імені Тараса Шевченка

Стукаленко Вікторія Віталіївна

УДК 535.56:535.012:537.632.3:535.327:

537.871.7:535.417.2:535.232

ВЗАЄМОЗВ’ЯЗОК ПОЛЯРИЗАЦІЙНИХ ТА ЧАСТОТНИХ

ФЛУКТУАЦІЙ МОД КВАЗІІЗОТРОПНОГО РЕЗОНАТОРА

01.04.05 – оптика, лазерна фізика

автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі оптики фізичного факультету

Київського національного університету імені Тараса Шевченка

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук, доцент

Конончук Георгій Лукич,

Київський національний університет

імені Тараса Шевченка, фізичний факультет,

пенсіонер

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор,

Григорук Валерій Іванович,

Київський національний університет

імені Тараса Шевченка,

декан радіофізич-ного факультету,

завідувач кафедри кван-тової радіофізики

доктор фізико-математичних наук, професор,

Фекешгазі Іштван Вінцейович,

Інститут фізики напівпровідників

імені В.Є. Лашкарьова НАН України,

завідувач відділу нелінійних оптичних систем

Провідна установа: Інститут фізики НАН України, м. Київ

Захист відбудеться "28"березня2005р.о1630годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .001.23 при Київському національному університеті імені Тараса Шевченка за адресою: , м. Київ, просп. Акад. Глушкова, 2, корпус , ауд.200

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка (01033, м.Київ, вул. Володимирська, 58)

Автореферат розісланий "25 " лютого 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д .001.23

доктор фізико-математичних наук, професор Л.В. Поперенко

ЗАГАЛЬНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ РОБОТИ

актуальність теми. Знання відгуку випромінювання лазера на зміну його параметрів необхідне принаймні в таких важливих для практики випадках: при реалізації способів внутрішньої діагностики активного середовища лазера, при аналізі стабільності випромінювання, при здійсненні ефективних способів внутрішньої модуляції випромінювання. В сучасній науці і техніці широкого застосування набули двочастотні газові лазери з ортогональною поляризацією хвиль. Вико-ристання таких лазерів лежить в основі так званих гетеродинних вимірю-валь-них систем. При цьому актуальною є проблема стабілізації харак-теристик випромінювання цих лазерів. більшість систем стабілізації випромінювання двомодових лазерів базується на однозначності зв'язку між частотами генерації та міжмодового биття, рівності інтенсивностей ортогональних мод. Разом з тим, як показав багаторічний досвід застосування таких систем стабілізації, стабільність частоти випромінювання серійних лазерів виявилася на два порядки гіршою, ніж передбачалось. Тому важливою задачею є дослідження режимів двочастотної генерації, які забезпечують високу стабільність поляризації, різницевої частоти і інтенсивності мод, разом з можливістю ефективної стабілізації їхніх частот випромінювання. існують фізичні причини, які не можуть бути усунені покращенням технології виготовлення лазерів, зокрема, слід враховувати співвідношення між дисперсією і підсиленням в активному середовищі, взаємодію атомів через співудари, нелінійну взаємодію атомів з потужною монохроматичною хвилею. Динаміка нелінійних процесів, які відбуваються в плазмі газового розряду, веде до зміни положення площини поляризації лазерних мод. суттєву роль відіграє вплив на положення площини поляризації мод лазера слабких магнітних полів, зеєманівське розщеплення рівнів в таких полях значно менше допплерівської ширини лінії, величина яких такого ж порядку або дещо перевищує величину магнітного поля Землі, тощо. Дослідження впливу такого роду чинників на стабільність вихідних параметрів випромінювання лазера є актуальною задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась в рамках проекту №  БФ051-06 “Дослідження прояву міжмолекулярної взаємодії в оптичних спектрах невпорядкованих систем та її впливу на модовий склад лазерного випромінювання” комплексної наукової програми “Фізичні процеси в центрах поглинання та люмінесценції кристалічних та невпорядкованих середовищ з p-, d- та f-елементами”, № держ. реєстрації 0101U002468.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – вивчення фізичних причин, які приводять до нестабільності основних характеристик випромінювання – частоти, поляризації, інтенсивності – газових лазерів з гелій-неоновим актив-ним середовищем; виробити рекомендації по стабілізації частоти випроміню-вання газового лазера в усьому діапазоні генерації.

Для цього потрібно було: 1) дослідити взаємозв'язок між характеристи-ками випромінювання лазера, таких як поляри-зація, інтенсивність, частота міжмодового биття, та частотою генерації; 2) дослідити вплив зовнішніх факторів, зокрема, температури, магнітного поля, на стабільність вказаних характеристик випромінювання газового лазера.

