Лазерные системы, стабилизированные по частоте

Современные эксперименты в высокоточных областях науки, таких как манипуляция атомами, прецизионная спектроскопия и т.п. требуют лазеров со стабильной частотой. Такие частотно стабилизированные лазеры создаются с помощью контура обратной связи, который сравнивает фактическую частоту лазера с опорным эталоном и корректирует ее.

Ключевые характеристики для улучшения:

• Ширина спектральной линии: чем уже, тем выше разрешение и возможность попасть в переход объекта исследования\воздействия.
• Стабильность частоты: важна для долговременных измерений.
• Уровень фазовых шумов: влияет как на кратковременные измерения, так и на стабильность частоты.
• Диапазон перестройки без скачков мод так же важен для точного попадания в нужный диапазон.

Примеры лазерных систем с возможностью стабилизации

Главным критерием стабилизации является возможность быстрого отклика длины волны источника излучения на сигнал корректировки. Типичные лазерные источники, которые могут быть стабилизованы можно разделить по виду активной среды:

1. Диодные лазеры

Диодные лазеры играют ключевую роль в системах с частотной стабилизацией, требующих оптической мощности в диапазоне десятков и сотен милливатт. Они обеспечивают широкие возможности перестройки длины волны за счёт управления током накачки, температурой и изменения длины резонатора с помощью пьезоэлектрического элемента.

Примеры коммерческих моделей:

TOPTICA CTL

Ключевые характеристики:

• Диапазон перестройки: 750–1750 нм.
• Непрерывный диапазон перестройки (без скачков мод): до ~120–130 нм.
• Выходная мощность: до 100 мВт (типичное значение).
• Ширина линии и стабильность: менее 1 кГц (в оптимальных условиях) при минимальном дрейфе.
• Система управления: полностью цифровой контроллер DLC pro с поддержкой режимов блокировки по частоте.

Santec TSL

TSL-550 – Лазер с внешним резонатором (ECL)

TSL-550 является отраслевым стандартом для применений, требующих высокой монохроматичности и стабильности.

• Диапазон длин волн: доступны модели в диапазонах 1500–1630 нм и 1260–1360 нм (возможен другой диапазон).
• Ключевое преимущество: превосходное спектральное качество с шириной спектральной линии (<100 кГц) и чрезвычайно высоким SMSR > 60 дБ.

TSL-550 – это выбор, когда приоритетом является чистота оптического сигнала, а не скорость сканирования.

TSL-770 – Универсальный лазер с быстрой перестройкой

TSL-770 – это более современная платформа, сочетающая широкий диапазон с высокой скоростью для универсальности в лаборатории и на производстве.

• Диапазон длин волн: широкое покрытие 1260–1680 нм в одном приборе без скачков мод.
• Ключевое преимущество: универсальность и скорость. Он обеспечивает высокоскоростную линейную перестройку длины волны (sweep), сохраняя при этом высокое качество сигнала (SMSR > 55 дБ).
• Выходная мощность: до +13 дБм (~20 мВт) у типичной версии.
• Ширина линии: < 60 кГц.
• Встроенный измеритель длины волны с абсолютной точностью ±0.3 пм (тип.).

Компактные размеры и низкое энергопотребление делают эти источники идеальными для применения в портативных, космических и распределённых метрологических системах, где использование твердотельных или волоконных лазеров непрактично. Короткая длина резонатора по сравнению с другими типами лазеров обеспечивает полупроводниковым решениям повышенную устойчивость к внешним возмущениям. 

Ещё одним важным преимуществом является широкий спектральный диапазон диодных лазеров. Благодаря использованию технологии генерации оптических гармоник, они позволяют получать излучение в практически любом диапазоне длин волн от 200 до 1750 нм.

2. Твердотельные лазеры (solid-state lasers)

Твердотельные лазеры обладают большей мощностью в сравнении с диодными (от единиц до десятков Вт) и менее подвержены влиянию электрических шумов и скачкам мод, сохраняя при этом отличное качество пучка. Благодаря вращению нелинейного кристалла можно добиться перестройки ширины спектральной линии более чем в 300 нм и благодаря пьезоэлементам на зеркалах резонатора внешне стабилизировать систему как привязкой к газовой ячейке, так и к высокодобротному резонатору Фабри-Перо, получая при этом герцовую или даже суб-герцовую ширину спектральной линии.

