем, что могут выбирать оптимальный алгоритм измерения в зависимости от условий задачи. Еще одним фактором, влияющим на развитие средств измерений, является удовлетворение возрастающих требований науки и промышленности к качеству измерений, прежде всего к их точности и достоверности, что обуславливает постоянный поиск новых принципов при создании средств измерений. Таким образом, такие факторы, как: выход на естественные пределы точности измерений, компьютеризация средств измерений и появление интеллектуальных измерительных систем, а также возрастание требований к качеству измерений, приводят к тому, что проблема точности средств измерений при функционировании и проектировании становится ключевой проблемой приборостроения [1].

Цель диссертационной работ: создание методов и средств стабилизации характеристик серийно-выпускаемых Не-Ые лазеров, используемых в прецизионных лазерных измерительных системах.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

- исследовать совместное влияние поперечного и продольного магнитных полей на разностную частоту при перестройке оптического резонатора в активных элементах с внутренними зеркалами;

- провести анализ существующих конструкций Не-№ лазеров с целью разработки и применения новых средств и методов стабилизации параметров лазерного излучения;

- найти конструктивно-технологические методоы подавления конкуренции длин волн 0,63 мкм и 3,39 мкм в Не-№ лазерах повышенной мощности более 70 мВт;

- исследовать и разработать оптические схемы и конструкции излучателей на их основе;

- определить влияние тепловых режимов излучателя лазера на его работу в процессе стабилизации оптической частоты излучения;

- разработать цифровую систему стабилизации оптической частоты по опорному значению разностной частоты, не имеющему частотных флуктуаций реперной точки.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Установлено соотношение, позволяющее описать зависимость разностной частоты от перестройки оптического резонатора при совместном воздействии на активную среду лазера с внутренними зеркалами продольного и поперечного магнитных полей.

2. Предложен и впервые реализован способ стабилизации оптической частоты в промышленных лазерах, основанный на принципе стабилизации разностной частоты по ее опорному значению, не имеющему частотных флуктуаций.

3. Установлена нелинейная зависимость между выделяемой излучателем лазера тепловой энергией и временем его прогрева, необходимого для достижения заданной скорости перестройки оптического резонатора.

4. Разработан алгоритм расчета параметров цифровой системы стабилизации, основанный на анализе экспериментальных измерений параметров лазерного излучения, позволяющий сократить время настройки системы управления более чем в 10 раз.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Зависимость разностной частоты гелий-неоновых лазеров с внутренними зеркалами при перестройке оптического резонатора по контуру усиления в области максимально возможного зеемановского расщепления в продольном магнитном поле имеет монотонный характер при воздействии на активную среду поперечного магнитного поля, индукция которого составляет не менее 1/20 величины индукции продольного поля.

2. Использование монотонного участка зависимости разностной частоты от расстройки оптического резонатора в качестве дискриминационной кривой обеспечивает однозначность определения знака ошибки рассогласования и увеличение стабильности оптической частоты в серийно выпускаемых зеемановских лазерах не менее чем в 5 раз.

3. Методами численного моделирования установлено, что устойчивая стабилизация разностной частоты по ее опорному значению для уровня установившейся ошибки не более 64 кГц достигается при минимальной разрядности цифровой системы управления 16 бит.

Практическая значимость:

1. Теоретически обоснован факт изменения формы кривой зависимости разностной частоты от расстройки оптического резонатора при совместном влиянии на активную среду продольного и поперечного магнитных полей в активном элементе с внутренними зеркалами;

2. Разработана универсальная цифровая система автоподстройки оптической частоты, которая может быть использована в конструкциях лазеров, стабилизированных как по опорному значению разностной частоты, так и по интенсивности мощности.

3. Разработано программное обеспечение для устройства стабилизации параметров излучения.

4. Разработан двухчастотный частотно-стабилизированный Не-№ лазер для измерительных систем, обладающий техническими характеристиками, превосходящими отечественные аналоги по ряду параметров, а именно: мощность излучения повысилась в 1,5 раза, диапазон разностных частот увеличился с 4 до 5 МГц, стабильность разностной частоты повысилась не менее чем в 10 раз, стабильность оптической частоты увеличилась не менее чем в 5 раз.

5. Разработана конструкция выходного окна активного элемента, которая позволяет подавить конкуренцию длин волн 0,63 мкм и 3,39 мкм и достичь нестабильности мощности не хуже ±1 % в Не-№ лазерах мощностью более 70 мВт.

Новизна конструкторских и технологических решений подтверждена патентами на полезные модели.

