Разработка методов и средств стабилизации частоты He-Ne лазеров для прецизионных измерений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.03, доктор технических наук Власов, Александр Николаевич

• Власов, Александр Николаевич
• доктор технических наук
• 2002

Оглавление диссертации доктор технических наук Власов, Александр Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. ФЛУКТУАЦИИ И СДВИГИ ЧАСТОТЫ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРОВ.

1.2. АКТИВНЫЕ МЕТОДЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ

1.2.1. Общие принципы стабилизации частоты.

1.2.2. Классификация методов стабилизации.

1.3. СТАБИЛИЗАЦИЯ В ОДНОЧАСТОТНОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ

1.3.1. Стабилизация по кривой усиления.

1.3.2. Стабилизация по нелинейно поглощающей внутренней ячейке.

1.3.3. Стабилизация по интерферометру.

1.3.4. Стабилизация по линейно поглощающей внешней ячейке.

1.3.5. Стабилизация по нелинейно поглощающей внешней ячейке.

1.3.6. Комбинированные методы.

1.4. СТАБИЛИЗАЦИЯ В МНОГОЧАСТОТНОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ 1.4.1. Стабилизация по дисперсионным кривым

1.4.2. Метод частотной привязки.

1.4.3. Стабилизация по конкурентным резонансам.

1.4.4. Стабилизация по частотным резонансам.

1.5. СТАБИЛИЗАЦИЯ МЕТОДОМ

ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ ДЛИНЫ РЕЗОНАТОРА.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов и средств стабилизации частоты He-Ne лазеров для прецизионных измерений»

Развитие современных технологий требует повышения точности измерений линейных перемещений, углов, показателей преломления и т.п. В этих видах измерений наибольшая точность обеспечивается при использовании частотно-стабилизированных He-Ne лазеров [1-5]. Именно на использовании этого типа лазеров основано современное определение метра [6 - 8]. Необходимы частотно-стабилизированные He-Ne лазеры с минимальной нестабильностью частоты, обладающие при этом высокой устойчивостью к возмущающим воздействиям и способные работать не только в лабораторных, но и промышленных условиях эксплуатации.

Нестабильность частоты излучения лазеров, также как и любых генераторов, определяется частотными флуктуациями, которые условно разделяются на естественные и технические [9]. Нижним пределом частотных флуктуаций является естественный уровень, обусловленный воздействием спонтанного излучения[10-11]. В связи с тем, что естественные флуктуации в He-Ne лазерах очень низки, основной вклад в нестабильность частоты излучения вносят технические флуктуации. Последние могут быть существенно уменьшены благодаря использованию определённых методов и средств стабилизации частоты He-Ne лазеров, разработка которых является предметом исследования данной работы.

Термин «частотно-стабилизированный He-Ne лазер» подчёркивает основное свойство прибора - генерирование высокостабильного по частоте излучения. Определим также термины «метод стабилизации частоты» и «средство стабилизации частоты»:

- под термином «метод стабилизации частоты» подразумевается установление определённого направления связей и процессов выполнения действий в материальных объектах, составляющих в совокупности частотно-стабилизированный лазер, для достижения главной цели - получения необходимого значения стабильности частоты излучения (как кратковременной, так и долговременной, включая воспроизводимость) в заданных условиях воздействия возмущающих факторов; под термином «средство стабилизации частоты» подразумевается материальный объект, включаемый в конструкцию частотно-стабилизированного лазера, способствующий достижению главной цели, или позволяющий достигнуть какую-либо из вспомогательных целей (например, получения заданного диапазона перестройки частоты, линейности модуляции, виброустойчивости и т.п.).

Частотно-стабилизированные He-Ne лазеры по сравнению с другими приборами аналогичного назначения (полупроводниковыми, СОг-лазерами, аргоновыми и т.п.) имеют ряд преимуществ, среди которых можно отметить следующие:

- удобный спектральный диапазон излучений (видимый и ближний инфракрасный;

- небольшая потребляемая мощность;

- компактность конструкций;

- принципиальная способность работать в широком диапазоне температур окружающей среды (от -50 до +50 °С).

Создание таких лазеров связано с решением двух технических проблем:

- формированием одночастотного излучения в рабочих модах излучения (одной или двух);

- стабилизацией частоты излучения в каждой из мод.

Решение первой проблемы связано с разработкой соответствующих конструкций излучателей, обладающих необходимыми параметрами для осуществления стабилизации частоты. Решение второй проблемы главным образом связано с разработкой эффективных методов и средств стабилизации частоты излучения, позволяющих снизить технические флуктуации частоты до необходимого для потребителей уровня.

