Методы и средства стабилизации характеристик гелий-неоновых лазеров для прецизионных измерительных систем

Воробьев, Павел Геннадьевич

Методы и средства стабилизации характеристик гелий-неоновых лазеров для прецизионных измерительных систем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Воробьев, Павел Геннадьевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Рязань МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.01 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Методы и средства стабилизации характеристик гелий-неоновых лазеров для прецизионных измерительных систем»

Автореферат диссертации на тему "Методы и средства стабилизации характеристик гелий-неоновых лазеров для прецизионных измерительных систем"

На правах рукописи

ВОРОБЬЕВ Павел Геннадьевич

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА СТАБИЛИЗАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫХ ЛАЗЕРОВ ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Специальность 01.04.01 -Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005546635

Рязань 2013

005546635

Диссертация выполнена в ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук

Чуляева Елена Георгиевна

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Мамонтов Евгений Васильевич

кандидат фшико-матемашческих наук Саблин Виктор Александрович

Ведущая организация: Национальный исследовательский ядерный

университет «МИФИ» г. Москва

Защита состоится «24» декабря 2013 года в 13— часов на заседании диссертационного совета Д 212.211.03 при ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет» по адресу: 390005, Рязань, ул. Гагарина, 59/1.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 390005, г. Рязань, ул. Гагарина, д. 59/1.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет»

Автореферат разослан » ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.211.03, д-р физ.-мат. наук, профессор

Чиркин М.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Лазерные прецизионные измерительные системы (точность измерений до одного нанометра) делятся на два основных класса. Первый класс - лазерные интерферометрические устройства, предназначенные для точного автоматического измерения пространственных перемещений объектов в режиме реального времени. Такие системы находят широкое применение в точном машиностроении и электронной технике, авиа- и судостроении, в инженерной геодезии и геофизике. Повышенная точность позиционирования рабочего инструмента требуется, в частности, при разработке прецизионных устройств в компьютерной технике, в микро- и наноэлектронике, в прецизионной сейсмометрии. Второй класс - лазерные топографические интерферометрические установки. Принцип действия этих систем основан на регистрации голограммы исследуемого объекта и дальнейшем ее изучении. В настоящее время голографическая интерферометрия уже стала неотъемлемым и надежным инструментом не только в научных исследованиях. Уникальные возможности этого метода используются для контроля качества изделий в турбиностроении, при производстве автомобильных шин, при проектировании плотин, несущих конструкций мостов и зданий, для корректировки процесса роста кристаллов и во многих других случаях. Благодаря уникальным возможностям метода стал доступен для оптических измерений и широкий класс диффузно отражающих объектов. К этому же классу относится и спекл-интерферометрия, которая развивалась во многом под влиянием идей и методологии голографической интерферометрии.

Новое определение метра, принятое в 1983 году, связывает единицу длины с единицей времени и частоты через фундаментальную константу скорость света, значение которой принято по международному соглашению. С введением этого определения появилась возможность реализации единого эталона времени, частоты и длины. С этой целью во ВНИИМ была создана эталонная установка на основе интерферометра Фабри - Перо для измерения отношения длин волн (частот) Не-Ые/СН» лазера (X = 3,39 нм), входящего в состав государственного первичного эталона времени и частоты (ВНИИФТРИ, Москва), и Не-№Л2 лазера (А. = 0,63 нм), входящего в состав Государственного первичного эталона единицы длины. С момента внедрения нового определения метра гелий-неоновый лазер (Не-Ые) является предпочтительным для использования в интерферометрических измерительных системах. В первом классе интерферометрических систем используются частотно-стабилизированные Не-Ые лазеры, пространственный период

излучения которых служит удобной мерой для контроля размеров материальных тел. Во втором классе интерферометрических систем используются Не-Ые лазеры повышенной мощности (более 70 мВт), позволяющие получать голограммы высокой яркости и четкости.

С каждым годом предъявляются все более жесткие требования к времени готовности, точности и скорости измерений таких систем, что, в первую очередь, определяется характеристиками используемых в них лазеров.

Цель диссертационной работы: создание методов и средств стабилизации характеристик серийно-выпускаемых Не-№ лазеров, используемых в прецизионных лазерных измерительных системах. Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

- исследовать совместное влияние поперечного и продольного магнитных полей на разностную частоту при перестройке оптического резонатора;

- провести анализ существующих конструкций Не-Ые лазеров с целью разработки и применения новых средств и методов стабилизации параметров лазерного излучения;

- найти конструктивно-технологические методы подавления конкуренции длин волн 0,63 мкм и 3,39 мкм в Не-Ые лазерах повышенной мощности более 70 мВт;

- исследовать и разработать оптические схемы и конструкции излучателей на их основе;

- определить влияние тепловых режимов излучателя лазера на его работу в процессе стабилизации оптической частоты излучения;

- разработать цифровую систему стабилизации оптической частоты по опорному значению разностной частоты, не имеющему частотных флуктуаций реперной точки.

Научные исследования, определившие содержание работы, проводились в соответствии с планами научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ОАО «Плазма».

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем. 1. Установлено соотношение, позволяющее описать зависимость разностной частоты от перестройки оптического резонатора при совместном воздействии на активную среду активного элемента с внутренними зеркалами продольного и поперечного магнитных полей.

2. Предложен и впервые реализован способ стабилизации оптической частоты в промышленных лазерах, основанный на принципе стабилизации разностной частоты по ее опорному значению, не имеющему частотных флуктуаций.

