eng
Выпуск #3/2013
П. Воробьев, М. Керносов, А. Кондрахин, Г. Мельничук, Е. Чуляева
Методы измерения параметров частотно-стабилизированных лазеров
Методы измерения параметров частотно-стабилизированных лазеров
Просмотры: 4209
Наиболее распространенные методы измерения параметров лазерного излучения включают в себя, в частности, измерение пространственных и энергетических характеристик пучка. Измерение характеристик частотно-стабилизированных лазеров требует разработки нескольких установок и методик измерения. К таким характеристикам следует отнести спектрально-частотные. В работе продемонстрированы методы, применяемые в промышленном производстве.
Теги: frequency stabilized lasers lasers physics methods of laser beam spatial and energy characteristics measure методы измерения пространственных и энергетических характеристик физика лазеров частотно-стабилизированные лазеры
Методы определения
стабильности частоты
лазерного излучения
Метод измерения нестабильности частоты, подобно описанному в [2, 3], осуществляется во временной области и заключается в измерении частоты биений между двумя лазерами с помощью частотомера. Затем данные анализируются и статистически обрабатываются.
Нестабильность частоты определяется через среднеквадратическое относительное отклонение как
(1)
где – нестабильность частоты излучения испытуемого лазера; – среднее значение измеряемой частоты биений; N – число отсчетов с частотомера; – номинальное значение частоты, справедливо в случае, если флуктуации частоты излучения носят случайный характер. Однако изменения частоты лазерного излучения со временем не всегда носят случайный характер. Причем эти изменения на фоне случайных флуктуаций частоты могут быть выражены неявно.
При наличии систематического характера изменения частоты среднеквадратическое отклонение расходится с увеличением числа измерений. При наличии дрейфа нестабильность частоты лазерного излучения вычисляется по формуле (2) и не совпадает со значением нестабильности частоты, вычисленной с учетом формулы (1).
Нестабильность частоты в случае дрейфа определится по формуле
(2)
где N – число пар отсчетов с частотомеров; ν2i – текущее значение измеренной частоты биений; ν2i-1 – предшествующее значение частоты биений.
Параметр Аллена меняется с изменением времени усреднения. Обычно для характеристики лазера строят параметр Аллена в зависимости от времени усреднения, что и позволяет судить о спектре возмущений [4]. Тип шума исследуемого лазера обычно неизвестен, поэтому при определении стабильности частоты этот метод дает большие погрешности.
Таким образом, выбор формулы для определения нестабильности частоты (1) или (2) будет зависеть от типа шумов в спектре лазерного излучения. Если процесс изменения оптической частоты носит случайный характер, то справедлива формула (1).
Анализ проведенных измерений показывает, что стабильность частоты в частотно-стабилизированных лазерах, выпускаемых ОАО ПЛАЗМА, подчиняется закону Гаусса при работе лазера после двухчасового прогрева, в то время как в первые часы происходит дрейф частоты биений. Поэтому для характеристики стабильности частоты приводится СКО при разных временах усреднения. Схема установки представляет собой схему оптического гетеродинирования с автоматической регистрацией данных. Обработка результатов проводилась при разных временах усреднения.
Измерение длины временной когерентности
Исследование длины временной когерентности проводилось с помощью модернизированного интерферометра Майкельсона. Опорное плечо интерферометра образовано зеркалом с пьезокорректором. Измерительное плечо образовано делительным зеркалом и подвижным измерительным зеркалом. Излучение, отраженное от измерительного зеркала, снова возвращается к делительному зеркалу, отражается от него и совмещается с опорным излучением.
На фотоприемнике мы получаем интерференционную картину. Пьезокорректор осуществляет модуляцию опорной длины интерферометра. За счет использования модулируемой опорной длины интерферометра Майкельсона возникает переменный сигнал интенсивности, отображаемый регистрирующим устройством, который демонстрирует сигнал с выхода интерферометра. При равенстве плеч интерферометра глубина модуляции составляет 100%. При неравенстве плеч интерферометра глубина модуляции уменьшается. При модуляции сигнала глубиной 50%, что происходит при изменении расстояния в измерительном плече до длины когерентности, видность интерференционной картины тоже равна 50%.