Апробация работы:

Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, обсуждались: на 19-й международной конференции «Лазеры. Измерения. Информация» , Санкт-Петербург, 2009; II международной научной конференции «Электронная компонентная база. Состояние и перспективы развития», Харьков -Кацивели, 2009; 22-й международной конференции «Лазеры. Измерения. Информация», Санкт-Петербург, 2012; Международном научном семинаре (Россия - КНР), Рязань, 2012; 23-й международной конференции «Лазеры. Измерения. Информация», Санкт-Петербург, 2013; Международной научно-практической конференции «Инновации в науке, производстве и образовании» -

2013.

Публикации:

По материалам диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ, из них 3 статьи в журналах из списка ВАК РФ, 4 статьи в периодических не рецензируемых изданиях, 5 работ в сборниках научных трудов российских и международных научно-технических конференций, получено 3 патента РФ на полезные модели.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 77 наименований. Работа изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 57 рисунков.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Определение метра и его реализация

Основой для всех измерений длины с максимальной точностью является определение метра, которое позволяет использовать прецизионный стабилизированный по частоте лазер для определения единицы длины.

В октябре 1983 г. принято новое определение основной единицы длины — метра; метр — это длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды [2]. Это определение основывается на установленном значении для скорости света, которая по соглашению не имеет погрешности и достигает значения с=299792458 м/с. В определение не входят специфические и технические характеристики. Поэтому в будущем нет оснований его изменять, а научно-технический прогресс будет сказываться лишь на способах, с помощью которых реализуется метр.

Хотя лазер в определении метра не упоминается, оно стало возможным лишь на основе метрологических результатов, полученных с помощью лазера, и наиболее точно на сегодняшний день реализация метра может быть осуществлена с помощью лазерного излучения. Благодаря низкой погрешности представления секунды 10"13 в 1972 г. впервые удалось сделать непосредственную привязку частот лазерных линий ИК-диапазона с погрешностью измерения 3-Ю"10. Позднее были измерены частоты лазерных линий в видимой области спектра. Наиболее .точно измерена частота в видимой области спектра £ = 473 ТГц (к = 633 нм) с относительным стандартным отклонением 1,6-10"10. В таблице 1 приведены частоты лазерных линий, измерения которых основаны на точном определении отношений комбинаций длин воли. Материально-технические затраты на получение подобного ряда частот очень велики, так что они не всегда могут быть получены. Поэтому для практического применения необходимо иметь источники излучения в оптической области спектра, которые по своей стабильности и воспроизводимости пригодны для точного измерения частоты.

Таблица 1.1 Лазеры, рекомендованные Международным бюро мер и весов, излучение которых стабилизировано по насыщающимся линиям поглощения

молекул

Поглощающая молекула/ переход Лазер Частота, МГц Длина волны, фм Погрешность, 35

СН4 у3, Р(7) Р2<2> Не-№ 88376181,608 3392231397,0 1,3-Ю-10

12712 17-1, Р(62) о На красителе или Не-Ые 520206808,51 576294760,27 6-ю-10

11-5,11(127) \ Не-Ке 473612214,8 632981398,1 МО'9

12712 9-2, 11(47) о Не-Ие 489880355,1 611970769,8 1,110"у

1271243-0, Р(13) а3 Аг+ 582490603,6 514673466,2 1,3-Ю"9

Стабилизация лазерного излучения с помощью насыщающихся линий поглощения предоставляет для этого достаточную гарантию.

Для реализации единицы длины Международное бюро по мерам и весам (В1РМ) рекомендовало три способа.

1. Путем измерения времени распространения / световых импульсов и скорости света с, из которых получается длина Ь = & согласно определению метра. Лишь для отрезков в несколько километров и во внеземной области этот способ представляет особый интерес.

2. Измерение частоты / и использование соотношения X = с//. Этот способ может быть реализован только на некоторых метрологических государственных станциях и из-за высоких технических затрат ограничивается только отдельными случаями.

3. На основе прецизионных привязанных частот Консультативным комитетом (ССБМ) Международного комитета по мерам и весам (С1РМ) рекомендуются применять значения частот и длин волн подходящих лазеров. Важнейшие линии рекомендуемых источников лазерного излучения приведены в таблице 1.1.

Для определения национальных эталонов единицы длины во многих странах используются стабилизированные по частоте лазеры, с помощью которых могут быть воспроизведены линии, указанные в таблице 1.1 [3]. В связи с этим Не-№ лазер является основным источником эталонного когерентного излучения для целей лазерной интерферометрии.

1.2 Частотно-стабилизированные лазеры

Частотно-стабилизированные лазеры являются специальными устройствами для получения лазерного излучения с точно определенной частотой, например с одним атомным переходом, с малой шириной линии в течение продолжительного периода времени.

Для этой цели рассматриваются непрерывно излучающие лазеры. Частотно-стабилизированные лазеры применяются в основном в метрологии, измерительной технике и лазерной спектроскопии.

