національний НАУКОВИЙ ЦЕНТР

"іНСТиТУТ мЕТРОЛОГІЇ"

МАЧЕХІН ЮРІЙ ПАВЛОВИЧ

УДК 621.378.325:335.8

РОЗВИТОК НАУКОВИХ ОСНОВ СТАБІЛІЗОВАНИХ ЗА ЧАСТОТОЮ

ЛАЗЕРІВ ТА ЇХ МЕТРОЛОГІЧНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

05.11.15. – Метрологія та метрологічне забезпечення

Автореферат

дисертацiї на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків — 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Національному науковому центрі "Інститут метрології" Державного комітету України з питань технічного регулювання та споживчої політики

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор,

Соловйов Валентин Сергійович

ННЦ "Інститут метрології",

директор наукового центру часу- частотних та

лінійних вимірювань

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

Клейман Олександр Самуілович

ННЦ "Інститут метрології",

головний науковий співробітник

доктор фізико-математичних наук, професор,

Фекешгази Іштван Вінцеєвич

Інстітут фізики напівпровідників

ім. В.Є. Лашкарьова НАН України

завідуючий лабораторією

доктор фізико-математичних наук, професор,

Лукін Костянтин Олександрович

Інститут радіофізики та електроніки НАН України,

завідуючий відділом нелінійних систем

Провідна установа Національний технічний університет

"Київський політехнічний інститут"

Захист дисертації відбудеться 07.07.2006 р. о 14 год. на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д 64.827.01 Національного наукового центру "Інститут метрології" за адресою: 61002, м.Харків, вул. Мироносицька 42.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного наукового центру "Інститут метрології" за адресою: 61002, м.Харків, вул. Мироносицька 42.

Автореферат розісланий 05.06. 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 64.827.01

кандидат технічних наук І.Ф. Дем'янков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У резолюціях Генеральної конференції Мір і Вагів (ГКМВ), а також у документах Міжнародного комітету по Мірах і Вагам (МКМВ) постійно звертається увага на те, що розвиток науки, техніки і технологій потребує підвищення точності відтворення довжини хвилі (частоти) оптичних випромінювань, використовуваних для практичної реалізації метра. Національним метрологічним інститутам рекомендується постійно розвивати і підтримувати дослідження у галузі створення й удосконалення оптичних стандартів частоти (довжини хвилі), і таким шляхом покращувати майбутню експериментальну базу для удосконалення міжнародної системи одиниць фізичних величин.

Розвиток фундаментальної метрології на основі квантових ефектів у галузі вимірювання довжини безпосередньо вплинув на принципи, структуру і методи метрологічного забезпечення засобів вимірювання довжини. У першу чергу, результати фундаментальних досліджень вплинули на формування національних еталонів одиниці довжини, що розробляються з використанням лазерів, як джерел мір довжини. Дослідження у фундаментальній метрології активізували питання практичного використання стабілізованих за частотою лазерів у промисловості, оптичних телекомунікаціях і технічних системах екологічного моніторингу довкілля.

Необхідність у практичній реалізації нового визначення метра при побудові еталонної бази України для засобів вимірювання довжини була обумовлена потребою країни у сучасній метрологічній базі, а також участю України у міжнародних метрологічних організаціях.

Ці умови обумовили актуальність обраного напрямку досліджень у дисертації, а саме, розвиток наукових основ стабілізованих за частотою лазерів і їх метрологічного забезпечення.

Створення метрологічного забезпечення лазерних джерел як засобів вимірювання довжини (частоти) фактично являло собою принципово новий напрямок розвитку у таких класичних галузях метрології як вимірювання довжини і частоти.

У цьому зв'язку проведені у дисертації дослідження спрямовано на розвиток принципово нових засобів вимірювальної техніки - стабілізованих за частотою лазерів і їх метрологічного забезпечення є актуальними і необхідними для сучасної практичної метрології.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Фундаментальні і прикладні дослідження, спрямовані на вирішення задач метрологічного забезпечення засобів вимірювання довжини в Україні, проводилися в Головному центрі по забезпеченню єдності вимірювань - Національному науковому центрі "Інститут метрології". Відповідно до Програми створення еталонної бази України у ННЦ "Інститут метрології" відповідно до рішення 17 Генеральної Конференції по Мірах і Вагам про нове визначення метра створювалися і застосовувалися в якості засобів вимірювання довжини стабілізовані за частотою лазери. Основні результати проведених досліджень, що знайшли відображення у дисертаційній роботі, отримано дисертантом у процесі виконання таких науково-дослідних робіт:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

Поряд із НДР і НДДКР, що виконувалися у відповідності до замовлень Держпотребстандарта України і Міністерства освіти і науки України, дослідження проводилися в процесі виконання робіт до замовлень наукових і науково-виробничих організацій:

1. Створення установки для вимірювання спектральних характеристик випромінювання лазерних напівпровідникових модулів. Г/д № 404, НПП "Дальній зв'язок", акт прийому -здачі від 24 грудня 1992 р.

2. Розробка і виготовлення установки для вимірювання параметрів випромінювання напівпровідникових лазерів. Г/д № 197/323, НВО "Полюс", акт прийому –здачі від 10 жовтня 1989 р.

Мета та завдання роботи. Мета дисертаційної роботи - розвиток наукових основ стабілізованих за частотою лазерів і їх метрологічного забезпечення для створення засобів вимірювання довжини (частоти) на їх основі.

