Размещено на http://www.allbest.ru/

Інститут фізики

Національної академії наук України

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Експериментальні дослідження оптоволоконних лазерів зі зсунутим за частотою зворотним зв'язком

01.04.05 - оптика, лазерна фізика

Огурцов Володимир Володимирович

Київ 2008

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Після створення перших лазерів на початку шістдесятих років минулого сторіччя з кожним роком коло їх використання дедалі ширшає. Постійно з'являються нові та вдосконалюються старі лазерні схеми, що призводить до необхідності подальших їх теоретичних та експериментальних досліджень. Одним з нових перспективних напрямів лазерної техніки є так звані лазери зі зсунутим за частотою зворотним зв'язком (ЗЧЗЗ), які мають внутрішньорезонаторний елемент (наприклад, акусто-оптичний модулятор), що змінює частоту світла на деяку величину при кожному обході резонатора. На відміну від звичайних лазерів, в ЗЧЗЗ лазерах не відбувається інтерференційного виділення окремих частот (так званих поздовжніх мод), що дозволяє отримувати неперервний оптичний спектр. Крім того, спектр вихідного випромінювання ЗЧЗЗ лазера може покривати значно ширший діапазон частот у порівнянні зі звичайним лазером. Це дає можливість використовувати лазери із ЗЧЗЗ у тих областях, де застосування більшості лазерів ускладнене: збудження атомних переходів з доплерівським розширенням лінії, оптична рефлектометрія, вимірювання частот, розділення ізотопів, оптична накачка, охолодження атомів білим світлом, вимірювання групової швидкості та дисперсії поляризаційної моди в оптичних волокнах та інше. За останні десятиріччя розроблено різноманітні лазерні системи із ЗЧЗЗ на основі газових та твердотільних лазерів, лазерів на барвниках та оптоволоконних лазерів.

Важливою особливістю ЗЧЗЗ лазерів є те, що завдяки неперервному підвищенню (або зниженню) частоти на визначену величину , спектр випромінювання такого лазера можна представити у вигляді гребінки, що неперервно зміщається за частотою. Можна вважати, що лазер випромінює одночасно низку оптичних компонентів на частотах, що змінюються лінійно за часом (чирпований лазер), причому різниця миттєвих частот різних компонентів є сталою та дорівнює цілому числу частотних відстаней між поздовжніми модами резонатора, які існували б за відсутності внутрішньо-резонаторного зсуву частоти. Такий лазер може бути використаний як пристрій для вимірювання абсолютної відстані, тому що при збиванні двох променів чирпованого випромінювання, які пройшли різні оптичні шляхи, з'являється амплітудна модуляція на частоті биття, що є пропорційною різниці шляхів. Як було продемонстровано в [1,2], цей метод дозволяє вимірювати навіть кілометрові довжини з точністю до кількох міліметрів.

Останніми роками велика увага приділяється оптоволоконним лазерам, підсилюючим середовищем в яких є оптичне волокно з домішками іонів рідкоземельних елементів, наприклад, ербію або ітербію. Таким лазерам притаманні високий коефіцієнт підсилення за один прохід резонатора, компактність, зручність в експлуатації, відносна доступність та невелика вартість компонентів. Все це робить оптоволоконні ЗЧЗЗ лазери перспективними для створення на їх основі мобільних пристроїв для швидкого вимірювання відстаней на практиці.

У дисертаційній роботі досліджено наступні проблеми, що становлять значний науковий та прикладний інтерес, але на момент її виконання залишались недостатньо вивченими.

· ЗЧЗЗ лазери відомі вже досить давно, проте єдиної точки зору на фізику процесів в них донедавна не було. Кілька років тому була розвинута послідовна теорія [3], яка дала змогу розраховувати частотне положення та ширину спектра лазерного випромінювання, використовуючи тільки такі параметри лазера, як характерна ширина лінії втрат та частота акусто-оптичного модулятора. На момент початку дисертаційної роботи ця теорія ще не знайшла свого експериментального підтвердження. Детальна перевірка висновків теорії має важливе значення для розуміння фізики лазерів зі ЗЧЗЗ.

