CC BY
41
УДК 006:528
Б.С.Могильницкий
ФГУП «СНИИМ», Новосибирск
СОВРЕМЕННЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ
B.S. Mogilnitsky
Siberian Scientific-Research Institute of Metrology (SSRIM) 4 Dimitrova str., Novosibirsk,630004, Russian Federation
MODERN LASER METHODS FOR METROLOGICAL APPLICATIONS
The author the discuss the possibility to use mode locking in pulsed laser for precision measurement of lengths.
Фемтосекундные, пикосекундные и наносекундные лазеры являются источниками сверхкоротких световых импульсов. На их основе, в настоящее время, бурно развиваются новые прецизионные технологии измерений во многих областях науки и техники. Уникальные свойства лазерного излучения, возникающего в режиме синхронизации мод, используются для высокоточных оптических измерений частот, длин волн, перемещений, деформаций, физических величин сред и др.с метрологической точностью. Поэтому особенно привлекательным является использование новых технологий в метрологии в области создания новых средств измерений.
Длина является одной из важнейшей в практическом отношении физической величиной. В 1983 г. утверждено новое определение метра: метр-длина, равная расстоянию, проходимому электромагнитным излучением за время, равное 1/с (с - скорость света в вакууме). В качестве эталонных источников регламентированы пять стабилизированных газоразрядных лазеров с установленными частотами и длинами волн излучения [1]. Погрешность воспроизведения длины метра оценена величиной ~10-9. Длина перестала быть самостоятельной физической величиной: она выражается теперь через частоту v и скорость света с как L = c/v. Дальнейшее улучшение метрологических характеристик таких устройств связано с огромными трудностями т.к. этот уровень является, по существу, предельным. Таким образом, к концу 90-х годов прошлого века был исчерпан ресурс повышения уровня точности определения длин.
Революционным моментом можно считать использование для этих целей лазеров, работающих на других принципах - формирующих излучение в виде последовательности сверхкоротких импульсов. Это лазеры с синхронизацией мод (ЛСМ). С помощью ЛСМ удается более просто решить как проблему определения абсолютных значений длин волн электромагнитного излучения в видимой области спектра, так и с большей точностью измерить и воспроизвести абсолютную длину исключив радиооптический мост.
Одним из первых шагов в этом направлении является создание прецизионного измерителя длин (ПИД). В качестве средства, прецизионной точности для измерения эталонных длин предлагается устройство, состоящее из интерферометра Фабри-Перо (ИФП) и импульсного лазера.
Эффект синхронизации мод (ЭСМ) в лазерах осуществляется либо самопроизвольно, либо путем принудительного воздействия на фазы оптических мод с целью поддержания определенных соотношений между ними. Лазерное излучение во времени имеет вид периодической последовательности импульсов с периодом, равным времени обхода резонатора Т = 21/с, где 1 - длина резонатора лазера, с - скорость света. В оптическом импульсе лазерного излучения содержится спектр эквидистантных оптических частот, соответствующих спектру резонатора лазера с характерным масштабом с/21. Частоты биений оптических мод, формируемые на фотодетекторе, дают, в свою очередь, спектр радиочастот сК/21, где К = 1, ..., N. Используя разностную частоту биений равную радиочастоте эталона (водородный генератор), можно произвести привязку длины резонатора лазера к эталону и тем самым создать высокостабильный излучатель эквидистантной регулярной последовательности оптических импульсов [2].
Пропуская импульсное излучение лазера через интерферометр Фабри-Перо, осуществляем привязку длины L его резонатора к стабильному лазерному излучению[3]. Поскольку ИФП является оптическим фильтром, то прохождение мгновенного света через него осуществляется при выполнении условий интерференции, которые можно записать в виде (2Ь/с)(ю0 - ®и) = =Кл[4]., где со0 - центральная частота спектральной компоненты (моды) лазерного излучения, юи - резонансная частота ИФП. Интенсивность света, прошедшего через интерферометр будет максимальна при резонансной настройке (со0 = сои) и уменьшится при изменении длины резонатора ИФП. В этом случае сигнал управления возвращает длину резонатора интерферометра в первоначальное состояние т. е. происходит процесс стабилизации длины резонатора ИФП. Таким образом, комбинация лазер + интерферометр представляет собой прецизионное устройство для измерения длин в широком диапазоне от дольных значений до сотен метров.
