RU2086060C1

RU2086060C1 - Method for stabilization of output laser frequency

Info

Publication number: RU2086060C1
Application number: RU94014549A
Authority: RU
Inventors: В.И. Воронов
Original assignee: Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева
Priority date: 1994-04-19
Filing date: 1994-04-19
Publication date: 1997-07-27
Also published as: RU94014549A

Abstract

FIELD: quantum electronics. SUBSTANCE: method involves generation of peripheral multiple mode and tuning resonator so that its length is close to critical one for given mode and its beams do not join in space. Then, beam receivers are mounted behind mirror in order to detect cross displacement of beams of multiple mode so that minimal cross displacement of beams with respect to receivers is achieved. EFFECT: increased functional capabilities. 1 dwg

Description

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для стабилизации частоты, а также диаграммы направленности излучения газовых и непрерывных твердотелых лазеров ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов. The invention relates to quantum electronics and can be used to stabilize the frequency, as well as radiation patterns of gas and continuous solid-state lasers of ultraviolet, visible and infrared ranges.

Техническая задача изобретения упрощение реализации способа стабилизации частоты. Известны способы стабилизации частоты лазеров, основанные на различных принципах, например способы, при которых частотно-модулированное лазерное излучение пропускают через внешнюю резонансно-поглощающую среду, измеряют смещение частоты относительно максимума поглощения этой среды, а затем за счет изменения длины резонатора частоту устанавливают на вершину контура поглощения. К таким решениям относятся авт. св. Е.Н.Базарова, Г.А.Герасимова и др. N 1163784, Б.И. N 20, 1991; авт. св. А.В.Миронова и др. N 1266429, Б. И. H 19, 1991; авт. св. А.И.Власова и др. N 1251768, Б.И. N 33, 1992. The technical task of the invention is the simplification of the implementation of the frequency stabilization method. Known methods for stabilizing the frequency of lasers based on various principles, for example, methods in which frequency-modulated laser radiation is passed through an external resonant-absorbing medium, measure the frequency shift relative to the absorption maximum of this medium, and then, by changing the length of the resonator, the frequency is set to the top of the circuit absorption. These decisions include auth. St. E.N.Bazarova, G.A. Gerasimova and others N 1163784, B.I. N 20, 1991; author St. A.V. Mironova et al. N 1266429, B. I. H 19, 1991; author St. A.I. Vlasova et al. N 1251768, B.I. N 33, 1992.

Известны способы, описанные в устройствах и повышающие стабильность частоты лазера путем стабилизации диаграммы направленности излучения за счет наклонов зеркал (авт. св. А.И.Власова, В.И.Гордеева и др. N 1549436, Б.И. N 29, 1992). Known methods described in the devices and increase the stability of the laser frequency by stabilizing the radiation pattern due to tilting mirrors (ed. St. A.I. Vlasova, V.I. Gordeeva and others N 1549436, B.I. N 29, 1992 )

Наиболее близким к изобретению является способ стабилизации частоты с внешним дискриминатором (Галутова Г. В. и др. Селекция типов колебаний и стабилизация частоты излучения ОКГ. М. Связь, 1972, с.57), по которому в качестве внешнего дискриминатора используется пассивный резонатор, который состоит из двух одинаковых сферических зеркал с конфигурацией близкой к конфокальной. Луч стабилизируемого лазера запускают в этот резонатор не соосно, а с некоторым поперечным смещением. Вышедшее из пассивного резонатора излучение направляют на отражательную призму-делитель, разделяющую его на два потока, а затем на фотоприемники. Фотоприемники регистрируют поперечные смещения этих потоков, обусловленные изменением угла выхода, который зависит в свою очередь от частоты излучения. Полученным с фотоприемников сигналом после обработки управляют длиной основного резонатора, стабилизируя таким образом частоту излучения лазера. Closest to the invention is a method of frequency stabilization with an external discriminator (Galutova G.V. et al. Selection of vibration types and stabilization of the radiation frequency of a laser. M. Svyaz, 1972, p. 57), according to which a passive resonator is used as an external discriminator, which consists of two identical spherical mirrors with a configuration close to confocal. The beam of the stabilized laser is launched into this resonator not coaxially, but with some lateral displacement. The radiation emerging from the passive resonator is directed to a reflective prism divider, which divides it into two streams, and then to photodetectors. Photodetectors record the transverse displacements of these flows, due to a change in the exit angle, which in turn depends on the radiation frequency. The signal obtained from photodetectors after processing is controlled by the length of the main resonator, thus stabilizing the frequency of the laser radiation.