Преимущества метода заключаются в снижении погрешности измерения с 25% до 2%.
Метод измерения
поляризационной неустойчивости в частотно-стабилизированном лазере
Исследования поляризационно-частотных свойств активных элементов с внутренними зеркалами проводились, например, авторами работ [5,6]. Однако причины нестабильности были выявлены лишь частично. Для полного анализа нестабильности предложена в настоящей работе схема измерительной установки, которая позволяла одновременно измерять изменение интенсивности лазерного излучения, а также регистрировать разностную частоту при наложении поперечного магнитного поля на активную среду лазера.
Излучение лазера направлялось на поляроид и фотоприемник. Сигнал с фотоприемника сканирующего интерферометра поступал на вход осциллографа С1-117. C другого выхода лазера излучение направлялось на двухсекторный фотоприемник, подключенный к усилителю, мультиметру АРРА и компьютеру, причем каждый сигнал поляризации записывался соответствующим каналом компьютера. На экране компьютера отображался сигнал выходной мощности каждой из составляющих лазерного излучения, соответственно I1, I2.
Таким образом установка, позволяет провести полный анализ нестабильности частотно-стабилизированных лазеров.
Литература
http://www.lamet.ru. СИПХ-1 – Средство измерения пространственно-энергетических параметров лазерного излучения.
Хирд Г. Измерение лазерных параметров. – М.: Мир, 1970.
Котюк А.Ф. Измерение спектрально-частотных и корреляционных параметров и характеристик лазерного излучения/ Под ред.А.Ф.Котюка и В.А.Степанова. – М.: Радио и связь, 1982.
Rutman J. Characterization of Frequency: a Transfer Function Approach and its Application to Mesauruments via Filterung of Phase Noise. – IEEE Trans on Instrum. and Meas., 1974, v.IM – 23, №1.
Арефьев А.С., Борисовский С.П., Кондрахин А.А., Чуляева Е.Г. Стабильная генерация в частотно-стабилизированном гелий-неоновом лазере. – Вестник РГРТА, 2004, вып.14, Рязань, с. 80–83.
Бадамшина Э.Б.и др. Экспериментальное исследование искажений поляризационных характеристик интерференционных зеркал. – Вестник СПбО АИН, 2008, вып.5.–Санкт-Петербург, с.206–212.
Methods of laser radiation frequency stability determination
Similar to the method described in [2, 3], the method of frequency instability measurement, used in the time domain, consists in the measurement of the beat frequency between two lasers using frequency meter. Thereafter, the data obtained is analyzed and subject to statistical treatment.
Determination of frequency instability through root-mean-square relative deviation as
(1)
where is instability of the tested laser’s emission frequency; is the average value of the measured beat frequency; N is the number of frequency meter counts; is the nominal frequency value, is justified if the emission frequency fluctuations occur at random. However, in the course of time, changes in the laser emission frequency are not always of random character. Moreover, against the background of random fluctuations, such changes may not manifest themselves clearly.
With the systematic character of frequency changes, the root-mean-square deviation starts to deviate as the number of measurements increases. In the presence of such drift, the laser emission frequency instability is calculated in accordance with Formula (2), and it differs from the frequency instability value calculated in accordance with Formula (1).
In the event of drift, frequency instability is calculated in accordance with the following formula:
(2)
where N is the number of pairs of frequency meter readings; ν2i is the current beat frequency value measured; ν 2i-1 is the previous beat frequency value.
The Allen parameter changes as the averaging time is changed. Usually, for laser characteristic purpose, the Allen parameter is built depending on the averaging time, which makes it possible to judge the disturbance spectrum [4]. Since the noise of the tested laser is usually unknown, this method has low accuracy.
