Измеритель длины волны монохроматического излучения

Предлагаемая полезная модель относится к разделу «Прикладная квантовая метрология», к измерительной технике, в частности, к интерференционной спектроскопии лазерного излучения. В измеритель длины волны монохроматического излучения, содержащий измеряемый оптический источник монохроматического излучения в виде стабилизированного лазера, введены одночастотный перестраиваемый лазер, стабилизированный вакуумированный интерферометр Фабри-Перо с пьезокерамикой, стабилизированный по частоте лазер-эталон с известной частотой генерации, нуль-индикатор, частотомер, а так же первый и второй блоки автоподстройки частоты. Оптический выход лазера-эталона связан с входом вакуумированного интерферометра Фабри-Перо с пьезокерамикой, оптический выход которого поступает на фотоприемник, имеющий кабельную связь с первым блоком автоподстройки частоты и по кабельному каналу стабилизирующий базу вакуумированного интерферометра Фабри-Перо с пьезокерамикой. Выход измеряемого и первый выход одночастотного перестраиваемого лазеров при помощи поворотных зеркал имеют оптическую связь с фотоприемником, который имеет кабельную связь с нуль-индикатором. Второй выход одночастотного перестраиваемого лазера при помощи поворотных зеркал имеет оптическую связь с стабилизированным вакуумированным интерферометром Фабри-Перо с пьезокерамикой, выход которого через фотоприемник связан со вторым блоком автоподстройки частоты, стабилизирующий по кабельному каналу частоту одночастотного перестраиваемого лазера. Выход измеряемого и первый выход одночастотного перестраиваемого лазеров при помощи поворотных зеркал имеют оптическую связь с фотоприемником, который имеет кабельную связь с частотомером, регистрирующий дробную часть порядка интерференции. Техническое решение заключается в проведении измерений длины волны монохроматического излучения с относительной погрешностью не хуже 10^-10 в широком спектральном диапазоне.

Предлагаемая полезная модель относится к разделу «Прикладная квантовая метрология», к измерительной технике, в частности, к интерференционной спектроскопии лазерного излучения.

Длина воны генерации лазера является важнейшей его характеристикой. Измерения длины волны лазеров необходимы для их эффективного использования в метрологии, измерительной технике, спектроскопии, при уточнении фундаментальных физических констант и др. С появлением стабильных по частоте лазеров стали развиваться два направления в измерениях длин волн: абсолютные и относительные. Под абсолютным измерением понимается непосредственное сравнение длины волны лазерного излучения с одной или несколькими юридически узаконенными стандартными длинами волн оптических источников, под относительным - сравнение длин волн стабилизированных по частоте лазеров между собой.

Основными методами измерений длины волны лазеров является интерференционные, в наиболее точных из них для интерпретации дробной части интерференционного порядка используют оптическое гетеродинирование. Прямые гетеродинные методы для измерения длины волны используются редко, т.к. они позволяют сравнивать длин волн лазеров близких спектральных диапазонов, отличающих по частоте на десятки и сотни мегагерц. Это обусловлено недостаточно высоким быстродействием приемников оптического излучения. Гетеродинный метод может быть полезен при заводском контроле длин волн серийных выпускаемых однотипных лазеров.

Что касается спектрального диапазона, где необходимо проводить измерения длины волны лазерного излучения (монохроматического излучения), то он чрезвычайно широк - от ультрафиолета до субмиллиметровых волн.

Известен интерференционный измеритель длины волны (ИДВ) монохроматического излучения, содержащий интерферометр Фабри-Перо (ИФП), управляемый ЭВМ [A. Fisher et al. Computer Controlled Fabry-Perot wavemeter. Opt. Commun. V. 39, N 5, 1981, p. 277-282.], эталонный и измеряемый источники монохроматического излучения, которые имеют оптическую связь с интерферометром Фабри-Перо. Регистрация и исследование полученных интерференционных картин эталонного и измеряемого источников монохроматического излучения осуществляется посредством фотодиодной линейки, а вычисление длины волны осуществляется по определенному алгоритму.