Титан-сапфировый непрерывный лазер

3. Волоконные лазеры

Волоконные лазеры являются оптимальным решением, когда нужен компромисс между мобильностью, стабильностью и мощностью. В сочетании с технологией генерации гармоник можно получить любую длину волны в диапазоне 200->3000нм. Благодаря тому, что вся оптическая часть находится полностью в волокне, лазеры слабо подвержены к вибрационным и температурным помехам, что обеспечивает низкий дрейф частоты (от единиц до десятков МГц) и стабильную работу даже без стабилизации. Благодаря распределённой обратной связи в волноводе формируется чистый одночастотный режим (ширина спектральной линии от сотых долей кГц до 100кГц, в зависимости от мощности и конструкции резонатора) с низким фазовым шумом и мощностью, которая способна достигать сотен Вт. 

Одночастотный волоконный лазер Connet Laser с длиной волны 633 нм использует задающий генератор на основе проверенной технологии малошумящих одночастотных волоконных лазеров с распределенной обратной связью (DFB) на активном волокне, легированном редкоземельными элементами. Для получения длины волны 633нм (с возможностью перестройки) используется технология нелинейного преобразования частоты, которая сохраняет все особенности задающего генератора, такие как: стабильная линейная поляризация, ширина спектральной линии 20кГц (при интеграции в 250мкс), превосходное качество пучка, а также низкие фазовые и частотные шумы.

Connet Одночастотный волоконный лазер 633 нм

Методы стабилизации

Основная задача системы со стабилизацией – минимизировать отклонение от эталона, вырабатывая корректирующий сигнал и подавая его обратно на органы управления частотой лазерного источника.

Ниже рассмотрены популярные методы стабилизации лазерных систем.

В данной методике мощный пучок накачки и слабый зондирующий пучок распространяются во встречных направлениях. При резонансной частоте лазера оба пучка взаимодействуют с ансамблем атомов. Мощный пучок накачки переводит эти атомы в насыщенное состояние, что приводит к снижению поглощения зондирующего пучка. В результате наблюдается пик пропускания зондирующего излучения, соответствующий центру допплеровского уширения.

В качестве примера рассмотрим лазерную систему производителя Connet Laser.

Схема лазерной системы со стабилизацией частоты в двухканальном исполнении

Другие длины волн и варианты исполнения доступны по запросу!

Двухканальная лазерная система от производителя Connet Laser состоит из одночастотных лазерных модулей с 1908 нм+1539 нм+PPLN(SFG) для 852 нм и 1018 нм SFFL(CoSF-D)+ PPLN(SHG) для 509 нм, работа которых синхронизирована по частоте.

Ключевые компоненты системы:

• Для стабилизации частоты: модуль синхронизации, фазовый модулятор (EOM).
• Для генерации сигналов обратной связи: модуль насыщенного поглощения (SAS) и модуль электромагнитно-индуцированной прозрачности (EIT).
• Для управления световыми пучками: поляризационно-сохраняющие волоконные разветвители (OC) и регулируемые оптические аттенюаторы (VOA).

Управление: Весь процесс настройки и синхронизации контролируется с host-компьютера через специализированное программное обеспечение.

Опция: ECDL лазер в качестве задающего генератора

• Узкая ширина спектральной линии: <20 кГц
• Электроника собственного производства для стабилизации частоты
• Низкий фазовый шум; собственная технология подавления RIN 

Лазерная система со стабилизацией частоты COSF-FC-509-852-MTS-EIT

2. Cмещённая фазовая синхронизация

Схема установки для реализации смещенной фазовой синхронизации

Метод основан на гетеродинном детектировании оптического сигнала. Пучок стабилизированного лазера (оптического эталона) и пучок лазера, который необходимо стабилизировать, когерентно накладываются на светоделителе с идентичными состояниями поляризации. Возникающая в результате интерференция регистрируется быстрым фотодиодом, генерирующим радиочастотный сигнал биения, частота которого соответствует разности частот двух источников.

Особенности работы с оптической гребёнкой:

При использовании оптической гребёнки в качестве эталона фотодиод регистрирует суперпозицию множества биений между лазером и модами гребёнки. Для однозначной синхронизации лазерную частоту выбирают вблизи одной конкретной моды. Это позволяет выделить целевой сигнал биения с помощью полосового фильтра, подавив мешающие компоненты от соседних мод, имеющие более высокие частоты разностного сигнала.