Для досягнення зазначеної мети необхідно було вирішити три наукові проблеми, які складаются із самостійних наукових задач.

1. Дослідження та оптимізація характеристик He-Ne лазерів і умов їх роботи як робочих і еталонних засобів вимірювання довжини, для чого необхідно було:

-теоретично та експериментально дослідити форму контуру потужності випромінювання одномодового і одночастотного Не-Nе лазера для забезпечення відтворення частоти випромінювання, стабілізованої по природним оптичним реперам;

- дослідити особливості формування поля у резонаторі Не-Nе лазера, що впливають на статичні і динамічні перекручування провалу Лемба на контурі потужності випромінювання;

- дослідити експериментально і теоретично просторово-часову динаміку розвитку динамічного хаосу іонізаційних хвиль у газоразрядній плазмі капілярів активних елементів лазерів як основну фізичну причину шумових характеристик активних елементів газоразрядних лазерів, для чого розвинути методику експериментальних досліджень іонізаційних хвиль по бічному спонтанному випромінюванню із капіляра активного елемента;

- дослідити умови застосування He-Ne/127I2 лазерів для створення робочих еталонів одиниці довжини (частоти);

- розвинути основи побудови і дослідити метрологічні характеристики групової міри довжини (частоти) на базі стабілізованих за частотою лазерів для Державного первинного еталона (ДПЕ) одиниці довжини;

- розробити основні принципи участі у міжнародних звіреннях He-Ne/127I2 лазерів, що входять до складу ДПЕ одиниці довжини;

2. Розвиток основ засобів вимірювання довжини (частоти) на базі напівпровідникових лазерів зі стабілізацією частоти по природним реперам і їх метрологічному забезпеченню, для чого треба було:

- дослідити основні принципи методів контролю динаміки трансформації спектра випромінювання напівпровідникових лазерів у режимі реального часу;

- дослідити новий підхід до побудови багатобарвних джерел лазерного випромінювання на основі стабілізованих за частотою напівпровідникових лазерів;

розвити основи метрологічного забезпечення засобів вимірювання довжини (частоти) на базі фемтосекундного і He-Ne/127I2 лазерів;

- розвити основні принципи побудови робочих засобів вимірювання частоти на базі лазерів із частотою, стабілізованою по лініях поглинання в молекулярних газах, для волоконно-оптичних ліній зв'язку;

- дослідити умови оптимального застосування методів лазерної спектроскопії у дистанційній діагностиці газів в атмосфері, у тому числі з використанням волоконно-оптичних ліній зв'язку.

3. Дослідження і розвиток методів аналізу нестабільності частоти лазерів за результатами часових рядів вимірювань, для чого необхідно було:

- вивчити та обгрунтувати фізичні моделі і методи аналізу результатів вимірювань у нелінійних динамічних системах;

- дослідити умови застосування фрактального аналізу часових рядів вимірювань для оцінки характеру нестабільності частоти лазерів.

Об'єктом дослiдження дисертаційної роботи є метрологічне забезпечення засобів вимірювання довжини, що базується на новому визначенні метра.

Предметом дослiджень є стабілізовані за частотою лазери, методи і засоби їх метрологічного забезпечення.

Методи дослiджень: відбивають усі етапи досліджень, спрямованих на створення і практичне застосування стабілізованих за частотою лазерів у метрології і вимірювальній техніці:

- при дослідженні стаціонарних процесів лазерної генерації, стабілізованих за частотою газових лазерів і в складових резонаторах напівпровідникових лазерів, використовувався квазіоптичний метод розрахунку поля у резонаторі;

- дослідження оптичних реперів, використовуваних для стабілізації частоти, базувалося на принципах і методах лазерної спектроскопії;

- для експериментальних досліджень відтворюємості і нестабільності частоти випромінювання лазерів, а також для визначення абсолютного значення частот еталонних лазерів використовувався метод оптичного гетеродинування;

- дослідження нелінійних режимів розвитку іонізаційних хвиль у газорозрядній плазмі активних елементів грунтувалося на методі скорочених рівнянь;

- при дослідженні і розвитку методів аналізу нестабільності частоти випромінювання лазерів використано метод фрактального аналізу часових рядів результатів вимірювань.

Наукова новизна одержаних результатiв дисертації, полягає у тому, що вперше розвинуто основи стабілізованих за частотою лазерів і їх метрологічного забезпечення для застосування у вимірювальній техніці і метрології, які полягають у тому, що:

- на основі експериментальних досліджень побудовано теоретичну модель форми контуру потужності випромінювання одномодового та одночастотного Не-Nе лазера і розроблено методи розрахунку конструктивних параметрів Не-Nе лазерів;

- досліджено умови формування поля у резонаторі Не-Nе лазера і їх вплив на статичні і динамічні перекручування провалу Лемба;

- експериментально і теоретично, з метою установлення фізично обгрунтованих обмежень у роботі газових лазерів, досліджувано режими розвитку іонізаційних хвиль у плазмі активних елементів газоразрядних лазерів;

- розроблено методику експериментальних досліджень просторово-часової динаміки розвитку динамічного хаосу іонізаційних хвиль у капілярах активних елементів;

- вивчено умови застосування He-Ne/127I2 лазерів для створення робочих еталонів одиниці довжини (частоти);

- досліджено принципи побудови і метрологічні характеристики групової міри довжини (частоти) на базі стабілізованих за частотою лазерів (комплекс лазерних джерел - КЛД) для ДПЕ одиниці довжини;

- досліджено і запропоновано новий підхід до побудови багатобарвних джерел лазерного випромінювання на основі стабілізованих за частотою напівпровідникових лазерів, метрологічне забезпечення яких здійснюється з використанням фемтосекундного і He-Ne/127I2 лазерів;

- досліджено метод контролю динаміки трансформації спектра випромінювання напівпровідникових лазерів у режимі реального часу;

- запропоновано фізичну модель аналізу результатів вимірювань у нелінійних динамічних системах;

- досліджено умови застосування фрактального аналізу при оцінці результатів вимірювань нестабільності частоти лазерів.

Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що:

- розроблено практичні методи розрахунку конструкції резонатора Не-Nе лазерів зі стабілізацією частоти по провалу Лемба, що забезпечили стійку роботу транспортабельних лазерних інтерферометрів;

- розроблено засоби оперативного контролю режиму генерації випромінювання і складу плазми Не-Nе одномодових і одночастотних лазерів, що дозволили реалізувати оперативний контроль за станом лазерів у складі лазерних інтерферометрів;

- розвинуто експериментальний, оптичний метод, що забезпечує спостереження і дослідження просторово-часової структури та умов розвитку режиму динамічного хаосу іонізаційних хвиль у плазмі капілярів активних елементів газових лазерів;

- розроблено і впроваджено робочі еталони одиниці довжини для повірки і калібрування Не-Nе лазерів зі стабілізацією частоти на підприємствах, що розробляють і серійно випускають цей тип лазерів;

- розширено можливості вторинного еталона одиниці довжини для спектроскопії;

- запропоновано практичну схему використання стабілізованих за частотою напівпровідникових лазерів і їх метрологічного забезпечення, у багатохвильовій вимірювальній інтерферометрії;

- запропоновано практичну реалізацію інфрачервоної лазерної спектроскопії молекулярних газів на базі волоконно-оптичних систем передавання інформації;

- розроблено і створено комплекс лазерних джерел ДПЕ одиниці довжини, який постійно брав участь у міжнародних звіреннях;

- розроблено і впроваджено робочі засоби вимірювання довжини хвилі випромінювання напівпровідникових лазерів на підприємствах, що виготовляють і експлуатують напівпровідникові лазери;

Особистий внесок здобувача. Усі результати, які включено у дисертацію, отримано при особистій участі дисертанта на усіх етапах розвитку досліджень, у постановці задач, розробці методик і методів експериментальних досліджень, підготовці і проведенні вимірювань, опрацюванні їх результатів і формулюванні висновків. Внесок дисертанта у вирішення задач, викладених у дисертаційній роботі, полягає у тому, що:

- у роботах по дослідженню одномодових і одночастотних Не-Nе лазерів [1-5] дисертантом розроблено теоретичну модель описування контуру потужності випромінювання та умов формування поля у резонаторі одномодового та одночастотного Не-Nе лазера, на основі яких дисертантом запропоновано і побудовано методи інженерних розрахунків конструктивних параметрів одномодових і одночастотних Не-Nе лазерів;

- у роботах по дослідженню іонізаційних хвиль [6-9] автором проведено аналіз експериментальних даних, на основі яких побудовано нелінійну теорію розвитку іонізаційних хвиль у капілярах активних елементів газових лазерів;

- при розвитку методу експериментального дослідження просторово-тимчасових характеристик іонізаційних хвиль [10] у капілярах активних елементів дисертантом запропоновано принцип визначення характеристик іонізаційних хвиль по бічному спонтанному випромінюванню;

- у роботах [11-13] автором запропоновано і дослідженно нові схеми використання робочих еталонів одиниці довжини для метрологічного забезпечення стабілізованих за частотою Не-Nе лазерів;

- у роботах [14-18] по розвитку стабілізованих за частотою напівпровідникових лазерів дисертантом теоретично обгрунтовано і запропоновано застосування стабілізованих за частотою напівпровідникових лазерів для багатохвильової лазерної інтерферометрії і метрологічного забезпечення волоконно-опичних ліній зв'язку, що базується на використанні фемтосекундного лазера;

- у роботі [19] дисертантом запропоновано принцип побудови і структура робочих засобів вимірювання для вимірювання і контролю спектра напівпровідникових лазерів, у тому числі, і у режимі реального часу;

- у роботах [20-31] дисертанту належить обгрунтування принципу побудови ДПЕ довжини України на базі комплексу лазерних джерел, розвиток методики метрологічних досліджень лазерів на основі міжнародних звірень, а також наукове обгрунтування умов міжнародного визнання ДПЕ довжини України;

- дослідження, подані у роботах [32-37, 41], у яких запропоновано та обгрунтовано фізичну модель аналізу результатів вимірювань у нелінійних динамічних системах, виконано дисертантом ;

- дисертантом розроблено умови застосування методів фрактального аналізу для оцінки нестабільності частоти лазерів [38-40].

Апробацiя результатiв дисертацiї. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались на всесоюзних, міжнародних і українських конференціях і семінарах. До основних з них ставляться:

- 3 Всесоюзна нарада по теоретичній метрології, (Ленінград, 1986 р.)