Для досягнення поставленої мети потрібно було вирішити такі задачі:

- створити експериментальну установку, яка б дозволяла синхронно реєструвати спектри та стан поляризації лазерного випромінювання, а також спектр частот міжмодового биття, в слабких магнітних полях;

- дослідити вплив однорідного та локального магнітних полів в області розряду на положення площини поляризації ортогональних мод випромінюван-ня двомодового лазера у всьому діапазоні генерації;

- дослідити стабільність положення площини поляризації випромінювання серійних лазерів в реальних умовах експлуатації;

- дослідити вплив аномальної дисперсії на частоту міжмодового биття та з’ясувати можливість використання частоти міжмодового биття для стабілізації частоти випромінювання газового лазера;

- розробити і випробувати стабільно випромінюючу лазерну систему.

Об’єкт дослідження – випромінювання двомодових газових лазерів неперервної дії.

Предмет дослідження – орієнтація площини поляризації ортогональних та колінеарних мод гелій-неонового лазера в слабких магнітних полях та частота міжмодового биття цих мод.

Метод дослідження – синхронна реєстрація та комп’ютерна обробка спектру мод, стану поляризації мод та спектру частоти міжмодового биття.

наукова новизна одержаних результатів.

досліджено спектральну залежність положення площини поляризації мод двочастотного гелій-неонового лазера.

в межах контуру підсилення двочастотного газового лазера досліджено вплив однорідного та локального магнітних полів на положення площини поляризації мод квазіізотропного резонатора.

Встановлено, що кут між площинами поляризацій мод квазіізотропного резонатора залежить від спектрального положення мод в контурі підсилення та від величини магнітного поля; лише при симетричному розташуванні мод в контурі він дорівнює /2.

Встановлено спектральні залежності частот міжмодового биття в межах контуру підсилення для мод квазіізотропного та анізотропного резонаторів.

Розраховано вплив температури на спектральну залежність частоти міжмодового биття на основі класичного зв'язку між дисперсією світла та коефіцієнтом підсилення в області активного переходу.

Запропоновано, досліджено і впроваджено систему радіаційного контакту між тепловидільними елементами і елементами конструкції резонатора в системі стабілізації частоти випромінювання лазера.

Практичне значення одержаних результатів. Встановлені причини нестабільності частотно-поляризаційних характеристик та інтенсивності випро-мінювання лазера дозволяють при конструюванні стабільних лазерних систем уникнути принципових помилок і не закладати в системи, що розробляються, нежиттєздатних ідей.

Отримані результати можуть знайти застосування для оптимізації методів керування параметрами випромінювання лазера, в модуляційній лазерній поляриметрії, а також при виготовленні стабільних лазерних приладів для лазерної спектроскопії, рефрактометрії, допплерівської анемометрії, лазерних далекомірів, при передачі інформації шляхом управління поляризацією, а також при розробці одно- і двочастотних газових лазерів зі стабільними характеристиками випромінювання. Застосування поляризаційної модуляції з використанням локального магнітного поля в лазерних інформаційних каналах є досить перспективним.

Запропонований метод стабілізації може бути використаний для створення дослідних зразків газових лазерів зі стабілізованим за частотою випромінюванням, а на їх основі – і серійних лазерів.

Деякі результати, отримані при виконанні дисертаційної роботи, використовуються в навчальному процесі на фізичному факультеті Київського національного університету імені Тараса Шевченка при вивченні спецкурсів „Сучасна інтерферометрія” та „Когерентна оптика”, увійшли до посібника “Методичні ре-ко-мендації до лабораторного практикуму зі спецкурсу “Когерентна оптика” для студентів фізичного факультету”.

Особистий внесок здобувача полягав у плануванні та проведенні експериментів по дослідженню поляризаційних, частотних характеристик мод гелій-неонового лазера та частоти міжмодового биття; обробці отриманих даних за допомогою комп’ютера з використанням спеціально розроблених програм; участі в розробці моделі, яка описує отримані результати, теоретичному розрахунку впливу температури на міжмодові інтервали гелій-неонового лазера та розрахунку підсилення світла і дисперсії активного середовища при дії потужної резонансної хвилі; підготовці матеріалів та виголошенні доповідей на наукових конференціях та семінарах; в написанні та підготовці до друку наукових статей.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися на XVI International School-Seminar “Spectroscopy of molecules and crystals” (Sevastopol, 25.05-1.06. 2003); International scientific and practical conference “Spectroscopy in special applications” (м. Київ, 18-21 червня 2003); III International Young Scientist Conference “Problem of Optics and High Technology MateScience” (м. Київ, 24-26 жовтня 2002); V Всеукраїн-ська наукова конференція “Фундаментальна та професійна підго-тов--ка фахівців з фізики” (м. Київ, 7-8 червня 2000 р.) та на наукових семінарах кафедри оптики фізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Публікації. Матеріали дисертації представлені у вигляді 10 наукових статей та 5 тез доповідей на наукових конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, висновків та списку використаних джерел. Вона викладена на 155 сторінках, включає в себе 67 рисунків загальним обсягом 28 сторінок та список використаних джерел з 166 найменувань на 12 сторінках.

основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та задачі проведених досліджень, визначено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, наведені дані стосовно їхньої апробації.