Принципиально лазеры имеют в одномодовом режиме очень узкий спектр частот, при этом точное положение частоты лазерного излучения определяется собственной частотой резонатора и расстоянием между зеркалами (длиной резонатора). Колебания длины (оптической) резонатора приводят к колебаниям частоты. Следует различать:

1) кратковременные колебания (меньше 1 с), обусловленные акустическими и механическими возмущениями конструкции резонатора, колебаниями тока в электрическом разряде, изменениями давления и плотности в среде, через которую распространяется лазерный пучок;

2) долговременные колебания (более 1 с), обусловленные изменениями окружающей температуры.

Общими мерами для пассивной стабилизации частоты (для не слишком высоких значений Б < 107 за несколько часов) являются:

- устойчивая и жесткая конструкция резонатора (массивное, свободное от вибраций основание);

- экранирование (корпуса) от акустических, электрических и магнитных воздействий;

- устранение воздушных турбулентных потоков в пространстве между зеркалами (в случае оптического резонатора с внешними зеркалами);

- обеспечение тепловой стабильности (должны использоваться материалы с незначительными коэффициентами расширения — кварц, инвар).

Применяются следующие методы активной стабилизации.

1. Пассивный резонатор с высокой добротностью вне резонатора лазера дает опорную частоту, отклонения вызывают электрический сигнал, который применяется для управления зеркалами резонатора лазера.

2. Лэмбовский провал находится в центре атомного перехода и соответствует более низкой выходной интенсивности излучения по сравнению с соседними частотами. Отклонения от этого минимума регистрируются и используются для управления резонатором лазера (смещение зеркала резонатора осуществляется с помощью пьезокерамики).

3. Обратный лэмбовский провал. Внутри резонатора располагается поглощающая ячейка. Линии поглощения содержащегося в ней газа дают опорную частоту, поскольку в этом месте поглощение имеет минимум, а интенсивность лазерного излучения имеет максимум. Отклонения используются для управления резонатором лазера. Этот метод стабилизации частоты наиболее часто использовался на практике. Преимущества: опорная частота не зависит от лазерной среды; незначительно столкновительное уширение, поскольку давление газа низкое; свободный выбор газа для поглощения [3].

Лазерами, в которых можно достигнуть высокой стабильности частоты, являются Не-№ лазер, X = 0,633 мкм, поглощающая ячейка с Ь, Не-Ые лазер, X = 3,39 мкм, поглощающая ячейка с СН4, СОг-лазер, X = 9-^11 мкм, поглощающая ячейка с СОг, 0э04 или ЭБб.

Достигнутые в лаборатории предельные значения для стабильности частоты 8 < 1013, для воспроизводимости Я < 1012. Промышленным частотно-стабилизированным лазером является Не-№ лазер с X = 0,633 мкм, со

9 8

стабильностью частоты Б < 10 и воспроизводимостью частоты Я < 10 . Более подробная информация о коммерческих частотно-стабилизированных гелий-неоновых лазерах приведена в [4]

Стабилизация частоты других типов лазеров (лазеры на красителях, инжекционные лазеры, лазеры на центрах окраски) происходит посредством оптической или электронной связи с названными выше частотно-стабилизированными газовыми лазерами.

Рассмотрим подробнее наиболее популярные конструкции гелий-неоновых лазеров и системы их стабилизации.

В работах [5, 6, 7, 8] рассматриваются принципы функционирования Не-№ лазеров стабилизированных по внешнему реперу - йодной ячейке. В работе [5]

127

более подробно рассмотрена система стабилизации частоты Не-№/ Ь лазера с цифровой обработкой сигналов. На рисунке (1.1) представлена

1 07

экспериментальная схема стабилизации Не-№/ 12

Рисунок 1.1- Схема Не-№ лазера, стабилизированного по пикам поглощения

йодной ячейки:

1 - Не-№ лазер, 2 - йодная ячейка (12712), 3 - зеркала, 4 - лазерный луч, 5 -фотоприемник, 6 - персональный компьютер, 7 - плата цифровой обработки сигналов

Не-Ые лазер (1) имеет йодную поглощающую ячейку (2), располагаемую на пути луча (4) внутри оптического резонатора, образованного зеркалами (3). Каждое зеркало установлено на пьезоэлектрическом преобразователе (?ХТ -

цирконат-титанат свинца, широко используется на практике в виде поляризованной пьезокерамики), позволяющим перемещать зеркало вдоль оси оптического резонатора. Йодная ячейка позволяет создавать вариации интенсивности лазерного пучка, когда частота излучения лазера совпадает с частотой поглощения одного из пиков йодной ячейки. Перевернутая кривая мощности Не-Ме/12712 показывает пики йода. Эти пики перевернутые провалы Лэмба, связанные с активизацией насыщения поглощения сверхтонких компонент йода в поле стоячей волны. Обнаружение пиков поглощения осуществляется посредством модуляции частоты лазера небольшим синусоидальным сигналом частотой / поступающего на пьезокерамическую подложку зеркала. Детектирование изменения мощности лазерного излучения осуществляется фотоприемником (5). Оптическая частота такого лазера обычно стабилизируется, используя пересечение нуля третьей гармоники одного из пиков. Третья производная кривой интенсивности может быть получена посредством умножения сигнала с фотодиода на третью гармонику частоты модуляции. Результаты умножения складываются и затем поступают на пьезоэлектрический преобразователь, который настраивает частоту лазера, изменяя расстояние между зеркалами резонатора.