- Міжнародна конференція по фізиці плазми, (Київ, Україна, 1987 р.);

- Ювілейна європейська наукова метрологічна конференція "150 років інституту метрології їм Д.И. Менделєєва", (С.-Петербург, Росія, 1992 р.);

- 5-й російський симпозіум "Метрологія часу і частоти", (Менделєєво, Росія, 1994);

- Конференція по прецизійним електромагнітним вимірюванням, (Брауншвейг, Німеччина, 1996 р.);

- 13 Всесвітній конгрес ИМЕКО "Від вимірювань до иновації", (Турін, Італія, 1997 р.);

- 26 Генеральна Асамблея УРСІ, (Торонто, Канада, 1999 р.);

- 2-а Всесоюзна науково-технічна конференція "Метрологічне забезпечення вимірювань частотних і спектральних характеристик випромінювання лазерів", (Харків, Україна, 1990 р.)

- Українська науково-технічна конференція "Метрологія і вимірювальна техніка", (Харків, Україна, 1995 р.)

-

-

Усього за темою дисертаційної роботи автором опубліковано 81 наукова праця, із яких 33 відповідають вимогам ВАК, включаючи три авторськи посвідчення. Подано 33 доповіді на 19 наукових і науково-технічних конференцій, у тому числі на 11 міжнародних.

Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків, двох додатків, списку використаних джерел, що включає 276 найменувань. Загальний обсяг дисертації 320 сторінок. Робота включає 53 рисунка і 18 таблиць, із них 7 рисунків і 5 таблиць цілком займають площу 11 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі проведено огляд опублікованих робіт, у яких основна увага була приділена фізичним і метрологічним проблемам створення стабілізованих за частотою лазерів.

Фундаментальним питанням стабілізації частоти (довжини хвилі) лазерів приділяли увагу багато відомих вчених Дж. Холл, Т. Хенш, А. Воллард, С.Н. Багаєв, В.С. Летохов, В.П.Чеботаєв, Е.Д. Проценко, М.В. Данилейко. Великий внесок у дослідження метрологічних і технічних характеристик стабілізованих за частотою лазерів зробили В.С. Соловйов, О.С. Клейман, Н.С. Фертик, В.Є. Привалов, Ж.-М. Шартьє, І. Хелмке.

Практичне застосування лазерів у вимірювальній інтерферометрії грунтувалося на одномодових, одно і двочастотных Не-Nе лазерах, що працюють у видимій частині оптичного діапазону (633 нм). Для вимірювальних інтерферометрів, що виконують лінійні вимірювання у межах від 0,1 до 10 м, були потрібні лазерні джерела, у яких нестабільність частоти випромінювання повинна була знаходитися у межах 10-8 - 10-9, а відтворення 10-7 - 10-8.

Для забезпечення розвитку лазерної інтерферометрії, досить швидко, протягом десятиліття із середини 60 –х до середини 70-х, наукові дослідження і технологічні розробки лазерів для лазерних вимірювальних систем, виділилося в окремий напрямок у лазерній фізиці і техніці.

Серед усіх розроблених Не-Nе лазерів, призначених для вимірювальної інтерферометрії, самими зручними виявилися лазери зі стабілізацією частоти по провалу Лемба. Проте, відтворення частоти, що досягається випромінювання знаходилася на рівні 10-7 і те, тільки за певних умов експлуатації. Розвиток самих лазерних інтерферометрів безумовно потребував або поліпшення метрологічних характеристик цього типу лазерів, або розробки інших типів Не-Nе лазерів із поліпшеними характеристиками.

У цьому зв'язку, розширення типів стабілізованих за частотою Не-Nе лазерів стало здійснюватися по шляху стабілізації частоти у Не-Nе лазерах із внутрішніми дзеркалами. Ці лазери являли собою прості і надійні прилади, відтворення частоти яких краще чим 10-710-8 у цих лазерів не вдалося.

Розвиток двочастотних вимірювальних лазерних інтерферометрів зажадав удосконалення Не-Nе лазерів зі стабілізацією частоти по лініях випромінювання з зеємановським розщеплюванням. Лазери цього типу конструктивно виконувалися з внутрішніми дзеркалами і мали відтворення частоти випромінювання 10-810-9.

Як показали результати огляду [2], у результаті розвитку і застосування лазерних вимірювальних інтерферометрів, було виділено два типи лазерів, що забезпечили роботу інтерферометрів. Це лазери зі стабілізацією частоти по провалу Лемба і двочастотні лазери зі стабілізацією по ефекту Зеємана.

Після прийняття нового визначення метра у чисельних дослідженнях значна увага приділялася виявленню залежності стабільності і відтворення частоти випромінювання від фізичних характеристик і конструктивних особливостей He-Ne/127I2 лазерів стабілізованих по піках насиченого поглинання в парах молекулярного йоду 127I2 і 129I2. Досягнуте у цього типу лазерів відтворення частоти випромінювання 2.5 10-11.

Аналіз робіт із створення і дослідження стабілізованих за частотою напівпровідникових лазерів проведено по двох напрямках. Перший напрямок пов'язаний із створенням стабілізованих за частотою напівпровідникових лазерів у діапазоні 1,55 мкм для систем оптичного зв'язку, а другий пов'язаний зі створенням стандартів довжини хвилі (частоти) для забезпечення лазерних вимірювальних інтерферометрів мірами довжини.

