Влияние оптических свойств активной среды He-Ne лазера на стабильность частоты излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. АНАЛИЗ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

1.1. Флуктуации оптической длины резонатора . из-за внешний воздействий . . II

1.2, Влияние показателя прелокления активной . среды, на стабильность частоты генерации • •

1.2.1. Колебания в .плазме газового. . . разряда We-Ve лазера

1.2.2. Влияние, колебаний тока разряда на. . частотные-характеристики . •

1.2.3. Оптическая неоднородность-активной . среды . He-rfVe . лазера.

Выгоды.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕНЕРАЦИИ В ГАЗОВОМ ЛАЗЕРЕ.

2.1. Связь амплитудных и частотных характеристик генерации.

2.1.1. Уравнение для матрицы плотности атомов рабочей среды.

2.1.2. Уравнения для напряженности . электрического поля в.лазере.

2.2. Дисперсия рабочего перехода.

2.3. Р.оль метастабильного уровня неона IS ^ с учетом насыщения рабочего переходв. . . 74 Выводы.

глава 3. экспериментальное исследование влияния тока разряда на показатель преломления активной среды ие-ые лазера.

3.1. Основные методы измерения показателя, преломления. •

3.2. Описание экспериментальной установки. . •

3.2.1. Описание оригинальных узлов установки.

3.2.2. Градуировка и тестирование . установки. . * «. . . . . •

3.3. Основные экспериментальные.результаты и. их. обсуждение. .НО

Выводы. • ••••••.

На протяжении всей истории развития квантовой электроники роль одночастотных стабилизированных лазеров неуклонно росла. Это обусловлено не только практикой использования этих лазеров, но и общефизическим научным интересом к данной проблеме. Достижения в деле стабилизации частоты излучения лазеров и передачи стабилизированной частоты в различные диапазоны спектра позволили. перейти в 1983 году на новое определение единицы длины - метра. Не будучи привязанным к какому-нибудь конкретному источнику света, новое определение по-прежнему обязывает воспроизводить метр.через -длину волны-излучения, но-теперь уже .определяемую из измерений частоты. Это, естественно,ещё более подняло значимосшь частотностабилизированных лазеров и актуальность исследований, направленных на повышение стабильности. . Успех.в повышении стабильности частоты газоразрядных лазеров, в. частности,гелий-неоновых, зависит не.только от достижений нелинейной спектроскопии в получении узких реперных структур, но. и от полноты значений дестабилизирующих факторов и механизмов их воздействия на излучение. Как известно, главными причинами нестабильности частоты являются изменения оптической длины резонатора под действием внешних (вибро, термо и акусто) возмущений и внутренних технических флуктуаций плазмы активной среды. В настоящее время достаточно хорошо изучена первая группа факторов.

Это позволило усовершенствовать технику стабилизации и достичь р таких степеней стабильности (~10 и выше), когда заметную роль начинают играть плазменные флуктуации. Резерв дальнейшего повышения стабильности теперь состоит в тщательном изучении механие-мов воздействия на оптические характеристики газоразрядной плазмы каждым из плазменных возмущений. В пользу этого утверждения свидетельствует тот факт, что теоретический предел стабильности частоты лазеров все еще не достигнут.

Целью настоящей работы является исследование влияния оптических свойств активной среды Нб-^fe лазера на стабильность частоты излучения на основе решения следующих задан:

- теоретического исследования воздействия внутренних возмущений на оптические характеристики активной среды;

- оценки роли фактора оптических характеристик в комплексе возмущающих факторов;

- разработки метода измерения показателя преломления плазмы газового разряда с чувствительностью порядка 10"*^; .

- экспериментального исследования связи- технических флукту-аций лазерных параметров с показателем преломления активной среды. .

Диссертация^состоит из введения, трех глав и заключения.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в работах [122-125]

В заключение автор.выражает глубокую благодарность своему научному, руководителю г- кандидату физико-математических наук Гримблатову В.М. за постоянное внимание к работе, за многочисленнее обсуждения всех вопросов. . Автор-приносит.свою искреннюю благодарность . . кандидату, физико-математических наук.Михайловской Л.В. и старшему сотруднику Калугину В.В. за помощь при экспериментальной проверке.ряда теоретических зависимостей и,обсуждении полученных.результатов. .Автор выражает глубокую признательность.Одесскому государственному.университету им. И.И.Мечникова за предоставленные широкие возможности в приобретении физических знаний и передового опыта советской науки.