Хотя к началу диссертационной работы было создано и исследовано довольно большое количество методов и средств стабилизации частоты излучения лазеров [1-3, 9-100], системного подхода к этому вопросу не было. Кроме того, с учётом возмущающих факторов, воздействующих на измерительные системы, известный к началу диссертационной работы набор методов и средств стабилизации частоты не обеспечивал необходимый уровень стабильности в частотно-стабилизированных лазерах, поскольку не был известен ряд методов и средств, удовлетворяющий ряду требований потребителей, в частности таким, как возможность работы частотно-стабилизированных лазеров в жестких условиях эксплуатации. Необходимо было также учитывать, что динамично развивающийся рынок постоянно предъявляет всё более высокие требования к разработчикам и производителям в части снижения себестоимости частотно-стабилизированных He-Ne лазеров.

Таким образом, решение комплекса вопросов, связанных с разработкой новых и модернизацией существующих методов и средств стабилизации частоты излучения He-Ne лазеров относится к числу актуальных.

Диссертационная работа посвящена решению важной научной проблемы - разработке методов и средств стабилизации частоты He-Ne лазеров. Именно восполнение неиспользованных к началу работы возможностей в части разработки новых методов и средств стабилизации частоты He-Ne лазеров, а также разработка системного подхода в создании частотно-стабилизированных лазеров, позволяющих разработчикам успешно разрабатывать, а потребителям - успешно эксплуатировать частотно-стабилизированные He-Ne лазеры, явилось основной целью данной диссертации.

В рамках диссертационной работы разработаны новые методы и средства стабилизации, защищенные авторскими свидетельствами и патентами, и разработаны теоретические основы проектирования частотно-стабилизированных лазеров, выполнены теоретические и экспериментальные исследования лазеров с внутренними зеркалами и лазеров с ячейками поглощения. В диссертационной работе, в частности, рассмотрен и решен ряд таких важных научно-технических и конструкторских вопросов, как терморегулирование длины резонатора He-Ne лазеров, создание оптимальных систем автоподстройки частоты, элементов модуляции активных элементов с твердой запайкой.

Решение технической проблемы - разработка новых типов частотно-стабилизированных He-Ne лазеров - потребовало проведения широких теоретических и экспериментальных исследований, постановки большого количества научноисследовательских и опытно-конструкторских работ, а также проведения больших подготовительных работ при освоении промышленностью новых типов частотно-стабилизированных лазеров.

Научные исследования, определившие содержание диссертации проводились:

• в соответствии с планами научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Министерства электронной промышленности СССР в том числе в соответствии с программой «Спектр»;

• в соответствии с программой докторантуры Балтийского Государственного Технического Университета (Военмеха) им. Д.Ф. Устинова;

• в инициативном порядке.

По материалам данной диссертационной работы осуществлено 66 публикаций [101-165], в том числе получено 23 авторских свидетельства и патента [101-123], сделаны доклады на 13-ти отраслевых, межотраслевых, Всесоюзных и международных конференциях [134-146], опубликовано 18 статей в Российских и зарубежных журналах [146-166], результаты использованы в 10-ти научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах [124133]. Приборы, разработанные автором диссертации (ЛГН-303, ЛГН-303А), уже на протяжении многих лет используются в различных областях науки и техники и зарекомендовали себя как высокостабильные и надёжные изделия (См. приложение 1). Разработанный при научном руководстве автора частотно-стабилизированный Ne-Ne лазер для абсолютного гравиметра может работать в полевых условиях эксплуатации (См. приложение 2).

Результаты диссертационных исследований были использованы также при создании приборов ЛГ-149, ЛГ-149-1, J1TH-209, JIT-64, ЛГН-301, ЛГН-212Т и ряда других приборов, разработанных в НПО «Плазма», г. Рязань.

Разработанные приборы демонстрировались на ВДНХ СССР и были отмечены медалями.

Научная новизна.

Научная новизна выполненных исследований заключается в том, что в них впервые:

1. Разработана модель частотно-стабилизированного лазера с использованием критерия наименьшего уровня технических флуктуаций частоты излучения лазера в условиях одновременного воздействия возмущающих факторов на репер, оптическую длину резонатора при наличии шумов фотоприёмника оптического дискриминатора;

2. Получены соотношения, позволяющие рассчитать предельную нестабильность частоты излучения лазера в заданных условиях эксплуатации;

3. Найдено аналитическое выражение для оптимальной передаточной функции системы автоподстройки частоты лазера для каждого из используемых методов стабилизации;

4. Предложены, реализованы и экспериментально исследованы новые системы стабилизации частоты излучения лазеров с повышенной помехоустойчивостью и точностью регулирования;

5. Разработаны методы расчёта конструкций излучателей с внутренними зеркалами и систем автоподстройки лазеров нового поколения, стабилизированных методом терморегулирования длины резонатора;

6. Определены условия реализации метода терморегулирования длины резонатора в особо прецизионных лазерах с нелинейно поглощающими ячейками.

