CC BY
58
УДК 621.3.072.6; 621.375.826 Б.Д. Борисов, А.С. Дычков СГГА, ИЛФ СО РАН, Новосибирск
СТАБИЛИЗАЦИЯ ЧАСТОТЫ ОПТИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРОВ БЕЗ МОДУЛЯЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ
Космическая навигация и дистанционные методы зондирования, геомониторинг и другие технологии базируются на системах точного времени и позиционирования типа GPS или ГЛОНАСС, в основе которых находится генератор точного времени (часы) СВЧ или оптического диапазонов частот. Точность и стабильность такого генератора определяют и ограничивают точность и стабильность любой системы с их использованием. Создание оптической шкалы времени на базе фемтосекундных лазеров, привязанной к опорному высокостабильному по частоте оптическому генератору с относительной нестабильностью частоты до 10-15 [1],
стимулирует поиск физических и технических методов улучшения стабильности опорной частоты.
В традиционных способах активной стабилизации частоты лазера по экстремуму линии-репера для подстройки частоты резонатора лазера на максимум линии используется генератор пробного гармонического сигнала (ПГС), модулирующий длину резонатора [2], (рис. 1, пунктир)
где От - амплитуда девиации и /т - частота пробного сигнала.
Как правило, линия-репер - четная функция и для определения знака подстройки необходимо продифференцировать выходной сигнал. Поэтому выходное излучение резонатора детектируется на приемнике излучения, сигнал которого перемножается в демодуляторе (синхронном детекторе) с пробным сигналом, пропускается через фазочувствительный узкополосный усилитель, выделяющий нужную гармонику пробного сигнала, знак и величина которой пропорциональны градиенту (производной) выходной мощности излучения и используются для подстройки длины (частоты) резонатора с помощью управляющего элемента - пъезокорректора.
Очевидно, что подвергающийся систематической перестройке с частотой
/т и амплитудой О т резонатор испытывает динамические искажения -модуляционное уширение линии и модуляционный сдвиг. В известном выражении «предельной нестабильности» - среднеквадратической ошибки флуктуаций частоты [3]
член, пропорциональный амплитуде девиации О т и круговой частоте сот = 2п[т пробного колебания, вносит прямой вклад в нестабильность
U = Qm X Sin2nfm ,
(1)
a(T)=1J_«L_+_L J----------------------------
П (2(1+аУ) 2^.-L[Sa(а)+Sp(а)+S„(а)](+а„2 Г)
(2)
частоты, т.к. он не подавляется системой автоматической подстройки частоты (АПЧ). Здесь SA(а)^р((о),8п(а) - соответственно спектральные
плотности мощности технических флуктуаций оптической длины резонатора,
репера и фотоприемника, - частота излучения, Т - время.
Были получены оценки величин сдвигов для различных гармоник, сред и типов лазеров для дискриминатора на основе резонанса мощности излучения лоренцевой формы и найдено выражение, определяющее дисперсию сдвига частоты в зависимости от номера гармоники и амплитуды девиации [4, 5]
оі тіп =
с2 і
5 ш •п +пт/2, (3),
5"(УР)
где (о’2тіп )1/2 - минимум среднеквадратической ошибки
с2
модуляционного сдвига, 5ш -среднеквадратическое значение шумового
сигнала, приведенного к входу фотоприемника, 5 - п -я производная (гармоника) выходного сигнала дискриминатора, Ур — центральная частота
резонанса. Из (3) видно, что минимум ошибки можно еще уменьшить, если положить Qm = 0, п = 0, т. е. исключить дополнительный пробный сигнал.
Таким образом, для высококачественных, стабильных систем, таких как стандарты частоты, традиционный способ стабилизации ограничивает относительную точность автоматической подстройки частоты, например, в оптическом диапазоне величинами 10-13 - 10-15.
Задача повышения стабильности частоты лазерного излучения за счет увеличения точности настройки резонатора на экстремум линии - репера решается за счет нового способа стабилизации, в котором в качестве пробного используется сигнал, пропорциональный флуктуациям частоты излучения лазера [6]. На рисунке 1 представлена функциональная схема стабилизированного по частоте лазера, реализующего способ. Лазер включает резонатор (1), образованный подвижным зеркалом ЗК1 (2), закрепленным на пъезокорректоре ПК1 (3), и неподвижным зеркалом ЗК2 (4), закрепленным на пъезодатчике ПД (5). Резонатор лазера содержит усиливающую среду и нелинейно поглощающую среду, формирующую узкую линию-репер. Излучение лазера регистрируется фотоприемником ФП
(6), сигнал с выхода которого, усиленный в предварительном усилителе ПУ1
(7), подается на вход определителя знака градиента и амплитуды подстройки
(8). Пъезодатчик ПД подключен к входу предварительного усилителя ПУ2 (9) и служит датчиком, регистрирующим пробный сигнал, возмущающий резонатор и пропорциональный флуктуациям частоты излучения лазера, который с выхода предварительного усилителя ПУ2 подается на второй вход определителя знака градиента и амплитуды подстройки. Выход определителя знака градиента через высоковольтный усилитель ВВУ (10), связан с управляющим пьезокорректором ПК1.