1. Лейкин А.Я., Соловьев B.C. Исследование, стабильности длины волны излучения назового ОКГ. Измерит.техника, 1967, №9,с. 29-32.

2. Басов Н.Г., Летохов B.C.-Оптические стандарты частоты. УВД, 1968, т. 96, вып. 4, с. 585-631.

3. Тучин В.В., -Седельников В.А. К вопросу о флуктуационной. ширине. спектра излучения газового оптического квантового генератора. -Известия вузов СССР, сер. Радиоэлектроника, 1969,т.12, №3, с. 221-229.

4. Басов Н.Г., 1"убин М.А., Никитин В.В. и др. Частотная стабилизация газового лазера.с использованием эффектов взаимо-.действия.мод.- "Письма в.ЖЭТФ", 1972, т.Х5, №9, с.525-526.

5. Багаев С.Н., Василенко Д.С., Матюгин Ю.А.,Клементьев В.М., Трошин В.И., Чеботаев В.П. Некоторые результаты исследования стабильности частоты генерации газовых лазеров на длинах волн 0,63 ;1,15 ;3,39 и 9,6 мкм,- Оптика и спектроскопия.

6. Издат. Связь, М.: 1972, т. 22 , вып. 4, с. 802-808.

7. Галутва В.А., Рязанцев А.И. Селекция типов колебаний и стабилизация. частоты оптических квантовых генераторов. Издат.1. Связь, М.: 1972, с.73. .

8. Левин В.А., Кришталь В.Б. Исследование кратковременной нестабильности разностной частоты.гелий неонового ОКГ в режиме генерации двух аксимальных типов колебаний. Сб.научн.тр.

9. ВНИИ метрол., 1976, №203/263, с. 49-54.

10. Власов А.Н., Теселкин В.В. Флуктуации частоты генерациилазера, стабилизированного по длине поглощения метана.- Метрология, 1978, №2, с. 55-57.

11. Тучин В.В. §луктуации в газовых лазерах, ч. 1,2.- Саратов:

12. Издат. Сарат.ун-та, 1981,.чЛ, 62 с. ч. 2, 164 с.

13. Мазанько И.П., Молчанов М.й., Петрухин Е.А., Савушкин А.Ф., Ярошенко Н.Г. Измерение естественных флуктуаций частоты излучения лазера с А = 3,39 мк. Радиотехника и электроника, 1981,.т. .26, №4, с. 793-796.

14. Титов А.Н. Сдвиги частоты.стабилизированных лазеров из-за насыщения показателя.преломления. Исслед.обл. измерениявремени и частоты, М., 1982, 52-61.

15. Паюров А.Я., Перебякин В.А., Чуляева Е.Г. Исследование спектра флуктуации частоты излучения одночастотных стабилизированных лазеров. Автометрия, 1982, №2 с. 95-97.

16. Hiromitsu Ogasawara, Frequency stabilization mirror He-Ne Laser. 2Appl.0pt.",1983, 22,N 5,655-657.

17. W.R.Bennett, Jr., S.P. Jacobs, T.La Tourr P. Rabinowitr. Dispersion characteristics and frequecy stabilization of He-Ne lasers. " Appl.Phys.LEt.'1, 1964,5,N 5, pp. 56-58.

18. Бирмбаум Дж. Стабилизация частоты газовых лазеров.- ТИИЭР, 1967. т.55, №6, с. 308-320.

19. Birnbaum G. Frequency stabilization of gas lasers.-"Proc.IEEE", v.55,1967,N6, pp.1015-1025.

20. Венк Стабилизация частоты газовых лазеров. Зарубежная радиоэлектроника, 1970, №8, с. 93-108.

21. Harold S. Boyne. baser Frequency Stabilization Techniques Applications. " IEEE TRANS.Intr.Meas.", 1971, IM-20, N f, pp. 19-22.