Рисунок 1.2 - Алгоритм работы (слева) и основные составляющие блока цифрового управления (справа) Не-№/12712 лазера

На рисунке (1.2) справа показаны основные компоненты многоцелевой цифровой платы обработки сигналов, которая имеет четырехканальный вход и выход. Данная система обработки сигналов была разработана для стабилизации

127

частоты Не-№/ Ь лазера. Цифровая система управления базируется на: 16-

битном сигнальном процессоре (Analog Device ADSP- 2188М), универсальном микропроцессоре (Renesas Н8/3048), 16-битных цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователях (Analog Device AD7663 и AD5544) и интерфейсе USB (Oki ML60851D). Программное обеспечение было разработано с помощью Visual DSP + + (Analog Device). Разрешение системы управления составляет 153 мкВ. На рисунке 2 слева показана блок-схема алгоритма цифрового управления, которая формирует контур управления. Генератор сигналов синусоидальной формы (4) частотой /и 3/, детектор фазы, фильтр скользящего среднего значения (1), интегратор (2) и настройка смещения (3) - все эти функции реализованы программно на языке ассемблер. Частота дискретизации при испытаниях составляла 118,8 кГц. Достигнутая в данной работе относительная нестабильность оптической частоты составила не хуже 1-10"11.

В рассмотренной работе показана возможность использования цифровых систем управления для стабилизации оптической частоты He-Ne лазеров, но разработанная система предназначена для лабораторных частотно-стабилизированных He-Ne/127h лазеров и не может быть использована в конструкциях частотно-стабилизированных лазеров промышленного назначения, которые не имеют внешних реперов.

Помимо внешних ячеек поглощения для стабилизации He-Ne лазеров в качестве внешнего репера может быть использован другой стабилизированный лазер, длина волны излучения которого будет являться опорной. В работе [9] разработан частотно-стабилизированный гелий-неоновый лазер для субатомных измерительных машин [10]. Блок-схема лазера представлена на рисунке (1.3). Суть заключается в том, чтобы стабилизировать оптическую частоту серийно выпускаемого He-Ne лазера по опорному лазеру. В качестве опоры выступает

10Т

частотно-стабилизированный йодный He-Ne/ Ь лазер. Управление длиной оптического резонатора активного элемента (2) осуществляется посредством наматываемой на его оболочку медной спирали (Heater). Сам активный элемент устанавливается в герметичную камеру, обеспечивающую изоляцию активного элемента от внешних возмущений (изменение температуры, давления), тем

самым, повышая пассивную стабильность лазера. Излучение с выходного (Р = 2.5 мВт) и глухого (Р = 0.1 мВт) зеркал активного элемента выходит из камеры через стеклянные окошки. Все электрические соединения осуществляются с помощью герметичных разъемов. Излучение от опорного лазера к оптической схеме стабилизируемого лазера передается по оптоволоконному фидеру и попадает на поляризационный расщепитель луча (3).

Рисунок 1.3 - Экспериментальная установка стабилизации гелий-неонового

лазера с внутренними зеркалами по опорному лазеру:

111

1 - опорный Не-№/ 12 лазер, 2 - активный элемент с внутренними зеркалами, 3 - поляризационный расщепитель луча, 4 - поляризатор Глана-Томпсона, 5 -лавинный фотодиод, 6 - частотомер, 7 - персональный компьютер (выполняет функции системы стабилизации), 8 - цифро-аналоговый преобразователь, 9 -усилитель мощности управляющего спиралью сигнала

Излучение со стороны глухого зеркала активного элемента (2) также попадает на расщепитель (3). На выходе расщепителя получается результирующий луч, содержащий две ортогональные поляризации, соответствующие опорному и стабилизируемому лазерам. Результирующий луч проходит через поляризатор Глана-Томпсона (4), который смешивает ортогональные поляризации на выходе. В результате смешивания поляризаций получают биения частот опорного и стабилизированного лазеров, частота биений которых детектируется лавинным фотодиодом (5) Сигнал биений с фотодиода