Експериментальні оцінки відтворення і нестабільності частоти лазерів здійснюються гетеродинним методом шляхом вимірювання різниці між близькими оптичними частотами, одна з яких відноситься до опорного лазера. У останні роки розвиток засобів вимірювання абсолютного значення і нестабільності частоти випромінювання лазерів відбувається з застосуванням фемтосекундного лазера. Розвиток методів аналізу результатів вимірювання нестабільності частоти випромінювання лазерів здійснювався на основі фундаментальної роботи Д.Аллана, у якій він запропонував для аналізу нестабільності частоти високостабільних стандартів використання вибіркової дисперсії. З розвитком сучасних фізичних моделей, що описують нерегулярне поводження динамічних детермінованих систем, в останні роки стали активно застосовуватися методи фрактального аналізу випадкових процесів. Одночасно з розвитком методів фрактального аналізу, що забезпечують вивчення детермінованого хаосу, розвивалася теорія випадкових фракталів і її використання для вивчення процесів типу випадкового блукання.

Проведений огляд літературних джерел дозволив обгрунтувати шляхи подальшого розвитку стабілізованих за частотою лазерів, галузі застосування і їх метрологічне забезпечення, основні з яких можна сформулювати як дослідження та удосконалення одномодових і одночастотних лазерів, включаючи дослідження активних елементів; формування системи метрологічного забезпечення виробництва та експлуатації стабілізованих за частотою He-Ne лазерів; розробка наукових основ і принципів формування еталонної бази країни у галузі вимірювання довжини; розвиток робочих засобів вимірювання довжини на базі напівпровідникових лазерів для прецизійної лазерної інтерферометрії та оптичного зв'язку; розширення галузі застосування фемтосекундних лазерів для метрологічного забезпечення стабілізованих за частотою напівпровідникових лазерів; на основі теорії випадкових фракталів і фрактального аналізу часових рядів вимірювання; розвиток методів оцінок довгострокового поводження частоти випромінювання лазерів.

У Роздiл 2 подано результати досліджень He-Ne лазерів зі стабілізацією частоти випромінювання по провалу Лемба, спрямованих на розвиток і удосконалення лазерів цього типу, як робочих засобів вимірювання довжини (частоти) [1].

Рішення цієї задачі в дисертації було отримано при проведенні досліджень по двох напрямках.

Перший - вивчення фізичних явищ у резонаторі одномодового та одночастотного лазера, що забезпечують формування провалу Лемба як стабільного оптичного частотного репера. Другий напрямок пов'язаний із вивченням умов розвитку шумів іонізаційних хвиль в активних елементах газових лазерів, як основного механізму, що впливає на нестабільність частоти випромінювання і рівня потужності випромінювання.

У загальному випадку, при стабілізації частоти випромінювання He-Ne лазера реальне значення стабілізованої частоти випромінювання не збігається з частотою квантового переходу , оскільки стабілізація здійснюється по центру провалу Лемба - , місце розташування якого визначається тим, що в резонаторі лазера існують чинники, що впливають на форму провалу Лемба [5].

Принципово важливим при створенні засобів вимірювання довжини є не зменшення цієї різниці між реальною та очікуваною частотами, а встановлення умов, що забезпечують стабільність і відтворення розміру , тобто різниця між частотами повинна бути постійна і стабільна. Тобто для ефективного використання провалу Лемба при стабілізації частоти випромінювання He-Ne лазера необхідно створювати умови, при яких

. (1)

Рівняння (1) є основним, ідеалізованим рівнянням для стабілізованої частоти лазерів, використовуваних як засоби вимірювання довжини (частоти). Але для дослідження ситуацій, що виникають на практиці, це рівняння необхідно переписати в такому виді

. (2)

Перекручування провалу призводить до зсуву мінімуму провалу Лемба, тобто до зміни розміру , що, у свою чергу, призводить до зсуву стабілізованої частоти лазера .

На Рис. 1 подані графіки розміру несиметричності провалу Лемба (крива “”) і розміри зсуву стабілізованої частоти (крива “ ”) у залежності від часу прогріву лазера. Вимірювалися два розміри: зсув частоти випромінювання і за формою контуру потужності випромінювання вимірювалася різниця висоти горбів провалу Лемба.

Перекручування провалу Лемба на контурі потужності випромінювання можуть бути нестаціонарними, тобто змінюється у часі, а це значить, що буде спостерігатися нестабільність частоти випромінювання у процесі безупинної роботи лазера. У експериментах вимірювані розміри зсуву провалу Лемба знаходилися у межах від 50 до 100 МГц.

Теоретичний аналіз формування поля в резонаторі одномодового та одночастотного Не-Nе лазера з урахуванням активного середовища, що займає визначений обсяг у резонаторі, показав, що неспіввісність розташування обсягу активного середовища і резонатора лазера при модуляції довжини резонатора призводить до зміни дифракціних утрат. Цей ефект являеться причиною

Рис. 1

Тимчасова залежність зсуву частоти випромінювання і розміри перекосу провалу Лемба на контурі потужності випромінювання

динамічних перекручувань провалу Лемба при неоптимальному складанні і юстуванні лазерів. Використовуючи опис поля у оптичному резонаторі з діафрагмою у квазиоптичному наближенні, тобто у виді гауссова пучка, для розрахунку конфігурації резонатора лазера використано параметри конфокальності і , за допомогою яких описано залежності радіусів кривизни дзеркал від параметрів і розташування активного елемента резонатора, у якому виключено умови виникнення другої поперечної моди:

, (3)

. (4)

Тут усі розміри нормовано на довжину резонатора L:

довжина активного елемента; m - відстань від краю капіляра, що диафрагмує, до найближчого дзеркала; - відстань від дзеркала до перетяжки; K - розмір перевищення діаметра діафрагми над діаметром пучка; N - число Френеля.