· На момент початку дисертаційної роботи було теоретично передбачено можливість радикального покращення ефективності вимірювання відстаней за допомогою ЗЧЗЗ лазера [4]. Точність та чутливість відомого способу [1,2], який фактично ґрунтується на реєстрації резонансів у спектрі флуктуацій потужності випромінювання ЗЧЗЗ лазера, що пройшло через інтерферометр Майкельсона, обмежується низьким відношенням сигналу до шуму. В теорії [4] розглянуто ЗЧЗЗ лазер, в якому як затравка замість спонтанного випромінювання використовується одночастотний лазер, фаза якого модулюється з деякою частотою. В такій схемі на виході інтерферометра Майкельсона випромінювання стає модульованим за амплітудою, причому при зміні частоти модуляції повинен виникати вузький резонанс сигналу амплітудної модуляції на частоті, пропорційній відстані, що вимірюється. Згідно з оцінками [4], відношення сигналу до шуму може бути на кілька порядків вищим порівняно з методом [1,2]. Такий сигнал значно зручніше реєструвати та виділяти, що потенційно робить можливим створення приладів нового покоління для вимірювання абсолютних відстаней.

· За останні роки відбувся справжній прорив у області оптоволоконних технологій, особливо у виробництві активних волокон з домішками іонів рідкоземельних елементів. З'явилося багато різноманітних та недорогих оптичних елементів на оптоволоконній основі, наприклад, акусто-оптичні модулятори, оптичні діоди, коліматори, оптичні циркулятори та інші, що робить цей напрям перспективним для розробки на його базі низки нових оптичних приладів. Одним з таких приладів може стати дальномір з оптоволоконним ЗЧЗЗ лазером як активним елементом.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота розпочиналася в лабораторії лазерної спектроскопії відділу фотоактивності в рамках наукової теми НАН України ''Фізика когерентних лазерних джерел та квантові ефекти у взаємодії атомів та молекул з лазерним світлом'', № держ. реєстрації 0104U003216 та продовжувалася у відділі когерентної та квантової оптики Інституту фізики НАН України в рамках наукової теми НАН України ''Дослідження когерентних ефектів при взаємодії атомів, молекул та наночастинок з лазерним випромінюванням для ефективного керування їх квантовим станом та оптичними властивостями'', № держ. реєстрації 0107U002351, договору 436 UKR 113/46/0-3 про співпрацю між Deutschen Forschungsgemeinschaft та НАН України за темою ''Когерентність та контроль в атомних та молекулярних процесах і в лазерній динаміці'' і проекту INTAS CNES-NSAU 2006 - 9075 ''Розробка нових атомних годинників з використанням резонансів когерентного полонення населенностей, збуджених гребінкою оптичних частот''. Дисертант був співвиконавцем вказаних робіт.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи було дослідження динаміки та спектральних характеристик ЗЧЗЗ лазерів на оптоволокні з домішками іонів Yb3+ та Er3+, порівняння отриманих результатів з існуючою теорією, експериментальна перевірка можливості вимірювання відстаней за допомогою таких лазерів та дослідження граничних можливостей методу щодо діапазону відстаней, точності вимірювання та роздільної здатності.

Для досягнення мети були поставлені такі основні наукові задачі:

1. Експериментально дослідити спектральні та динамічні характеристики лазера на оптоволокні з іонами ітербію та порівняти його параметри з розрахунками, виконаними на основі розробленої раніше теорії [3].

2. Експериментально перевірити новий метод вимірювання відстаней за допомогою оптоволоконного ЗЧЗЗ лазера із зовнішнім затравним лазером, фаза якого модулюється.

3. Експериментально дослідити повністю оптоволоконний ЗЧЗЗ лазер на оптоволокні з іонами ербію та визначити його характеристики як активного елемента для вимірювання відстаней в широкому діапазоні з високою точністю.

Об'єктом дослідження дисертаційної роботи є процеси формування лазерного випромінювання в умовах постійного зсуву частоти, а предметом дослідження - оптичні спектри випромінювання оптоволоконних лазерів із ЗЧЗЗ та спектри радіочастотних сигналів биття, які відповідають відстаням, що вимірюються.

Методи досліджень. Для експериментальних досліджень використовувалися ЗЧЗЗ лазери на оптоволокні з домішками іонів ербію та ітербію, спектр випромінювання яких реєструвався за допомогою дифракційних спектрографів та інтерферометрів Фабрі-Перо. Для внесення в резонатор частотно-залежних втрат із заданою шириною застосовувалися еталони Фабрі-Перо. У експериментах з вимірювання відстаней для спостереження спектра биття використовувався радіочастотний спектроаналізатор.

Наукова новизна роботи полягає в тому, що в ній вперше:

1. Експериментально доведено, що ширина та зсув спектра ЗЧЗЗ лазера визначаються шириною контуру втрат та зсувом частоти і практично не залежать від потужності накачки.