поступает на частотомер (6), на выходе которого формируется числовое значение частоты биений. Это значение поступает в управляющий компьютер с предустановленным программным обеспечением ЬаЫаелу. Значение частоты биений вычитается из опорного значения, формируя сигнал ошибки, который затем передается в цифровой ПИД-регулятор, обеспечивающий цифровую коррекцию напряжения на нагревателе. Цифровой сигнал управления спиралью преобразуется в аналоговый цифро-аналоговым преобразователем (8) и затем усиливается усилителем мощности (9). Помимо управляющего переменного сигнала управления на спираль подается постоянное напряжение определенного уровня для обеспечения одинакового расширения или сжимания активного элемента при положительном или отрицательном знаке управляющего напряжения соответственно. Вся обработка и формирование сигналов управления осуществляется программно, посредством компьютера. Авторам данной работы удалось достичь времени управляющего цикла 35 мс. Однако, как показали эксперименты, в силу большой инерционности системы оптимальным является время одного цикла управления 300 мс. В данной работе также в очередной раз подтверждается жизнеспособность цифровых систем для стабилизации параметров Не-№ лазеров. Полученная относительная нестабильность оптической частоты стабилизированного лазера составила 7-10"11 в то время как относительная нестабильность опорного лазера соответствовала значению 2.5-10"11.

Несмотря на многообразие методов стабилизации оптической частоты Не-№ лазеров в конструкциях частотно-стабилизированных Не-№ лазеров промышленного назначения [18, 19, 20, 21, 22, 23] наибольшее распространение получил метод стабилизации оптической частоты по равенству интенсивностей (балансу мощностей) ортогонально поляризованных компонент излучения [11, 12, 13, 14]. В работе [15] рассматривается более детально данный метод стабилизации. На рисунке (1.4) представлена типовая схема лазера, стабилизация частоты которого осуществляется с помощью метода баланса мощностей.

Laser and Foil Heater Polarizer

PD1 PBS

Proportional -_ Integral -. Derivative - Setpoint H с eater Dntrol

Рисунок 1.4- Типовая структурная схема He-Ne лазера стабилизированного по равенству интенсивностей ортогонально поляризованных мод: Laser and Foil heater - активный элемент с приклеенным на его оболочке фольгированным нагревателем, PBS - поляризационный делитель, PD1 и PD2 — фотоприемники, I—»V - преобразователь фототок - напряжение, PID (Proportional - Integral - Derivative) - пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор, Setpoint - устройство задания постоянного уровня регулируемого напряжения, Heater control - устройство управления нагревателем, Polarizer -поляризатор

Для применения этого метода стабилизации оптической частоты спектр He-Ne лазера должен содержать две частоты имеющих ортогональные линейные поляризации. Это достигается за счет использования активных элементов, длина которых позволяет генерировать двухчастотное излучение в одном контуре усиления, либо за счет применения специальных мер расщепления линии усиления, например воздействие магнитного поля на активную среду (эффект Зеемна). Двухчастотное излучение с выхода менее прозрачного зеркала попадает на поляризационный делитель (PBS), который разделяет излучение на две составляющие с ортогональными поляризациями. Каждая из составляющих попадает на свой фотоприемник PD1 и PD2. Генерируемые при этом фототоки преобразуются в напряжения ul и и2. Для достижения баланса мощностей необходимо, чтобы выполнялось равенство ul = u2. В случае невыполнения данного равенства возникает сигнал рассогласования, который равен u = ul - и2.

Сигнал рассогласования направляется в ПИД-регулятор, который формирует сигнал управления нагревателем. Сформированный сигнал управления складывается с постоянным уровнем напряжения, присутствующего на спирали и в зависимости от знака управляющего сигнала получается уменьшение или увеличение напряжения на нагревателе относительно постоянного уровня, что приводит к остыванию или нагреванию оболочки активного элемента соответственно. За счет терморегулирования длины оптического резонатора и происходит корректировка баланса интенсивностей. Использование подогревной спирали для регулирования длины оптического резонатора активных элементов с внутренними зеркалами является классическим подходом, но, например, в работе [17] предложено осуществлять термостабилизацию длины резонатора с помощью системы воздушного охлаждения. При этом увеличение длины резонатора происходит с помощью прогрева оболочки активного элемента газовым разрядом вследствие уменьшения скорости вращения вентилятора охлаждения, а уменьшение длины резонатора осуществляется охлаждением оболочки активного элемента при повышении оборотов вентилятора системы охлаждения. Недостатком данного метода регулирования длины активного элемента является то, что возможны нежелательные флуктуации длины активного элемента из-за постоянного воздействия на него турбулентных потоков воздуха, а наличие движущихся механических частей в системе, например, ротор вентилятора, приводит к снижению надежности и долговечности системы из-за механической выработки движущихся частей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Воробьев, Павел Геннадьевич, 2013 год

Библиографический список

1. Романов В.Н. Теория измерений. Точность средств измерений: Учеб. пособие. - СПб.: СЗТУ, 2003. - 154 с.