22. Baird K.M., Hanes G.R. Stabilization of Wavelengths from gas lasers. " Reports on Progress in Physics", 1974, v.37, N 7, pp.929-950.

23. Летохов B.C., Чеботаев В.П. Принципы нелинейной лазерной , спектроскопии.- Издат. Наука, М., 1975, с. 279.

24. Evenson К.М., Petersen F.R. Stabilized lasers and applications. "Laser Appl. Opt. and Spectrose", Reading, Mass. e.a., 1975,367.400.

25. Власов A.H. Долговременная нестабильность и требования к системам автоподстройки.- Квантовая электроника, 1978,т.5, №7,. с.1518- 1524. . . .

26. Волнов -М.И., Тюриков Д.А.Электронная, система для стабилизации частоты, лазерного излучения.- М., Препринт ФИАН,1980, №158, с. 12.

27. Cercz P. Lasers as stable frequency sources maring Processes and Coherence in Physics. Proc.Workshop, hes Houches, Turch, 1979 "Lect.Notes.Phys.", 1980, 11Q,17-27.

28. Базаров E.H. Разработка и исследование высокостабильных перестраеваемых по.частоте газовых лазеров инфракрасного, и субмиллиметрового диапозонов, ЙРЭ АН СССР, 1981, с. 90.

29. Василенко Л.С. Исследование эффекта магнитострикции для стабильности частоты лазеров.- Лазер.системы, Новосибирск, 1982, с. I09-III.

30. Стабильность частоты. Тематический выпуск. ТИИЭР, т. 54, »2, 1966, с.

31. Burnes J.A. et al. Characterization of frequency stabiliy.-IEEE Trans, on Instrum. and Meas., 1971, v. IM-20, N 2', pp.

32. Рютмаи I. Характеристики нестабильности фазы частоты сигналов, высокостабильных генераторов. ТИИЭР, 1978, т.66,№9, с.

33. Гусев А.Ю. К оценке стабильности частоты ОКГ. Автометрия, . 1981» №6, с. 102-104.

34. Соловьев B.C., Фертик Н.С. Особенности измерения характеристик нестабильности частоты излучения.лазеров.-. Измерение-параметров, формы и спектра радиотех. сигналов. Всес. науч.-техн.конф., 20-22 окт. X98I, Тез.докл., ХарьковД981,с.76-78.

35. Арекки Ф.,Скалли. М.Дакен Г.,Вайдлих В. Квантовые флуктуации . излучения лазера. М.,Мир,1974, с. 236.<

36. Багаев С.Н., Бакланов.Е.В., Чеботаев В.П. Аномальное уменьшение сдвига центра лэмбовского провала в молекулярных газовых лазерах низкого давления. Письма в ЖЭТФ, 1972, т.16, вып. 6, с. 344-348.

37. Клементьев В.М.,Чеботаев В.Н. С0$> лазер кратковременной, стабильностью частоты 10^. Письма в 1Т§, 1979, т.5,№17, с. 1025-1028.

38. Cerez P., Brillet A., Man С. Lasers helium-neon stabilises en frequence, Applications. "Rev.Phys. Appl.", 1979,14,N2,347.351.

39. Зоммер.М. Влияние возмущающих факторов на параметры оптического эталлона на основе .Hfi-l\/e лазера. Канди-. датская диссертация Одесс.ун-т, Одесса,.1984, с. 207. .

40. Абрамов В.Я.,Пипченко В.П.,Клименко Ю.М.,Перебякин В.А. Зависимость положения выходного пучка излучениялазера от изменения показателя преломления окружающей среды. . ЖПС, 1983,т.39, № 5, с. 740-744.

41. Марданов Р.Ф. Влияние.оптической неоднородности активной среды на частоту генерации газового, лазера.-Квантовая электроника, 1975, т.2, № 9, с. 187-188.

42. Arrathoon R. Positive column population calculations forthe evaluation of dispersive effects in He-Ne lasers. HJ.Appl.Phys.",1969,v.40, N7,pp. 2875-2883.

43. Привалов B.E. Колебания в разряде газового лазера.-Квантовая . электроника, 1977, т.4, №10, с.2085-2X19.

