Интерференционный метод измерения спектров газовых лазеров

непрерывного действия с использованием сканирующего интерферометра

Для измерения относительного распределения интенсивности излучения лазера между типами колебаний и межмодовых частотных интервалов наиболее удобно применять фотоэлектрические спектрометры. Схемы спектрометров с интерферометрами, у которых используются плоские или сферические зеркала приведены на рис. 42.

Основой спектрометра является сканирующий многолучевой интерферометр 5, допускающий быстрое (как правило с частотой 50 Гц) изменение длины в пределах нескольких интерференционных порядков на длине волны измеряемого излучения. Для этого одно из зеркал связано с приводом сканирования 6. Приводом обычно служит пьезокерамика, изменяющая свои размеры под действием приложенного напряжения.

При сканировании длины интерферометра его резонансные частоты перемещаются по шкале частот. В некоторый момент времени одна из собственных частот интерферометра совпадает с частотой типа колебаний лазера, и интерферометр пропускает это излучение. Оно поступает через диафрагму 8, которая пропускает лишь центральную область интерференционной картины, на фотоэлектрический приемник 9, подключенный к осциллографу 10. Развертка электронного осциллографа согласуется по фазе и синхронизируется по частоте с напряжением сканирования. Таким образом, производится временная развертка лазерных типов колебаний с их относительными амплитудными распределениями и на экране осциллографа мы наблюдаем спектр излучения лазера.

Для получения максимального выходного сигнала и сохранения амплитудных соотношений в исследуемом спектре применяют согласование типов колебаний лазера и интерферометра с помощью согласующей линзы 11, помещаемой между лазером и интерферометром. Местоположение и параметры согласующей системы находятся расчетным путем. В спектрометрах, выполненных на основе интерферометра с плоскопараллельными зеркалами, функцию согласования выполняет телескопическая система 3.

Для исключения оптического воздействия элементов спектрометра на спектр исследуемого лазера, в схему включается поляризационный изолятор 2. Засветку приемника от посторонних излучений исключает узкополосной светофильтр 4.

Измерение частотных интервалов в спектре лазера производится относительным методом – путем сравнения этих интервалов с областью дисперсии интерферометра. Разность длин волн , при которой наступает перекрытие полос соседних порядков интерференции, называется дисперсионной областью. Условия совпадения максимумов соседних порядков записывается в виде: 2dcos = (m+1) и 2dcos = m(+), где d – расстояние между зеркалами интерферометра; m – порядок интерференции. Отсюда следует, что (m+1) = m(+) или  = m и дисперсионная область G равна: G =  = .

Для интерферометра Фабри-Перо при 0 и поэтому дисперсионная область

Чем больше дисперсионная область интерферометра, тем (при прочих равных условиях) на меньшем расстоянии друг от друга находятся типы колебаний исследуемого лазера. Требования повышения разрешающей способности и увеличения дисперсионной области противоречат друг другу. Для повышения разрешающей способности (где  – коэффициент отражения зеркал) приходится переходить к более высоким порядкам интерференции (увеличивая d) и тем самым уменьшать дисперсионную область.

Значение частотного интервала  между измеряемыми типами колебаний определяют с помощью выражения:

,

где А – расстояние по шкале осциллографа между измеряемыми типами колебаний; В – расстояние между резонансными частотами интерферометра по шкале осциллографа; – частотный интервал между резонансными частотами интерферометра. Таким образом, отношение показывает, сколько мегагерц приходится на единицу расстояния по шкале осциллографа.

Доминирующую погрешность при измерении частотных интервалов в спектре излучения лазера вносит нелинейность характеристики привода сканирования длины интерферометра (приращение длины интерферометра от приложенного напряжения или протекающего тока). Для пьезокерамики из титана бария и цирконата-титаната свинца при сканировании на два интерференционных порядка (для видимого излучения) нелинейность не превышает 3 %.

Что касается погрешности измерений относительных интенсивностей типов колебаний лазера, то при применении в качестве фотоприемника фотоумножителя она не превышает 0,4 % для реальных уровней выходной мощности гелий-неоновых лазеров.