2. Експериментально доведено, що спектр ЗЧЗЗ лазера із зовнішнім затравним лазером складається з дискретних компонент, частотна відстань між якими співпадає з частотою акусто-оптичного модулятора, тоді як за відсутності затравного лазера спектр ЗЧЗЗ лазера є суцільним.

3. Експериментально доведено, що при фазовій модуляції затравного лазера випромінювання ЗЧЗЗ лазера після проходження через інтерферометр Майкельсона стає амплітудно модульованим, причому глибина модуляції резонансно збільшується на частоті, пропорційній різниці довжин плечей інтерферометра.

4. Експериментально встановлено, що при вимірюванні відстаней ЗЧЗЗ лазерами використання зовнішнього затравного лазера з фазовою модуляцією більш ніж на порядок покращує відношення сигнал/шум.

5. Експериментально доведено, що роздільна здатність методу вимірювання відстаней за допомогою оптоволоконного ЗЧЗЗ лазера з фазово модульованим затравним лазером пропорційна ширині спектра випромінювання лазера в діапазоні від 60 до 3000 ГГц.

6. Експериментально перевірено залежність величини сигналу амплітудної модуляції від індексу модуляції та відстані в діапазоні від 15 см до 5 м, яка дуже добре узгоджується з теоретичними розрахунками.

Практичне значення отриманих результатів:

1. Поглиблено знання про ЗЧЗЗ лазери як джерело неперервного чирпованого випромінювання для спектроскопії і метрології.

2. Показано високу ефективність та перспективність нового методу вимірювання відстаней за допомогою ЗЧЗЗ лазерів із зовнішнім затравним лазером, фаза якого модулюється.

3. Розроблено схему для вимірювання відстаней на базі ЗЧЗЗ лазера, який повністю складається з оптоволоконних елементів.

Особистий внесок автора. Всі результати дисертації отримані за безпосередньої участі здобувача в постановці експериментальних задач, розробці методик досліджень та окремих вузлів експериментальних установок, проведенні числових розрахунків та експериментальних досліджень спектрів випромінювання оптоволоконного лазера із ЗЧЗЗ та їх порівнянні, дослідженні властивостей оптоволоконного ЗЧЗЗ лазера як джерела чирпованого випромінювання та доцільності його використання як пристрою для вимірювання відстаней, обробці експериментальних результатів, формулюванні висновків та написанні наукових робіт.

Апробація результатів дисертації. Включені в дисертацію результати досліджень доповідались та обговорювались на International Conference on Lasers, Applications, an Technologies (LAT 2005) (St. Petersburg, Russia, 2005), на National Conference on Laser Physics (Erevan, Armenia, 2006) та на Conference of German Physic Society (Dusseldorf, Germany, 2007). Матеріали робіт, що включені в дисертацію, доповідалися також на щорічних підсумкових наукових конференціях Інституту фізики НАН України та на наукових семінарах лабораторії лазерної спектроскопії, відділу когерентної і квантової оптики та відділу лазерної спектроскопії інституту.

Публікації. Результати дисертації опубліковані в чотирьох статтях у наукових журналах та трьох тезах наукових конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, шести розділів, висновків та списку цитованої літератури, що містить 115 найменувань. Загальний обсяг дисертації складає 115 сторінок, включаючи 34 рисунки та 1 таблицю.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність теми, визначено мету та наукові задачі роботи, новизну її наукових результатів та їх практичну цінність, особистий внесок здобувача, апробацію роботи та її зв'язок з науковими темами.

Перший розділ містить аналітичний огляд робіт, присвячених експериментальному та теоретичному дослідженню ЗЧЗЗ лазерів, та аналіз основних етапів розвитку концепції таких лазерів, починаючи з 1965 року. Проаналізовано різноманітні схеми формування зсунутого за частотою зворотного зв'язку в лазерах різного типу. Показано, що ЗЧЗЗ лазер може генерувати як в режимі самосинхронізації мод, коли він випромінює послідовність пікосекундних імпульсів, так і в неперервному режимі, причому завдяки внутришньорезонаторному частотному зсуву неперервне випромінювання не має модової структури, тобто не містить так званих поздовжніх мод. Розглянуто також різні схеми перестроювання довжини хвилі ЗЧЗЗ лазера.

Друга половина першого розділу присвячена огляду сучасних методів вимірювання відстаней за допомогою лазерів. Розглянуто такі методи, як оптична тріангуляція, метод вимірювання часу прольоту світла, метод амплітудної модуляції, різні види інтерферометрії та вимірювання відстаней за допомогою чирпованих лазерів. Проведено порівняння цих методик з точки зору точності вимірювання відстаней та проаналізовано основні недоліки та переваги кожного методу.