Недостатком способа-прототипа и способов-аналогов является сложность реализации, так как в этих решениях в качестве вспомогательных устройств используются либо внешние либо внутренние дополнительные элементы - резонаторы, модуляторы, расширители луча, поляризаторы и т.д. Наличие большого числа элементов существенно усложняет и удорожает систему стабилизации. Если к тому же одновременно осуществлять стабилизацию частоты изменением длины резонатора и компенсировать уходы диаграммы направленности наклонами зеркал, то система стабилизации усложняется еще больше. The disadvantage of the prototype method and analog methods is the difficulty of implementation, since in these solutions either external or internal additional elements are used as auxiliary devices - resonators, modulators, beam expanders, polarizers, etc. The presence of a large number of elements significantly complicates and increases the cost of the stabilization system. If, moreover, at the same time, frequency stabilization is performed by changing the cavity length and compensating for the radiation pattern drifts by tilting the mirrors, then the stabilization system becomes even more complicated.

Решаемая техническая задача в предлагаемом способе стабилизации частоты, включающем изменение длины резонатора, достигается тем, что в лазере дополнительно к осевой моде осуществляют генерацию периферийной многоходовой моды, настраивают резонатор так, чтобы его длина находилась вблизи критической для данной многоходовой моды и ее лучевые потоки не сливались друг с другом в пространстве, устанавливают за выходным зеркалом приемники излучения, центрируя их относительно лучевых потоков, регистрируют поперечные смещения этих потоков, а затем регулируют длину резонатора и наклоны его зеркал, добиваясь минимальных поперечных смещений лучевых потоков относительно приемников излучения. The technical problem to be solved in the proposed method of frequency stabilization, including changing the cavity length, is achieved by the fact that in addition to the axial mode, a peripheral multi-path mode is generated in the laser, the cavity is tuned so that its length is close to the critical one for this multi-path mode and its beam fluxes do not merge with each other in space, radiation detectors are installed behind the output mirror, centering them relative to the beam fluxes, the transverse displacements of these fluxes are recorded, and then adjust the length of the resonator and the tilts of its mirrors, achieving minimal transverse displacements of the beam flux relative to the radiation receivers.

Предлагаемый способ удовлетворяет критерию изобретательский уровень, так как его отличительные признаки позволяют получить новое свойство - стабилизацию частоты лазера в зависимости от поперечных смещений лучевых потоков многоходовой моды, генерирующей в данном лазере. Генерация таких мод, как и обычных одноходовых (осевых) возникает автоматически, если усиление активной среды достаточно для их генерации и поперечные размеры (апертуры) внутрирезонаторных элементов таковы, что эти элементы активный элемент, зеркала и т. п. не диафрагмируют многоходовые моды. Основное отличие многоходовых мод от одноходовых заключается в больших поперечных размерах внутрирезонаторного объема, который занимают эти моды и в своеобразной (многоходовой и внеосевой) конфигурации лучевых потоков внутри резонатора. The proposed method satisfies the criterion of inventive step, since its distinguishing features make it possible to obtain a new property - stabilization of the laser frequency depending on the transverse displacements of the beam fluxes of the multi-path mode generating in this laser. The generation of such modes as ordinary one-way (axial) modes occurs automatically if the amplification of the active medium is sufficient for their generation and the transverse dimensions (apertures) of the intracavity elements are such that these elements do not diaphragm the active element, mirrors, etc. The main difference between multi-path and single-path modes lies in the large transverse dimensions of the intracavity volume occupied by these modes and in the peculiar (multi-path and off-axis) configuration of the beam fluxes inside the resonator.

Автором обнаружена сильная зависимость поперечного положения лучевых потоков многоходовых мод, а именно радиусов окружностей, на которых располагаются пятна излучения таких мод (на зеркалах) от длины резонатора, если эти моды генерируют вблизи критических длин. При увеличении длины резонатора радиус окружности увеличивается, при уменьшении уменьшается. При этом пятна излучения сначала сливаются, а затем многоходовая мода гаснет при длине резонатора, равной критической. The author found a strong dependence of the transverse position of the beam fluxes of multi-path modes, namely, the radii of the circles on which the radiation spots of such modes (on mirrors) are located on the cavity length if these modes are generated near critical lengths. With an increase in the length of the resonator, the radius of the circle increases, with a decrease it decreases. In this case, the radiation spots merge first, and then the multi-pass mode goes out at a critical length of the resonator.

