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 факторовпод 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 [124 133]. 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.

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 лазераНесмотря 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 лазеровобоснованы 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 патентамиУ^ - 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 АПЧпоказаны 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 частотыпроведены 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.