У кінці розділу йдеться про оптоволоконні ЗЧЗЗ лазери, підсилюючим середовищем яким служать оптичні волокна з домішками іонів рідкоземельних елементів, частіше всього ербію та ітербію. Оптоволоконним ЗЧЗЗ лазерам приділяється особлива увага, що пов'язано з унікальними властивостями оптичних волокон. Завдяки останнім успіхам у розробці фільтрів, що перестроюються, та зсувачів частот стало можливим працювати з оптоволоконними лазерними резонаторами, в яких фільтрування та зсув частоти за обхід не є фіксованим, а може залежати від часу. Наприклад, можливість швидкої та неперервної зміни частоти максимуму пропускання фільтру електронними засобами дозволяє ефективно змінювати довжину хвилі оптоволоконного лазера. В останні роки завдяки широкому застосуванню в телекомунікаційних системах з'явилася низка недорогих оптоволоконних пристроїв, розрахованих на довжину хвилі 1064, 1310 та 1550 нм, що робить оптоволоконні ЗЧЗЗ лазери привабливими для широкого практичного використання.

У другому розділі описуються установки, що застосовувалися в експериментах, результати яких увійшли до матеріалів дисертаційної роботи, прилади, що використовувалися для дослідження оптичних та радіо частотних спектрів випромінювання оптоволоконних ЗЧЗЗ лазерів та методики проведення вимірювань і обробки даних.

Для проведення експериментальних досліджень оптоволоконних ЗЧЗЗ лазерів створено установку, яка складається з таких блоків: кільцевий оптоволоконний ЗЧЗЗ лазер; лазер накачки, що створює інверсну заселеність в активному оптоволокні; діодний затравний лазер; реєструюча апаратура.

ЗЧЗЗ лазер складається з декількох елементів. Активним середовищем є оптоволокно з домішками іонів ітербію та довжиною 0,45 м; воно з'єднано з пасивним оптоволокном довжиною 1,15 м. Після виходу з оптоволокна світло відбивається від дихроїчного дзеркала, поворотного дзеркала та вихідного дзеркала, яке посилає біля 5% енергії на реєструючу апаратуру, а решту Ї в акусто-оптичний модулятор (АОМ), після якого світло поділяється на нульовий та перший дифракційні порядки. Перший порядок зазнає частотного зсуву на 80 МГц та повертається в оптоволокно для наступних обходів резонатора. Вхід та вихід випромінювання в оптоволокно забезпечується за допомогою асферичних лінз та з фокальною відстанню 4,5 мм.

ЗЧЗЗ лазер затравлюється зовнішнім монохроматичним лазером, фаза якого модулюється за допомогою електро-оптичного модулятора. Вихідне випромінювання проходило крізь інтерферометр Майкельсона.

Як зовнішній затравний лазер використовується одночастотний діодний лазер із зовнішнім резонатором, побудований за схемою Літмана-Меткалфа. Він складається з оптичного діода, асферичних лінз, дифракційної гратки та дзеркала. Ширина спектра затравного лазера є меншою 1 МГц. Випромінювання затравного лазера проходить крізь телескопічну систему, що складається з циліндричних лінз, оптичний діод та потрапляє в резонатор ЗЧЗЗ лазера крізь нульовий порядок АОМ. Максимальна потужність випромінювання затравного лазера перед входом в АОМ становить 1 мВт, але з неї тільки 2-3% потраплє в резонатор, тобто потужність затравного випромінювання набагато менша внутришньорезонаторної потужності ЗЧЗЗ лазера, і тому затравний лазер можна вважати слабким.

Далі в розділі описується повністю оптоволоконний ЗЧЗЗ лазер. Він має резонатор довжиною біля 13 м (оптична довжина складає 19,2 м), частиною якого є 5 м активного волокна на іонах Er3+, яке накачується діодним лазером з довжиною хвилі 980 нм через змішувач/розділювач частот (ЗРЧ). Елементом, що зсувє частоту, виступає оптоволоконний акусто-оптичний модулятор (АОМ), який при кожному обході резонатора збільшує частоту світла на 80 МГц. Вихід випромінювання з резонатора та потрапляння зовнішнього затравного лазера в резонатор здійснюється за допомогою двох 10-відсоткових з'єднувачів. Всі оптоволоконні компоненти з'єднані за допомогою зрощення оптичних волокон сплавом торців. Завдяки несиметрії акусто-оптичного модулятора, який має вхід та вихід, генерація розповсюджується в резонаторі проти годинникової стрілки навіть без оптичного діода всередині.