Однако в указанном ИДВ монохроматического излучения спектральный диапазон измерения ограничен спектральной чувствительностью фотодиодной линейки. Для технической реализации измерителя длины волны монохроматического излучения необходимы строгая термостабилизация и герметизация интерферометра Фабри-Перо, что является выполнимой, но сложной задачей. Относительная погрешность измерения длин волн составляет ~(2÷3)·10^-7.

Известен интерференционный измеритель длины волны (ИДВ) монохроматического излучения, в котором определение длины волны измеряемого лазера осуществляется путем сравнения ее с длиной волны эталонного источника монохроматического излучения методом совпадений интерференционных картин в интерферометре Фабри-Перо, а также методом совпадения дробных частей порядка интерференции [Р. Дитчберн, Физическая оптика, изд. «Наука», гл. ред. Физ-мат литературы, 1965 г., с. 263-287]. В последнем методе (метод Бенуа) используют 2-3 длины волн в качестве эталонного источника монохроматического излучения методом совпадений интерференционных картин в интерферометре Фабри-Перо, предварительно база которого известна с точностью до, например, ±5 мкм. В этот интерферометр запускают излучение с известными длинами волн и определяют для каждой длины волны дробные части порядка интерференции. По известному значению длины базы интерферометра Фабри-Перо с погрешностью ±5 мкм определяют возможные значения целых чисел порядков интерференции для используемых длин волн, включая дробную часть порядка, на рассматриваемой длине базы ИФП. По совпадению дробной части порядка интерференции на трех используемых длин волн определяют истинное значение длины базы интерферометра Фабри-Перо. После того, как база интерферометра точно известна этим методом, некоторую неизвестную длину волны можно найти, измеряя соответствующую ей долю порядка.

Этот метод требует проведение точного спектроскопического измерения дробных долей порядка интерференции.

Относительная точность измерения длин волн составляет ~(2÷3)·10^-7.

Известен измеритель длины волны монохроматического излучения [авторское свидетельство СССР N 1026538, МКИ G01J 9/02, 1981.], являющийся прототипом, содержащий интерферометр Фабри-Перо с переменной базой, эталонный источник монохроматического излучения виде, излучаемой газонаполненной лампой, измеряемый источник монохроматического излучения виде излучения стабилизированного по частоте лазера. Излучения этих источников поступают на вход интерферометра Фабри-Перо с переменной базой. Производят одновременный счет при перестройке базы ИФП интерференционных полос эталонного и измеряемого излучений между всеми совпадениями во всем интервале счета. Фиксируют результаты счета числа интерференционных полос от эталонного P_э и от измеряемого P_и источников между совпадениями. Измеряемую длину волны _и находят по формуле , где _э длина волны излучения эталонного источника.

Измеритель длины волны монохроматического излучения имеет узкий спектральный диапазон измерений, ограниченный возможностями интерферометра с переменной разностью хода, сложен в технической реализации из-за необходимости иметь эталонный источник излучения в виде газонаполненной лампы и, как следствие, необходимостью анализировать сложную интерференционную картину, являющуюся результатом наложения двух интерференционных полей от эталонного и измеряемого источников излучения. Низка относительная точность измерения длин волн, составляющая ~(2÷3)·10^-7.

