Узкополосный стабилизированный по длине волны импульсный лазер на красителе
Использование: в лазерной технике в качестве задающих генераторов лазерных систем, в частности, на установках по лазерному разделению изотопов. Существо: Узкополосный стабилизированный по длине волны импульсный лазер на красителе содержит систему накачки, кювету с прокачиваемым раствором красителя, выходное зеркало резонатора лазера, внутрирезонаторную линзу, призменные расширители пучка, светоделитель, дифракционную решетку, внутрирезонаторный эталон Фабри-Перо и приводы дифракционной решетки и внутрирезонаторного эталона Фабри-Перо, подключенные через контроллер к управляющему компьютеру, а также измеритель длин волн, выполненный с возможностью измерять спектр линии излучения лазера, при этом светоделитель выполнен в виде оптического элемента, установленного с возможностью отражать блик от кюветы усилителя и передавать его по волокну к ПЗС матрицам измерителя длин волн. Устройство позволяет повысить точность измерения сигнала ошибки и эффективность стабилизации параметров работы лазера.
Полезная модель относится к лазерной технике и может быть использована в качестве задающих генераторов лазерных систем, в частности, на установках по лазерному разделению изотопов.
Лазерные технологии предъявляют жесткие требования к характеристикам применяемых лазеров. Так, методы лазерного разделения изотопов предполагают использование перестраиваемого узкополосного импульсно периодического лазера на красителе, обеспечивающего узкую (<0.03 см-1) ширину спектральной линии, абсолютную точность установки длины волны (порядка 0.0003 см-1 ), долговременную (десятки часов) стабильность длины волны с девиацией не хуже 0.002 см-1 и спектральную чистоту линии (без побочных даже низко интенсивных линий). Параметры излучения такого лазера и необходимые режимы управления с наибольшей эффективностью обеспечивают при контроле и управлении его работы с помощью компьютера. Как правило, в селективном резонаторе таких лазеров в качестве «грубого» селектора длин волн используют эталон Фабри-Перо, угол наклона которого относительно оптической оси резонатора определяет длину волны генерации. Дисперсионные характеристики обоих селекторов и других внутрирезонаторных оптических элементов рассчитывают исходя из требуемой ширины спектра генерации лазера.
В этом случае задача стабилизации заданной длины волны лазера 
0 сводится к совпадающей настройке длины волны одного из максимумов функции пропускания эталона эi и центральной длины волны функции пропускания селективного резонатора p, т.е. выполнения условий синхронизма 0=эi=р.
Известен кольцевой лазер на красителе имеющий ширину спектра 1 МГц (Патент США 
4,864,578, МПК G01J 9/00, НПК 372/20, oп. 1989) сканирование и стабилизацию длины волны которого осуществляют за счет изменения углов наклона трех внутрирезонаторных селекторов с помощью пьезоэлектрических приводов.
Однако, такой метод, эффективный для непрерывного лазера не пригоден для импульсных лазеров.
Известны также перестраиваемые лазеры, стабилизацию которых производят либо с помощью изменения температуры внутрирезонаторного эталона Фабри-Перо (Патент США 5,048,031, МПК H01S 3/137, НПК 372/33, oп. 1991), либо путем изменения давления воздуха в кювете интерферометра Фабри-Перо (Патент Германии 228117 A1 МПК oп. 1987 г.). Однако процесс стабилизации в этих лазерах происходит замедленно, а потому они не находят широкого применения в технологиях лазерного разделения изотопов. Кроме того, известные лазеры не предусматривают средств контроля спектральной чистоты линии.
Наиболее близким из известных устройств к описываемой полезной модели является импульсный лазер на красителе (Патент США 5,226,050, МПК H01S 3/137, НПК 372/20, oп. 1993), включающий систему накачки, кювету с прокачиваемым раствором красителя, выходное зеркало резонатора лазера, внутрирезонаторную линзу, призменные расширители пучка, светоделитель, дифракционную решетку, внутрирезонаторный эталон Фабри-Перо, приводы дифракционной решетки и внутрирезонаторного эталона Фабри-Перо, контроллер и управляющий компьютер.
Стабилизацию известного лазера на красителе осуществляют с использованием позиционно-чувствительного фотодетектора, установленного в цепи обратной связи, с помощью которого измеряют сигнал ошибки, а затем программным способом формируют сигналы управления на синхронный поворот шаговых двигателей соответствующих приводов дифракционной решетки и эталона.