В настоящее время точное измерение длин производится с помощью лазерных интерферометров перемещения (ИПЛ). Относительная погрешность измерения длин составляет ~10-6. Измерение абсолютной длины с помощью ИПЛ осуществляется посредством сравнения длины образца с длиной волны излучения стабилизированного лазера. В предполагаемом методе измерение абсолютной длины осуществляется посредством сравнения со стабильной длиной интерферометра, что при всех равных условиях уменьшает абсолютную погрешность измерения длины в М раз, где М = Ь/А, X - длина волны лазера, L - длина интерферометра. В свою очередь погрешность измерений длины интерферометра определяется погрешностью измерения частоты межмодового интервала соседних мод лазера. Можно понизить эту погрешность измеряя частоту биений «далеких» мод Лео = ЫЛсо,
3 5
где N = 10 -10 . При одинаковой абсолютной погрешности частотных измерений, погрешность измерений абсолютной длины интерферометра уменьшится в N раз. Таким образом, погрешность измерения абсолютных длин, способом, изложенным в предлагаемом методе, может быть понижена до уровня, позволяющего придать предлагаемому устройству статус эталона длины.
Прохождение световых импульсов разной длительности через ИФП исследовано с разных точек зрения в ряде работ [5-8]. Последняя по времени [5] и привлекла внимание метрологов к проблеме использования ЛСМ для создания эталона длины на новых принципах. Процессы привязки ИФП и нестабильность его базы детально исследованы для случая прохождения через ИФП одночастотного непрерывного лазерного излучения (очень узкого частотного спектра). При прохождении же импульсного излучения (широкий частотный спектр) могут появиться сложности с системой автоматического контроля, поскольку привязка осуществляется по максимуму функции пропускания ИФП. Аппаратная функция при импульсном освещении впервые изящно представлена в [8]. Значительно позже (~ через 20 лет) более детальное рассмотрение дано в работах [9, 10], где в явном виде определена временная форма прошедшего через ИФП импульса. Основной вывод следующий: для того, чтобы интерферометр ФП представлял собой оптический фильтр, что необходимо для процесса его привязки к стабильному лазерному излучению, его база должна соответствовать определенным требованиям, а именно - быть такой, чтобы время 0 двойного прохождения базы ИФП импульсом света было меньше длительности падающего импульса т т. е. 0 < т, где 0 = 2L/c. Это условие налагает жесткие требования на базу эталона: так, при фемтосекундной длительности входящих импульсов, интервал между зеркалами ФП ~ (0.15-15) мкм,
2 4
пикосекундной ~ 1.5(10 -10 ) мкм или (0.015-1.5) см, наносекундной ~
с 7
1.5(10 -10 ) мкм или (15-1500) см соответственно.
Здесь необходимо отметить, что в случае стабильной последовательности импульсов ситуация с условиями на базу ИФП более благоприятная, что отмечено в [5]. Дело в том, что частотный спектр поступающего в ИФП лазерного излучения дискретный (частотная решетка) т. е. «искусственный», созданный лазером. Каждая, из составляющих его, спектральная компонента много уже полосы пропускания (аппаратной функции) ИФП, что означает выполнения условия 0 < т, т. е. временная длительность каждой компоненты больше времени задержки 0, которое испытывает импульс света при прохождении ИФП. Эту ситуацию можно представить в виде набора локальных ИФП, освещаемых «длинными» импульсами (т >> 0). Поэтому ИФП становится прозрачным для сверхкоротких лазерных импульсов. При резонансной настойке ИФП на частоту лазера максимальная интерференция будет при совпадении частотных решеток n = n/N = 1, что означает равенство длин резонаторов, где n-число мод лазера, а N-число мод ИФП. При n <>1 «сила» интерференции
будет уменьшаться и длительность прошедшего через ИФП импульса по сравнению с входным будет расти.
При оценке погрешности эталона длины мы предполагаем, что при каждом последующем шаге технической реализации проекта, уровень точности понижается на порядок. В итоге погрешность базы эталона метра составит величину 10-10. Это означает неопределенность расстояния между зеркалами ИФП в ~0.1 нм. Для реализации такой точности длины необходимо использовать современные технологии изготовления зеркал ИФП. Здесь отметим, что лазерное излучение позволяет значительно снизить требования к отражающим свойствам зеркал ИФП. Так в [11], предельная неопределенность положения плоскости отражения света для стандартных
13
размеров луча Не-№ лазера (диаметр~1мм) оценивается величиной 10" -10" 15м, что на несколько порядков повышает резерв улучшения определения длин с помощью лазерной интерферометрии. Возможная схема реализации эталона длины, включающая все ранее апробированные технические решения может быть следующая:
5ур = с/21 =108 Гц, п = Ау/§уР= 104
8=51/1=10
■12
"Ж-
к т >
т = 10"
8= 10
Импульсный лазер
- Ьл
8Б / Б = 10"
^Селектор
2Б /с -►А
_7\ Р>Б
Аф > Аф
сист. автомат. контроля
Сист. привязки 8=10-" t
Водорд. Эталон
Синтезатор оптических частот
Рис. 1. Прецизионное средство измерения длин (ПИД): Дур - межмодовый интервал резонатора лазера, п - число мод, Ау - ширина линии генерации, 2Ь/С = т - период следования импульсов, 2Р/С = Аф - область дисперсии решетки, 20/С = Аф - область дисперсии ИФП, 5т - длительность импульса, 8
- уровень нестабильности
В этой схеме осуществляется переход (после момента привязки резонатора лазера к водородному стандарту) от режима импульсного излучения к непрерывному посредством решетки. Лазерное излучение
претерпевает драматические изменения от широкополосного к монохроматическому и стабилизация длины ИФП происходит в штатном режиме. Возможна схема без дифракционной решетки, что подтверждено экспериментальными исследованиями.