Експериментальне вивчення форми провалу Лемба на контурі потужності випромінювання призвело до висновка про необхідність одночасного розгляду провалу Лемба і міжмодового провалу. Саме для цього випадку і розроблено аналітичну модель опису форми контуру потужності випромінювання на частотному інтервалі, що відповідає відстані між двома міжмодовими провалами.

При різних значеннях тиски робочого газу і току в активному елементі, контур потужності випромінювання описано у такий спосіб:

(5)

де W0 - відносний розмір потужності випромінювання в центрі лінії; Т4(х) - поліном Чебишева четвертого порядку; ( - 0)\(м - 0) - відносна розстройка від центру лінії ; - частота випромінювання лазера; м = 0 + (с\4L); L - довжина резонатора; - функція; визначальна залежність потужності випромінювання від відношення парціальних тисків Не і Nе - (PNe/PHe) = m; - безрозмірний коефіцієнт, який залежить від відношення ПЛ і МП ( визначає ширину ПЛ, що дорівнює відстані між максимумами на контурі посилення).

На підставі теоретичної моделі контуру потужності випромінювання (5) і методу розрахунку конфігурації резонатора (3) і (4) розроблено методики розрахунку конфігурації відкритого резонатора з діафрагмою для забезпечення необхідних метрологічних характеристик He-Ne лазерів, використовуваних у якості робочих засобів вимірювання довжини у складі лазерних інтерферометрів [3,4].

Другий напрямок досліджень He-Ne лазерів, як робочих засобів вимірювання довжини, пов'язаний з дослідженням найбільше потужного джерела шумів, яким є іонізаційні хвилі у газорозрядній плазмі в діапазоні від 10 кГц до 2 МГц, що роблять істотний вплив на стабільність частоти випромінювання лазерів [6-8].

У процесі експериментальних досліджень механізму розвитку іонізаційних хвиль у капілярах активних елементів одночастотних He-Ne лазерів було виявлено, що неусуваємі шуми в плазмі активних елементів обумовлені механізмом динамічної стохастизації іонізаційних хвиль [9].

Аналізуючи результати проведених експериментальних досліджень у капілярах активних елементів одномодових і одночастотних лазерів, діаметри і робочі довжини яких варіювалися в залежності від значень установлюваних робочих токів [10]. Результатом цих досліджень стало визначення трьох різних режимів порушення іонізаційних хвиль у капілярах активних елементів лазерів. На Рис. 2 показано три області параметрів розряду, при яких частотний спектр іонізаційних хвиль має різний вид. На Рис. 3 показано типові спектри іонізаційних хвиль, що відповідають одномодовому (область I), многомодовому (область II) і стохастичному режиму (область III) генерації іонізаційних хвиль. Шум у лазерному випромінюванні спостерігається тільки в тому випадку, коли відбувається повна стохастизація іонізаційних хвиль, у противному випадку на довжині капіляра періодичні обурення усереднюються.

Рис.2 Рис.3

I -область одномодової генерації, Спектри іонізаційних хвиль,

II-область многомодової генерації,

III-область хаотичної генерації

Теоретичні дослідження іонізаційних хвиль засновано на моделі типу реакція - дифузія, що у низкотемпературній плазмі реалізується через східчасту іонізацію і дифузію [9[. Для опису іонізаційних хвиль використано рівняння масо- і єнергоперенесення в газоразрядній плазмі капіляра активного елемента газового лазера, що описують зміну концентрації n електронів і їх температури Т:

(6)

Тут - електронна та йонна рухливість, відповідно; z - частота іонізації; R - радіус капіляра; j - струм розряду; - частота втрат енергії електронів.

Рішення системи рівнянь для збурень щільності електронів і їхньої температури в припущенні, що і (за умови, що ) знайдено для виду . Отримане дисперсійне рівняння має добре відомий вид:

, (7)

де .

У умовах, що відповідають експериментальним результатам, амплітуди збурень змінюються значно повільніше у часі і просторі у порівнянні з періодом і довжиною хвилі іонізаційних хвиль. У зв'язку з чим нелінійний режим розвитку іонізаційних хвиль досліджено на основі методу укорочених рівнянь.

За умови, що обурення щільності електронів і їх температури можна описати через амплітуду А і коефіцієнти пропорційності і , тобто а і використовуючи заміну , де і - частота і хвильовий вектор, що відповідають виконанню дисперсійного рівняння, отримано рівняння для повільно змінной амплітуди А:

(8)

де - нелінійні члени вихідних рівнянь.

Основну роль у функціях грають складові пропорційні кубічній ступені амплітуди, тобто у динаміці поводження амплітуди визначальну роль грають ефекти самовпливу. У результаті рівняння (9) перетворилося в добре відоме нелінійне параболічне рівняння (рівняння Гінзбурга-Ландау):

, (9)

Граничні умови при рішенні цього рівняння повинні відповідати експериментально зареєстрованим умовам розвитку іонізаційних хвиль, як-от:

для 0 х , А(0,t)= і А(х,0)=А0

Тобто, якщо поблизу х=0 є природний шум, то хвилі , що біжать , А(х+vt) мають наростаючу у часі амплітуду.