3. Установлена нелинейная зависимость между выделяемой излучателем лазера тепловой энергией и временем его прогрева, необходимого для достижения заданной скорости перестройки оптического резонатора.

4. Разработан алгоритм расчета параметров цифровой системы стабилизации, основанный на анализе экспериментальных измерений параметров лазерного излучения, позволяющий сократить время настройки системы управления более чем в 10 раз.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Зависимость разностной частоты гелий-неоновых лазеров с внутренними зеркалами при перестройке оптического резонатора по контуру усиления в области максимально возможного зеемановского расщепления в продольном магнитном поле имеет монотонный характер при воздействии на активную среду поперечного магнитного поля, индукция которого составляет не менее 1/20 величины индукции продольного поля.

2. Использование монотонного участка зависимости разностной частоты от расстройки оптического резонатора в качестве дискриминационной кривой обеспечивает однозначность определения знака ошибки рассогласования и увеличение стабильности оптической частоты в серийно выпускаемых зеемановских лазерах не менее чем в 5 раз.

3. Методами численного моделирования установлено, что устойчивая стабилизация разностной частоты по ее опорному значению для уровня установившейся ошибки не более 64 кГц достигается при минимальной разрядности цифровой системы управления 16 бит.

Практическая значимость

1. Теоретически обоснован факт изменения формы кривой зависимости разностной частоты от расстройки оптического резонатора при совместном влиянии на активную среду продольного и поперечного магнитных полей в активном элементе с внутренними зеркалами;

2. Разработана универсальная цифровая система автоподстройки оптической частоты, которая может быть использована в конструкциях лазеров, стабилизированных как по опорному значению разностной частоты, так и по интенсивности мощности.

3. Разработано программное обеспечение для устройства стабилизации параметров излучения.

4. Разработан частотно-стабилизированный Не-Ые лазер дня измерительных систем, обладающий техническими характеристиками, превосходящими отечественные аналоги по ряду параметров, а именно: мощность излучения повысилась в 1,5 раза, диапазон разностных частот увеличился с 4 до 5 МГц, стабильность разностной частоты повысилась не менее чем в 10 раз, стабильность оптической частоты увеличилась не менее чем в 5 раз.

5. Разработана конструкция выходного окна активного элемента, которая позволяет подавить конкуренцию длин волн 0,63 мкм и 3,39 мкм и достичь нестабильности мощности не хуже ±1 % в Не-Ые лазерах мощностью более 70 мВт.

Новизна конструкторских и технологических решений подтверждена патентами на полезные модели [13,14,15].

Личный вклад автора

Диссертация написана по материалам исследований, выполненных лично автором, при его непосредственном участии или под его руководством. Автором выполнены исследования, определившие защищаемые положения и результаты.

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационной работы использованы НИИ ГРП «Плазма», г. Рязань, при модернизации Не-Ке лазеров повышенной мощности типа ЛГН-220 (ББ, М); при проведении НИОКР «Дем» (ЛГН-212-2М) и НИОКР «Дактиль-М» (ЛГН-303М), посвященных разработке и модернизации частотно-стабилизированных Не-Ие лазеров, предназначенных для замены устаревших моделей приборов, импорто-замещения и для применения в новейших лазерных информационных комплексах многопараметрического контроля кинематики станков, прецизионных оптико-механических измерительных системах, научных исследованиях. Также результаты диссертационной работы были использованы при создании лабораторных работ по курсу «Формирование и обработка оптических сигналов» в ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет».

Апробация работы

Санкт-Петербург, 2012; Международном научном семинаре (Россия -КНР), Рязань, 2012; 23-й международной конференции «Лазеры. Измерения. Информация», Санкт-Петербург, 2013; Международной научно-практической конференции «Инновации в науке, производстве и образовании», Рязань, 2013.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них 3 стати в журналах из списка ВАК РФ, 4 статьи в периодических не рецензируемых изданиях, 5 работ в сборниках научных трудов российских и международных научно-технических конференций, получено 3 патента РФ на полезные модели.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 77 наименований. Работа изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 57 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель работы, изложены основные решаемые задачи, показаны научная новизна и практическая ценность работы, приведены основные научные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор, в котором рассмотрены виды и принципы работы лазерных интерферометрических измерительных систем, схемы их построения в зависимости от типа применяемых лазеров и отмечены причины использования Не-№ лазеров в таких системах. Показано влияние характеристик лазерного излучения на скорость и точность интерферометрических измерений. Проанализированы основные методы активной стабилизации характеристик лазерного излучения, выявлены их основные достоинства и недостатки. Рассмотрены тенденции перехода от аналоговых к цифровым системам управления в связи с интенсивным развитием микропроцессорной техники. Рассмотрены основные модели Не-Ие лазеров, применяемые в интерферометрии. Выделены работы, посвященные стабилизации частоты лазерного излучения и перспективным методам стабилизации двухчастотных лазеров. На основе проведенного анализа сформулированы цель диссертационной работы и основные задачи исследований.