Перший розділ присвячено огляду літературних даних щодо поляризаційних характеристик лазерних мод, методів опису випромінювання газових лазерів та методів стабілізації частоти випромінювання газових лазерів. Розглянуто результати досліджень поляризації мод в залежності від величини накачки, тиску газів активного середовища, анізотропії резонатора та напруженості магнітного поля.

Поляризація випромінювання лазера визначається в загальному випадку анізотропними нелінійними властивостями як активного середовища, так і резонатора; положення площини поляризації випромінювання змінюється в процесі роботи лазера, що зумовлено конкуренцією лазерних мод, тобто, динамікою взаємодії електромагнітного поля хвилі з атомами активного середовища, а також зовнішніми впливами, зокрема, магнітним полем. флуктуації поляризації випромінювання можуть бути однією з причин нестабільності інтенсивності генерації лазера. Поворот площини поляризації випромінювання для He–Ne-лазерів, в основному, досліджу-вався для одно частотних газових лазерів.

Розглянуто феноменологічний підхід для розрахунку частоти лазерних мод та міжмодового биття в неоднорідно розширеному контурі підсилення одномодових лазерів на основі класичної теорії дисперсії. Такий підхід дозволяє адекватно описати спектральний хід показника заломлення в контурі підсилення, а, отже, і зміну частоти генерації газового лазера. Дисперсійне зміщення частоти моди є функцією параметрів активного середовища та резонатора, останні можна безпосередньо визначати з частотної поведінки в працюючому лазері. Вико-ристаний при цьому метод балансних рівнянь, в яких враховано співвідношення між коефіцієнтами підсилення активного середо-вища та загальними втратами резонатора, може засто-совуватись у випадках, коли важливо знати енергетичні параметри лазера.

Проаналізовано літературні дані, що стосуються методів стабілізації випромінювання газових лазерів (інтенсивності, частоти) з використанням внутрішніх параметрів випромінювання лазера (наприклад, частоти міжмо-дового биття, рівності інтенсивностей мод) та зовнішніх еталонів (поглинальна комірка, інтерферометр Фабрі-Перо). як показав багаторічний досвід застосування систем стабілізації з використанням внутрішніх параметрів газових лазерів, стабільність частоти випромінювання серійних лазерів виявилася на два порядки гіршою, ніж передбачалось [1]. Простота реалізації методу стабілізації з використанням внутрішніх параметрів (при цьому апріорі вважається, що існує однозначний зв'язок між вказаними характеристиками випромінювання і частотою генерації) втрачає свою привабливість при ґрунтовнішому підході.

У другому розділі описана методика дослідження випромінювання газових лазерів. Експериментальна установка для дослідження розвитку в часі спектру випромінювання при проходженні мод контуром підсилення та спектру частоти биття цих мод є двоканальним поляризаційним спектрофото-метром лазерного випромінювання, який дозволяє синхронно реєструвати оптичний спектр окремо в кожній з поля-ризацій мод, положення площини поляризації мод, спектр міжмодового биття. Така реєстрація дозволяє ста--вити у відповідність частоту генерації моди та частоту міжмодового биття, а також стан поляризації, при переміщенні мод контуром підсилення і простежувати взаємозв’язок флуктуацій вказаних величин в залежності від дії зовнішніх чинників, таких як магнітне поле, температура тощо.

Сигнали двох ідентичних детекторів, які реєструють інтенсивності ортогонально поляризованих мод, сигнали частоти міжмодового биття та спектральної розгортки оцифровувались і записувались в комп’ютер. Програма обробки вказаних сигналів в кожній розгортці осцилографа визначала спектральне положення та величини інтенсивностей обох мод і частоти міжмодового биття. При проведенні дослідів всім виявленим в першій розгортці модам присвоювався порядковий номер. В кожній наступній розгортці частотне положення моди та інтенсивність змінювались, тому було розроблено програму, яка впізнавала та ідентифікувала раніше позначені моди. При появі в спектрі генерації нової моди їй присвоювався програмою наступний порядковий номер, і вона досліджувалася таким же самим способом як і попередні. При побудові графіків положення нуля на осі частот, що відповідало центру контуру підсилення, визначалось у точці, яка розташована посередині області існування генерації. При цьому міжмодовий інтервал (640 МГц для досліджених резонаторів) використовувався для визначення масштабу вздовж осі абсцис.

положення площини поляризації випромінювання лазера визначалось за двома проекціями амплітуд напруженості електричного поля, які фіксуються у кожному каналі реєстрації. вимірювання величин електричних сигналів в кожному з каналів проводилось при двох положеннях двопроменевої призми: 1) напрямки пропускання двопроменевої призми збігаються з площинами поляризації ортогональних мод; 2) кут між ними становить 45. В першому випадку реєструвались спектральне положення мод та спектр частоти міжмодового биття. В другому випадку – на вхід кожного з каналів реєстрації подавався сигнал від обох ортогональних мод, і, використовуючи розроблену методику автоматизованого запису та обробки експериментальних даних, за цими даними визначалась зміна положення площини поляризації кожної з мод, а також величина кута між ними.