44. Привалов В.Е. Газоразрядные лазеры .в.судовых измерительных . комплексах.- Ленинград, Судостроение,.1977, с. 152.50. Ф4И. йе-№е Чк&У ЦЪг) , 19&а, iQ A. 49-S6&4I.ъаг, яГ* 2, г?-зо

45. Пекарек Л. Ионизационные волны страты в разрядной плазме* . -УФНД968, т.94, вып. 3, с. 463-500.

46. Захаренко Ю.Г.Привалов В.Е.,§ованов Я.А. Особенности влияния колебаний в разряде на интенсивность излучения газового лазера.-Радиотехника и электроника, 1976» т.21, №9, с. I90I-I909. .

47. Гуськов Л.Н.,Сологуб В.П., Трошин Б.И. Экспериментальное исследование спектральной структуры флуктуаций интенсивности излучения- Не- Ые лазера-на. Эк = 0,63 микм,- Оптика и спектроскопия, 1976, т.40, вып.I, 170-174»

48. Привалов В.Е., .Фофанов .Я.А. Феноменологическая модель процесса, генерации бегущих страт в тлеющем разряде.-Письмав ЖТФД978, Т.4, с.282-285. .

49. Павлов П.А., Привалов В.Е. Исследование страт в тлеющем . разряде.-. ЖТФ, 1978, т.48, №7, с.1375-1380.

50. Захаренко Ю.Г.«Привалов В.Е. Взаимодействие колебаний в разрядном промежутке с двумя анодами.-1ТФ, 1974, т.44, №7,с.1. X562-1565. .

51. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. М. ,НаукаД971,с.

52. Тучин В.В., Четвериков В.И. К вопросу.о.фнуктуациях частоты и мощности излучения, газовых О КГ.-Электронная техника,1975»

53. Сер.8,вып. 8 (38), с. 32-37. ,

54. Тучин В.В.Дкчурин.Г.Г.Модуляция интенсивности излучения Не-.к1е. лазера возмущениями тока разряда.-Квантовая электроника, 1975, т.2, №6, с. I253-I262.

55. Тучин В.В* 0 частотной модуляции излучения газового лазера. . Радиотехника и электроника, 1975,. т.20, №4, с.786-795.

56. Кац М.Л.,Седельников.В.А.,Тучин В.В. Флуктуации излучения двухмодового газового лазера.-Радиотехника и электроника,1973, т.18, *10., с.2089-1096.

57. Тучин В.В. Динамика воздействия флуктуаций параметров на выходное излучение газовых лазеров.-Метрология, 1978, №2, с.28-38.

58. Мельников Л.А. О технических флуктуациях излучения кольцевых лазеров.-Метрология,1978, Ю» с.37-40.

59. Белоусова И.М.Даников О.В.,Елькин И.А. Исследование параметров плазмы Не-Ке ОКГ в условиях, соответствующих режиму генерации . . Д =6328 А • №,1967, вып.9,с.1681-1685.

60. Захаренко Ю.Г.,Привалов В.Е.,Тучин В.Е. Влияние колебаний в разряде на-излучение малогабаритных Me h/e лазеров. -Электроника,1974, I, сЛ55-166.

61. Тучин В.В. Технические, флуктуации интенсивности излучения газовых лазеров. Обзоры по эл.тех-ке. Сер.Ю "Квант.эл-ка",1976, вып. 5.

62. Елецкий А.В., Смирнов Б.М. Газовые лазеры.-М.:Атомиздат,1. I97I,c.151* •

63. Тычинский В.П. Мощные газовые лазеры.-У§Н, 1967, 91, 3,с. 389-394. . . .

64. Привалов В.Е.,Фридрихов С.А.-Радиальное распределение инверсии заселенностей в Не-|\1е раз ряд е. при-различных, соотношениях компонент, смеси.г. ЖПС,.1968, 9,2, с. 320-322.

65. Гримблатов В.М.,Калугин В.В.ДобачевМ.Н.,Рабинович Э.М. , Тучин В.В. Технические.флуктуации пространственных характеристик газовых лазеров, , используемых при зондировании атмосферы. 6 всес.симпозиум по лазерному зондированию атмосферы.-Томск,с.252-255.