Therefore, selection of frequency instability determination formula (1) or (2) will depend on the type of laser emission spectrum. If the process of light frequency change is of random character, formula (1) is true.
An analysis of the measurements made shows that frequency stability of frequency-stabilized lasers produced by OAO PLAZMA obeys the Gaussian law after two hours’ warm-up, while in the first hours of operation, the beat frequency is drifting. For this reason, to characterize frequency stability, the root-mean-square error is specified for different averaging time. The installation consists of an optical heterodyne unit and an automatic data registration unit. The results obtained were processed applying different averaging time.
Measurement of time coherence length
The time coherence length was investigated using a modernized Michelson interferometer. The interfereometer’s reference arm was formed of a mirror with a piezocorrector. The reference arm was formed of a dividing mirror and moving mirror (moving, measuring). The light reflected by the measuring mirror comes back to the dividing mirror, is reflected by it and is combined with the reference emission.
The interference pattern is obtained by the photosensor. The piezocorrector modulates the reference length for the interfereometer. Owing to the use of the reference length of the Michelson interferometer, the variable intensity signal is produced, which is reflected by the registration device and brought out at the interferometer’s output. When the interferometer’s arms are equal, the modulation depth is 100%. When the interferometer’s arms are unequal, the modulation depth decreases. In the event of modulation of a signal with a 50-percent depth, which happens when the distance in the measuring arm changes to become equal to the coherence length, the visibility of the interference pattern is also equal to 50%.
The advantage of the method is that the measurement error decreases from 25% to 2%.
Method of polarization instability measurement in a frequency-stabilized laser
Polarization-frequency qualities of active elements with internal mirrors were studied, for instance, in papers [5, 6]. However, the causes of instability were revealed only in part. For comprehensive instability analysis, this paper presents a measurement installation which made it possible to simultaneously measure changes in the laser light intensity and register the difference frequency in the event of transverse magnetic field imposition on the active medium of a laser.
The laser emission was forwarded to a polaroid and photo sensor. The signal derived from the scanning interfererometer came to the C1-117 oscilloscope’s input. Emission from the other input of the laser was forwarded to a two-sector photo sensor attached to an amplifier, APPA multimeter and computer, with each of the polarization signals being recorded by a respective channel of the computer. The computer display shows output signals of each of the components of laser emission, which are, respectively, I1, I2.
Thus, the installation makes it possible to perform a complete analysis of instability of frequency-stabilized lasers.
стабильности частоты
лазерного излучения
Метод измерения нестабильности частоты, подобно описанному в [2, 3], осуществляется во временной области и заключается в измерении частоты биений между двумя лазерами с помощью частотомера. Затем данные анализируются и статистически обрабатываются.
Нестабильность частоты определяется через среднеквадратическое относительное отклонение как
(1)
где – нестабильность частоты излучения испытуемого лазера; – среднее значение измеряемой частоты биений; N – число отсчетов с частотомера; – номинальное значение частоты, справедливо в случае, если флуктуации частоты излучения носят случайный характер. Однако изменения частоты лазерного излучения со временем не всегда носят случайный характер. Причем эти изменения на фоне случайных флуктуаций частоты могут быть выражены неявно.
При наличии систематического характера изменения частоты среднеквадратическое отклонение расходится с увеличением числа измерений. При наличии дрейфа нестабильность частоты лазерного излучения вычисляется по формуле (2) и не совпадает со значением нестабильности частоты, вычисленной с учетом формулы (1).
Нестабильность частоты в случае дрейфа определится по формуле
(2)
где N – число пар отсчетов с частотомеров; ν2i – текущее значение измеренной частоты биений; ν2i-1 – предшествующее значение частоты биений.
Параметр Аллена меняется с изменением времени усреднения. Обычно для характеристики лазера строят параметр Аллена в зависимости от времени усреднения, что и позволяет судить о спектре возмущений [4]. Тип шума исследуемого лазера обычно неизвестен, поэтому при определении стабильности частоты этот метод дает большие погрешности.