Проведено аналіз систематичних похибок при застосуванні описаної вище методики та оцінку точності вимірювань кута повороту площини поляризації. Зокрема, похибка вимірювання положення мод становила ±  МГц, кута повороту площини поляризації мод становила  кутових мінут.

У третьому розділі представлено результати експериментальних досліджень спектрів аксіальних мод двочастотного квазіізотропного та анізотропного гелій-неонового лазера в однорідному і локальному магнітних полях. Встановлено, що положення площини поляризації мод двочастотного лазера може змінюватися стрибком на ортогональне (перескок) в центрі та на периферії контуру підсилення; виникнення та загасання моди відбувається, як правило, в тій же поляризації, яку має в цей момент мода в центрі контуру. На рис. 1 наведено, як приклад, записи спектрального положення мод та частоти міжмодового биття при проходженні контуром підсилення мод з ортогональними поляризаціями П1 та П2 (рис.1 а) та колінеарних (рис.1 б) мод в процесі видовження резонатора. На основі отриманих даних визначено спектральну залежність кута повороту площини поляризації аксіальних мод лазера з ортогонально поляризованими модами.

взаємно ортогональні моди, які існують в квазіізотропному резонаторі, не є повністю еквівалентними: двом поляризаціям відповідають різні оптичні довжини резонатора; це означає, що міжмодова відстань в одній поляризації, наприклад, вертикальній (позначення умовне), відрізняється від міжмодової відстані в ортогональній поляризації, тобто, ці моди утворюють дві сітки власних частот. При двомодовій генерації можливі два випадки: інтервал між сусідніми модами більший або менший за міжмодовий інтервал в кожній з сіток (відповідно “довгий” чи “короткий” інтервал).

Виявлено, що фазова поляризаційна анізотропія реального резонатора, крім стаціонарної складової, має динамічну складову. Перша з них визначає середнє положення площин поляризації обох мод лазера, друга – випадкове розхитування їх. відтворюваність спектральної залежності кута повороту площини поляризації аксіальних мод в кожній реалізації, а також спектральної залежності частоти міжмодового биття, залежить від співвідношення між вказаними складовими. Зміною довжини резонатора повністю відтворювати частотно-поляризаційно-інтенсив-нісну ситуацію можливо лише на деяких зразках промислових лазерів.

Досліджено вплив слабких магнітних полів з величиною напруженості   А/м на спектральне положення площини поляризації мод. Встановлено, що в магнітному полі як однорідному, так і локальному, в поворотах площини поляризації мод з'являється характерна регулярність, незважаючи на те, що магнітне поле є додатковим чинником, який впливає на поляризаційну неста-більність мод. На рис. 2 наведено приклад спектральних залежностей кута повороту площини поляризації ортогональних мод від величини відстройки частоти відносно центру контуру підсилення при різних величинах магнітного поля. кути повороту площини поляризації мод в магнітному полі зростають порівняно з кутами повороту площини поляризації мод при відсутності магнітного поля (рис.  а, б); при збільшенні напруженості магнітного поля відбувається перескок площини поляризації моди в тих спектральних областях, де при відсутності магнітного поля спостерігається лише розхитування площин поляризації мод (рис.  в, г).

Встановлено, що кутовий відгук положення площини поляризації мод на зовнішнє магнітне поле виявився різним як за величиною, так і за знаком, що приводить до порушення ортогональності мод (рис. ) для всіх частот, крім тих, що віддалені на половину міжмодового інтервалу від центру лінії підсилення. Таким чином, для частот генерації, які відповідають приблизно симетричному розташуванню мод в контурі підсилення, чутливість до магнітного поля відсутня. в реальних умовах, коли можлива дія випадкових магнітних полів, робота лазера з квазіізотропним резонатором супроводжується неконтрольо-ваним порушенням ортогональності мод.

Показано, що локальне поздовжнє магнітне поле призводить до такого ж повороту площини поляризації випромінювання лазера як і однорідне магнітне поле, що діє на всьому розрядному проміжку. Отже, в схемах модуляції лазерного випромінювання можна вико-ристовувати локальне магнітне поле, а це сприятиме розширенню частотного діапазону модуляції.

Четвертий розділ присвячено експериментальному та теоретичному дослідженню впливу фізико-технічних факторів на частоту мод та частоту міжмодового биття двомодових гелій-неонових лазерів. Теоретичні та експе-риментальні дослідження спектру мод та міжмодового биття при переміщенні мод контуром підсилення показують високу чутливість останніх до дії зовнішніх факторів (температури, механічних коливань і т.п.), що приводить до зміни в положенні площини поляризації мод і, як наслідок, до різких змін в залежності частоти міжмодового биття.