2. Documents concerning the new definition of the metre / Metrologie. 19 (1984). p. 163-178.

3. Справочник по лазерной технике. Пер. с нем. - В.Н. Белоусова. Под. ред. А.П. Напартовича. М.: Энергоатомиздат. 1991. - 544 с.

4. Обзор коммерческих стабилизированных гелий-неоновых лазеров. URL: http://www.repairfaq.org/sam/laserhst.htm (дата обращения 28.10.2013)

5. Iku Hirano, Jun Ishikawa. Laser Frequency Control System with Digital Signal Processing Techniques. The International Conference on Electrical Engineering, 2009.

6. M. Amer, F. Abdel Aziz. Effect of frequency modulation amplitude on Iodine stabilized He-Ne Laser, at X ~ 633nm / National institute for standards, Giza, Egypt/ Egypt. J. Sol., Vol. (26), No. (1), 2003, p. 103-111.

7. Jean-Marie Chartier, Jacques Labot, Glenn Sasagawa, Tim M. Niebauer, and William Hollander. A Portable Iodine Stabilized He-Ne Laser and its Use in an Absolute Gravimeter/ IEEE Transactions on instrumentation and measurement, Vol. 42, No 2. APRIL 1993. p. 420-422.

8. J. Bartl, J. Guttenova, V. Jacko, R. Sevcik. Circuits for Optical Frequency Stabilization of Metrological Lasers. Measurement science review, Volume 7, Section 3, No. 5, 2007. p. 59-62.

9. Charles G. Stroup, Jr., Jerald L. Overcash, Robert J. Hocken. The development of an offset-locked frequency stabilized heterodyne laser source for precision metrology. Center for Precision Metrology University of North Carolina at Charlotte, NC, USA.

10. Jerald L. Overcash, Charles G. Stroup, Jr., and Robert J. Hocken. Updating the sub-atomic measuring machine. Center for Precision Metrology University of North Carolina at Charlotte, North Carolina, USA.

11. D. Matthew Dobbins. Frequency Stabilization of a Helium-Neon Laser. University of Rochester, Fall 1995.

12. Xiaofei Diao, Jiubin Tan, Pengcheng Hu, Hongxing Yang, Pengfei Wang. Frequency stabilization of an internal mirror He-Ne laser with a high frequency reproducibility // Applied Optics, Vol. 52, Issue 3. pp. 456-460. 2013.

13. P.E. Ciddor, R.M. Duffy. Two-mode frequency-stabilized He-Ne (633 nm) lasers: studies of short- and long-term stability // Journal of Physics E: Scientific instruments. Vol. 16. Num. 12. 1983.

14. Mark A. Zumberge. Frequency stability of a Zeeman-stabilized laser // Applied Optics, Vol. 24, Issue 13. pp. 1902-1904. 1985.

15. Yuanchi Zhao. Implementing Thermal Feedback Control of a Helium-Neon Laser for Frequency Stabilization // Intel Science Talent Search Physics. November 2008.

16. TaeBong Eorn, HyunSeung Choi, SunKyu Lee. Frequency stabilization of an internal mirror He-Ne laser by digital control // Review of Scientific Instruments. Vol. 73. Issue 1. pp. 221-224. 2002.

17. Jin Qian, Zhongyou Liu, Chunying Shi, Xiuying Liu, Jianbo Wang, Cong Yin, Shan Cai. Frequency stabilization of internal-mirror He-Ne lasers by air cooling // Proc. SPIE 8759, Eighth International Symposium on Precision Engineering Measurement and Instrumentation, 875942. January 31, 2013. doi: 10.1117/12.2016900.

18. Сайт фирмы «Newport». URL: http://www.newport.com/Helium-Neon-HeNe-Laser—Frequency-and-Intensity-/732092/1033/info.aspx (дата обращения 28.10.2013).

19. Сайт фирмы «Lambda Scientific». URL: http://www.lambdasys.com/ product/ LLL-2.htm (дата обращения 28.10.2013).

20. Сайт фирмы «Edmund Optics». URL: http://www.edmundoptics.com/ lasers/gas-lasers/jdsu-high-performance-helium-neon-lasers/3053 (дата обращения 28.10.2013).

21. Описание лазера «ZMI 7705» фирмы «Zigo» URL: http://www.zygo.com/ met/markets/stageposition/zmi/laserheads/7705 .pdf (дата обращения 28.10.2013).

22. Сайт фирмы «Wavetronic». URL: http://www.edjtrade.com/co/wavetronic/ GC00968876/CA00968879/Zeeman_Split_Stabilized_He-Ne_Laser.html (дата обращения 28.10.13).

23.Сайт фирмы ОАО «Плазма». URL: http://www.plasmalabs.ru/category/ index/id/7 (дата обращения 28.10.13).