Задачей предлагаемой полезной модели является увеличение области спектрального диапазона и относительной точности измерения длин волн.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в измеритель длины волны монохроматического излучения, содержащий измеряемый оптический источник монохроматического излучения в виде стабилизированного лазера, введены одночастотный перестраиваемый лазер, стабилизированный вакуумированный интерферометр Фабри-Перо с пьезокерамикой, стабилизированный по частоте лазер-эталон с известной частотой генерации, нуль-индикатор и частотомер, а так же первый и второй блоки автоподстройки частоты. Оптический выход лазера-эталона связан с входом вакуумированного интерферометра Фабри-Перо с пьезокерамикой, оптический выход которого поступает на фотоприемник, имеющий кабельную связь с первым блоком автоподстройки частоты и по кабельному каналу стабилизирующий базу вакуумированного интерферометра Фабри-Перо с пьезокерамикой. Выход измеряемого и первый выход одночастотного перестраиваемого лазеров при помощи поворотных зеркал имеют оптическую связь с фотоприемником, который имеет кабельную связь с нуль-индикатором. Второй выход одночастотного перестраиваемого лазера при помощи поворотных зеркал имеет оптическую связь с стабилизированным вакуумированным интерферометром Фабри-Перо с пьезокерамикой, выход которого через фотоприемник связан со вторым блоком автоподстройки частоты, стабилизирующий по кабельному каналу частоту одночастотного перестраиваемого лазера. Выход измеряемого и первый выход одночастотного перестраиваемого лазеров при помощи поворотных зеркал имеют оптическую связь с фотоприемником, который имеет кабельную связь с частотомером, регистрирующий дробную часть порядка интерференции.

На чертеже приведена структурная схема предложенного измерителя длины волны монохроматического излучения.

Измеритель длины волны монохроматического излучения содержит: 1 - лазер-эталон (ЛЭ); 2 - первый поляроид; 3 - первое поворотное зеркало; 4 -вакуумированный интерферометр Фабри-Перо с пьезокерамикой; 5 - второе поворотное зеркало; 6 - второй поляроид; 7 - первый фотоприемник; 8 - третий поляроид; 9 - четвертый поляроид; 10 - первый блок автоподстройки частоты (АПЧ-!); 11 - второй фотоприемник; 12 - измеряемый лазер (ИЛ); 13 - третье поворотное зеркало; 14 - нуль-индикатор; 15 - пятый поляроид; 16 - четвертое поворотное зеркало; 17 - одночастотный перестраиваемый лазер (ОПЛ); 18 - шестой поляроид; 19 - пятое поворотное зеркало; 20 - третий фотоприемник; 21 - частотомер; 22 - второй блок автоподстройки частоты (АПЧ-2).

Лазер-эталон (ЛЭ) 1 имеет оптическую связь с первым поляроидом 2; первый поляроид 2 имеет оптическую связь с первым поворотным зеркалом 3 и с лазером-эталоном (ЛЭ) 1; первое поворотное зеркало 3 имеет оптическую связь с вакуумированным интерферометром Фабри-Перо с пьезокерамикой 4, с четвертым поляроидом 9 и с первым поляроидом 2; вакуумированный интерферометр Фабри-Перо с пьезокерамикой 4 имеет оптическую связь с первым поворотным зеркалом 3, со вторым поворотным зеркалом 5, а кабельную связь с первым блоком автоподстройки частоты (АПЧ-1) 10; второе поворотное зеркало 5 имеет оптическую связь с вакуумированным интерферометром Фабри-Перо с пьезокерамикой 4, с третьим поляроидом 8 и со вторым поляроидом 6; второй поляроид 6 имеет оптическую связь со вторым поворотным зеркалом 5 и с первым фотоприемником 7; первый фотоприемник 7 имеет оптическую связь со вторым поляроидом 6, а кабельную связь со вторым блоком автоподстройки частоты (АПЧ-2) 22;.третий поляроид 8 имеет оптическую связь со вторым поворотным зеркалом 5 и со вторым фотоприемником 11; четвертый поляроид 9 имеет оптическую связь с первым поворотным зеркалом 3 и с четвертым поворотным зеркалом 16; первый блок автоподстройки частоты (АПЧ-1) 10 имеет кабельную связь с вакуумированным интерферометром Фабри-Перо с пьезокерамикой 4 и со вторым фотоприемником 11; второй фотоприемник 11 имеет оптическую связь с третьим поляроидом 8, а кабельную связь с первым блоком автоподстройки частоты (АПЧ-1) 10; измеряемый лазер (ИЛ) 12 имеет оптическую связь с третьим поворотным зеркалом 13; нуль-индикатор 14 имеет кабельную связь с третьим фотоприемником 20; пятый поляроид 15 имеет оптическую связь с третьим поворотным зеркалом 13 и с пятым поворотным зеркалом 19; четвертое поворотное зеркало 16 имеет оптическую связь с четвертым поляроидом 9 и с одночастотным перестраиваемым лазером (ОПЛ) 17; одночастотный перестраиваемый лазер (ОПЛ) 17 имеет оптическую связь с четвертым поворотным зеркалом 16 и с шестым поляроидом 18, а кабельную связь со вторым блоком автоподстройки частоты (АПЧ-2) 22; шестой поляроид 18 имеет оптическую связь с одночастотным перестраиваемым лазером (ОПЛ) 17 и с пятым поворотным зеркалом 19; пятое поворотное зеркало 19 имеет оптическую связь с шестым поляроидом 18, с пятым поляроидом 15 и с третьим фотоприемником 20; третий фотоприемник 20 имеет кабельную связь с нуль-индикатором 14 и с частотомером 21; частотомер 21 имеет кабельную связь с третьим фотоприемником 20; второй блок автоподстройки частоты (АПЧ-2) 22 имеет кабельную связь с одночастотным перестраиваемым лазером (ОПЛ) 17 и с первым фотоприемником 7.