За умови 0 рішення конвективно хитливо. Розрахунки показали, що можливі хаотичні просторово-часові режими у нелінійних дисипативних середовищах із переносом.

Реальність запропонованої теоретичної моделі обумовлена тим, що в експериментах по спостереженню процесів розвитку іонізаційних хвиль у капілярах встановлено залежність амплітуди від точки спостереження в капілярі. На катодному кінці капіляра реєструвалася мінімальна амплітуда, що збільшувалася в міру наближення до анодного кінця капіляра.

Аналіз подальшої динаміки пов'язаний із взаємодією мод одна з одною. Кубічна нелінійність описує найбільш ефективну взаємодію сусідніх мод, оскільки відстань між модами еквідистантна. У цьому випадку замість рівняння (9) необхідно записати систему рівнянь, пов'язаних між собою за рахунок нелінійної взаємодії, що спостерігається, міжмодова взаємодія пов'язана з урахуванням взаемодії мод:

(10)

де j - номер моди.

Зареєстровані картини розвитку амплітуди іонізаційних хвиль уздовж капіляра добре узгодяться з типовими рішеннями рівняння Гінзбурга-Ландау, що були отримані при граничних умовах, зареєстрованих в експериментах.

Основні результати Розділу 2 опубліковані та отримані авторські посвідчення в роботах [1-10].

У Роздiлi 3 подано результати розвитку основ новітнього покоління утворюваних засобів вимірювання довжини (частоти) на базі стабілізованих за частотою напівпровідникових лазерів. Проведені дослідження дозволили знайти принципові підходи для реалізації рішень практичних задач у метрології і вимірювальній техніці: розвиток джерел мір довжини для заміни He-Ne лазерів із 633 нм у складі вимірювальних лазерних інтерферометрів на основі напівпровідникових лазерів зі стабілізацією частоти; розвиток стабілізованих (по природним оптичним реперам) лазерів із будь-якими, наперед заданими довжинами хвиль випромінювання для вимірювальної лазерної інтерферометрії; створення метрологічного забезпечення повинно використовувати сучасну еталонну базу, як-от He-Ne/127I2 лазери ДПЕ одиниці довжини України, і у якості універсального оптичного компаратора фемтосекундний лазер.

Дослідження напівпровідникових лазерів у дисертації почато зі створення вимірювальної апаратури, що забезпечує вимірювання спектра випромінювання напівпровідникових лазерів [19]. Базуючись на можливій динаміці поводження спектра випромінювання напівпровідникових лазерів, реалізовано два підходи до побудови структури вимірювальної апаратури і її метрологічного забезпечення. Перший із них грунтувався на умові, що час характерної зміни параметрів спектра випромінювання лазера значно більше часу вимірювання спектра (характерного для обраного принципу роботи), тобто передбачалося дослідження стаціонарного (або квазістаціонарного) спектра , а другий підхід грунтувався на протилежній умові, коли , тобто за умови, що спектр випромінювання нестаціонарний і в ньому спостерігається динамічна перебудова протягом часу виконання вимірювань.

Стабілізовані за частотою напівпровідникові лазери являють собою перспективні джерела міри довжини, що найближчим часом можуть бути заміною He-Ne- лазерам і бути використані в багатохвильових лазерних вимірювальних інтерферометрах.

Оптимальними умовами для роботи трихвильової інтерферометрії є умови максимального рознесення довжин хвиль джерел випромінювання,тобто коли для цих цілей використовуються джерела у синьо-зеленій (440-540 нм), червоній, (630-670 нм) і малиновій (760-800 нм) областях видимої частини спектра.

У дисертації запропоновано у якості фундаментальної системи довжин хвиль (частот), що забезпечує раціональне співвідношення довжин хвиль у інтерферометричних вимірюваннях, використовувати напівпровідникові лазери зі стабілізацією частоти по лініях поглинання у йоді (Таблиця 1). Базуючись на концепції створення фундаментальної системи довжин хвиль для лазерної інтерферометрії на базі напівпровідникових лазерів зі стабілізацією частоти випромінювання по надтонким лініям поглинання у йоді, у дисертації запропоновано створити метрологічне забезпечення запропонованих джерел випромінювання на базі фемтосекундного лазера [16,17].

Таблиця 1

Фундаментальна система довжин хвиль |

Довжина хвилі, нм | Лінія поглинання

502 | 127I2 R(51) 68-0

633 | 127I2 R(33) 6-3

793 | 127I2 R(92) 0-15

Для визначення частоти випромінювання стабілізованого за частотою напівпровідникового лазера потрібно вимірювати значення різницевої частоти (k-номер фундаментальної довжини хвилі, N-номер гармоніки фемтосекундного лазера), що є різницею між частотою досліджуваного лазера і найближчої до неї гармонікою фемтосекундного лазера.

= (11)

У цьому випадку, частота напівпровідникового лазера визначається через гребінку фемтосекундного лазера за частотою He-Ne/127I2 лазера, що цілком відповідає чинній повірочній схемі.

Частота випромінювання, що відповідає піку "а" і піку "n" He-Ne/127I2 лазера, відома за результатами міжнародних звірень, у той же час їх значення, обумовлене через частотну гребінку, можна записати таким чином:

(12)

Тут частота биттів із M –ою гармонікою , а -частота биттів із M+4 –оі гармонікою, що є найближчими до частот йодного лазера.