4.8 4.4 4.0 3.6 3.2 2.8 2.4 2.0

/ *>

г Ч

».2

-420

-210

210

42С| МГц

Рисунок 1 — Экспериментальная зависимость разностной частоты от расстройки оптического резонатора при индукции продольного поля: 1-20 мТл; 2-23 мТл; 3-27 мТл; 4-30 мТл; 5 — 34 мТл

Во второй главе

проведены теоретические и экспериментальные исследования [3, 10] зависимости разностной частоты от расстройки резонатора (рисунок 1) активных элементов с внутренними зеркалами длиной 125 мм и диаметром капилляра 0,8 мм. Исследования проводились при различных значениях индукции продольного магнитного поля магнитной системы излучателя (рис. 2) зеемановского Не-Ие лазера с целью повышения номинала разностной частоты излучения в таких приборах. Экспериментально установлено, что при магнитной индукции продольного магнитного поля более 32 мТл кривая зависимости разностной частоты от расстройки резонатора меняет свой вид с симметричного (рис. 1, кривые 1, 2, 3, 4) на несимметричный (рис. 1, кривая 5). Ряд исследований показывает, что при воздействии поперечного магнитного поля величиной не менее 1,5 мТл на активный элемент наблюдается несимметричная зависимость разностной частоты от расстройки резонатора, однако при этом номинал разностной частоты достигает не более 1 МГц.

В данной работе показано (рис. 3), что из-за краевых эффектов, возникающих в магнитной системе, и намагничивания юстировочных узлов, выполненных из магнитомягкого сплава, возникает поперечная

Рисунок 2 - Конструкция излучателя зеемановского Не-Ые лазера: 1 - активный элемент, 2 - котировочные узлы, 3 - корпус излучателя, 4 - кольцевые постоянные магниты, 5 - стойка

компонента индукции магнитного поля, которая составляет не менее 5 % (1/20 часть) от величины индукции продольного поля.

ТЯ 20 30 40 50 6СГ

О Л 50 60 1 70 L,

а б

Рисунок 3 - Распределение индукции магнитного поля в магнитной системе вдоль оси капилляра активного элемента: а - продольная составляющая поля, б - поперечная составляющая поля

Соотношение индукции полей определялось по их максимальным абсолютным значениям. Совместное влияние на активную среду продольной и поперечной компонент магнитного поля в излучателе и приводит к тому, что при магнитной индукции продольного магнитного поля более 32 мТл происходит изменение формы кривой зависимости разностной частоты от расстройки резонатора. На основе классических теорий по формированию разностной частоты в продольном и поперечном магнитных полях в данной работе предложено соотношение, позволяющее описать зависимость разностной частоты от расстройки оптического резонатора при совместном влиянии на активный элемент зеемановского лазера поперечного и продольного магнитных полей, и имеющее вид:

\2Ч

Н) = 0.28-^—[ехр 2 лЬ

-ехр

8 жИ

0.6Д V,

0.6Д vD

í-vtfU

S + J

0.3Avo

0.3Д v

8 лЫ [щ, (Í+Ktfj)

( MHLf+r2

(1)

«-КЯL»

(мн^+г2

где/- относительные потери резонатора, измеренные на уровне поло-

винной интенсивности, с - скорость света, Ь — длина оптического резонатора, Ъ, - расстройка оптической частоты, Ауд - полуширина допле-ровского контура, #= - напряженность продольного магнитного поля, Н± - напряженность поперечного магнитного поля.

Кроме активных элементов с внутренними зеркалами в данной главе проведено исследование Не-№ лазеров с внешним резонатором мощностью более 70 мВт. Основной проблемой таких лазеров является нестабильность мощности лазерного излучения, так как в них не используются специальные средства активной стабилизации [5]. Работы ряда исследователей показывают, что из-за возникающей конкуренции длин волн 0,63 мкм и 3,39 мкм нестабильность мощности излучения достигает 10 %, что является ограничивающим фактором использования таких лазеров. В данной работе для подавления конкуренции длин волн 0,63 мкм и 3,39 мкм предложено одно из выходных окон активного элемента выполнять в виде диспергирующей призмы из стекла ЛК-4 [1, 13]. Кроме того, что само стекло ЛК-4 частично подавляет излучение на длине волны 3,39 мкм, призма, устанавливаемая под углом Брюстера, имеет клин, угол которого составляет 3 градуса, позволяющий разнести в пространстве излучение конкурирующих длин волн. Такое решение позволило уменьшить нестабильность мощности излучения серийно выпускаемого Не-Ые лазера повышенной мощности не менее чем в 2 раза. Как показали расчеты [4, 6] и экспериментальные измерения, изменение угла наклона одной из граней призмы не более чем на 3 градуса приводит к уменьшению выходной мощности излучения не более чем на 1 %, что является допустимым.

В третьей главе на основе комплексного анализа конструкций исследуемых частотно-стабилизированных Не-Ые лазеров [2] осуществлен поиск новых конструктивно-технологических решений, направленных на создание новых приборов с более высокими эксплуатационными характеристиками. В выпускаемых на сегодняшний день частотно-стабилизированных лазерах ЛГН-212-1М и ЛГН-303 используется аналоговая система стабилизации оптической частоты по равенству интенсивностей ортогонально поляризованных мод. Стабилизация оптической частоты осуществляется методом термостабилизации длины оптического резонатора, где в качестве управляющего элемента выступает медная бифилярная спираль, наматываемая на внешнюю оболочку активного элемента. Расчеты показали, что для обеспечения относительной нестабильности оптической частоты не хуже Ау/у = 1 • 10"9 допустимое изменение температуры корпуса активного элемента составляет АТдоп = 0,0002 °С. Такой маленький допуск к изменению температуры корпуса активного элемента и выдвигаемое на сегодняш-

ний день требование к времени готовности лазеров (не более 10 минут) привели в данной работе к более детальному исследованию тепловых режимов излучателей и поиску новых технических решений, направленных на уменьшение времени готовности отечественных частотно-стабилизированных лазеров [8].