На чертеже изображено устройство, позволяющее реализовать предлагаемый способ. The drawing shows a device that allows you to implement the proposed method.

Устройство включает лазер, содержащий активный элемент 1 и зеркала резонатора 2 и 3. Здесь же показан лучевой поток осевой моды 4 и многоходовая мода, лучевые потоки 5 которой выходят через одно из зеркал резонатора в данном случае через зеркало 3. Приемники излучения 6, например матричные фотоприемники, установлены за зеркалом 3 и электрически связаны с вычислительно-усилительным устройством 7, а через него с исполнительными элементами 8. В качестве исполнительных элементов 8 могут быть использованы пьезокорректоры длины резонатора и наклонов его зеркал. The device includes a laser containing the active element 1 and resonator mirrors 2 and 3. Here, the beam flux of the axial mode 4 and the multi-path mode are shown, the beam flux 5 of which goes through one of the resonator mirrors in this case through mirror 3. Radiation receivers 6, for example, matrix photodetectors installed behind the mirror 3 and are electrically connected to the computing and amplifying device 7, and through it to the actuating elements 8. As the actuating elements 8 can be used piezoelectric corrector resonator length and tilt in his mirrors.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом. The proposed method is implemented as follows.

В резонаторе лазера дополнительно к осевой моде осуществляют генерацию периферийной многоходовой моды, после чего, уменьшая расстояние между зеркалами 2 и 3 настраивают резонатор так, чтобы его длина находилась вблизи критической для данной многоходовой моды, а ее лучевые потоки 5 не сливались друг с другом в пространстве. Затем выходные лучевые потоки многоходовой моды направляют на приемники излучения 6, установленные за зеркалом резонатора 3 и центрируют их относительно потоков моды, после чего с помощью приемников излучения начинают регистрировать поперечные смещения этих потоков. Электрические сигналы с приемников поступают на вычислительно-усилительное устройство 7, вырабатывающее сигналы управления исполнительными элементами 8. Этими сигналами регулируют длину резонатора и наклоны его зеркал 2 и 3, добиваясь минимальных поперечных смещений лучевых потоков относительно приемников излучения и тем самым стабилизируют частоту излучения лазера. По сравнению с прототипом упрощение реализации способа стабилизации частоты достигается за счет уменьшения количества дополнительных элементов и отказа от связанных с ними операций настройки, так как в предлагаемом способе отсутствует внешний резонатор, и следовательно, нет необходимости в достаточно трудоемкой операции его первоначальной котировки и поддержании этой котировки во время работы всей системы. In addition to the axial mode, a peripheral multi-path mode is generated in the laser cavity, after which, decreasing the distance between mirrors 2 and 3, the cavity is tuned so that its length is close to the critical one for this multi-path mode and its beam fluxes 5 do not merge with each other in space . Then the output beam fluxes of the multi-path mode are directed to radiation detectors 6 mounted behind the mirror of the resonator 3 and center them relative to the mode fluxes, after which the transverse displacements of these fluxes are started using radiation detectors. Electrical signals from the receivers are fed to a computing amplifier 7, which generates control signals for the actuating elements 8. These signals control the cavity length and the tilts of its mirrors 2 and 3, achieving minimal lateral displacements of the beam flux relative to the radiation receivers and thereby stabilize the laser radiation frequency. Compared with the prototype, the simplification of the implementation of the frequency stabilization method is achieved by reducing the number of additional elements and rejecting associated tuning operations, since the proposed method does not have an external resonator, and therefore, there is no need for a rather laborious operation of its initial quote and maintaining this quote during operation of the entire system.

Claims

A method of stabilizing the laser radiation frequency, including changing the cavity length, characterized in that in addition to the axial mode, a peripheral multi-path mode is generated in the laser, the cavity is tuned so that its length is close to the critical one for this multi-path mode and its beam fluxes do not merge with each other another in space, in this case, radiation detectors are installed behind the output mirror, centering them relative to the beam fluxes, and the transverse displacements of these fluxes are recorded, and then adjust the length of the resonator and the tilts of its mirrors, achieving minimal transverse displacements of the beam flux relative to the radiation receivers.