Научная новизна, достоверность и обоснованность основных теоретических результатов подтверждается рядом авторских свидетельств и патентов, экспериментальными исследованиями и статистической обработкой полученных данных.

Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что они позволяют:

1. На этапах проектирования и разработки обоснованно выработать требования к конструкции излучателя и системам автоподстройки частотно-стабилизированных He-Ne лазеров.

2. Повысить стабильность и воспроизводимость частоты излучения лазеров.

3. Уменьшить габариты, массу, потребляемую мощность, повысить надёжность частотно-стабилизированных лазеров.

4. Решить проблему стабилизации частоты излучения лазера при воздействии дестабилизирующих факторов, соответствующих промышленным и полевым условиям эксплуатации;

5. Решить вопрос об обоснованности требований со стороны потребителей.

Практическая ценность результатов диссертационной работы подтверждается разработкой частотно-стабилизированных для прецизионных измерений, выпускавшихся на ряде предприятий России и Украины.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Использование аналитического выражения оптимальной передаточной функции частотно-стабилизированного лазера позволяет однозначно определить его предельно достижимую стабильность частоты для любых значений дестабилизирующих факторов, действующих на лазер, таких, как флуктуации репера, флуктуации длины оптического резонатора и шумы фотоприёмного устройства.

2. Регистрация флуктуаций частоты излучения лазера в виде набора значений нестабильностей частоты при различных временах усреднения задаёт взаимосвязь с коэффициентом разложения в ряд спектральной плотности флуктуаций частоты, которые однозначно определяют оптимальную передаточную функцию системы стабилизации;

3. Введение преобразований изменений амплитуды и фазы сигнала ошибки в соответствующие изменения частоты опорного генератора системы автоподстройки частоты методом внесения реактивных составляющих повышает помехоустойчивость и точность стабилизации параметров лазера;

4. Основное влияние на кратковременную нестабильность частоты терморегулируемого лазера с внутренними зеркалами, используемого для прецизионных измерений, оказывают флуктуации тока разряда, шумы излучения и помехи на входе системы АПЧ, а основное влияние на долговременную нестабильность оказывают уходы репера в виде разбаланса мод;

5. Терморегулирование в особо прецизионных лазерах с нелинейно поглощающими ячейками требует использования дополнительных быстродействующих элементов подстройки частоты, в частности, на основе электромагнитного эффекта.

6. Метод двойного терморегулирования с фиксированной температурной точкой повышает воспроизводимость частоты и позволяет увеличить температурный диапазон работы частотно-стабилизированных лазеров.

Достоверность и обоснованность научных положений подтверждена прямыми экспериментами и практическим использованием разработанных приборов.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Материалы изложены на 284 страницах, включая 105 рисунков, 12 таблиц, список литературы, состоящий из 205 наименований на 25 стр. Приложения содержат 23 стр.

Заключение диссертации по теме «Квантовая электроника», Власов, Александр Николаевич

1. Частотно-стабилизированные лазеры по сравнению с другими типами лазеров более подвержены внешним возмущающим факторам и требуют особого подхода при эксплуатации.2. Рассмотренные методики измерений флуктуации и сдвигов te| частоты излучения позволяют решить задачу определения допустимого уровня возмущающих воздействий, таких как вибрации, Глава 5. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ... 265 изменения температуры окружающей среды, конвекционные потоки, >^ обратные отражения и нестабильности питающего напряжения.3. Для лазеров, используемых в составе измерительных средств, период времени, в течении которого обеспечивается заданное значение воспроизведения частоты излучения лазера, может служить ориентиром для задания периода периодических поверок длины волны излучения,

4. Регистрация флуктуации частоты излучения лазера в виде й| набора значений нестабильностей частоты при различных временах усреднения задаёт взаимосвязь с коэффициентом разложения в ряд спектральной плотности флуктуации частоты, которые однозначно определяют оптимальную передаточную функцию системы стабилизации;