Активним елементом експериментальної установки для вимірювання відстаней є оптоволоконний ЗЧЗЗ лазер, який затравлюється зовнішнім фазово модульованим діодним лазером. Вихідне випромінювання ЗЧЗЗ лазера проходить крізь інтерферометр Майкельсона, одне плече якого зафіксоване, а інше Ї рухоме. Різниця відстаней між плечима змінюється в діапазоні від 15 см до 5 м. Після проходження інтерферометра світло потрапляє на фотодетектор з шириною смуги пропускання 50 МГц, що надсилє сигнал на синхронний детектор. Він керується тим же генератором, що живить електро-оптичний модулятор.

Таким чином, синхронний детектор реєструє резонансні сигнали ампулітудної модуляції SAM, які відповідають різним відстаням L. Спектр лазера із ЗЧЗЗ спостерігається за допомогою інтерферометра Фабрі-Перо з вільним спектральним інтервалом (ВСІ) 650 ГГц.

У третьому розділі дисертації наведено детальний огляд основних результатів теоретичних досліджень [3] та [4].

Теорія [3] розглядає найпростішу модель ЗЧЗЗ лазера. Він має кільцевий резонатор довжиною L, що містить підсилююче середовище та елемент, який створює частотний зсув світла, що проходить крізь нього. Усі втрати резонатора об'єднані в один елемент, який називається ''фільтр''. Припускається, що функція фільтра змінюється повільно з частотою, що є типовим для майже усіх ЗЧЗЗ лазерів, та має квадратичну залежність від частоти.

На базі цієї моделі показано принцип формування спектра ЗЧЗЗ лазера, який простіше за все уявити за відсутності власного спонтанного випромінювання, коли затравкою є тільки зовнішній неперервний лазер. Припускається, що цей затравний лазер має частоту та його спектральна ширина визначається фазовим шумом . Амплітуда поля затравного лазера є C. В роботі [3] показано, що електричне поле в такому ЗЧЗЗ лазері складається з окремих еквідистантних компонент, розділених частотою АОМ, та має вигляд:

, (1)

де r -- час обходу резонатора, та an -- фаза та амплітуда n-ї компоненти.

Альтернативною точкою зору на вихідне випромінювання ЗЧЗЗ лазера є так звана модель ''гребінка, що рухається'', в якій електричне поле EMC(t) складається з нескінченної послідовності рухомих ''зубів'':

. (2)

В (2) S=2/Д, n0 -- ефективна кількість компонент, max -- частота, що відповідає максимуму спектра ЗЧЗЗ лазера. В роботі [3] показано, що обидві моделі насправді є взаємним перетворення Фур'є. Таким чином, вони описують одне і те ж поле та можуть використовуватися рівноцінно.

У другій половині третього розділу описуються методи вимірювання відстаней за допомогою ЗЧЗЗ лазера. Спочатку розглянуто класичний варіант, коли ЗЧЗЗ лазер розглядається як джерело чирпованого випромінювання, згідно моделі його поля ''гребінка, що рухається''.

Для вимірювання відстаней за допомогою такого поля використовується інтерферометр Майкельсона з одним плечем невідомої довжини. Якщо різниця довжин плечей становить L, то при проходженні частотної ''гребінки'' через такий інтерферометр з'являється часова затримка між відбитими та опорними компонентами, яка дорівнює T=2L/c. В результаті, на виході інтерферометра спостерігається сукупність сигналів биття між ''зубами'', що пройшли через різні плечі. Ці сигнали будуть виникати на частотах

(3)

(4)

з цілими коефіцієнтами .

Сигнал биття на кожній частоті є сумою багатьох внесків, що виникають при збиванні опорних та відбитих компонент, частотна різниця між якими складає . Важливою особливістю ЗЧЗЗ лазера є те, що за відсутності флуктуацій, які створюються, наприклад, спонтанним випромінюванням, фази усіх внесків збалансовані таким чином, що їх загальна сума дорівнює нулю [4]. Але в реальному лазері завжди присутні флуктуації, що порушують цей баланс. Це призводить до резонансного збільшення на частотах, близьких до частот биття, спектральної густини радіочастотного шуму випромінювання лазера із ЗЧЗЗ після проходження інтерферометра. Такий сигнал може бути використаний для вимірювання відстаней [1,2].