Таким образом, мы переносим с определенной степенью погрешности радиочастоту эталона в оптический диапазон, минуя, необходимый для этого, радиочастотный мост. Это дает возможность измерения абсолютного значения длины.
Для определения эталонного размера длины (1метр) используем вспомогательный перестраиваемый в видимой области полупроводниковый или газовый лазер. Перестраивая частоту его излучения на масштабный частотный интервал ИФП (^2L), определим частотный интервал перестройки вспомогательного лазера по последовательным максимумам пропускания через стабильный эталон ФП. Измеренный с высокой точностью этот интервал 5v, как разность частот биений разностной частоты между частотой излучения оптического стандарта и частотами последовательных максимумов пропускания излучения вспомогательного лазера, даст с помощью соотношения L = с/Sv эталонную длину базы ИФП.
Поскольку основным достоинством нового определения метра является отсутствие зависимости от конкретного источника, то современная лазерная технология на основе импульсного излучения сверхкороткой длительности становится последующим шагом в направлении улучшения метрологических характеристик эталона длины. Кроме этого, погрешность воспроизведения и измерения абсолютных длин волн излучения достигнет эталонного (радиотехнического) уровня не для отдельных значений, а практически во всем видимом диапазоне спектра. Теперь можно ставить задачу передачи значения единицы частоты в более короткий УФ и рентгеновские диапазоны, что открывает новые перспективы по повышению точности измерений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Привалов В.Е. Квантовая электроника и новое определение метра.- Л: «Знание» - 1987.
2. Багаев С.Н., Пивцов В.С.,Клементьев В.М. и др. Стабилизация частоты следования фемтосекундных импульсов // Квантовая электроника. - 1997. - т. 24, - № 4. -C. 327.
3. Бикмухаметов К.А., Бобрик В.И. Стабилизация длины ИФП по излучению газового ОКГ // Измерительная техника. - 1976. - № 10, - C. 3.
4. MogilnitskyB.S.,Tolstikov A.S., Cherepanov V.Y. Precision Length Measurement Using Picosecond Pulsed Laser. Siberian Russian Workshops and Tutorials, EDM 2003, Proceedings 4th Annual, Erlagol - 2003. - P. 263.
5. Бакланов Е.В., Дмитриев А.К. Абсолютное измерение длины с помощью фемтосекундного лазера // Квантовая электроника - 2002. - T. 32. - № 10. - С. 925.
6. Roychoudhuri C. Response of Fabry-Perot Interferometers to Light Pulses of Very Short Duration. // J.Opt.Soc.Am. - 1975. - V. 65, - № 12, - P. 1.
7. Беспалов В.Г., Ефимов Ю.Н., Стаселько Д.И. Спектрально-временной анализ переходных процессов в ИФП// Оптика и спектроскопия. - 2001. - Т. 90, - № 4, - C. 690.
8. Померанский А.А. Аппаратная функция интерферометра Фабри-Перо при импульсном освещении // Сб.научных трудов ВНИИФТРИ, М. - 1976. - C. 67.
9. Wu Z.,Chen J.,Xia G.Computer Model of Time Response of FP Etalon Filters to Short Optical Pulses.// J.Opt.Comm. - 1997 - V. 18, - № 1, - P. 19.
10. Guangqiong Xia, Baichuan Li, Lin Liu, Zhengmao Wu, Jianguo Chen. Time Delay of Fabry-Perot Filters to Short Optical Pulses.// J. Opt.Commun. - 2001. - V. 2, - № 3, - P. 8.
11. Захаров В.П. Тычинский В.П. и др. О предельной чувствительности и точностных характеристиках лазерного микроинтерферометра.// Измерительная техника. - 1976. - № 10. - C. 33.
© Б.С. Могильницкий, 2009