5. Введение преобразований изменений амплитуды и фазы сигнала ошибки в соответствующие изменения частоты опорного генератора системы автоподстройки частоты методом внесения реактивных составляющих повышает помехоустойчивость и точность ^ стабилизации параметров лазера; Несмотря на повышенную техническую сложность указанные системы являются предпочтительными для применения в лазерах с ячейками поглощения для прецизионных измерений.ЗАКЛЮЧЕНИЕ 266 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Основные итоги диссертационной работы состоят в обобщении вопросов, связанных с разработкой методов и средств стабилизации частоты He-Ne лазеров, и решении крупной научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение, - создание ряда частотно-стабилизированных лазеров, освоение их в производстве и внедрение в аппаратуру.Научная ценность диссертации состоит в том, что: ^ - теоретически обобщены и развиты принципы конструирования частотно-стабилизированных He-Ne лазеров; обоснованы и реализованы методы улучшения характеристик частотно-стабилизированных лазеров, исследованы процессы стабилизации частоты излучения под воздействием внешних и внутренних дестабилизирующих факторов; • созданы новые методы и средства стабилизации частоты излучения He-Ne лазеров включая системы АПЧ и ^ высоковольтные источники питания, позволяющие существенно продвинуть вперед технику стабилизации частоты излучения и питания He-Ne лазеров.Практическая ценность работы заключается: • в разработке значительного числа новых методов и средств стабилизации частоты He-Ne лазеров, работоспособность которых подтверждена теоретическими и экспериментальными исследованиями, защищена публикациями, в том числе авторскими свидетельствами и патентами; У^ - в разработке базовых конструкций частотно стабилизированных He-Ne лазеров с внутренними зеркалами, стабилизированных методом терморегулирования длины ЗАКЛЮЧЕНИЕ 267 резонатора, являющихся основой для конструирования других 01 типов частотно-стабилизированных лазеров с более сжатые сроки и при меньших затратах на их разработку и освоение в производстве; • во внедрении в аппаратуру ряда типо^ частотно стабилизированных лазеров, что позволило от их использования получить существенные технические и экономические результаты.Основные результаты диссертационной работы более детально могут быть сформулированы следующим образом:

1. Создана теоретическая модель частотно-стабилизированного лазера, в камках которой установлена взаимосвязь частотного спектра сигнала на выходе оптического дискриминатора с флуктуациями частоты излучения в частотно стабилизированных лазерах и найдены коэффициенты пропорциональности для различного типа лазеров, получена передаточная функция оптимальной системы АПЧ, позволяющая создавать частотно-стабилизированные лазеры с наименьшими уровнями флуктуации частоты излучения.^ 2. Определены предельно достижимые значения кратковременной нестабильности частоты излучения в частотно стабилизированных лазерах, которые могут быть получены в заданных условиях эксплуатации при наличии внешних возмущающих факторах, таких как вибрации, акустические колебания, турбулентные потоки, обратные отражения.3. Получены соотношения для сдвигов частоты, определяющих долговременную нестабильность и погрешность воспроизведения частоты излучения в стабилизированных т* лазерах, в том числе подробно проанализированы сдвиги, вносимые системами АПЧ; показаны пути повышения ЗАКЛЮЧЕНИЕ 268 долговременной стабильности и воспроизводимости частоты Щ излучения стабилизированных лазеров.4. Выработаны требования к конструкции излучателей, оптических дискриминаторов и систем АПЧ, что позволяет осуществлять оптимальное проектирование частотно стабилизированных лазеров.5. Установлено, что в случае стационарности случайного процесса флуктуации частоты излучения существует взаимная однозначность соответствия спектральной плотности S^co) и дисперсии ^ х ) , получаемой при различных временах ycpe^щeния т, что позволяет корректировать исходные данные для оптимизации систем АПЧ.

6. Предложены и опробованы методы частотной модуляции поискового сигнала в системах АПЧ, что позволяет создавать цифровые системы АПЧ и на один-два порядка повысить помехоустойчивость и точность привязки частоты в реперу в частотно-стабилизированных лазерах.7. Разработан ряд лазеров с внутренними зеркалами, стабилизированных методом терморегулирования длины резонатора, в которых применены новые методы и средства стабилизации частоты; проведены исследования их характеристик в реальных условиях эксплуатации при использовании их в научных исследованиях и промышленности.8. Проведены теоретические и экспериментальные исследования флуктуации и сдвигов частоты излучения лазеров, стабилизированных по ячейкам поглощения. Разработаны конструкции лазеров с внутренними нелинейно поглощающими ячейками поглощения (He-Ne/J2, He-Ne/CH4), стабилизированные методом терморегулирования длины резонатора.ЗАКЛЮЧЕНИЕ 269

9. Разработан универсальный подход к проектированию Щ частотно-стабилизированных лазеров любых типов для любых условий эксплуатации.По результатам диссертационной работы подготовлена рукопись монографии, посвященной вопросам стабилизации частоты гелий-неоновых лазеров.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Власов, Александр Николаевич, 2002 год

1. Более жесткие требования к стабильности тока;

2. Пониженные уровни пульсаций на первой и высших гармониках частоты преобразования и на второй и высшей гармониках питающей сети;

3. Активные элементы для частотно-стабилизированных лазеров имеют существенно более высокие требования по сравнению с активными элементами общего назначения. Внимание следует акцентировать преимущественно на активные элементы с внутренними зеркалами.

4. Высоковольтные источники питания существенно влияют на стабильность и воспроизводимость частоты излучения и поэтому должны удовлетворять повышенным требованиям по стабильности тока, пульсациям и наводкам на элементы контура автоподстройки частоты.