Использование позиционно чувствительного детектора при наличии вибраций и ударов в известном лазере приводит к увеличению дисперсии сигнала ошибки и разбросу нестабильности длины волны.
В приводах дифракционной решетки и эталона используют шаговые двигатели.
При этом работа механизмов приводов в шаговом режиме приводит к динамическим возмущениям, вызывающим колебания оптических элементов, которые увеличивают нестабильность длины волны генерации лазера.
Кроме того, использование несколько независимых оптических элементов для отвода пучка лазерного излучения на позиционно-чувствительный детектор приводит к значительным погрешностям измерения положения пятна.
А отсутствие контроля спектра излучения лазера не позволяет контролировать спектральную чистоту линии генерации.
Таким образом, технический результат, получаемый от использования настоящей полезной модели состоит в повышении точности измерения сигнала ошибки и повышении эффективности стабилизации параметров работы лазера.
Указанный технический результат достигается тем, что узкополосный стабилизированный по длине волны импульсный лазер на красителе, включающий систему накачки, кювету с прокачиваемым раствором красителя, выходное зеркало резонатора лазера, внутрирезонаторную линзу, призменные расширители пучка, светоделитель, дифракционную решетку, внутрирезонаторный эталон Фабри-Перо и приводы дифракционной решетки и внутрирезонаторного эталона Фабри-Перо, подключенные через контроллер к управляющему компьютеру, содержит измеритель длин волн, выполненный с возможностью измерять спектр линии излучения лазера, а светоделитель выполнен в виде оптического элемента, установленного с возможностью отражать блик от кюветы усилителя и передавать его по волокну к ПЗС матрицам измерителя длин волн.
При этом, измеритель длин волн содержит четыре измерительных канала, каждый из которых содержит интерферометр Физо и ПЗС камеру, а каналы характеризуются различным спектральным разрешением, определяемым базами соответствующих интерферометров, выполненные с различным свободным интервалом.
Целесообразно светоделитель (оптический элемент) выполнить в виде полупрозрачного зеркала.
Предпочтительно приводы дифракционной решетки и внутрирезонаторного эталона Фабри-Перо выполнить с возможностью микрошагового перемещения.
В результате исследований дестабилизирующих факторов приводящих к дрейфу частоты лазерного излучения установлено, что уход частоты от установленного значения 0 происходит в основном из-за медленных температурных изменений оптической толщины монолитного, эталона Фабри-Перо. Обнаружено, что такой дрейф частоты, может быть скомпенсирован путем поворота эталона в плоскости дисперсии. Знак отклонения определяет направление поворота эталона, а величина отклонения - требуемое значение угла поворота. Эти предпосылки позволяют создать алгоритм автоподстройки длины волны и решить задачу стабилизации лазера.
Контроль установленной длины волны лазерного излучения осуществляют с помощью компьютеризированного высокоточного измерителя длин волн, позволяющего определять не только величину и знак девиации, но и контролировать спектральную чистоту лазерного излучения. Такой измеритель работает следующим образом: излучение, поступающее по волокну на вход измерителя, разделяется на четыре канала, в каждом из которых находятся интерферометр Физо и ПЗС камера. Каналы имеют различное спектральное разрешение, определяемое базами соответствующих интерферометров. Самым высокоразрешающим является четвертый канал, обеспечивающий предельную точность измерения длины волны лазерного излучения ±0.0001 ангстрем. Использование четырех каналов измерителя длин волн с различным свободным интервалом канальных интерферометров позволяет обеспечить требуемую точность измерения длины волны и измерить спектр линии излучения лазера на различных частотных участках и контролировать ее чистоту - отсутствие побочных линий.
При этом конструкция приводов дифракционной решетки и внутрирезонаторного эталона Фабри-Перо использующих микрошаговый режим работы шагового двигателя позволяет обеспечить плавность хода и исключить динамические возмущения, вызывающие колебание оптических элементов, а применение зубчато-червячных редукторов обеспечивает высокую точность углового позиционирования. В то же время использование одного жестко закрепленного оптического элемента для отвода части пучка лазерного излучения в измеритель длин волн позволяет исключить погрешности измерения положения пятна.
Полезная модель поясняется чертежом, где представлены:
на фиг.1 - структурная схема импульсного лазера на красителе;
на фиг.2 - вид интерферограмм в каналах измерителя длин волн;
на фиг.3 - графики поясняющие влияние дестабилизирующих факторов на спектр лазера.