В роботі [4] запропоновано нову методику вимірювання відстаней за допомогою ЗЧЗЗ лазера, що затравлюється зовнішнім монохроматичним лазером, фаза якого модулюється. Якщо вихідне випромінювання такого лазера проходить через інтерферометр Майкельсона, фазова модуляція перстворюється в амплітудну, глибина якої в залежності від частоти модуляції зазнає вузькі резонанси. Ці резонанси виникають кожен раз, коли співпадає з частотами биття з рівнянь (3) для (''прямі'' резонанси) та (4) для (''обернені'' резонанси). Якщо виміряти частоту, що відповідає максимуму сигналу амплітудної модуляції, можна розрахувати часову затримку T і, таким чином, й невідому відстань L. Величину монохроматичної амплітудної модуляції можна вимірювати за допомогою дуже вузьких радіочастотних фільтрів, що призводить до значного зменшення рівня шумів та збільшення відношення корисний сигнал/шум. Її залежність від індексу модуляції та відстані має вигляд:

. (5)

Врахування впливу довжини когерентності затравного лазера на величину амплітудної модуляції вносить додаткове затухання в сигнал із зростанням відстані L.

У четвертому розділі дисертації описуеєтся експериментальне дослідження ЗЧЗЗ лазера на оптоволокні з домішками ітербію. Традиційною характеристикою лазера є залежність загальної вихідної потужності від потужності накачки. В роботі наведено такі залежності для найпростішої конфігурації ЗЧЗЗ лазера без будь-яких еталонів Фабрі-Перо (ЕФП) в резонаторі, що зменшують ширину лінії ефективного підсилення, та з одним ЕФП у резонаторі з ВСІ 1 ТГц. Вони є типовими (наявність порогу лазерної генерації і лінійна залежність вихідної потужності від потужності накачки в надпороговому режимі). У другому випадку, при досягненні деякого рівня накачки лазер переходить до режиму самосинхронізації мод.

Характерні ширини лінії підсилення та лінії втрат, зумовленої дисперсією акусто-оптичного модулятора, є суттєво більшими, ніж 1 ТГц. Тому можна вважати, що широкий фільтр є основним елементом, який визначає форму лінії втрат. Суцільна лінія є гаусовою апроксимацією лінії втрат широкого фільтра f()=f0-(-f)2/2Гf2]. Це дозволяє визначити його ширину Гf, яка є необхідною для розрахунку ширини спектра ЗЧЗЗ лазера та величини віддалення його максимуму від максимуму пропускання фільтра.

Теорія стверджує, що максимум спектра досягається в місці, де насичене підсилення стає рівним втратам за обхід резонатора [3]. Це дозволяє визначити ширину частотного інтервалу, на якому насичене підсилення перевищує втрати. Для лазера з широким фільтром вона становить 180 ГГц.

Одержаний експериментально спектр майже не відрізняється від теоретичної статті [3], в якій стверджується, що спектр є гаусовим біля максимуму з незначною асиметрією крил. Єдиною різницею між експериментальним та теоретичним спектрами є те, що на експериментальному спектрі із затравним лазером неможливо розрізнити його структуру. Як і передбачено теорією, цей спектр складається з дискретних компонент, кожна з яких віддалена від попередньої на частоту акусто-оптичного модулятора 80 МГц. Для того, щоб виявити ці компоненти експериментально за допомогою скануючого інтерферометра Фабрі-Перо, в резонатор лазера поміщався частотний фільтр, зроблений з чотирьох еталонів Фабрі-Перо з ВСІ 1000, 200, 50 та 15 ГГц (вузький фільтр). В результаті, ширину спектра ЗЧЗЗ лазера було зменшено до 2,8 ГГц (для порівняння, спектр ЗЧЗЗ лазера без еталонів мае ширину 260 ГГц).

Нижня частина демонструє спектр ЗЧЗЗ лазера з вузьким фільтром в резонаторі. Спектр записаний за допомогою скануючого інтерферометра Фабрі-Перо з ВСІ 7,9 ГГц та різкістю 400. Наявність окремих спектральних компонент, які передбачає теорія, є очевидною. Товста лінія відповідає спектру ЗЧЗЗ лазера без затравки. Як і очікувалося, він є неперервним, з шириною 2,7 ГГц.

На верхній частині показано окремі спектральні компоненти у збільшеному масштабі. Вертикальні лінії, що виходять з нижньої межі, віддалені одна від одної на частоту АОМ. Лінії на верхній межі розташовані на відстані, рівній частоті між поздовжніми модами, що виникають у звичайного лазера без ЗЧЗЗ. Як і очікувалося, спектральні компоненти рознесені між собою на частоту АОМ, а не на відстань між поздовжніми модами.