Тепловой режим излучателей стабилизированных лазеров играет чрезвычайно важную роль в процессе стабилизации частоты. Недостаточный прогрев конструкции излучателя или ее перегрев приводят в режиме стабилизации к дрейфу оптической частоты и перекосу пределов регулирования системы стабилизации. Индикатором достаточности прогрева служит температура оболочки активного элемента, достигаемая при его самопрогреве от газового разряда. При этом рабочая температура активного элемента в режиме стабилизации должна быть выше не менее чем на 5 С температуры самопрогрева.

Конструкция активных элементов и требования к используемым материалам излучателей лазеров ЛГН-303 и ЛГН-212-1М не позволяют снизить их массу и удельную теплоемкость, поэтому в данной работе предложено на время прогрева увеличить подводимую к системе тепловую мощность. Для определения необходимой дополнительной тепловой мощности и оптимального расположения элементов дополнительного нагрева в конструкциях исследуемых излучателей в данной главе проведены теоретические расчеты времени установления термодинамического равновесия системы в зависимости от подводимой тепловой мощности и теплофизических характеристик конструкций излучателей. Далее проведено моделирование тепловых процессов излучателей, что позволило определить место расположения дополнительных нагревательных элементов в конструкции. На основе проведенных теоретических расчетов и результатов моделирования осуществлено экспериментальное исследование тепловых режимов излучателей с дополнительными элементами прогрева. Результаты исследований показали, что использование в конструкциях излучателей дополнительных нагревательных элементов снижает время предварительного прогрева и время выхода на режим термодинамического равновесия в 2 раза. Дальнейшее уменьшение времени прогрева ограничивается требованием максимальной потребляемой мощности лазера от источника питания.

Преимуществами метода стабилизации по равенству интенсивно-стей ортогонально поляризованных мод являются: отсутствие ушире-ния линии излучения, достаточная стабильность частоты, простота исполнения. Вместе с тем остается нерешенной проблема снижения чувствительности подобных лазеров к нестабильности оси диаграммы

направленности, интерференционным эффектам в оптических элементах, входящих в тракт системы автоподстройки частоты (АПЧ), и к обратным отражениям [2]. Кроме того, возникла проблема стабилизации оптической частоты активных элементов, имеющих повышенную разностную частоту более 4 МГц, используемых в конструкции частотно-стабилизированного зеемановского лазера типа ЛГН-212-1М и аналогичных приборах. Проблема состоит в том, что все активные элементы с повышенной разностной частотой имеют несимметричную зависимость разностной частоты от расстройки резонатора, а время существования разностной частоты при рабочей температуре активного элемента составляет 2 - 3 с, что при использовании прежних методов стабилизации приводит к периодическому исчезновению разностной частоты. В данной работе предложено стабилизировать оптическую частоту таких активных элементов по опорному значению разностной частоты. Для этих целей разработана и исследована цифровая система стабилизации разностной частоты по ее опорному значению, осуществляющая управление основной подогревной спиралью в режимах прогрева и стабилизации [7].

На основе предложенных в диссертации научно-технических решений разработана новая конструкция (рис. 4) зеемановского частотно-стабилизированного гелий-неонового лазера. Функциональная схема лазера представлена на рисунке 5. Отличительной особенностью данной конструкции лазера является то, что стабилизация оптической частоты осуществляется по опорному значению разностной частоты. Это позволило упростить оптическую схему прибора и объединить все ее оптические компоненты в одном корпусе излучателя. Такое решение устраняет влияние нестабильности оси диаграммы направленности на стабильность оптической частоты излучения.

Кроме того, этот метод стабилизации снижает чувствительность прибора к обратным отражениям. В данной работе показано, что использование системой стабилизации зависимости разностной частоты от расстройки оптического резонатора в качестве дискриминационной

Рисунок 4 - Разработанный частотно-стабилизированный зеемановский Не-Ые лазер

кривой повышает стабильность разностной частоты не менее чем в 10 раз, а стабильность оптической частоты не менее чем в 5 раз. Для работы системы стабилизации с выхода активного элемента отводится часть мощности излучения, которая составляет 4 - 8 % от суммарной мощности (в лазере ЛГН-212-1М эта величина составляет 20 %). Основным недостатком данного метода стабилизации является то, что любые изменения разностной частоты, вызванные изменением магнитного поля магнитной системы, компенсируются терморегулировкой длины оптического резонатора, что приводит к перестройке оптической частоты излучения.

Рисунок 5 — Функциональная схема конструкции зеемановского частотно-стабилизированного Не-№ лазера: 1 - активный элемент, 2 - управляющая длиной активного элемента спираль, 3 - дополнительный нагревательный элемент, 4 - терморезистор, 5 - магнитная система, 6 - кварцевая пластина, 7 - фотоприемник, 8 — фазовые пластины, 9 - коллиматор, 10 — стабилизатор тока активного элемента, 11 - высоковольтный источник питания, 12 - усилитель высокой частоты (УВЧ), 13 - устройство стабилизации частоты УСЧ

Условия, в которых работают зеемановские лазеры, учитывают их чувствительность к изменению магнитных полей, поэтому на стабиль-

ность оптической частоты в процессе работы лазера будут оказывать влияние только изменение магнитного поля, связанное со старением магнитов, и уход характеристик излучения от номинального значения из-за старения активного элемента. Применение в цифровой системе управления программируемого контроллера позволяет использовать различные алгоритмы вычисления дрейфов разностной частоты и автоматически вводить поправки для ее опорного значения в процессе стабилизации.

