Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 68
Текст из файла (страница 68)
Ко второй группе возмущений относят внешние и внутренние магнитные и электрические поля. Эти возмущения воздействуют на стабильность разностной частоты, создают разнодобротность гене- 285 рационных каналов, а также изменяют нестабильность частоты излучения 5,. Кроме того, уменьшение коэффициента отражения зеркал, нарушение герметичности кювета, старение элементов генерационного канала, изменение разрядного тока приводят к флюктуациям выходной мощности /!Р, „, увеличению параметров обратного рассеяния Аг~ю и 6~~ ы изменению оптического пути /! (/~п,) и потерь в резонаторе Айьэ. В результате этого в кольцевом лазере имеется несколько перекрестных связей, влияние которых на выходную характеристику лазера различно. Поэтому попытка регулирования одного параметра приводит к изменению других, которые, казалось бы, должны стабилизироваться автономно.
Выяснению степени взаимного влияния этих связей было посвящено много исследований. Однако этот вопрос по-прежиему требует пристального внимания. Трудность одновременной комплексной стабилизации всех изменяющихся во времени параметров состоит в том, что они определяются не только конструктивными особенностями, но и целым рядом быстро изменяющихся физических процессов, и прежде всего, изменением входного воздействия !) (/). Автоматическая система самонастройки должна быть и быстродействующей, и инвариантной, т. е. при регулировании какого-либо выбранного параметра остальные должны находиться в заданных пределах. Выясним некоторые причины флюктуации параметров кольцевого лазера.
Тепловое расширение резонатора является основной причиной изменения оптической длины /! (/;и;). Изменение температурного режима работы кольцевого лазера приводит к увеличению или уменьшению длины периметра 6/.. Так, при изменении температуры кварцевого резонатора (коэффициент линейного расширения а, = = 8 ° 10 К ') на 4 'С его периметр, равный 40 см, изменится на 0,8' мкм, что больше длины волны генерируемого излучения. Изменение периметра оказывает двойное влияние на работу кольцевого лазера.
Во-первых, изменяется стабильность разностной частоты, возникает генерация на новой резонансной частоте. Во-вторых, меняется сама разностная частота, в особенности это наблюдается при работе ЛГ на больших угловых скоростях. Например, при изменении периметра контура резонатора на 6/, разностная частота Ррт = (/('вко ~ АКвх Р')1 () (/) соз й, т. е. крутизна выходной характеристики /(,„, в зависимости от температуры получит приращение /!К,„(Т) = ~ ., а величина 4 (5+ Л5) 450 0) 5 АРр, = — соз р явится погрешностью разностной частоты при измерении угловой скорости.
При нагреве моноблочного резонатора до температуры Т = 50 'С и вращении его с угловой скоростью !/ (/) = = 2 рад/с к выходной величине Рр 320 кГц прибавляется погрешность АРж 8 Гц. Это будет справедливо, если не учитывать сдвига частоты излучения из-за нагрева активной среды. Оптическая длина резонатора в значительной степени зависит также от изменения разрядного тока /!/р, так как показатель преломления плазмы и„ зависит от концентрации электронов в газовойсмеси. яав Смещение резонансной частоты спектральной линии атомного перехода Ат, вызывается не только расстройкой резонатора из-за изменения оптической длины, но и взаимным соудареиием частиц активной среды. При этом смещается фаза частотного перехода А~р„= = Ат,/„где /, — среднее время между столкновениями, с. Смещение /!т„зависит также от температуры и давления газовой смеси в кювете. Например, при соотношении парциальных давлений ргм/рве = !0: 1 Ач, = 20 ...
5 МГц/Па. Если наблюдается нестабильность тока разряда газовой смеси А/р, то вследствие эффекта Лэнгмюра (25! возникает и нестабильность разностной частоты. Ослабления этого эффекта можно добиться балансировкой токов в плечах резонатора лазера либо питая его высокочастотным полем. Дальнейшее совершенствование ЛГ должно идти по пути стабилизации его параметров, что практически можно осуществить, совершенствуя принципиальную схему, конструкцию и технологию изготовления как отдельных систем, так и прибора в целом.
Известные методы стабилизации параметров ЛГ можно разделить на пассивные и актоаные. К первым относятся методы, включающие в себя тщательную защиту резонатора, цепей питания и выходных цепей от действия внешних и внутренних электрических и магнитных полей. Это инженерная проблема и на практике оиа решается корректной разработкой конструкции и прецизионной технологией изготовления ЛГ. К активным методам стабилизации нужно отнести создание экстремальных адаптивных систем, которые при использовании экстремума или провала Лэмба — Беннета на кривой усиления автоматически стабилизировали бы расстройку частоты и мощность накачки активной среды, т. е.
