Лазер

Изобретение относится к области квантовой электроники и лазерной техники и может быть использовано при создании оптических стандартов частоты и в спектроскопии сверхвысокого разрешения. Известен стабилизированный, лазер [1], содержащий активную среду, поглощающую среду, помещенные в кольцевой резонатор, одно из зеркал которого снабжено пьезоприводом, внешнее возвратное зеркало, систему стабилизации частоты, состоящую из соединенных последовательно фотоприемника, синхронного детектора с генератором модулирующего напряжения, выход которого подключен к пьезоприводу. В данном устройстве стабилизация частоты излучения производится по так называемому фазовому резонансу, ширина Г которого много меньше однородной ширины линии поглощения. Наиболее близким к предлагаемому решению является лазер [2], содержащий активную среду, поглощающую среду и частотный невзаимный элемент, помещенные в кольцевой резонатор,одно из зеркал которого снабжено пьезоприводом, внешнее возвратное зеркало, последовательно соединенные оптически связанные с резонатором фотоприемник, синхронный детектор, соединенный с генератором модулирующего напряжения и выполненный настроенным на его частоту f, и первый интегратор, причем генератор модулирующего напряжения и выход первого интегратора соединены с пьезоприводом, а также последовательно соединенные второй синхронный детектор и второй интегратор, при этом синхронный детектор соединен с фотоприемником, а выход второго интегратора соединен с частотным невзаимным элементом, Указанная система позволяет совместить фазовые резонансы усиления и поглощения и существенно повысить стабильность частоты. Недостатком данного лазера является сложность системы подстройки частоты, в которой происходит модуляция двух параметров лазера на двух частота х, что снижает надежность системы, и тем самым, стабильность и воспроизводимость частоты. Основным фактором, ограничивающим стабильность и воспроизводимость частоты излучения в данномлазере, являются сдвиги частоты стабилизированного лазера из-за несовмещения фазовых резонансов усиления и поглощения. В основу изобретения поставлена задача создания лазера, в котором устранен сдвиг частоты из-за несообщения фазовых резонансов усиления и поглощения, и за счет этого повышена стабильность и воспроизводимость частоты излучения. Поставленная задача решается тем, что в лазер, содержащий активную среду, поглощающую среду и частотный невзаимный элемент, помещенные в кольцевой резонатор, одно из зеркал которого снабжено пьезоприводом, внешнее возвратное зеркало, последовательно соединенные оптически связанные с резонатором фотоприемник, синхронный детектор, соединенный с генератором модулирующего напряжения и выполненный настроенным на его частоту f, и первый интегратор, причем генератор модулирующего напряжения и выход первого интегратора соединены с пьезоприводом, а также последовательно соединены второй синхронный детектор и второй интегратор, при этом синхронный детектор соединенный с фотоприемником, а выход второго интегратора соединен с частотным невзаимным элементом, согласно изобретению, второй синхронный детектор соединен с генератором модулирующего напряжения выполнен настроенным на его устроенную частоту - 3f. Устройство реализации способа изображено на чертеже, на котором представлена блок-схема стабилизированного лазера. Лазер содержит отражающие зеркала 1,2,3,4 кольцевого резонатора, причем зеркало 4 помещено на пьезопривод 5, внешнее возвратное зеркало 6, усиливающую среду 7, поглощающую среду 8, частотный невзаимный элемент 9. Имеется также фотоприемник 10, генератор модулирующего напряжения 11, два синхронных детектора 12, 13 и два интегратора 14, 15. При этом синхронный детектор 13 настроен на частоту генератора 11, а синхронный детектор 12 на утроенную частоту генератора 11. Лазер работает следующим образом. В одномодовом режиме генерации вблизи центра линии усиления и узкой области частот одна из бегущи х волн подавлена так, что в отсутствии обратных отражений генерации осуществляется только на одной сильной волне Е1. Наличие внешнего возвратного зеркала 6, отражающего часть интенсивности сильной волны обратно в резонатор, приводит к образованию слабой встречной волны Е2. Интенсивность этой волны завит от частоты w излучения лазера резонансным образом и максимальна при совпадении частоты с центрами линий усиления w ( + ) (фазовый резонанс усиления) и поглощения w (- ) (фазовый 0 0 резонанс поглощения). Наличие в резонаторе частотного невзаимного элемента приводит к различию собственных частот W резонатора для встречных волн W 1 ¹ W 2 . Разность W 1 - W 2 дает величину частотной не взаимности, создаваемой невзаимным элементом. Зависимость интенсивности 12 слабой волны от частоты можно получить из укороченных уравнений для амплитуд и фаз встречных волн в кольцевом лазере и она имеет вид где I1 - интенсивность сильной волны; q(+) и q(-) - относительная интенсивность фазового резонанса усиления и поглощения соответственно; Г (+) и Г (-) - ширина фазового резонанса усиления и поглощения соответственно; сдвиг максимума фазового резонанса, обусловленный частотной не взаимностью резонатора; Dw p - ширина полосы резонатора; n - относительное превышение накачки над пороговым значением. Здесь Г (+) примерно на порядок больше, чем Г(-) а q(+) и q(-) примерно одного порядка. При подаче на пьезопривод 5 переменного модулирующего напряжения от генератора 11с частотой f частота излучения лазера модулируется по закону w(t ) = w + wmax cos 2p ft. (2) В результате в выходной интенсивности лазера возникает переменная составляющая, которая регистрируется фотоприемником 10. Синхронный детектор 12 выделяет переменную составляющую интенсивности излучения лазера на утроенной частоте 3f, которая имеет вид, Поскольку Г(+) >> Г (-), то первым слагаемым (3) можно пренебречь, поскольку оно намного меньше второго. Формула (3) описывает сигнал ошибки возникающий при отстройке частоты излучения от центральной частоты линии поглощения w ( + ) . Этот сигнал, выделенный синхронным детектором 12, усредняется интегратором 14 и 0 подается на пьезопривод 5. Результирующее смещение зеркала 4 компенсирует смещение частоты (+) w относительно максимума резонанса w 0 . Частота излучения подстраивается к значению w = w (+) - dw 0 (4) Формула (5) описывает сигнал ошибки. Этот сигнал, выделенный синхронным детектором 13, усредняется интегратором 15 и подается на частотный невзаимный элемент 9. Поскольку частота излучения в результате работы системы АПЧ, состоящей из генератора 11, синхронного детектора 12, интегратора 14 уже фиксирует центр линии поглощения w ( + ) , то работа второй системы АПЧ, 0 состоящей из генератора 11, синхронного детектора 13 и интегратора 15, подстраивает частоту излучения w к значению w = w (-) - dw , (6) 0 Таким образом, в данном устройстве при одновременной работе двух систем АПЧ центры фазового усиления w ( + ) , поглощения w (- ) и часто та излучения лазера w совмещается, что дает возможность примерно 0 0 на порядок повысить значение стабильности и воспроизводимости частоты излучения по сравнению с прототипом [2]. Например, в кольцевом гелий-неоновом лазере с йодной поглощающей ячейкой, который был выполнен в полном соответствии с описанием и формулой данного изобретения стабильность частоты излучения составляла 4 •10-12 при времени усреднения t = 1 с, а воспроизводимость 5•10-11. Тогда как для того же лазера, выполненного в соответствии с прототипом, стабильность и воспроизводимость составляли 6 •1011 ( t =1 с) и 7 •10-10 соответственно.