Наприкінці розділу проведено порівняння теоретичних розрахунків з експериментальними. Робота [3] пропонує прості формули для розрахунку спектральної ширини та зсуву спектрального максимуму від мінімуму втрат фільтра. Для ЗЧЗЗ лазера без зовнішньої затравки відповідні вирази є такими

, (6) , (7)

(8)

. (9)

Параметри, що характеризують спектр, в основному залежать від точно відомої частоти акусто-оптичного модулятора та ширини фільтра . Параметр залежить від малого параметра , який характеризує спонтанне випромінювання і може бути оцінений за допомогою параметрів оптоволокна та лазерного резонатора. Але простіше його отримати з попередніх рівнянь:

оптоволоконний лазер зворотний зв'язок

. (10)

За наявності затравного лазера спостерігається його конкуренція із спонтанним випромінюванням, яка призводить до незначної, але помітної залежності величин та 0 від потужності накачки.

У п'ятому розділі розглянуто експериментальну реалізацію нового методу вимірювання відстаней за допомогою ЗЧЗЗ лазера із зовнішньою фазово модульованою затравкою, як це теоретично передбачено в роботі [4]. Використання такого затравного лазера дозволяє максимально звузити смугу пропускання радіочастотного фільтра в околі частоти модуляції, що значно зменшує шум. Це можливо тому, що власна спектральна ширина сигналу амплітудної модуляції є дуже малою. Сигнал SAM ЗЧЗЗ лазера без затравки та з модульованим затравним лазером в залежності від частоти модуляції M=/2. Обидва сигнали мають однакову ширину , проте перший є слабким та шумливим, тоді як другий має значно більшу амплітуду та не потребує усереднення. Для другого сигналу завжди можна вибрати радіочастотний фільтр з такою смугою пропускання, щоб відношення сигнал/шум та час вимірювання були оптимальними.

Виходячи із загальних представлень про співвідношення між частотою та часом, слід очікувати оберненої пропорційності між шириною спектра ЗЧЗЗ лазера та точністю, з якою можна виміряти часову затримку та відстань [4]. Верхні графіки відповідають ЗЧЗЗ лазеру з еталоном Фабрі-Перо шириною 1000 ГГц всередині резонатора (ширина спектру порядку 60 ГГц). Середні графіки демонструють звичайний режим генерації ЗЧЗЗ лазера на довжині хвилі 1040 нм, що відповідає максимуму лінії підсилення для Yb3+ (ширина спектру порядку 300 ГГц). Нижні графіки стосуються спеціального режиму генерації, при якому акусто-оптичний модулятор налаштовується таким чином, що максимум його кривої пропускання потрапляє на локальний мінімум лінії підсилення Yb3+. Це призводить до їх взаємного компенсування та майже повного вирівнювання ефективного підсилення, що в свою чергу призводить до значного розширення спектра (до більш ніж 10 нм).

Теорія [4] передбачає, що обернена ширина сигналу амплітудної модуляції SAM має бути прямо пропорційна спектральній ширині ЗЧЗЗ лазера. Співвідношення виконується, навіть якщо спектр лазера не є гаусовим. Ця лінійність показує, що всі акустооптичні моди ЗЧЗЗ лазера, який затравлюється монохроматичним лазером, залишаються взаємно когерентними вздовж всього спектра.

Технологія вимірювання відстаней полягає у спостереженні сигналу, що відбивається від об'єкта. Якщо лазерне випромінювання одночасно потрапляє на декілька об'єктів, розташованих на різній відстані, то за умови, що резонанс сигналу амплітудної модуляції SAM є досить вузьким, можна спостерігати одночасно декілька піків і зробити висновок, що вони відповідають різним відстаням.

Співвідношення між їх амплітудою визначається відносною площею, яка опромінюється лазером на певній відстані. В експериментах, що проводилися з метою демонстрації роздільної здатності, використовувалися зразки, які мали по дві паралельні дзеркальні грані, що утворювали сходинки різної висоти. Коли лазерний пучок рухається перпендикулярно до ліній розділу з одної грані на іншу, система реєструє спочатку один сигнал на частоті, що відповідає першій грані, потім одночасно два сигнали, а під кінець руху Ї сигнал тільки від другої грані. У відповідності з теорією, відносне положення піків залишається незмінним (воно залежить тільки від висоти сходинки зразка), а висота піків змінюється в залежності від того, яка частина енергії з кожної грані потрапляє на реєстрацію.

У експерименті використовувалися два зразки з відстанями відповідно 1 та 0,1 мм. Сходинку першого з них можна легко розрізнити навіть за допомогою лазера з шириною спектра 1 нм (біля 300 ГГц). Сходинка на другому зразку висотою 0,1 мм розрізняється тільки при використанні лазера зі спектральною шириною 7 нм (приблизно 2000 ГГц). Вимірювання показали, що висота цієї сходинки насправді складає 110 мкм з точністю, кращою ніж 10 мкм.