Измеритель длины волны монохроматического излучения работает следующим образом.

Основными оптическими элементами измерителя длины волны монохроматического излучения, являются стабилизированный вакуумированный интерферометр Фабри-Перо 4 (ИФП) с пьезокерамикой, значение базы которого предварительно известно, а полосы пропускания его представляют собой гребенку универсальных пассивных частотных реперов в оптическом диапазоне на частотной шкале с дискретностью межмодовой его частоты. В качестве эталонного источника монохроматического излучения используется стабилизированный по частоте лазер-эталон 1 (ЛЭ), частота (длина волны) которого известна с относительной погрешностью 10 ^-10÷10^-11, генерирующий в спектральной области работы измерителя длины волны (ИДВ) монохроматического излучения. В качестве измеряемого лазера (ИЛ) может быть использован любой стабилизированный по частоте лазер 12, частота которого предварительно известна. Введен дополнительный одночастотный перестраиваемый лазер (ОПЛ) 17, работающий в спектральной области генерации измеряемого лазера. Разделение излучений лазеров при облучении ими вакуумированного интерферометра Фабри-Перо 4 (ИФП) с пьезокерамикой, осуществляется поляроидами, благодаря которым излучение каждого лазера в пространстве имеет свою плоскость поляризации.

Пусть база стабилизированного вакуумированного интерферометра Фабри-Перо 4 (ИФП) с пьезокерамикой имеет L=50 мм, которая измерена с необходимой погрешностью (т.е. предварительно измерена база ИФП с абсолютной погрешностью, о чем в последствии будет сказано). Межмодовая частота вакуумированного интерферометра Фабри-Перо 4 (ИФП) с пьезокерамикой (_ИФП=c/2L, где c - скорость света) с такой базой составляет ~3 ГГц (3-10⁹ Гц). Пусть длина волны генерации лазера-эталона 1600 нм т.е. частота генерации ~500 ТГц (5·10 ¹⁴ Гц). Излучение лазера-эталона 1 поступает на вакуумированный интерферометр Фабри-Перо 4 с пьезокерамикой и по максимуму пропускания излучения ЛЭ через ИФП, поступающий на второй фотоприемник 11, осуществляется стабилизацию базы ИФП 4 при помощи первого блока автоподстройки частоты 10 (АПЧ-1). При этом частота лазера-эталона 1 на частотной шкале при стабилизации базы вакуумированного интерферометра Фабри-Перо 4 (ИФП) с пьезокерамикой охватывает целое число N межмодовых промежутков ИФП и оно примерно равно , т.е. N1,6·10⁵ межмодовых промежутков ИФП. Значение частоты лазера-эталона запишется через межмодовые промежутки вакуумированного интерферометра Фабри-Перо с пьезокерамикой в виде