Резонатор со своими элементами - зеркалами, фиксирующей арматурой, пьезокорректорами образует инерционную механическую систему, на которую действуют возмущения в инфранизком и акустическом диапазонах частот. В этом диапазоне (0.1-12 000 Гц) сосредоточена основная спектральная мощность возмущений, в том числе акустических и микросейсмических полей, поэтому и в известных системах стабилизации частота пробного сигнала выбирается в этом диапазоне. Пъезодатчик ПД закреплён на арматуре резонатора, а на нём, в свою очередь, закреплено зеркало. Механические возмущения, действующие на арматуру, вызывают перемещение зеркала через пъезодатчик. Сила, возникающая за счёт инерции зеркала, приводит к появлению на пъезодатчике (за счёт пьезоэффекта) электрического сигнала, который пропорционален амплитуде перемещения зеркала, следовательно, и изменению частоты лазера. Таким образом, возмущения, испытываемые всей системой резонатора, преобразуются пьезодатчиком ПД в электрический сигнал, несущий информацию о флуктуациях частоты.
Рис. 2
На рис. 2 представлена динамика сигнала флуктуаций с пьезодатчика ПД He-Ne/CH4 -лазера на выходе усилителя ПУ2 с Кус = 106 с, интервал шага отсчета An = 10-4 с и n = 500.
В определителе знака градиента, который может быть реализован или в виде программы, или в форме микропроцессора, по сигналам и иШ2 определяется знак градиента Sign( диШ1 / диШ2). При формировании управляющего сигнала подстройки для исключения высокого уровня вычислительных шумов, возникающих при определении градиента, можно использовать только знак текущего градиента, с учетом которого на управляющий пьезокорректор ПК1 от высоковольтного усилителя ВВУ подается сигнал управления постоянной, определяемой компромиссом между скоростью подстройки и точностью настройки на экстремум линии-репера, амплитуды а со знаком текущего градиента. Сигнал управления Un на каждом дискретном шаге подстройки n определялся с помощью алгоритма итерационного типа [7]
Un = Un.i + a* Sign [dUn(ЛИ)/dUn(ПУ2)]. (4)
На рис. 3 представлена динамика сигнала управления Un (сигал ошибки или расстройка Q относительно требуемого уровня Qk) при работе по алгоритму (4) с постоянной амплитудой а = 500 Гц / шаг для стабилизации Не-Ые лазера с внутренней метановой ячейкой по экстремуму узкого оптического резонанса с полушириной на полувысоте Г = 30 кГц. Начальная расстройка Q = 10 кГц. Для наглядности здесь представлена область расстроек Q в окрестности экстремума Q^. Из левого графика рисунка 3 видно, что примерно за 200 шагов управляющий сигнал выводит и удерживает систему АПЧ на уровень экстремума резонанса Q^ .
Рис. 3
Однако, при малых значениях амплитуды а скорость сходимости в область экстремума невысока, а при больших - ухудшается точность подстройки, поэтому целесообразно использовать переменную амплитуду сигнала подстройки. На правом графике рисунка 3 представлена динамика сигнала управления ип при работе по алгоритму (5) с переменной амплитудой. Из этого рисунка наглядно видно, что скорость сходимости в область экстремума и точность удержания рабочей точки системы АПЧ на
уровень экстремума резонанса Ошк может быть улучшена по сравнению с
работой с постоянным шагом.
Рассмотренный способ стабилизации частоты лазера отличается от известных тем, что не требует дополнительного генератора и пробного сигнала с большой амплитудой девиации, а прямо использует в качестве пробного сигнал, возмущающий резонатор. В формулах (2), (3),
оценивающих точность, это соответствует исключению компоненты с амплитудой От. Так как эта амплитуда на несколько порядков превышает уровни используемых шумов £Л(а>)£р(а>),8П(о), это отличие позволяет
исключить модуляционный сдвиг частоты, характерный при использовании гармонического пробного сигнала, снизить модуляционное уширение линии и существенно расширить полосу отработки возмущений резонатора, что потенциально приводит к повышению точности подстройки частоты лазера к экстремуму линии-репера и улучшению ее стабильности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Багаев С.Н. Синхронизация частоты излучения диодных лазеров с частотой мод высокостабильного фемтосекундного титан-сапфирового лазера / С.Н. Багаев, В.Ф. Захарьяш, В.М. Клементьев и др. // Квантовая электроника. - 2001. - Т. 31. - № 5. - С. 383-386.
2. Багаев С.Н. Лазерные стандарты частоты / С.Н. Багаев, В.П. Чеботаев // УФН. -1986. - Т. 148. - Вып. 1. - С. 144.
3. Власов А.Н. Анализ влияния флуктуаций репера и длины резонатора на нестабильность частоты газового лазера и требования к сигналам автоподстройки / А.Н. Власов, В.В. Теселкин // Квантовая электроника. -1976. - № 6. - С. 1299-1305.
4. Миронов А.В. Исследование сдвигов частоты лазера, стабилизированного по насыщенному поглощению в йоде / А.В. Миронов // Оптика и спектроскопия. - 1985. - Т. 58. - Вып. 5. - С. 1128-1132.
5. Гримблатов В.М. Исследование дискриминатора на основе насыщенного поглощения / В.М. Гримблатов, М.А. Зоммер // Оптика и спектроскопия. - 1986. - Т. 57. -Вып. 3. - С. 532-537.
6. Патент РФ № 266595. Российская федерация. Способ стабилизации частоты лазера и стабилизированный по частоте лазер / Б.Д. Борисов, А.С. Дычков. - Опубл. бюл. 2005. - № 35.
7. Цыпкин ЯЗ. Адаптация и обучение в автоматических системах / ЯЗ. Цыпкин. -М., 1968.
© Б.Д. Борисов, А.С. Дычков, 2007