Таким образом, выбор формулы для определения нестабильности частоты (1) или (2) будет зависеть от типа шумов в спектре лазерного излучения. Если процесс изменения оптической частоты носит случайный характер, то справедлива формула (1).
Анализ проведенных измерений показывает, что стабильность частоты в частотно-стабилизированных лазерах, выпускаемых ОАО ПЛАЗМА, подчиняется закону Гаусса при работе лазера после двухчасового прогрева, в то время как в первые часы происходит дрейф частоты биений. Поэтому для характеристики стабильности частоты приводится СКО при разных временах усреднения. Схема установки представляет собой схему оптического гетеродинирования с автоматической регистрацией данных. Обработка результатов проводилась при разных временах усреднения.
Измерение длины временной когерентности
Исследование длины временной когерентности проводилось с помощью модернизированного интерферометра Майкельсона. Опорное плечо интерферометра образовано зеркалом с пьезокорректором. Измерительное плечо образовано делительным зеркалом и подвижным измерительным зеркалом. Излучение, отраженное от измерительного зеркала, снова возвращается к делительному зеркалу, отражается от него и совмещается с опорным излучением.
На фотоприемнике мы получаем интерференционную картину. Пьезокорректор осуществляет модуляцию опорной длины интерферометра. За счет использования модулируемой опорной длины интерферометра Майкельсона возникает переменный сигнал интенсивности, отображаемый регистрирующим устройством, который демонстрирует сигнал с выхода интерферометра. При равенстве плеч интерферометра глубина модуляции составляет 100%. При неравенстве плеч интерферометра глубина модуляции уменьшается. При модуляции сигнала глубиной 50%, что происходит при изменении расстояния в измерительном плече до длины когерентности, видность интерференционной картины тоже равна 50%.
Преимущества метода заключаются в снижении погрешности измерения с 25% до 2%.
Метод измерения
поляризационной неустойчивости в частотно-стабилизированном лазере
Исследования поляризационно-частотных свойств активных элементов с внутренними зеркалами проводились, например, авторами работ [5,6]. Однако причины нестабильности были выявлены лишь частично. Для полного анализа нестабильности предложена в настоящей работе схема измерительной установки, которая позволяла одновременно измерять изменение интенсивности лазерного излучения, а также регистрировать разностную частоту при наложении поперечного магнитного поля на активную среду лазера.
Излучение лазера направлялось на поляроид и фотоприемник. Сигнал с фотоприемника сканирующего интерферометра поступал на вход осциллографа С1-117. C другого выхода лазера излучение направлялось на двухсекторный фотоприемник, подключенный к усилителю, мультиметру АРРА и компьютеру, причем каждый сигнал поляризации записывался соответствующим каналом компьютера. На экране компьютера отображался сигнал выходной мощности каждой из составляющих лазерного излучения, соответственно I1, I2.
Таким образом установка, позволяет провести полный анализ нестабильности частотно-стабилизированных лазеров.
Литература
http://www.lamet.ru. СИПХ-1 – Средство измерения пространственно-энергетических параметров лазерного излучения.
Хирд Г. Измерение лазерных параметров. – М.: Мир, 1970.
Котюк А.Ф. Измерение спектрально-частотных и корреляционных параметров и характеристик лазерного излучения/ Под ред.А.Ф.Котюка и В.А.Степанова. – М.: Радио и связь, 1982.
Rutman J. Characterization of Frequency: a Transfer Function Approach and its Application to Mesauruments via Filterung of Phase Noise. – IEEE Trans on Instrum. and Meas., 1974, v.IM – 23, №1.
Арефьев А.С., Борисовский С.П., Кондрахин А.А., Чуляева Е.Г. Стабильная генерация в частотно-стабилизированном гелий-неоновом лазере. – Вестник РГРТА, 2004, вып.14, Рязань, с. 80–83.
