ГАЗОВІ СТАНДАРТИ ЧАСТОТИ 4 страница

Nλ/2=L

Лазери, як джерела монохроматичного випромінювання відкрили принципово нові можливості для оптичної спектроскопії. З їх допомогою вдалося отримати і досліджувати вузькі резонанси нелінійного поглинання. Основна область застосування цих резонансів - стабілізація частоти випромінювання лазерів .

Основним реєстрованим фізичним ефектом, що використовується при стабілізації частоти лазера, є залежність потужності випромінювання від частоти.

Контур підсилення лазера:

Для створення лазера з високою стабільністю частоти необхідно мати атомний або молекулярний репер в оптичному діапазоні, що задовольняє наступним умовам:

- частота репера повинна бути стабільною і відтворною;

- відносна ширина резонансної кривої повинна дозволяти здійснювати активне автопідстроювання частоти випромінювання лазера;

- початкові і кінцеві рівні квантових переходів слабо збурюються зовнішніми полями і зіткненнями частинок між собою.

Щоб виключити вплив допплерівського у ширення спектральних ліній поглинання використовується метод насичення поглинання газу низького тиску.

Нижче представлена теоретична модель опису функціональної залежності частоти випромінювання від контрольованих параметрів лазера.

У загальному випадку, залежність значення частоти , стабілізованої по пікам насиченого поглинання в йоді, випромінювання He-Ne/¹²⁷I₂ лазерів від трьох контрольованих параметрів описується деякою нелінійною функцією тобто:

(2.1)

де - потужність лазера в середині резонатору;

- температура йоду в охолоджуваному штенгелі йодної комірки;

- амплітуда девіації оптичної частоти.

Консультативним Комітетом по довжині з метою забезпечення єдності вимірювання довжини хвилі випромінювання He-Ne/¹²⁷I₂ лазерів запропоновані чисельні значення трьох, контрольованих фізичних параметрів, лазерів і систем стабілізації частоти, при яких виміряні абсолютні значення частот стабілізованих за пікам насиченого поглинання в йоді, а саме, нормальні значення контрольованих параметрів рівні:

(2.2)

Метрологічні дослідження відтворюваності частоти He-Ne/¹²⁷I₂ лазерів зазвичай спрямовані на встановлення значення частоти випромінювання при реальних значеннях контрольованих параметрів і її зв'язки зі значенням частоти при нормальних значеннях параметрів, що контролюються.

Це означає, що абсолютне значення частоти випромінювання , при значеннях параметрів, що контролюються близьких до нормальних значень, може бути описане в лінійному наближенні розкладання (2.1):

(2.3)

де - абсолютне значення частоти випромінювання при нормальних умовах;

, , і - коефіцієнти розкладу, які можна визначити тільки експериментальним шляхом;

- поточні значення контрольованих параметрів.

В експериментах використовується не внутрішньорезонаторна потужність, а вихідна, при цьому враховується виміряне значення коефіцієнта пропускання вихідного дзеркала R_t, за допомогою якого внутрішньорезонаторна потужність обчислюється Р = Р_вих R_t.

Рівняння (2.3) запропоновано розглядати як основне рівняння стабілізованого за частотою He-Ne/¹²⁷I₂ лазера, яке описує залежність стабілізованої частоти випромінювання від значень контрольованих параметрів.

Основним і практично єдиним способом контролю змін оптичної частоти випромінювання є гетеродинний вимір різниці частот між двома лазерами. Для коректного обліку впливу контрольованих параметрів на відтворюваність частоти випромінювання і, отже, на різницеву частоту сигналу биття між оптичними частотами двох лазерів використовується проста і фізично ясна теоретична модель опису різницевої частоти.

Якщо реальні значення контрольованих параметрів знаходяться поблизу нормальних значень, то різниця між оптичними частотами і двох лазерів з урахуванням лінійного розкладу (2.3) поблизу нормальних умов описується наступним виразом:

(2.4)

де = - виміряне значення різницевої частоти між частотами двох лазерів;

- реальні значення контрольованих параметрів у першого і другого лазерів.

Знання перших похідних частоти по контрольованих параметрах дозволяє коригувати абсолютну частоту випромінювання на величину відхилення контрольованого параметра від нормального значення. І, отже, визначати різницеву частоту, прив'язану до абсолютних значень частот лазерів.

У зв'язку з цим, першим і обов'язковим етапом досліджень метрологічних характеристик лазерів є експериментальне визначення похідних , , , за допомогою яких можна було прив'язатися до нормальних умов роботи лазера і оцінити стійкість роботи лазера.

У загальному випадку, порядок цих досліджень полягав у наступному. Параметри одного з лазерів встановлюються з нормальними значеннями, а контрольовані параметри другого лазера примусово змінюються поблизу нормальних значень. За результатами вимірювань частоти биття в залежності від величини змінного параметра розраховуються коефіцієнти зсуву частоти випромінювання, обумовлені впливом одного контрольованого параметра лазера:

потужністний зсув - = ;

модуляційний зсув - = ;

температурний зсув - = .

Таким чином, за емпірично встановлених значень коефіцієнтів зрушень визначалися величини зсуву частоти випромінювання лазера при зареєстрованому відхиленні контрольованого параметра від номінального значення.

Якщо коефіцієнти зсуву , , є детермінованими величинами, то різниця між поточними значеннями контрольованих параметрів і нормальними значеннями носить випадковий характер. Похибка установки і вимірювання значень контрольованих параметрів при реальній роботі лазерів визначає основні невиключені систематичні похибки відтворення частоти (довжини хвилі) , і , які є кордонами невиключених систематичних похибок:

= ( - ), = ( - ) , = ( - ).

(2.5)

Довірчі границі невиключної систематичної похибки встановлення величини зсуву стабілізованої частоти визначаються як:

=1,1 .

(2.6)

У загальному випадку, корекція виміряної різницевої частоти між лазерами за результатами вимірювання значень величин контрольованих параметрів є обов'язковим етапом метрологічних досліджень. Коригування дає можливість прив'язатися до абсолютного значенням частоти, прийнятому за номінальних умовах Рекомендацій. Проте, слідуючи (2.4), необхідно попередньо визначити значення різницевої частоти .

Контрольні запитання за темою лекції

1. Опішить математичну модель оцінки абсолютного значення частоти лазерного випромінювання

2. Опішить конструкцію He-Ne /I₂ лазеру

3. Які фізичні параметри контролюються у He-Ne /I₂ лазера