24. А. Якунин. Состояние и перспективы развития отечественной микроэлектроники // Электроника НТБ. № 7 (00121). 2012. С. 10 - 19.

25. Коронкевич, В.П., Соболев, B.C., Дубнищев, Ю.Н. Лазерная интерферометрия - Новосибирск: Наука, 1983.

26. Коронкевич, В.П., Ханов, В.А. Лазерные интерферометры и их применение // Новосибирск: ИАиЭ СО АН СССР, 1984.

27. Коронкевич, В.П., Ленкова, Г.А. Лазерный интерферометр для измерения длины // Автометрия. - 1971. - № 1. - С. 4-9.

28. Коронкевич В.П., Полещук А.Г., Седухин А.Г., Ленкова Г.А. Лазерные интерферометрические и дифракционные системы // Компьютерная оптика. Том 34. №1. 2010. С. 4 -23.

29. Учебное пособие по цифровой электронике. URL: http://www.williamspublishing.com/PDF/5-8459-0586-9/part.pdf (дата обращения 28.10.2013).

30. Gabor D. - "Nature", 1948. v. 161, p. 777.

31. Применения лазеров / Под. ред. В.П. Тычинского. М.: Мир. 1974.

32. A.M. Васильев, Л.Д. Гик, А.Г. Козачок, В.Н. Некурящее, Ю.Е. Нестерихин, Ю.Н. Солодкин. Исследование деформаций и вибраций методом голографической интерферометрии // Автометрия. №1. 1971. С. 57-63.

33. Kock W. - "IEEE Proc", 1966, v. 54, p. 1610.

34. Турухано Б.Г., Турухано Н., Вилков Е.А. Синтез апертуры интерференционного поля // Компьютерная оптика. Т. 35. № 2. 2011. С. 145-150.

35. Сайт лаборатории голографических информационных и измерительных систем. URL: http://www.nanomsys.ru/index.php/ru/ (дата обращения 28.10.13).

36. Сайт фирмы ОАО «Плазма». URL: http://www.plasmalabs.ru/ category/index/id/4. (дата обращения 28.10.13).

37. И.П. Мазанько, Г.А. Петрашко. Влияние «паразитной» генерации с длиной волны 3,39 мкм на флуктуации излучения He-Ne лазера, работающего в области 0,63 мкм // Письма в ЖТЭФ. Т. 15. Вып. 5. 1972. С. 263-265.

38. М.И. Дьяконов, С.А. Фридрихов. Газовый лазер в магнитном поле // Успехи физических наук. Т. 90. Вып. 4. 1966. С. 565-600.

39. Войтович А.П. Магнитооптика газовых лазеров. Минск: Наука и техника, 1984.-207 с.

40. ArefievA. S., Kondrachin A. A., Chulyaeva Е. G. Investigation of polarize-frequency gas laser characteristics in longitudinal magnetic field.// Proc. of SPIE, Laser for Measurements and Information Transfer. 5-7 June 2002, St. Petersburg, Russia, v. 5066, pp. 36-41.

41.Fedotov M.A., Chulaeva E.G. Laser tube for frequency-stabilized laser. -International Workshop on New Approaches to Hi-Tech 98 Nondestructive Testing and Computer Stimulations in Science and Engineering, Preprints Program 8-12 Iune 1998, A17.

42. Чуляева Е.Г., Кондрахин A.A. и др. Двухчастотный зеемановский гелий-неоновый лазер// Патент РФ № 2413348 от 7.09.2009 г.

43. Воробьев П.Г., Чуляева Е.Г. Частотно-стабилизированные лазеры для точных измерений// Вестник РГРТУ. Вып. 39. №1. Часть 2. С.26-33. 2012.

44. Воробьев П. Г., А. А. Кондрахин, Мельничук Г. В., Чуляева Е. Г. Методы цифрового управления параметрами частотно-

стабилизированных He-Ne лазеров // Сборник докладов. 22-я международная конференция «Лазеры. Измерения. Информация». Том 1. Издательство политехнического университета. С-Пб. 2012. С. 181 - 195.

45. Воробьев П. Г., Чуляева Е. Г. Влияние магнитного поля на разностную частоту двухчастотного стабилизированного He-Ne лазера // Вестник РГРТУ. №2. Вып. 44.2013 г. С. 82 - 86.

46. Калитеевский Н.И. Волновая оптика. - М.: Высшая школа, 1995. - С. 149-151.

47. W.R. Bennett, JR. The physics of gas lasers.- New York, London, Paris: Gordon and breach, 1977. - C. 214.

48.Сайт фирмы «Infolytica corporation». URL: http://www.infolytica.com/en/ products/trial/magnet.aspx (дата обращения 28.10.2013).

49.Измеритель магнитной индукции Ш1-8. Техническое описание и инструкция по эксплуатации, 1984. - С. 41.