на фиг.4 - временная зависимость длины волны лазера.
Описываемый узкополосный стабилизированный лазер на красителе содержит лазерный источник накачки (на чертеже не показано) для оптического возбуждения активного элемента, кювету 1 с прокачиваемым раствором красителя, размещенную между внутрирезонаторной линзой 2 и выходным зеркалом 3 резонатора лазера, которое через светоделитель 4 и волоконный световод оптически связанно с измерителем 5 длин волн, соединенным с входом управляющего компьютера 6, выход которого через контроллер 7, подключен к приводу 8 дифракционной решетки 9 и приводу 10 внутрирезонаторного эталона Фабри-Перо 11.
Призменные расширители пучка 12 и 13, установлены на выходах, соответственно, дифракционной решетки 9 и внутрирезонаторного эталона Фабри-Перо 11 для уменьшения ширины линии спектра генерации.
В качестве источника накачки может быть использован лазер на парах меди или излучение второй гармоники АИГ:Nd лазера.
В качестве светоделителя 4 используют кварцевую пластину вводимую в пучок или зеркало, отражающее блик от кюветы усилителя, если он используется для усиления мощности излучения. Отраженный светоделителем 4 лазерный пучок направляется посредством оптического волокна на вход измерителя длины волн 5.
Измеритель длин волн 5 может быть выполнен четырехканальным, каждый из каналов содержит интерферометр Физо и ПЗС камеру (например. Модель LM-007, изготовляемая в ИОФРАН г.Москва, http://www.cluster.orc.ru/products.htm или http://www.laser2000.de/fileadmin/Produktdaten/CLU/Datenblaetter/LM-007.pdf.). Каналы имеют различное спектральное разрешение, определяемое базами соответствующих интерферометров. Самым высокоразрешающим является четвертый канал, обеспечивающий предельную точность измерения длины волны лазерного излучения ±0.0001 ангстрем.
В качестве приводов 8 и 10, соответственно, дифракционной решетки 9 и эталона 11 используются устройства с шаговыми двигателями зубчато-червячным редуктором и зубчатым редуктором, функционирование которых осуществляется от контроллера в микрошаговом режиме.
Импульсный лазер на красителе, согласно полезной модели работает следующим образом.
Излучение накачки от системы накачки подают на активный элемент - кювету 1 с прокачиваемым раствором красителя, в котором формируют зону возбуждения молекул красителя. Возникающее в селективном резонаторе излучение выводят через выходное зеркало 3.
Часть пучка лазерного излучения, поступающего с выходного зеркала 3, посредством светоделителя 4 через волоконный световод отводят к измерителю длин волн 5. Излучение, поступающее по волокну на вход измерителя 5, разделяется на четыре канала. Каналы имеют различное спектральное разрешение, определяемое базами соответствующих интерферометров Физо. Изображения интерферограмм в каналах измерителя длин волн с различным спектральным разрешением, характеризующие спектр лазера (при известном инструментальном разрешении) приведены на фиг.2.
Изображения интерференционных полос в каждом канале измерителя проецируются на соответствующих ПЗС камерах. Таким образом, установленное значение длины волны и спектра однозначно связано с координатами ПЗС линеек в соответствующих каналах. Информация с ПЗС камер передают в компьютер 6 и обрабатывают по специальной программе, с целью измерения длины волны лазерного излучения и спектра линии.
Исследования дестабилизирующих факторов приводящих к дрейфу частоты лазерного излучения позволили создать алгоритм автоподстройки длины волны и решить задачу стабилизации лазера за счет измерителя длин волн, который с помощью управляющего компьютера 6 передает информацию о текущем значении длины волны и форме спектральной линии в контролер 7. В контроллере 7 сравнивают текущее значение длины волны с установленным значением, оценивают чистоту спектральной линии и формируют сигналы коррекции, которые поступают на шаговые двигатели приводов 8 и 10. Указанные приводы поворачивают дифракционную решетку 9 и эталон 11, компенсируя отклонение длины волны от заданного значения.