Розраховано вплив температури активного середовища на частоту генерації та частоту міжмодового биття двомодового газового лазера на основі класичної теорії дисперсії з урахуванням ефектів насичення та за-лежності ширини допплерівського контуру а0 від температури. При теоретичних розрахунках вважалось, що активне середовище газового лазера є сукупністю од-на-кових атомів, кожен з яких має два рівні з енергіями Е1, Е2. Однорідне розширення лінії за рахунок зіткнень атомів описується функцією Лоренца, а неоднорідне розширення, зумовлене ефектом Допплера, – функцією Фойгта. отримано на основі балансних рівнянь функціональну залежність між частотою моди і параметрами активного середовища – показником заломлення, величинами однорідного і неоднорідного розширення лінії активного переходу, загальними втратами резонатора, глибиною провалів Беннета. дисперсійне зміщення частоти кожної з двох ортогонально поляризованих мод ? х, ? у для випадку квазіізотропного резонатора знаходиться за формулами:

,

,

де х = (1 0) /a0, у = (2 0) /a0 – без--роз-мірна відстройка частоти генерації відповідно першої моди з частотою 1 та другої моди з частотою 2 відносно центра допплерівського кон-туру, 0 – частота атомного переходу, 2а0 – повна ширина допплерівського контуру на половині висоти, 0V – максимальне значення коефіцієнта підсилення, = 0/2a0 – безрозмірна повна напівширина лоренцевої лінії, 0 – повна ширина лоренцевої лінії на половині висоти, h1,2 – глибина провалів Беннета першої та другої моди відповідно, . частота міжмодового биття знаходиться як різниця між дисперсійним зміщенням частот мод ? х та ? у. теплова залежність доп-пле-рівського параметра врахована наступним чином:

а0 а0(1 ?T /2T),

де a0 = 2? ?–1 (ln2 .2 kT ma)1/2 – відповідає робочій температурі T, ??– довжина хвилі в вакуумі, k – стала Больцмана, ma – маса атома, ?T – варіація температури поблизу значення T.

Аналіз вищенаведених залежностей показав, що флуктуації, викликані зміною температури активного середовища, порушують однозначність зв’язку між частотою міжмодового биття та частотою генерації ортогональних мод: одне і те ж значення частоти міжмодового биття може бути при різних темпе-ратурах активного середовища. при цьому абсолютні значення частот генерації можуть змінюватися, тоді як різниця залишається постійною. розраховано коефіцієнт температурної нестабільності, величина якого, в кращому випадку, дорівнює приблизно 1 МГц К–1. Якщо робочу температуру газового розряду підтримувати з точністю   К, то стабільність оптичної частоти складає близько 10?9 при умові бездоганної роботи електронної системи, яка відслідковує відхилення частоти міжмодового биття системи. Таким чином, метод стабілізації частоти генерації з використанням контролю за частотою міжмодового биття додатково потребує підтримання з високою точністю сталою температуру активного середовища лазера.

Досліджено спектри частоти міжмодового биття лазерів з колінеарними та ортогонально поляризованими модами. величина частоти міжмодового биття залежить від спектрального положення мод в контурі підсилення. Для кожного з типів лазерів хід залежності частоти міжмодового биття в процесі теплового видовження резонатора є різним (рис.4): для лазерів з квазі-ізотропним резонатором спосте-рігаються розриви в моменти зникнення - виникнення мод на периферії контуру підсилення, що свідчить про нееквівалентність ортогональних мод лазера з квазі-ізотропним резонатором; спект-ральна залежність частоти міжмо-дового биття колінеарних мод ані-зотропного резонатора є непе-рервною. Розриви в спектральній залежності частоти міжмодового биття при генерації ортогональних мод свідчать про відмінність оптичних довжин резонатора для мод з ортогональними поляризаціями.

З’ясовано, що відсутність розриву в спектральній залежності частоти міжмодового биття спостерігається для лазерів з колінеарними модами та для лазерів з ортогональними модами у випадку різкої зміни положення площини поляризації на ортогональне в центрі контуру підсилення, коли на низькочастотному схилі контуру моди існують лише в одній поляризації, а на високочастотному схилі – в ортогональній. Тобто, зміна поляризації мод лазера з квазіізотропним резонатором впливає на хід залежності частоти міжмодового биття.

Локальне короткочасне охолодження резонатора викликає флуктуаційні зміни частоти міжмодового биття. До подібних змін приводить і слабка локальна механічна дія на резонатор. у випромінюванні промислових двомодових лазерів ( = 0,6328 мкм) можуть неконтрольовано з’являтися моди вищих порядків. Виникнення таких мод впливає на стабільність інтенсивності, положення площини поляризації випромінювання лазера, частоту міжмодового биття аксіальних мод (рис. ). Окрім того, в генерації можуть бути присутні лінії, верхній рівень яких є спільним з переходом 3s2  4. Всі ці явища впливають на розподіл населеності по рівням, дисперсію світла і дестабілізують роботу He-Ne лазера на частотах основного випромінювання.