где _лэ - частота генерации лазера-эталона 1, значение которой известно с высокой точностью;

_ИФП - область дисперсии ИФП, измеренная с предварительной погрешностью ;

N - число межмодовых промежутков ИФП (ориентировочно N~1,6·10⁵), охваченных частотой лазера-эталона _лэ.

Для точного определения _ИФП ИФП необходимо предварительное знание длины базы ИФП с такой точностью , чтобы набег частоты по всем межмодовым промежуткам N, охваченные частотой ЛЭ (число межмодовых частот составляет N~1,6·10 ⁵) составлял бы менее половины значения межмодовой частоты ИФП, т.е. N·<1,5·10⁹ Гц (при N~1,6·10⁵ , то ~10⁴ Гц). Таким образом, предварительно измеренная база ИФП должна соответствовать относительной погрешности измерения менее /_ИФП<3-10^-6.

Для измерения базы ИФП с относительной погрешностью лучше чем 3-10 ^-6 в спектроскопии может быть использован, например, способ с юридически узаконенными стандартными 3-х ÷ 4-х длин волн методом совпадения дробных частей порядка интерференции, о чем уже говорилось в вводной части полезной модели. Метод Бенуа позволяет получать значение длины базы вакуумированного интерферометра Фабри-Перо с частотной погрешностью менее ~10⁴ Гц. Точное значение _ИФП и количество межмодовых промежутков N вакуумированного интерферометра Фабри-Перо, охваченных частотой _лэ генерации лазера-эталона 1 в процессе стабилизации его базы по излучению ЛЭ, определяется из отношения значений известной частоты _лэ генерации лазера-эталона 1 к предварительно измеренному значению (_ИФП+) межмодовой частоты ИФП 4, значение которой известно с относительной погрешностью /_ИФП<3·10^-6. Округленное полученное значение до ближайшего целого числа равно точному числу N межмодовых промежутков ИФП, охваченных частотой _лэ генерации лазера-эталона 1, откуда определяется точное значение межмодовой частоты _ИФП стабилизированного вакуумированного интерферометра Фабри-Перо с пьезокерамикой 4 с относительной погрешностью равной относительной погрешности частоты лазера-эталона 1.

Значение стабилизированной частоты (длины волны) генерации измеряемого лазера 12 (ИЛ) определяется путем сравнения его частоты генерации с гребенкой универсальных эквидистантных пассивных частотных реперов стабилизированного вакуумированного интерферометра Фабри-Перо с пьезокерамикой 4, расположенных с дискретностью межмодовой его частоты, значение _ИФП которой известно с высокой точностью. Абсолютная погрешность предварительного измерения частоты (длины волны) генерации лазера 12 (ИЛ) должна составлять менее половины значения межмодовой частоты ИФП, т.е. <1,5·10⁹ Гц и определяется она при помощи лямбдометра. Частоту _ил (длину волны) генерации измеряемого лазера 12 можно записать в следующем виде:

где - погрешность предварительного измерения частоты ИЛ,

K и - целая и дробная части порядка интерференции ИФП на частотной шкале, значения которых охвачены частотой _ил генерации ИЛ 12.

Из формулы (2) видно, что частота генерации измеряемого лазера 12 определяется целым числом K межмодовых промежутков _ИФП интерферометра Фабри-Перо 4 и дробной ее части .