На фиг.3 показаны графики, иллюстрирующие влияние дестабилизирующих факторов приводящих к дрейфу частоты лазерного излучения. По горизонтали - частота излучения. По вертикали амплитуда спектра в условных единицах. Точечная линия соответствует установленной частоте (длине волны излучении 0). Пример (а) соответствует точной настройке функции пропускания эталона на функцию пропускания резонатора. Пример (б) соответствует дрейфу эталона но еще при спектрально чистой линии излучения. Пример (в) соответствует дрейфу дифракционной решетки и эталона с появлением слева слабоинтенсивного спектрального пика
Дрейф частоты от установленного значения 0 (фиг.3а), который происходит в основном из-за медленных температурных изменений оптической толщины монолитного эталона Фабри-Перо 11 (фиг.3б), компенсируют путем поворота эталона в плоскости дисперсии. Знак отклонения определяет направление поворота эталона, а величина отклонения - требуемое значение угла поворота. На интерферрограммах измерителя длин волн (фиг.2) такой дрейф приводит к смещению координат линий в окне четвертого интерферометра.
На фиг.3в показан случай дрейфа дифракционной решетки и эталона, при котором спектральная чистота линии нарушена. Слева возникает слабоинтенсивный спектральный пик. На интерферрограммах измерителя длин волн (фиг.2) такой дрейф приведет не только к смещению координат линий в окне четвертого интерферометра, но и появлению дополнительной интерференционной полосы слабой интенсивности в окне третьего интерферометра. Для компенсации отклонения частоты поворачивают дифракционную решетку 9 на определенный угол, а затем поворачивают эталон 11.
В алгоритме работы программы стабилизации в этом случае заложена следующая процедура коррекции.
Привод 8 решетки 9 поворачивает ее в противоположном (по знаку отклонения) направлении до тех пор пока на интерферограмме дополнительный пик такой же амплитуды не появится с другой стороны основных пиков. После этого число микрошагов делится на два и привод возвращает решетку в положение соответствующее половинному числу микрошагов шагового двигателя. Затем происходит подстройка эталона, как описано для случая 3б.
Таким образом, алгоритм работы системы автоматической стабилизации длины волны лазерного излучения сводится к следующему.
- Постоянная подстройка углового положения эталона Фабри-Перо по четвертому интерферометру (основная процедура автоматизации).
- Подстройка углового положения дифракционной решетки, в случае появления по третьему интерферометру измерителя длин волн слабой (не более 10% от амплитуды основной линии) дополнительной спектральной линии.
На фиг.4. приведена временная диаграмма длины волны от времени, иллюстрирующая работу системы стабилизации лазера. Стрелкой показан момент отключения системы автостабилизации. По вертикали длина волны в обратных сантиметрах, по горизонтали время работы лазера.
Измеренная нестабильность длины волны (по частоте) не превышает ±30 МГц или 0.001 см-1.
Система стабилизации лазера управляется от одного компьютера и обеспечивает многочасовое поддержание установленной длины волны с нестабильностью не более 0.001 см-1 с сохранением спектральной частоты лазерного излучения
Узкополосный стабилизированный по длине волны импульсный лазер на красителе, согласно полезной модели, используют в трехканальной лазерной системе в качестве задающего генератора в каждом из трех каналов на действующей установке разделения изотопов и поставляющей на рынок изотопную продукцию (обогащенный изотоп иттербия - 168) по технологии ЛАРИЗ.
1. Узкополосный стабилизированный по длине волны импульсный лазер на красителе, включающий систему накачки, кювету с прокачиваемым раствором красителя, размещенную между внутрирезонаторной линзой и выходным зеркалом резонатора лазера, светоделитель, контроллер и управляющий компьютер, а также дифракционную решетку и внутрирезонаторный эталон Фабри-Перо, с установленными на их выходах соответствующими призменными расширителями лазерного пучка, и приводы соответственно дифракционной решетки и внутрирезонаторного эталона Фабри-Перо, отличающийся тем, что он содержит измеритель длин волн, оптически соединенный через волоконный световод и светоделитель с выходным зеркалом и выполненный с возможностью измерять спектр линии излучения лазера, при этом выход измерителя длин волн соединен с входом управляющего компьютера, выход которого через контроллер подключен к приводу дифракционной решетки и приводу внутрирезонаторного эталона Фабри-Перо.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измеритель длин волн содержит четыре измерительных канала, каждый из которых содержит интерферометр Физо и ПЗС камеру, каналы характеризуются различным спектральным разрешением, определяемым базами соответствующих интерферометров, выполненные с различным свободным интервалом.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что светоделитель выполнен в виде полупрозрачного зеркала.