практически все флюктуирующие в реальных условиях работы параметры кольцевого лазера (т„~), /„(/, В) (см. п; !0.4). При разработке активных систем стабилизации предусматривается одновременное введение пассивной стабилизации параметров (подбор геометрии и материала резонатора среды и зеркал, селекция мод и т. д.), что частично обеспечивает одномодовый режим генерации кольцевого лазера. В этом и заключается комплексный характер решения рассматриваемой проблемы. Регулируемым звеном автоматических систем управления является приращение периметра резонатора 6/, и изменение тока разряда /!/р. Для этого, например, используется зависимость выходной мощностй от расстройки резонатора Р,~, (Ч) по отношепию к резонансной частоте спектральной линии т,.
Для самонастройки одно из зеркал резонаторов делается подвижным (укрепляется на специальном основании из пьезокерамики или магнитного сплава). Сигнал, который управляет положением зеркала, зависит от отклонения его от резонансного значения и уменьшает расстройку. Таким способом погрешность настройки может быть сведена к минимальному значению. 2зт 14.3. Оптические схемы интерференциенных смесителей излучения Для выделения сигнала разностной частоты встречные излучения, выходящие через один из отражательных элементов кольцевого резонатора, совмещают в специальном оптическом устройстве.
Из объяснения принципа работы ЛГ следует, что небольшая доля энергии встречных колебаний, несущая информацию о наличии И ((), интерферирует на рабочеч грани оптического смесителя. Для осуществления интерференции встречных излучений применяют различные схемы оптических смесителей. Одни из них нашли серийное воплощение, другие применяются в экспериментальных исследованиях ЛГ. Обычно используют три типа схем смесителей: згркааьныг, призлгенизге и голографические (рис.
14.4). Отметим, что для моноблочной конструкции резонатора ЛГ по точности совмещения излучения наиболее предпочтительной является призменная схема. Для пространственной селекции интерференционной картины и определения знака угловой скорости ьв (() перед смесителем устанавливают диафрагмы различной формы. Например, в датчиках перемещений и в ЛГ применяются оптически несимметричные диафрагмы 16). Рис. 14.4.
Оптические схемы трехзериального (а), четырехзерхального (б) призменных (в, е), номбинированного (г) и голографического (д) интерференпионных смеси.телей встречных излучений: гз угол Брюотерар аа — угол между выаодпымп луеама айвз Колебания температуры приводят к изменению линейных размеров оптического смесителя встречных волн, что вызывает нестабильность угла совмещения лучей. Нестабильность призменного смесителя вызывает также зависимость показателя преломления материала призмы от температуры. Среднее значение (математическое ожидание) температурной погрешности совмещения лучей с помощью призменного смесителя можно представить в виде д( па+ дп дапр (Т) — дбпр (У) (14.2) пр где Ж„р — среднее значение изменения линейных размеров призмы; гап — среднее значение изменения показателя преломления.
Если дг)п„ (т ) принять ст(пр ° гзпр то стар (Т) = 2 "" гзп, или аа„ргрга, м агр ртр:аРЪр — р а действия первичной ошибки йл на суммарную погрешность стор (Т); д — угол падения лучей; гзп = ЬпгзТ вЂ” изменение показателя преломления при изменении температуры; гзТ вЂ” диапазон изменения температуры, 'С. При рр = 45', п = 1,5 гтп =* 2,6 ° 10 для кварцевого стекла марки К-8 дгТ = 40 'С, Ь,р(Т) = 15". Температурная погрешность совмещения лучей для голографического смесителя бее(Т) = 2,ЛТ (ай, где а, — коэффициент линейного расширения материала подложки. При б = 45', ЬТ = 40'С и а, = 5 ° 10 (для кварцевого стекла марки К-8) бгс (Т) 5.
Голографический смеситель имеет потенциально большую точность совмещения встречных излучений. Если угол при вершине призмы равен лг2, то лучи образуют интерференционную картину с четко выраженными полосами, по направлению и скорости смещения которых можно судить о знаке н значении угловой скорости. Покажем, что параллельность интерферирующих лучей на выходе смесителя является необходимым, но не достаточным условием для получения максимального сигнала разностной частоты и достоверных данных о значении и знаке входного воздействия. При интерференции смещение двух оптических колебаний происходит в условиях, когда ширина луча много больше длины волны. В связи с этим взаимное расположение фронтов смешиваемых излучений, наклон поверхности рабочей грани оптического смесителя и искажения фазовых фронтов оказывают существенное влияние на операцию преобразования частоты.
Если на оптический смеситель падают два излучения, то комплексная амплитуда напряженности электрического поля суммарной световой волны в рабочей плоскости смесителя Е(г 1) = Еог сои(орт( + грг) + Еоа сои (ога( + гра) 1О Р4Р гДе Ещ, Еоз — амплитуды интерферируемых волн; Фы Ф, — частоты встречных излучений; <р„грв — их фазы. П ри смещении монохроматических волн, а мы ограничиваем рас- смотрение интерференцией излучения от когерентных непрерывно излучающих источников, среднее значение интенсивности излучения / /(!)„определяется квадратом модуля комплексной амплитуды поля суммарной световой волны / (!),р — ] Е (!) ]2 (см. п. 3.3).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