В качестве примера рассмотрим модель от Menlo Systems FC1500-250-WG:

Технология частотных гребенок дает возможность напрямую измерять абсолютные значения оптических частот. Система оптических частотных гребенок FC1500 представляет собой компактную, портативную волоконную систему на основе гребенки фемтосекундной частоты. С использованием пакетов M-VIS и M-NIR система способна обеспечить гребенки для частотной метрологии как в видимой области (500-1050 нм), так и ближней ИК области (1050-2100 нм) спектра. Широкий выбор дополнительных устройств позволяет адаптировать эту универсальную систему для реализации конкретных метрологических задач.

Система оптических частотных гребёнок FC1500-250-WG

Характеристики и преимущества:

• Высокая частота повторения
• Интерферометр c полностью волоконной связью
• Рабочий диапазон от 500 нм до 2100 нм
• Расширенный диапазон настройки частоты смещения
• Метрологическая система «под ключ», полностью автоматизированная система с блоком управления и программным обеспечением для сбора данных

Схема метода Паунда-Древера-Холла

Принцип работы: Лазерное излучение проходит через электрооптический модулятор (ЭОМ), создающий фазовую модуляцию и, как следствие, боковые спектральные полосы на частоте модуляции относительно несущей. После отражения от высокодобротного оптического резонатора (Фабри-Перо или монолитного), который служит частотным эталоном, отражённый свет, несущий информацию о фазовом сдвиге, зависящем от смещения частоты лазера относительно резонанса, интерферирует с опорным сигналом. Результирующий сигнал биения подвергается синхронному детектированию для получения ошибки рассогласования.

Сигнал ошибки PDH

В качестве примера можно рассмотреть ультрастабильную лазерную система серии ORS от производителя Menlo Systems:

Оптическая эталонная система ORS разработана для обеспечения бескомпромиссной производительности. Она излучает лазерный пучок со сверхузкой шириной линии и высокой стабильностью частоты.

Центральным элементом системы является резонатор Фабри-Перо. Он сделан из стекла со сверхнизким расширением (ULE) и работает в вакууме в точке нулевого теплового расширения. Эталонный резонатор активно изолирован от вибраций и акустических воздействий, что обеспечивает максимальную производительность даже в суровых лабораторных условиях. Простой в использовании механизм блокировки обеспечивает портативность без перенастройки системы.

ORS управляется новейшим поколением запатентованного контроллера SYNCRO от Menlo Systems. Он включает в себя всю необходимую электронику, например, малошумящий лазерный драйвер и очень быстрый (аналоговый) контур сервопривода для стабилизации частоты лазера. Пользователь управляет всеми параметрами с помощью 7-дюймового сенсорного экрана на передней панели или графического интерфейса на удаленном ПК.

Ключевые особенности:

• Максимальная стабильность частоты
• Широкие возможности настройки - доступны в широком диапазоне длин волн и с множеством опций
• Прочная и хорошо спроектированная 19-дюймовая стоечная система, включающая систему мониторинга и управления и платформу виброизоляции
• Автоматическая лазерная блокировка - круглосуточная работа без перебоев
• Точность ULE + синхронизация PDH = стабильность на пределе теплового шума резонатора.

Лазерная система со стабилизацией частоты серии ORS

Современные высокоточные научные и метрологические исследования предъявляют жёсткие требования к стабильности лазерного излучения. Для их удовлетворения разработан и успешно применяется ряд методов стабилизации частоты, каждый из которых обладает уникальными преимуществами и областью применения. На рынке представлены коммерческие системы, такие как двухканальные лазеры Connet Laser (использующие SAS и EIT), оптические гребёнки Menlo Systems (для смещённой синхронизации) и ультрастабильные лазеры ORS (с PDH стабилизацией). 

Данные системы приведены в качестве примера и обладают более доступными аналогами. Каждая система может быть доработана в соответствие с требованиями определённой задачи.

Автор статьи: Михайлов Виталий, инженер по лазерным системам 

Анонсы статей, мероприятий и еще больше научно-познавательного контента по ссылке в нашем Telegram-канале.