66. Рабинович Э.М.,Мельников Л.А. ,Тучин В.В.* Сдвиг частоты генератора с усиливающей линзоподобной средой.-Электронная тех. ника, cep.II, 1978, №6, с.76-84. . . .

67. Мазонько И.П.,Молчанов И.М.,Огуров Н.Д.,Свиридов М.В. Измерение-распределения в кюветах. Не-N/e лазеров.-Оптика испектроскопия, 1971% т.30, №1, с.124-132.

68. Леонтьев В.Г., Остапченко Е.П. О продольной неоднородности усиления в активном элементе гелий г неонового.ОКГ, возбуждаемом постоянным током.- ЖПС, 1973, 19, 2 , с.241-245.

69. Троицкий Ю.В.,Чеботаев В.П. Распределение инверсии населенности уровней по сечению разряда в .Н.е- Nle лазера. Оптика и спектроскопия, 1966, т.20, №2, с.362-364.

70. Белоусова И.М., Знаменский В.Б. Об особенностях механизма генерации гелий-неоновой смеси, возбуждаемой разрядом в полом катоде.-ЖПС, т.25, вып. 3, 1976, с. 434-440.

71. Привалов В.Е., Юдин С.Зависимость излучения излучения газового лазера от генерации сечения разряда.- Оптика и спектроскопия, 1978, 45, 2, с.340-345.

72. Бекшаев А.Я., -Гримблатов В.М. Разъюстированный оптический резонатор с линзоподобной средой.- Квантовая электроника, 7, 6, с. II68-II79. .

73. Бекшаев А.Я., Гримблатов В.М. Влияние разъюстировок резонатора с неоднородным распределением по поперечному сечению на пространственные характеристики лазерного луча.- В кн.: Лазерные пучки, Хабаровск, 1978, с. I05-II3. .

74. Бекшаев А.Я., Гримблатов В.М., Шшугин.В.В., Михайловский. . С.С. Флуктуации пространственных характеристик излучения газовых лазеров. В кн.: Материалы I межотраслевой научно-технической конференции,- М.: ЦНИИ Электроника, 1980, с. 7-8.

75. Casperson L.W. Beam Modes in Complex Lenslike Media and Resonators .- "J.Opt.Soc.Amer., 1976,66,N 12, pp. 1373-1379.

76. Коваленко E.С. Моды произвольного порядка в неоднородных ОКГ.- Квантовая электроника, 1976, 3, 2, с. 433-435.

77. Гончаренко A.M. Гауссовы пучки света.- Минск, Наука и тех. ника, 1977, с. 144.

78. Лэмб У. Теория оптических.лазеров. В кн.: Квантовая оптика и . квантовая радиофизика.-М.:Мир,1966, с.281-376.

79. Бергер Н. К. .Лукьянов Ю.Н. Пространственная структура излучения разьюстированного. резонатора с неоднородншм усилением. В кн.: Лазерные пучки. Хабаровек,1978, с.80-89.

80. Sargent 111.М., Lamb W.E., Jr. and Fork R.L.

81. Theory of a Zeeman laser 1,11. Phys. Rev. 164,1967, pp.436449. Scully M.O., Lamb W.E., Jr. Quantum Theory of on Optical

82. Maser.l.General Theory.11.Spectral Profile."Phys.Rev.1967,

83. Scully M.O.,Lamb W.E. ,Jr. Quantum Theory of on Optical Maser.

84. General Theory 11. Spectral Profile."Phys.Rev.", 1967, 159, N 1 , pp. 208 -219 "phys.Rev.",1968, 166, N 1 pp.246253.

85. Stenholm S., Lamb W.E., Jr. Semiclassical Theory of a High-Intensity Laser, "Phys.Rev.•*,1969, 181, N 2, 618-635.98# Peldman B.J., Feld M.S., Theory of a High-Intensity Gas Laser. "Phys.Rev. A.", 1970,1, N 5, pp. 1375-1396.

86. Holt H.K. Theory of Gas Laser and its application to an Experiment. "Phys. Rev. A.", 1970, 2, N1,pp. 233-249.

87. Вейльстеке А* Основы теории квантовых усилителей и генера-. торов. М.: ИШГ, 1963, с.