Измерение разностной частоты микроконтроллером устройства УСЧ осуществляется методом подсчета количества импульсов, поступающих на асинхронный счетчик контроллера за определенное время. Для обеспечения точности измерения разностной частоты не хуже ± 100 Гц время измерения частоты составляет 0,01 с. С учетом того, что время, затрачиваемое микроконтроллером на вычисление сигнала управления нагревательной спиралью, составляет 0,002 с при тактовой частоте контроллера 32 МГц, суммарное время, затрачиваемое на измерение разностной частоты и вычисление сигнала управления спиралью, равно 0,012 с. В соответствии с этим частота выборки регулируемой величины (разностной частоты) равна 83,3 Гц. Экспериментальные исследования показали, что при точности измерения разностной частоты ± 100 Гц и частоте выборки 83,3 Гц не возникает модуляции оптической частоты.

Как любое устройство автоматического управления, разработанное устройство стабилизации частоты также требует настройки для работы с конкретным активным элементом. Для целей оптимальной настройки системы стабилизации в данной работе разработана методика численного расчета необходимых параметров системы (коэффициента усиления, постоянных времени интегрирования и дифференцирования), основанная на обработке экспериментальных измерений разностной частоты и строящихся переходных характеристик системы. Кроме того, численное моделирование, основанное на разработанной методике расчета, позволило установить, что для устойчивой стабилизации разностной частоты по ее опорному значению минимальная разрядность цифровой системы управления должна быть не менее 16 бит, что обеспечивает минимальный шаг дискретизации управляющего напряжения спирали иНагртах /216 - Увеличение шага дискретизации управляющего напряжения при частоте выборки входного сигнала 83,3 Гц приводит к чрезмерному перерегулированию (изменению длины оптического резонатора), что вызывает исчезновение разностной частоты. На рисунке 6 показаны результаты построения переходных характеристик системы управления с разными коэффициентами усиле-

а б

Рисунок 6 - Переходные характеристики автоматической цифровой системы стабилизации (Ы - номер выборки)

ния при заданном опорном значении частоты 3,5 МГц. При переходной характеристике (а) коэффициент усиления в системе в 10 раз больше, чем при наличии характеристики (б).

кГц

При большем коэффициенте усиления системы управления возрастает величина перерегулирования переходного процесса, но уменьшается уровень установившейся ошибки регулирования, что необходимо учитывать при настройке системы для работы с конкретным активным элементом.

В четвертой главе проведено экспериментальное исследование наиболее важных характеристик разработанного двухчастотного зее-мановского Не-Ые лазера [14], а также лазера повышенной мощности с выходным окном активного элемента в виде дисперсионной призмы. Для проверки работоспособности всех систем частотно-стабилизированного лазера в комплексе осуществлено измерение относительной нестабильности оптической частоты за 4 часа непрерывной работы лазера при нормальных условиях эксплуатации таких приборов. Измерения проводились методом сличения оптической частоты исследуемого лазера с оптической частотой опорного лазера [9, 11], стабилизированного по насыщенному поглощению в йоде. Полученная относительная нестабильность оптической частоты составила 1,110"9 при нестабильности разностной частоты ± 2 кГц, что удовлетворяет на сегодняшний день требованиям, предъявляемым к таким лазерам. Кроме того, в данной главе показано, что новая оптическая схема излучателя исключила влияние нестабильности относительной диаграммы направленности на стабильность оптической частоты излучения.

Измерение нестабильности мощности Не-Ые лазера с выходным окном активного элемента в виде призмы показало, что данное реше-

ние обеспечивает снижение нестабильности мощности не менее чем в 2 раза.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведено исследование совместного влияния поперечного и продольного магнитных полей на разностную частоту при перестройке оптического резонатора, что позволило получить теоретическую модель изменения разностной частоты от расстройки резонатора с учетом влияния поперечной и продольной составляющих магнитного поля в магнитной системе, выполненной из кольцевых магнитов с размещенным внутри нее активным элементом с внутренними зеркалами.

2. Модернизирован метод стабилизации разностной частоты по ее опорному значению, не имеющему частотных флуктуаций, что позволяет улучшить качество управления заданным параметром.

3. На основании анализа существующих конструкций Не-Ке лазеров разработаны оптическая схема и конструкция излучателя на ее основе для реализации метода стабилизации разностной частоты.

4. Разработана цифровая система стабилизации оптической частоты по опорному значению разностной частоты, которая также может быть использована для стабилизации лазеров по другим параметрам, например по опорному значению интенсивности мощности излучения.

5. Разработана методика расчета параметров цифровой системы управления на основе анализа экспериментальных измерений характеристик излучателя.

6. На основании исследования тепловых режимов излучателей частотно-стабилизированных лазеров предложен и реализован способ уменьшения времени прогрева промышленных лазеров на основе использования дополнительного нагревательного элемента в конструкции излучателя.

7. Разработан и внедрен в производство стабилизированный зеема-новский лазер с повышенной до 5 МГц разностной частотой, с увеличенной, по сравнению с аналогом в 1,5 раза, мощностью излучения и в 5 раз стабильностью оптической частоты.

8. Разработаны способ подавления конкуренции длин волн и методика расчета угла при вершине диспергирующей призмы, что позволило увеличить стабильность мощности промышленного гелий-неонового лазера повышенной мощности более чем в 2 раза.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Работы, опубликованные в научных журналах, входящих в перечень ВАК РФ:

1. Воробьев П. Г., Кондрахин А. А., Мочалина А. А., Чуляева Е. Г. Дис-першрующая призма как селектор длин волн в Не-№ лазере // Вестник РГРТУ. № 3. Вып. 33.2010. С. 69-72.