Преобразуем формулу (2) в виде

из которой видно, что в левой части первое слагаемое определяет номер продольной моды К вакуумированного интерферометра Фабри-Перо с пьезокерамикой, частота которой наиболее близка к частоте генерации измеряемого лазера 12. Для определения абсолютного значения частоты генерации измеряемого лазера 12 необходимо знать помимо целого числа K еще и дробную часть порядка интерференции ИФП. Для определения дробной части порядка интерференции ИФП необходимо при помощи поворотных зеркал 13 и 19 излучение измеряемого лазера 12 пространственно совместить с излучением первого выхода одночастотного перестраиваемого лазера 17 (ОПЛ) и по фотоприемнику 20 и нуль-индикатору 14 получить нулевые биения частот между этими лазерами. Таким образом оба лазера имеют одинаковую частоту генерации. Второй выход излучения ОПЛ при помощи поворотных зеркал 16 и 3 направляется на вход ИФП 4, частота ОПЛ 17 настраивается на ближайшую продольную моду ИФП 4, с выхода вакуумированного интерферометра Фабри-Перо с пьезокерамикой излучение одночастотного перестраиваемого лазера 17 регистрируется фотоприемником 7. Второй блок автоподстройки частоты 22 (АПЧ-2), вход которого соединен с фотоприемником 7, подстраивает частоту ОПЛ 17 на максимум пропускания излучения ИФП 4, и это излучение регистрируется фотоприемником 7. Излучения частотно стабилизированных лазеров ОПЛ 17 и ИЛ 12 при помощи поворотных зеркал 13 и 19 пространственно совмещаются, регистрируются фотоприемником 20 и значение частоты дробной части порядка интерференции ИФП регистрируется частотомером (ЧМ) 21.

Таким образом, при известном значении межмодовой частоты стабилизированного вакуумированного интерферометра Фабри-Перо _ИФП, номера его продольной моды K, частота которой наиболее близка к частоте генерации измеряемого лазера и известной величине дробной части порядка интерференции ИФП определяется точное значение частоты (длина волны) генерации измеряемого лазера с абсолютной погрешностью частоты генерации лазера-эталона т.е.

где µ - абсолютная погрешность значения частоты лазера-эталона.

Техническое решение заключается в проведении измерений длины волны монохроматического излучения с относительной погрешностью не хуже 10^-10 в широком спектральном диапазоне.

Измеритель длины волны монохроматического излучения, содержащий измеряемый оптический источник монохроматического излучения в виде стабилизированного лазера, отличающийся тем, что в него введены одночастотный перестраиваемый лазер, стабилизированный вакуумированный интерферометр Фабри-Перо с пьезокерамикой, стабилизированный по частоте лазер-эталон с известной частотой генерации, нуль-индикатор, частотомер, а также первый и второй блоки автоподстройки частоты, при этом оптический выход лазера-эталона связан с входом вакуумированного интерферометра Фабри-Перо с пьезокерамикой, оптический выход которого поступает на фотоприёмник, имеющий кабельную связь с первым блоком автоподстройки частоты и по кабельному каналу стабилизирующий базу вакуумированного интерферометра Фабри-Перо с пьезокерамикой, выход измеряемого и первый выход одночастотного перестраиваемого лазеров при помощи поворотных зеркал имеют оптическую связь с фотоприёмником, который имеет кабельную связь с нуль-индикатором, второй выход одночастотного перестраиваемого лазера при помощи поворотных зеркал имеет оптическую связь с стабилизированным вакуумированным интерферометром Фабри-Перо с пьезокерамикой, выход которого через фотоприёмник связан со вторым блоком автоподстройки частоты, выход которой по кабельному каналу стабилизирует частоту одночастотного перестраиваемого лазера, выход измеряемого и первый выход одночастотного перестраиваемого лазеров при помощи поворотных зеркал имеют оптическую связь с фотоприёмником, который имеет кабельную связь с частотомером, регистрирующий дробную часть порядка интерференции.