88. Файн В.М. Данин Я,И. Квантовая электроника. Сов.радио» . 1965, с.598. .

89. Апанасевич П.А. Основы теории взаимодействия света с вещест-, вом.- Минск, Наука и техника, 19777, с.476.

90. Фадеева В.Н., Терентьев Н.М. Таблицы.значений интеграла вероятностей от комплексного аргумента.-М.: Гостехиздат. Д954.

91. Смирнов В.И. Ifypc высшей.математики.-. т.З, ч.2» 1953, с.286.

92. Бетеров Й.М.,Матюгин Ю.А. ,РаутианС.Г. ,ЧеботаевВ.П. 0~пле-. нении резонансного-излучения в газовых системах.- 1ЭТФД970,т*58, с. X243-I258, №4* . . . ,

93. Ландсберг Г.С. Оптика.- М.: издат.-Наука* 1976,-с.928.

94. Борн М.,Вольф. Э. Основы оптики.- М; Наука, 1973, с. 252-286.

95. Соболев В.И.,Лачугин В.И.Калугин В.В. Устройства выборки и хранения мгновенных значений аналового сигнала.- ПТЭ»1976,3, с.90-91.

96. НО. Arrathoon R., Siegman А.Е. "Appl. Phys. Lett.", 1968, 13, N 6,. p.197,, . . . .

97. Четвериков В.И. 0 влиянии вольтамперной характеристики газового, разряда на модуляционные свойства лазеров.^* Сб. научныхтрудов.-Лазерные пучки.Хабаровск, 1981,.с.81-87.

98. Гримблатов В.М.,Калугин В.В.,Петренко Р.А.,Трофимов В.А.

99. He-t^/e . лазер с перестройкой стабилизированной частоты генерации. Метрологическое обеспечение измерений частотныхспектральных характеристик излучения лазеров, Всес.научно-техн.конф.тезисы докладов. Харьков, 1982, с.88-89.

100. Бекшаев А.Я. ,Гримблатов В.М.»Калугин В.В. Модуляционный метод измерения пространственных характеристик лазерного излучения.- Квантовая электроника, т.5,№5,1978,с.11301X38. . . .- .

101. Банк М.У. Аналоговые интегральные схемы.в радиоаппаратуре. М.: Радио и связь, 1981, с. 56-58.~

102. Зпобин А.В. Градуировка пьезокерамических элементов в. статическом режиме.-Тр.метрол.ин-тов СССР, 1979, №242, с.4548. . . . .

103. Филонин О.В., Донин В.В. Блок питания газовых лазеров./. ПТЭ, №,3,1982, с. 143. , .

104. Гуделев В.Г.^Кузнецов В.М.,Ясинский В.М. Стабилизатор раз. рядного тока газового лазера.-.ПТЭ, №4, Х98Х, с.167.

105. Коба А.П.,Михеев Й.А.,Огенко В.М., Босоногов В.Г. Прецизионный регулируемый источник питания высокого напряжения.1. ПТЭ, №4, 1983, с. 160.119. "Техническое описание и инструкция по эксплуатации"1. Лазер ЛГ-56. ^

106. Аяексеенко А.Г.,Коломбат. Е.А.,Стородуб Г.И. Применениепрецизионных-аналогов ИС.--М. : Радио и связь«. 1961, с.75.

107. Зайдель А.Н.Прокофьев В.К.,Райский С.М.,Славный В.А., Шрейдер Е.Я. Таблицы спектральных линий. Справочник.-М.;1. Наука, 1977»-с.798.

108. Калугин В.В., Ли Гун Док Стабилизированный источник питания газовых лазеров с возможностью управления токомразряда.-Деп. Укр НИИНТИ,.№. 57 УК-1985. ,

109. Гримблатов В.М.,1&лугин В.В.Ди Гун Док, Михайловская Л. В.

110. Гримблатов В.М.,Калугин В.В.,Ли.Гун Док. Зависимость -показателя. преломления, активной среды не -Ne лазера от тока разряда. На Деп. УкрНИИНТИ, 1985, стр.5