2. Воробьев П. Г., Чуляева Е. Г. Частотно-стабилизированные лазеры для точных измерений // Вестник РГРТУ. № 1. Вып. 39. Часть 2.2012. С. 26 - 33.

3. Воробьев П. Г., Чуляева Е. Г. Влияние магнитного поля на разностную частоту двухчастотного стабилизированного Не-№ лазера // Вестник РГРТУ. № 2. Вып. 44.2013. С. 82 - 86.

Работы, опубликованные в журналах и сборниках научных трудов не входящих в перечень ВАК РФ:

4. Воробьев П. Г., Керносов М. Ю., Кондрахин А. А., Чуляева Е. Г. Расчет параметров оптического резонатора мощного гелий-неонового лазера // Электроника: межвуз. сб. науч. тр. Рязань. 2009. С. 93-98.

5. Воробьев П. Г., Кондрахин А. А Стабилизация мощности в Не-№ лазерах с внешними зеркалами//Вестник СПбО АИЛ Вып. № 6.2009. С. 41-48.

6. Воробьев П. Г., Керносов М. Ю., Кондрахин А. А., Чуляева Е. Г. Параметры генерации мощного гелий-неонового лазера // Сборник научных трудов П международной научной конференции «Электронная компонентная база. Состояние и перспективы развитая». Харьков - Кацивели. 2009. С. 19-22.

7. Воробьев П. Г., Кондрахин А. А., Мельничук Г. В., Чуляева Е. Г. Методы цифрового управления параметрами частотно-стабилизированных Не-Ые лазеров // Сборник докладов 22-й международной конференции «Лазеры. Измерения. Информация». Том 1. Издательство политехнического университета. СПб. 2012. С. 181 -195.

8. Воробьев П. Г., Кондрахин А. А., Мельничук Г. В., Улигенко А, И, Чуляева Е. Г. Исследование тепловых режимов частотно-стабилизированных Не-Ые лазеров // Фотоника. Вып. № 4.2012. С. 40 - 48.

9. Воробьев П. Г., Керносов М. Ю., Кондрахин А. А., Мельничук Г. В., Чуляева Е. Г. Методы измерения параметров частотно-стабилизированных лазеров // Сб. науч. тр. Международный научный семинар (Россия - КНР). Рязань. 2012. С. 166-170.

10. Воробьев П. Г., Тумаков Н. Ю., Кондрахин А. А., Мельничук Г. В., Чуляева Е. Г. Исследование влияния магнитного поля на формирование разностной частоты в зеемановских лазерах // Сб. науч. тр. 23-й международной конференции «Лазеры. Измерения. Информация». Издательство политехнического университета. СПб. 2013. С. 90-102.

11. Воробьев П. Г., Керносов М. Ю., Кондрахин А. А., Мелыпмук Г. В., Чуляева Е. Г. Методы шмерения параметров частотно-стабшшзированных лазеров // Фотоника. Вып. № 3.2013. С. 36-39.

12. Воробьев П. Г., Керносов М. Ю., Кондрахин А. А., Мельничук Г. В., Чуляева Е. Г. Малогабаритный высококогерентный He-Ne лазер для прецизионных измерений // Сб. тр. международной научно-практической конференции «Инновации в науке, производстве и образовании». Рязань. 2013. С. 109-111.

13. He-Ne лазер. Воробьев ILT. и яр. Патент РФ на полезную модель № 94769, кл. H01S 3/00. Приоритет от 8.022010, опубл. 27.052010.

14. Частотно-стабилизированный газовый лазер. Воробьев ИГ. и др. Патент РФ на полезную модель № 112521. Приоритет от 15 июля 2011 г., опубл. 10.012012.

15. Активный элемент двухчасготного He-Ne лазера. Воробьев П.Г. и др. Патент РФ на полезную модель № 116701. Приоритет от 29 декабря 2011 г., опубл. 27.052012

ВОРОБЬЕВ Павел Геннадьевич

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА СТАБИЛИЗАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫХ ЛАЗЕРОВ ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 20.11.2013. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз.

Рязанский государственный радиотехнический университет. 390005, Рязань, ул. Гагарина, 59/1.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Воробьев, Павел Геннадьевич, Рязань

УДК 621.373.826

ФГБОУ ВПО РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201455404 ВОРОБЬЕВ ПАВЕЛ ГЕННАДЬЕВИЧ

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА СТАБИЛИЗАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫХ ЛАЗЕРОВ ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Специальность 01.04.01 —«Приборы и методы экспериментальной

физики»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель — д.т.н. Чуляева Елена Георгиевна

Рязань 2013

АННОТАЦИЯ

Диссертационная работа посвящена исследованию существующих и разработке новых методов и средств стабилизации характеристик гелий-неоновых лазеров, используемых в качестве источников эталонного излучения в прецизионных измерительных системах. Точность и скорость измерений таких систем в первую очередь зависит от стабильности характеристик используемых в них лазеров. Повышение требований к точности измерений таких систем и привело к написанию данной работы. В ходе проведенных исследований решен ряд актуальных задач.

Установлена теоретическая зависимости разностной частоты от расстройки оптического резонатора при совместном влиянии на активную среду продольного и поперечного магнитных полей в зеемановском лазере.

Разработана универсальная цифровая система автоподстройки оптической частоты, которая может быть использована в конструкциях лазеров, стабилизированных как по опорному значению разностной частоты, так и по интенсивности мощности.

Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для устройства стабилизации параметров излучения.

Разработан двухчастотный частотно-стабилизированный Не-№ лазер, обладающий техническими характеристиками, превосходящими отечественные аналоги по ряду параметров, а именно: мощность излучения повысилась в 1,5 раза, диапазон разностных частот увеличился с 4 до 5 МГц, стабильность разностной частоты повысилась не менее чем в 10 раз, стабильность оптической частоты увеличилась не менее чем в 5 раз.

Разработана конструкция выходного окна активного элемента, которая позволяет подавить конкуренцию длин волн 0,63 мкм и 3,39 мкм и достичь нестабильности мощности не хуже ±1% в Не-№ лазерах мощностью более 70 мВт.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................5

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................10

1.1. Определение метра и его реализация...................................................................10

1.2 Частотно-стабилизированные лазеры....................................................................12

1.3 Лазерные интерферометры перемещений............................................................20

1.4 Голографическая интерферометрия......................................................................29

1.5 Тенденции перехода от аналоговых к цифровым системам управления..........34

1.6 Постановка задачи...................................................................................................37

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ИЗЛУЧЕНИЯ ГЕЛИЙ-НЕОНОВОГО ЛАЗЕРА..........................................................................................................................40

2.1 Теоретическое исследование свойств излучения частотно-стабилизированных лазеров............................................................................................................................40

2.2 Активный элемент двухчастотного лазера...........................................................43

2.3 Расчет расщепления частоты в магнитном поле с продольной и поперечной составляющими..............................................................................................................48

2.4 Исследование магнитной системы излучателя лазера.........................................51

2.5 Диспергирующая призма как селектор длин волн в Не-№ лазере....................57

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ СТАБИЛИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ НЕ-ЫЕ ЛАЗЕРОВ....................71

3.1 Моделирование работы аналоговой системы автоподстройки частоты............71

3.2 Исследование тепловых режимов лазеров, стабилизированных методом термокомпенсации длины оптического резонатора...................................................74

3.2.1 Экспериментальное исследование тепловых режимов лазера ЛГН-303.....79

3.2.2 Экспериментальные исследования тепловых режимов двухчастотных зеемановских лазеров.................................................................................................85

3.3 Разработка схемотехнических решений и алгоритма работы цифровой системы авторегулирования.........................................................................................91

3.4 Разработка методики определения параметров цифрового ПИД-регулятора на основе анализа экспериментальных измерений.......................................................103

3.5 Конструкция разработанного двухчастотного зеемановского He-Ne лазера.. 110 ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫХ ЛАЗЕРОВ...............................................................................114

4.1 Характеристика стабильности оптической частоты..........................................114

4.2 Экспериментальные методы определения стабильности частоты лазерного излучения......................................................................................................................117

4.3 Расчет погрешности измерения длины волны поверяемого лазера.................120

4.4 Обработка результатов полученных измерений................................................121

4.5 Измерение нестабильности мощности гелий-неонового лазера с внешними

зеркалами......................................................................................................................125

Заключение...................................................................................................................127

Библиографический список........................................................................................129

ПРИЛОЖЕНИЕ А........................................................................................................136

ВВЕДЕНИЕ

Измерения для современной научной и практической деятельности играют первостепенную роль. Только в России ежедневно осуществляется более миллиона измерений, проводимых с помощью специальных измерительных приборов, устройств и систем. Поэтому разработка и создание новых средств измерений является одним из основных направлений научно-технического прогресса, тесно связанным с развитием науки и технологии.

Среди факторов, оказывающих значительное влияние на развитие приборостроения и измерительной техники, следует отметить принципиально новые подходы по использованию средств вычислительной техники, в частности, введение ее в измерительную цепь, выполнение ею функций управления экспериментом и принятие решений. Это сделало возможным переход к созданию нового поколения средств измерений, а именно, интеллектуальных средств измерений (интеллектуальных датчиков-сенсоров и компьютерных измерительных систем, использующих базы знаний и нейронные сети), которые представляют собой многофункциональные измерительные системы, отличающиеся от обычных средств измерений тем, что могут выбирать оптимальный алгоритм измерения в зависимости от условий задачи. Еще одним фактором, влияющим на развитие средств измерений, является удовлетворение возрастающих требований науки и промышленности к качеству измерений, прежде всего к их точности и достоверности, что обуславливает постоянный поиск новых принципов при создании средств измерений. Таким образом, такие факторы, как: выход на естественные пределы точности измерений, компьютеризация средств измерений и появление интеллектуальных измерительных систем, а также возрастание требований к качеству измерений, приводят к тому, что проблема точности средств измерений при функционировании и проектировании становится ключевой проблемой приборостроения [1].

Цель диссертационной работ: создание методов и средств стабилизации характеристик серийно-выпускаемых Не-Ые лазеров, используемых в прецизионных лазерных измерительных системах.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

- исследовать совместное влияние поперечного и продольного магнитных полей на разностную частоту при перестройке оптического резонатора в активных элементах с внутренними зеркалами;

- провести анализ существующих конструкций Не-№ лазеров с целью разработки и применения новых средств и методов стабилизации параметров лазерного излучения;

- найти конструктивно-технологические методоы подавления конкуренции длин волн 0,63 мкм и 3,39 мкм в Не-№ лазерах повышенной мощности более 70 мВт;

- исследовать и разработать оптические схемы и конструкции излучателей на их основе;

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Установлено соотношение, позволяющее описать зависимость разностной частоты от перестройки оптического резонатора при совместном воздействии на активную среду лазера с внутренними зеркалами продольного и поперечного магнитных полей.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

Практическая значимость:

3. Разработано программное обеспечение для устройства стабилизации параметров излучения.