50. Молчанов A.B., Серебряков А.Е., Чиркин М.В. Анизотропия рассеивающих свойств сверхгладких подложек зеркал для прецизионных лазерных гироскопов // Вестник РГРТУ. 2012. № 4 (выпуск № 42). Часть 2. С. 92 - 98.

51. Власов А. Хилов С. Частотно-стабилизированные гелий-неоновые лазеры для интерферометрии // Фотоника. 2007. № 5. С. 5 - 7.

52. Патент 47-11959, Япония, опубл. 14.04.1972 г.

53. Патент 1.388.843, Франция.

54. Патент 3.628.175, США.

55. М. Герцбергер. Современная геометрическая оптика. - М.: Издательство иностранной литературы, 1962. 127 с.

56. Справочник конструктора оптико-механических приборов. / Под ред. В.А.Панова. Л.: Машиностроение, 1980 г., с 129.

57. He-Ne лазер. Патент на полезную модель РФ №94769, кл. H01S 3/00. Приоритет от 8.02.2010, опубл. 27.05.2010.

58. Е. Ф. Ищенко, Ю. М. Климков Оптические квантовые генераторы. - М.: Советское радио, 1968. С. 391 -396.

59. В.В. Липский, В.Е. Привалов. Расчет параметров генераторов мощного He-Ne лазера на А,=0,63 мкм // Письма в ЖТФ. 2005г. Т. 31. Вып. 14, С. 51-60.

60. П.Воробьев, А.Кондрахин, Г.Мельничук и др. Исследование тепловых режимов частотно-стабилизированных He-Ne лазеров // Фотоника. 2012. №4. С.40-48.

61. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. - М.: Энергия, 1977.

62. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров: Пер. с англ. / Справочник. - М.: Атомиздат, 1979. - 216 с.

63. A.Sasakai, T.Okada, J.Kawai and H. Aoyama. Frequency stabilization of an internal-mirror He-Ne laser using axial-mode beat // Appl. Phys. Lett. 61(10) ,7 September 1992.

64. 4. Филлипс, P. Харбор. Системы управления с обратной связью. Пер. с анг. Б. И. Копылова.- М.: Лаборатория Базовых Знаний. 2001. - 616 с.

65. Г. Олссон, Д. Пиани. Цифровые системы автоматизации и управления.-СПб.: Невский диалект. 2001. - 557 с.

66. Сайт разработчика программы «Qucs». URL: http://qucs.sourceforge.net/ (дата обращения 28.10.2013).

67. He-Ne лазер на X = 0.63 мкм в режиме генерации двух ортогонально-поляризованных мод // С.А.Гончуков, В.М.Ермаченко, Р.Д.Косумова, В.В.Никитин, Е.Д.Проценко - Квантовая радиофизика, Препринт №31, ФИАН им.Лебедева, М., 1981.

68. Сайт программы «SAUNA». URL: http://www.thermalsoflware.com/ (дата обращения 28.10.2013).

69. Сайт фирмы «Agilent Technologies».URL: http://www.home.agilent.com/ru/ pc-1000000393%3Aepsg%3Apgr/laser-heads?pm=SC&nid=-536900395.0&cc=RU&lc=rus (дата обращения 28.10.13).

70. Привалов В.Е., Чуляева Е.Г. Исследование воспроизводимости длины волны излучения гелий-неонового лазера с внешней неоновой ячейкой поглощения (0.63 мкм) // Оптика и спектроскопия. 1984. Т. 57, Вып. 5. С. 909-912.

71. Козлов A.B., Чуляева Е.Г. Средство измерения длины волны и нестабильности частоты лазерного излучения: Тезисы Всесоюзной научно-технической конференция «Применение лазеров в науке и технике».-Л., 1980.С.59.

72. Левин В.Р. Теория случайных процессов и ее применение в радиотехнике. -М.: Сов. Радио. 1974.

73. Катлер Л., Сирль С. Некоторые аспекты теории и измерений частотных флуктуаций стандартов частоты - ТИИ ЭР. 1966. Т.54. №2. С.41.

74. Аллен Д. Статистические характеристики атомных стандартов частоты. - ТИИ ЭР. 1966. Т. 54. №2. С.132.

75. Воробьев П. Г., А. А. Кондрахин, Мельничук Г. В., Чуляева Е. Г.Методы измерения параметров частотно-стабилизированных лазеров // Сборник научных трудов международного научного семинара (Россия-КНР) 15-17 октября 2012г.с.164-170.

76. Частотно-стабилизированный газовый лазер. Патент на полезную модель РФ №112521. Приоритет от 15 июля 2011 г., опубл. 10.01.2012.

77. Активный элемент двухчастотного He-Ne лазера. Патент на полезную модель РФ № 116701. Приоритет от 29 декабря 2011 г., опубл. 27.05.2012 г.