П’ятий розділ присвячено запропонованому нами методу стабілізації частоти випромінювання газового лазера з використанням зовнішнього еталону – інтерферометра Фабрі-Перо. система від'ємного зворотного зв'язку органі-зована з використанням стробового методу – порівняння двох сталих напруг, які характеризують положення лінії на контурі пропускання інтерферометра Фабрі-Перо. сигнал відмінності частоти лазера і моди інтерферометра Фабрі-Перо змінює оптичну довжину резонатора шляхом тепловиділення в елементах конструкції резонатора. Показано, що чутливість стробового способу виділення моди лазерного випромінювання можна покращити в декілька разів, розташовуючи два строби на певній відстані один від одного симетрично відносно центру смуги пропускання інтерферометра Фабрі-Перо. Досліджено систему стабілізації випроміню-вання при застосуванні радіа-ційного зв’язку між тепловиділяючими елемен-тами і елементами конструкції резонатора. У якості тепловиділяючого елементу служили лампи розжарення в спеціально підібраному режимі роботи, завдяки чому досягається незначний перегрів резонатора над робочою температурою, що і дозволяє змінювати довжину резонатора в той чи інший бік при появі керувального сигналу в системі від'ємного зворотного зв'язку.

Досягнуто рівень стабілізації частоти випромінювання 10–8 (рис. ). Запропоно-ваний спосіб може забезпечити вищий рівень стабілізації частоти, якщо використати інтерферометр Фабрі-Перо з кращими характеристиками та розташувати кожен із стробів в областях максимальної крутизни лінії пропускання інтерферометра Фабрі-Перо.

Застосування скануючого інтерферометра Фабрі-Перо дає можливість стабілізувати положення мод на контурі підсилення як для лазерів з неполяризованим випромінюванням, так і для лазерів з поляризованим випромінювання, а використання стробового виділення певної моди лазерного випромінювання – можливість стабілізувати і одномодовий лазер, порівнюючи його частоту з модами еталонного інтерферометра Фабрі-Перо.

список використаних джерел

1. Власов А.Н., Привалов В.Е. Воспроизводимость частоты терморегу-лированного He–Ne–лазера при различных критериях начального прогрева // Приборы и системы управления.–1999.–№10.–с.40–42.

Основні результати роботи та висновки

В дисертації наведено аналіз отриманих експериментальних результатів по дослідженню спектрів ортогональних і колінеарних мод газового лазера, динаміки положення площини поляризації мод в контурі підсилення в локальних та однорідних магнітних полях, спектру частоти міжмодового биття ортогональних та колінеарних мод; розраховано спектр температурної залежності частоти міжмодового биття в межах контуру підсилення, описано випробувану систему стабілізації випромінювання лазера з використанням зовнішнього еталону. Показано, що стабільність частоти міжмодового биття не означає стабільності частоти генерації лазера.

Коротко сформулюємо основні результати роботи та висновки.

Показано, що фазова поляризаційна анізотропія реального квазіізотропного резонатора залежить від частоти в межах контуру підсилення. Вона має дві складові – стаціонарну і динамічну. Перша з них визначає середнє положення площин поляризації обох мод лазера, друга – випадкове розхитування їх. Від співвідношення між ними залежить стабільність (відтворюваність) або випадковість поведінки функції просторового положення площини поляризації в процесі зміщення моди в контурі підсилення в кожній реалізації. в реальних умовах експлуатації робота двомодового лазера з квазіізотропним резонатором супроводжується неконтрольованим порушенням положення площини поляризації та ортогональності мод, що не дозволяє використовувати поляризаційні характеристики мод у якості внутрішнього стандарту в системах стабілізації частоти. В загальному випадку контроль довжини квазіізотропного резонатора лазера не дозволяє повністю відтворити частотно-поляризацій-но-інтенсивнісну ситуацію.

Встановлено, що кожна з ортогональних поляризацій резонатора має свій набір еквідистантних мод, які зміщені один відносно одного на величину 20-250 кГц, що відповідає анізотропії резонатора порядку 0,0001 рад (~10-11 м). Це означає, що двомодова генерація в квазіізотропному резонаторі може бути двох типів. Перший характеризується тим, що міжмодовий інтервал сусідніх (ортогональних) мод коротший від інтервалу в кожній з поляризацій, другий – відповідно довший.

Встановлено, що площини поляризації сусідніх мод утворюють прямий кут лише при симетричному положенні в контурі підсилення, в інших спектральних положеннях цей кут відрізняється від прямого на кілька градусів. Визначення “ортогонально поляризовані моди” слід вживати як умовне.

Знайдено спектральну залежність кута повороту в магнітному полі для кожної поляризації мод. Встановлено, що локальне поздовжнє магнітне поле, накладене в обмеженому просторі розряду, якісно дає такий же ефект як і однорідне магнітне поле, що діє на всьому розрядному проміжку. кількісно вплив локального магнітного поля розраховується як зважена сума.