4. Разработан двухчастотный частотно-стабилизированный Не-№ лазер для измерительных систем, обладающий техническими характеристиками, превосходящими отечественные аналоги по ряду параметров, а именно: мощность излучения повысилась в 1,5 раза, диапазон разностных частот увеличился с 4 до 5 МГц, стабильность разностной частоты повысилась не менее чем в 10 раз, стабильность оптической частоты увеличилась не менее чем в 5 раз.

5. Разработана конструкция выходного окна активного элемента, которая позволяет подавить конкуренцию длин волн 0,63 мкм и 3,39 мкм и достичь нестабильности мощности не хуже ±1 % в Не-№ лазерах мощностью более 70 мВт.

Новизна конструкторских и технологических решений подтверждена патентами на полезные модели.

Апробация работы:

Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, обсуждались: на 19-й международной конференции «Лазеры. Измерения. Информация» , Санкт-Петербург, 2009; II международной научной конференции «Электронная компонентная база. Состояние и перспективы развития», Харьков -Кацивели, 2009; 22-й международной конференции «Лазеры. Измерения. Информация», Санкт-Петербург, 2012; Международном научном семинаре (Россия - КНР), Рязань, 2012; 23-й международной конференции «Лазеры. Измерения. Информация», Санкт-Петербург, 2013; Международной научно-практической конференции «Инновации в науке, производстве и образовании» -

2013.

Публикации:

По материалам диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ, из них 3 статьи в журналах из списка ВАК РФ, 4 статьи в периодических не рецензируемых изданиях, 5 работ в сборниках научных трудов российских и международных научно-технических конференций, получено 3 патента РФ на полезные модели.

Структура и объем работы

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Определение метра и его реализация

Основой для всех измерений длины с максимальной точностью является определение метра, которое позволяет использовать прецизионный стабилизированный по частоте лазер для определения единицы длины.

В октябре 1983 г. принято новое определение основной единицы длины — метра; метр — это длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды [2]. Это определение основывается на установленном значении для скорости света, которая по соглашению не имеет погрешности и достигает значения с=299792458 м/с. В определение не входят специфические и технические характеристики. Поэтому в будущем нет оснований его изменять, а научно-технический прогресс будет сказываться лишь на способах, с помощью которых реализуется метр.

Хотя лазер в определении метра не упоминается, оно стало возможным лишь на основе метрологических результатов, полученных с помощью лазера, и наиболее точно на сегодняшний день реализация метра может быть осуществлена с помощью лазерного излучения. Благодаря низкой погрешности представления секунды 10"13 в 1972 г. впервые удалось сделать непосредственную привязку частот лазерных линий ИК-диапазона с погрешностью измерения 3-Ю"10. Позднее были измерены частоты лазерных линий в видимой области спектра. Наиболее .точно измерена частота в видимой области спектра £ = 473 ТГц (к = 633 нм) с относительным стандартным отклонением 1,6-10"10. В таблице 1 приведены частоты лазерных линий, измерения которых основаны на точном определении отношений комбинаций длин воли. Материально-технические затраты на получение подобного ряда частот очень велики, так что они не всегда могут быть получены. Поэтому для практического применения необходимо иметь источники излучения в оптической области спектра, которые по своей стабильности и воспроизводимости пригодны для точного измерения частоты.

Таблица 1.1 Лазеры, рекомендованные Международным бюро мер и весов, излучение которых стабилизировано по насыщающимся линиям поглощения

молекул

Поглощающая молекула/ переход Лазер Частота, МГц Длина волны, фм Погрешность, 35

СН4 у3, Р(7) Р2<2> Не-№ 88376181,608 3392231397,0 1,3-Ю-10

12712 17-1, Р(62) о На красителе или Не-Ые 520206808,51 576294760,27 6-ю-10

11-5,11(127) \ Не-Ке 473612214,8 632981398,1 МО'9

12712 9-2, 11(47) о Не-Ие 489880355,1 611970769,8 1,110"у

1271243-0, Р(13) а3 Аг+ 582490603,6 514673466,2 1,3-Ю"9

Стабилизация лазерного излучения с помощью насыщающихся линий поглощения предоставляет для этого достаточную гарантию.

Для реализации единицы длины Международное бюро по мерам и весам (В1РМ) рекомендовало три способа.

1. Путем измерения времени распространения / световых импульсов и скорости света с, из которых получается длина Ь = & согласно определению метра. Лишь для отрезков в несколько километров и во внеземной области этот способ представляет особый интерес.

2. Измерение частоты / и использование соотношения X = с//. Этот способ может быть реализован только на некоторых метрологических государственных станциях и из-за высоких технических затрат ограничивается только отдельными случаями.

3. На основе прецизионных привязанных частот Консультативным комитетом (ССБМ) Международного комитета по мерам и весам (С1РМ) рекомендуются применять значения частот и длин волн подходящих лазеров. Важнейшие линии рекомендуемых источников лазерного излучения приведены в таблице 1.1.

Для определения национальных эталонов единицы длины во многих странах используются стабилизированные по частоте лазеры, с помощью которых могут быть воспроизведены линии, указанные в таблице 1.1 [3]. В связи с этим Не-№ лазер является основным источником эталонного когерентного излучения для целей лазерной интерферометрии.

1.2 Частотно-стабилизированные лазеры

Частотно-стабилизированные лазеры являются специальными устройствами д