Бадамшина Э.Б.и др. Экспериментальное исследование искажений поляризационных характеристик интерференционных зеркал. – Вестник СПбО АИН, 2008, вып.5.–Санкт-Петербург, с.206–212.
Methods of laser radiation frequency stability determination
Similar to the method described in [2, 3], the method of frequency instability measurement, used in the time domain, consists in the measurement of the beat frequency between two lasers using frequency meter. Thereafter, the data obtained is analyzed and subject to statistical treatment.
Determination of frequency instability through root-mean-square relative deviation as
(1)
where is instability of the tested laser’s emission frequency; is the average value of the measured beat frequency; N is the number of frequency meter counts; is the nominal frequency value, is justified if the emission frequency fluctuations occur at random. However, in the course of time, changes in the laser emission frequency are not always of random character. Moreover, against the background of random fluctuations, such changes may not manifest themselves clearly.
With the systematic character of frequency changes, the root-mean-square deviation starts to deviate as the number of measurements increases. In the presence of such drift, the laser emission frequency instability is calculated in accordance with Formula (2), and it differs from the frequency instability value calculated in accordance with Formula (1).
In the event of drift, frequency instability is calculated in accordance with the following formula:
(2)
where N is the number of pairs of frequency meter readings; ν2i is the current beat frequency value measured; ν 2i-1 is the previous beat frequency value.
The Allen parameter changes as the averaging time is changed. Usually, for laser characteristic purpose, the Allen parameter is built depending on the averaging time, which makes it possible to judge the disturbance spectrum [4]. Since the noise of the tested laser is usually unknown, this method has low accuracy.
Therefore, selection of frequency instability determination formula (1) or (2) will depend on the type of laser emission spectrum. If the process of light frequency change is of random character, formula (1) is true.
An analysis of the measurements made shows that frequency stability of frequency-stabilized lasers produced by OAO PLAZMA obeys the Gaussian law after two hours’ warm-up, while in the first hours of operation, the beat frequency is drifting. For this reason, to characterize frequency stability, the root-mean-square error is specified for different averaging time. The installation consists of an optical heterodyne unit and an automatic data registration unit. The results obtained were processed applying different averaging time.
Measurement of time coherence length
The time coherence length was investigated using a modernized Michelson interferometer. The interfereometer’s reference arm was formed of a mirror with a piezocorrector. The reference arm was formed of a dividing mirror and moving mirror (moving, measuring). The light reflected by the measuring mirror comes back to the dividing mirror, is reflected by it and is combined with the reference emission.
The interference pattern is obtained by the photosensor. The piezocorrector modulates the reference length for the interfereometer. Owing to the use of the reference length of the Michelson interferometer, the variable intensity signal is produced, which is reflected by the registration device and brought out at the interferometer’s output. When the interferometer’s arms are equal, the modulation depth is 100%. When the interferometer’s arms are unequal, the modulation depth decreases. In the event of modulation of a signal with a 50-percent depth, which happens when the distance in the measuring arm changes to become equal to the coherence length, the visibility of the interference pattern is also equal to 50%.
The advantage of the method is that the measurement error decreases from 25% to 2%.
Method of polarization instability measurement in a frequency-stabilized laser
Polarization-frequency qualities of active elements with internal mirrors were studied, for instance, in papers [5, 6]. However, the causes of instability were revealed only in part. For comprehensive instability analysis, this paper presents a measurement installation which made it possible to simultaneously measure changes in the laser light intensity and register the difference frequency in the event of transverse magnetic field imposition on the active medium of a laser.
The laser emission was forwarded to a polaroid and photo sensor. The signal derived from the scanning interfererometer came to the C1-117 oscilloscope’s input. Emission from the other input of the laser was forwarded to a two-sector photo sensor attached to an amplifier, APPA multimeter and computer, with each of the polarization signals being recorded by a respective channel of the computer. The computer display shows output signals of each of the components of laser emission, which are, respectively, I1, I2.
Thus, the installation makes it possible to perform a complete analysis of instability of frequency-stabilized lasers.
Отзывы читателей