На основі методу балансних рівнянь розраховано вплив температури на показник заломлення активного середовища, на частоту мод та частоту міжмодового биття двомодового лазера. Експериментально і теоретично показано, що при постійній температурі однозначний зв’язок між частотою генерації лазера та частотою міжмодового биття існує в обмежених ділянках контуру підсилення. При зміні температури ця однозначність порушується. Це значить, що частота міжмодового биття не може бути вихідним сигналом системи стабілізації частоти генерації будь-яких лазерів.

Створена система стабілізації частоти випромінювання газового лазера з використанням зовнішнього стандарту (інтерферометра) на основі контролю за довжиною резонатора. Досягнутий рівень стабілізації (10-8) обмежується практично лише роздільною здатністю використаного інтерферометра Фабрі-Перо. Запропонована схема дає можливість стабілізувати положення обраних мод на контурі підсилення, незалежно від стану поляризації, тобто є універсальною для лазерів неперервної дії.

Вперше запропонована, досліджена і впроваджена схема радіаційного контакту між тепловиділяючими елементами і елементами конструкції резонатора, що принаймні, на порядок підвищило швидкодію від’ємного зворотного зв’язку в системі стабілізації.

Проведені експериментальні та теоретичні дослідження дозволили зробити наступні висновки:

1. флуктуації магнітного поля і температурного режиму в зоні активного середовища лазера, моди вищих порядків, які неконтрольовано з'являються у генерації, та наявність вимушених переходів, що мають спільний рівень з лінією генерації, є основними джерелами нестабільності частоти, поляризації випромінювання лазера та частоти міжмодового биття.

2. Кутовий відгук положення площини поляризації ортогональних мод на зовнішнє магнітне поле як за величиною, так і за знаком залежить від положення мод в межах контуру підсилення. При симетричному положенні мод відносно центру лінії чутливість до магнітного поля відсутня. Реакція площини поляризації мод на магнітне поле залежить від величини анізотропії, а також від послідовності розташування мод в контурі підсилення, тобто, яка саме з двох можливих комбінацій мод реалізована – з коротким чи довгим міжмодовим інтервалом.

3. Для стабілізації частоти випромінювання газового лазера принципово непридатні методики, які базуються на стабілізації певних частотних або інтенсивністних співвідношеннях між сусідніми модами резонатора. Ефективна стабілізація частоти та інтенсивності випромінювання можлива лише на основі використання незалежного зовнішнього еталону.

Основні положення дисертації опубліковані в роботах

1. Конончук Г.Л., Стука-ленко В.В., Фарина Д.С. Поляризаційна нестабільність лазера з квазіізотропним резонатором Вісник Київського університету, серія фізико–математичні науки.–1997.- №4.-с.361–367.

2. Конончук Г.Л., Стука-ленко В.В., Фарина Д.С. Лазер з квазіізотропним резонатором в магнітному полі // Вісник Київського університету, серія фізико–математичні науки.–1998.– №4.–с. 309–315.

3. Конончук Г.Л., Стука-ленко В.В., Фарина Д.С., Шинкар В.В. Стабілізація частоти випромінювання лазера зовнішнім ІФП  Вісник Київського університету, серія фізико–математичні науки.– 1998.– №4.–С.268–272.

4. Конончук Г.Л., Стука-ленко В.В., Хоменко І.Є. Опорний лазер для фур'є-спектрометра Вісник Київського університету, серія фізико–математичні науки.–1997.– №1.–С.286–291

5. Конончук Г.Л., Стукаленко В.В., Терентьєва Ю.Г. Польове уширення лоренцевого контурy Вісник Київського університету, серія фізико–математичні науки.– 2000.–№ 4.–C.442–444.

6. Конончук Г.Л., Стукаленко В.В. Підсилення світла і дисперсія в око-лі неод-но-рідно уширеної лінії при дії потужної резонансної хвиліВісник Київського університету, серія фізико–математичні науки.–2000.–№ 4.–439–441.

7. Конончук Г.Л., Стукаленко В.В. Інверсія провалу Лемба // Вісник Київського університету, серія фізико–математичні науки.–2001.– № 1.–450–452.

8. Конончук Г.Л., Стукаленко В.В. Терентьєва Ю.Г. Вплив температури активного середо-ви-ща на міжмодові інтервали газового лазера // Наукові записки НаУКМА, фізико–математичні науки.– 2002, №1.–С. 83–90.

9. Конончук Г.Л., Стукаленко В.В. Спектрально–поляризаційна поведінка орто-го--нально поляризованих мод у He–Ne-лазері//УФЖ.–2003.–т.48, №5.–С.417–423.

10. Kononchuk G.L., Stukalenko V.V. Destabilizing factors in operation of short–cavity He–Ne laser Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics.–2003.–V. 6, N 3.–P. 365–369.

11. Іскра В.Д., Конончук Г.Л., Стукаленко В.В. Ефект польового уширення в одно-модовому He–Ne лазері//ТезиVВсеукраїн-ської наукової конференції "Фунда-мен-тальна та професійна підго-тов--ка фахівців з фізики".–Київ–2000.–C.190.