Интерферометры с плоскими зеркалами чувствительны к деформациям и перекосам зеркал, что ограничивает их применение. Применение интерферометров со сферическими зеркалами в спектрометрии, которые имеют также высокое разрешение, но при меньших требованиях к точности юстировки зеркал, требуют применения специальных мер, направленных на подавление собственных поперечных колебаний высших порядков, которые могут привести к появлению ложных максимумов в наблюдаемом спектре лазера. Для получения однозначной измерительной информации необходимо надежное их подавление, что достигается тремя способами: 1) строгим согласованием осевых типов колебаний лазера и интерферометра, что практически выполнить пока не удавалось. 2) Использование конфокального резонатора. В конфокальном интерферометре условия согласования упрощаются – необходимо лишь направить луч лазера по его оси. При этом юстировочные устройства должны быть очень точными. 3) Подавление собственных высших поперечных типов колебаний в интерферометре с помощью внутренней диафрагмы. Этот способ является самым эффективным.

Аттестацию спектрометров газовых лазеров по основным параметрам производят с помощью многочастотных газовых лазеров, работающих в режиме продольных типов колебаний с известными межмодовыми частотными интервалами и погрешностью не выше 1 %.

Измерение спектра лазерного излучения методом

оптического гетеродинирования

Сущность метода заключается в возможности регистрации при помощи квадратичных фотодетекторов (фототок пропорционален квадрату амплитуды оптического сигнала) биений между спектральными компонентами лазерного излучения.

При двух спектральных составляющих оптического сигнала выражение для тока фотоприемника имеет следующий вид:

где Е_1,2 – амплитуда поля соответствующей спектральной составляющей;  = 2 – круговая частота оптического излучения. Фотоэлектрический приемник реагирует на постоянную составляющую излучения и составляющую, содержащую разность оптических частот, когда последняя попадает в полосу его пропускания. На составляющие с частотами ₁, ₂ и др. фотоприемник не реагирует, так как она высока ~ 10¹⁴ Гц. Если на фотоприемник попадает излучение, содержащее набор частот, то на выходе образуются комбинационные частоты, представляющие разности частот между всеми спектральными компонентами лазерного излучения.

Типичная схема лазерного гетеродинирования приведена на рис. 43. Излучение исследуемого лазера 1 фокусируется на фотоприемнике 2, выходной сигнал которого подается на вход радиочастотного анализатора или измерительного радиоприемника 3, соответствующего диапазона. Осуществляя перестройку измерительного приемника по диапазону, и измеряя амплитуду выходного сигнала в его полосе пропускания, строят спектр. В анализаторе спектра этот процесс осуществляется автоматически. Если реальный спектр излучения лазера имеет вид, представленный на рис. 44. и состоит из трех мод, то на экране спектроанализатора мы увидим результат биений между тремя спектральными составляющими, т. е. два частотных интервала равных и 2 (рис. 45.). Таким образом, при использовании представленной выше схемы лазерного гетеродинирования на экране спектроанализатора мы не наблюдаем реального спектра излучения лазера, а видим определенное число частотных интервалов. Число мод в спектре излучения лазера равно числу интервалов плюс один.

Ввиду высокой монохроматичности лазерного излучения при оптическом гетеродинировании спектральное разрешение ограничивается инструментальной погрешностью используемого прибора. Отношение сигнал/шум на выходе фотоприемника достигает 10¹⁰ – 10¹¹, и погрешность измерения межмодовых интервалов определяется исключительно градуировкой шкал анализаторов спектра или приемников радиодиапазона. Для разных приборов погрешность градуировки составляет десятки-сотни килогерц.

Несмотря на возможность достижения спектрального разрешения, недоступного интерференционным методом, при оптическом гетеродинировании возможна потеря информации об амплитудных соотношениях, частотной стабильности спектральных компонент и их количества.

Более полный анализ спектра допускает схема гетеродинирования с внешним гетеродином. На рис. 46 приведена схема оптического гетеродинирования с отдельным гетеродином для исследования спектра излучения лазера. В качестве лазера-гетеродина может служить один из стабилизированных одночастотных лазеров. Излучение исследуемого лазера 1 и лазера-гетеродина 2 совмещаются в пространстве с помощью поворотного 3 и полупрозрачного зеркала 4. Контроль совмещения производится по автоколлиматору 7. Совмещенные излучения направляются на фотоприемник 5, сигнал с которого поступает на анализатор спектра 6. на экране анализатора кроме биений между частотными составляющими спектра исследуемого лазера будут наблюдаться биения между ними и частотой лазера-гетеродина.

Волновые фронты исследуемого лазера и лазера-гетеродина совмещаются с точностью, необходимой для получения требуемого сигнала биений. Лучи должны быть соосны. Необходимо иметь в виду, что максимальный сигнал биений получается при совпадении плоскостей поляризации лазеров. При ортогональных поляризациях сигнал биений отсутствует.