Оскільки частотний інтервал між піками "а" і "n" добре відомий і дорівнює 462,6 МГц, то, ориентуючись на відоме для даного фемтосекундного лазера значення , можна визначити кількість піків, що укладаються у цьому інтервалі. У дисертації, не зменшуючи спільності розв'язуваної задачі, використовувалася умова, що на інтервалі між крайніми піками йодного лазера може бути розташовано 4 піка. Два розміри і чисельно можна визначити, оскільки і відомі. Тому, для визначення можна записати таку систему рівнянь

,

. (13)

із якої, шуканий розмір визначається в такий спосіб:

=? (). (14)

Таким чином, знаючи розміру і , абсолютне значення будь-якої оптичної частоти , що знаходиться в межах гребінчатої структури, може бути визначене з простого вираження

= N + +/- , (15)

якщо обмірювана - частота биттів між спектральною компонентою із номером N і що вимірюється частотою.

Оскільки однією із першочергових задач, рішення якої буде досягнуто шляхом створення робочого засобу вимірювання довжини (частоти) на базі напівпровідникових лазерів, є еквівалентна заміна стабілізованих за частотою Не-Ne лазерів із =633 нм. З цієї причини, реалізуючи одну із основних задач дисертації - розвиток робочих засобів вимірювання довжини, на прикладі досліджень другої фундаментальної довжини хвилі =633 нм, сформульовано основні принципи побудови стабілізованих за частотою напівпровідникових лазерів як засобів вимірювання довжини. Рішення задачі у діапазоні з =633 нм цілком забезпечує реалізацію джерел мір довжини з і .У дисертації запропоновано для формування необхідних метрологічних характеристик у джерелах мір довжини у видимому діапазоні, утворюваних на основі напівпровідникових лазерів, використовувати:

- модульну конструкцію, коли функції випромінювача і функції оптичного репера виконують окремі модулі; -

-

Використання ліній поглинання у парах йоду для стабілізації частоти випромінювання дозволило одержати відтворення частоти не гірше 10-10 [14].

Рис. 4 Рис. 5

Загальний вигляд лазерного модуля Форма третьої гармоніки

з довжиною хвилі 633 нм модуляції у лазері з NH3 коміркої

Дослідження, що проведені у ближньому ІЧ діапазоні на довжині хвилі 1550 нм, спрямовано на забезпечення робочими засобами вимірювання довжини і частоти оптичних когерентних систем зв'язку [15]. Особливості розвитку стандартів частоти у діапазоні роботи джерел випромінювання для волоконно-оптичного зв'язку пов'язано з тим, що у цьому діапазоні у якості частотних реперів використовують лінії поглинання у молекулярних газах. Для стабілізації частоти напівпровідникового лазера у ближньому ІЧ діапазоні (1,49 - 1,55 мкм) у дисертації використовувалися лінії поглинання комбінаційних тонів коливально-обертальних переходів NН3.

На Рис. 5 приведено характерні форми сигналів третьої гармоніки частоти модуляції при різних концентраціях газу аміаку, що поглинає, і розмірах амплітуди модуляції. Добре співвідношення сигнал-шум (не менше 55), що зареєстровано на приведених графіках, забезпечує умови впливу цього параметра на стабілізацію частоти випромінювання по лініях поглинання у молекулярних газах на рівні 10-9 -10-10.

Основні результати Розділу 3 опубліковано [14-19].

У Розділ 4 включено результати досліджень He-Ne/127I2 лазерів, спрямованих на розвиток системи метрологічного забезпечення стабілізованих за частотою лазерів із =633 нм [11-13]. У результаті вивчення фізичних і технічних особливостей передачі розміру одиниці від He-Ne/127I2 лазерів, робочим засобам вимірювання розвинуто основи робочих еталонів одиниці довжини.

Значення стабілізованої по піках насиченого поглинання у йоді частоти випромінювання He-Ne/127I2 лазерів є нелінійною функцією від значень трьох контрольованих параметрів [23], тобто:

= , (16)

Тут: - внутрішньорезонаторна потужність лазера;

- температура йоду, що охолоджується, у штенгелі комірки;

- амплітуда девіації оптичної частоти.

Консультативним Комітетом по Довжині з метою забезпечення єдності вимірювання довжини хвилі випромінювання He-Ne/127I2 лазерів рекомендовано чиселові значення трьох контрольованих фізичних параметрів, при яких вимірюванні абсолютні значення частот стабілізованих по піках насиченого поглинання у йоді. Ці нормальні значення контрольованих параметрів дорівнюють:

. (17)

Абсолютне значення частоти випромінювання при значеннях контрольованих параметрів, близьких до нормальних значень, запропоновано лінійному наближенні описати за допомогою розкладання:

, (18)

тут: - абсолютне значення частоти випромінювання при нормальних умовах;

, , і - коефіцієнти розкладання, що можна визначити тільки експериментальним шляхом;

- поточні значення контрольованих параметрів.

Якщо реальні значення контрольованих параметрів знаходяться поблизу нормальних значень, то різниця між оптичними частотами і двох лазерів з урахуванням лінійного розкладання (18) поблизу нормальних умов описується у такий спосіб:

, (19)

тут = - вимірюване значення різницевої частоти між