12. Конончук Г.Л., Стукаленко В.В., Терентьєва Ю.Г. Характеристики двомодової генерації при врахуванні польового розширення лоренцевої лінії//Тези V Всеукраїнсь--кої наукової конференції "Фунда-ментальна та профе-сійна підго-тов--ка фахівців з фізики".– Київ.–2000.–C.189.

13. Kononchuk G.L., Stukalenko V.V., Maydanchuk I.Y. Spectral polarization instaof the He–Ne lazers//ІІІ International Young Scientists Conference "Problem of Optics and High Technology MateScience SPO 2002".–Kyiv.–2002–Р.64.

14. Kononchuk G. L., Stukalenko V.V. Difference of spectral behavior of orthogonal modes in He–ne laser// proceedings of the XVI international school-seminar “Spectroscopy of molecules and crystals”.–Sevastopol.–2003.–Р.334.

15. Kononchuk G. L., Stukalenko V.V. The influence of local axial magnetic field on the plane of polarization of orthogonal modes in He–ne laser//International scientific and practical conference "Spectroscopy in special applications".–Kyiv.–2003.–Р.270.

Анотація

Стукаленко В.В. Взаємозв'язок поляризаційних та частотних флуктуацій мод квазіізотропного резонатора.– Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-метематичних наук за спеціальністю 01.04.05 – Оптика, лазерна фізика.– Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ 2005

Досліджено взаємозв'язок поляризаційних та частотних характеристик двомодового газового лазера при видовженні резонатора в умовах слабких магнітних полів та температурних флуктуацій. Встановлено, що у випадку генерації ортогонально поляризованих мод спектральна залежність частоти міжмодового биття має розриви в моменти згасання-виникнення мод на периферії контуру підсилення. Досліджено для кожної поляризації ортогональних мод в контурі підсилення спектральну залежність положення площини поляризації в магнітному полі. Встановлено, що ефективна стабілізація частоти випромінювання газового лазера можлива лише при використанні зовнішнього еталону.

Ключові слова: газовий лазер, частота міжмодового биття, стабілізація, ортогональність мод, поворот площини поляризації, магнітне поле.

Аннотация

Стукаленко В.В. Взаимосвязь поляризационных и частотных флуктуаций мод квазиизотропного резонатора.– Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-метематических наук по специальности 01.04.05 – Оптика, лазерна фізика.– Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, 2004

Исследована взаимосвязь поляризационных и частотных характеристик двухмодового лазера при удлинении резонатора в условиях слабых магнитных полей и температурных флуктуаций. Экспериментально исследовано для каждой поляризации ортогональных мод в контуре усиления спектральную зависимость положения плоскости поляризации в магнитном поле. Установлено, что спектральная зависимость угла поворота плоскости поляризации моды зависит от величины магнитного поля и имеет различный ход для короткого и длинного интервала между модами (относительно межмодового интервала в незаполненом резонаторе). При приблизительно симметричном расположении мод в контуре усиления чувствительность к магнитному полю отсутствует. Получено спектральную зависимость угла неортогональности мод в магнитном поле двучастотного газового лазера. Исследовано положение плоскости поляризации каждой из мод при помещении лазера в неоднородное магнитное поле. Спектральная зависимость угла поворота плоскости поляризации имеет одинаковый вид при наложении однородного или локального (в различных областях разряда) магнитного поля.

Установлено, что в случае генерации ортогонально поляризованных мод спектральная зависимость частоты межмодовых биений имеет разрывы в моменты появления-исчезновения мод на периферии контура усиления; при генерации коллинеарных мод – разрывы в зависимости частоты межмодовых биений отсутствуют.

Установлено, что эффективная стабилизация частоты излучения газового лазера возможна только при использовании внешнего эталона.

Ключевые слова: газовый лазер, частота межмодовых биений, стабилизация, ортогональность мод, поворот плоскости поляризации, магнитное поле.

ABSTRACT

Stukalenko V.V. Intercoupling polarization and frequency fluctuations of modes in the quasiisotropic cavity.– Manuscript.

Thesis for the candidate’s degree of Physical and Mathematical Sciences in specialty 01.04.05–Optics, laser physics.–Kyiv National Taras Shevchenko University, Kyiv 2005

Intercoupling between polarization and frequency characteristics of two-mode gas laser due to elongation of laser cavity in conditions of weak magnetic fields and temperature fluctuations was investigated. It was found that in case of orthogonal modes polarization the spectral dependence of intermode beats frequency has discontinuity at appearance-disappearance of the modes on the circumference of amplification contour. The spectral dependency the rotation of the plane of polarization in homogeneous and inhomogeneous magnetic field for every polarization of orthogonal modes in amplification contour was investigated. It was determined that effective stabilization of gas laser radiation frequency is possible only due to external etalon utilization.

Keywords: gas laser, intermode beats frequency, stabilization, orthogonally polarized modes, rotation of the plane of polarization, magnetic field.