У шостому розділі описано експериментальне дослідження повністю оптоволоконного ЗЧЗЗ лазера на іонах ербію. Його характеристики вихідного випромінювання є типовими для ЗЧЗЗ лазерів: потужність лінійно збільшується із зростанням потужності накачки з порогом 15 мВт. Також звичайним явищем для ЗЧЗЗ лазерів є перехід з режиму неперервного випромінювання при перевищенні певного порогу потужності накачки до режиму самосинхронізації мод [5,6], коли ЗЧЗЗ лазер починає генерувати послідовність пікосекундних імпульсів. Такий режим не підходить для вимірювання відстаней із застосуванням фазово модульованого затравного лазера. У створеному лазері за відсутності зовнішнього затравного лазера самосинхронізація мод з'являється вже при потужності накачки 60 мВт.

Введення в резонатор випромінювання затравного лазера навіть незначної потужності (1 мкВт) збільшує поріг появи самосинхронізації мод до 170 мВт, таким чином розширюючи діапазон роботи ЗЧЗЗ лазера у неперервному режимі, який можна використовувати для вимірювання відстаней.

Спектр такого лазера є близьким до гаусового з шириною на напіввисоті 150-160 ГГ. Нагадаємо, що спектр ЗЧЗЗ лазера без затравного лазера є неперервним, а із зовнішнім затравним лазером він є сукупністю рівновіддалених компонент, що розділені частотою АОМ. Вільний спектральний інтервал резонатора ЗЧЗЗ лазера становив 15,59 МГц, що відповідає оптичній довжині 19,24 м. Не зважаючи на те, що в ЗЧЗЗ лазері немає поздовжніх мод, в радіочастотному спектрі флуктуацій інтенсивності випромінювання такого лазера на частотах кратних ВСІ спостерігаються вузькі резонанси (в звичайних лазерах на цих частотах існують сигнали биття між поздовжніми модами). Поява цих резонансів пояснюється кореляцією флуктуацій інтенсивності ЗЧЗЗ лазера в моменти часу розділених цілим числом часів RT обходу резонатора світлом. Ширина максимумів є обернено пропорційною часу життя флуктуацій, що, в свою чергу, пов'язаний з шириною оптичного спектру ЗЧЗЗ лазера Ї більш широкому спектру відповідають вужчі максимуми радіочастотних шумів. Це також справедливо для сигналів, що реєструються в методі вимірювання відстаней ЗЧЗЗ лазером із власним спонтанним випромінюванням в якості затравки [1,2].

Як і інші ЗЧЗЗ лазери із зовнішньою фазово модульованою затравкою, повністю оптоволоконний ербієвий ЗЧЗЗ лазер може бути застосований для вимірювання відстаней. Як продемонстровано в розділах 3 та 5, після проходження випромінювання такого лазера через інтерферометр Майкельсона з різною довжиною плечей виникає сигнал амплітудної модуляції SA, який має вузький резонанс на частоті, що пропорційна різниці довжин. Для розробленого лазера коефіцієнт пропорційності складає 8,316 кГц/мм. Форма резонансу близька до гаусової, його ширина на напіввисоті становить приблизно 7 кГц. Таким чином, роздільна здатність цієї системи вища ніж 1 мм. Виходячи з того, що частотне положення максимуму резонансу мона визначити з точністю до 10% від його ширини, точність вимірювання відстаней є вищою ніж 0,1 мм.

У третьому розділі показано, що величина сигналу амплітудної модуляції SA складним чином залежить від відстані L та індексу модуляції . Ця залежність описується формулою (6), яка враховує довжину когерентності випромінювання затравного лазера. В розрахунках прийнято до уваги слабку залежність індексу модуляції від частоти фазової модуляції затравного лазера, що пов'язана з апаратною недосконалістю генератора, який керує ЕОМ. На рисунках товсті лінії та квадрати відповідають теоретичним кривим та експериментальним точкам для ''прямих'' резонансів, а тонкі лінії та кола - для ''обернених''. Продемонстровані експериментальні результати добре узгоджуються з теорією [4].

Для ''прямого'' сигналу при індексі модуляції =2,7 існують два мінімуми, що відповідають відстаням 3,6 та 4,8 м. Однак ці мінімуми не спостерігаються для =1,35. Таким чином, для довільної відстані L існує оптимальний індекс модуляції , за якого сигнал амплітудної модуляції є максимальним. Це дозволяє уникати мінімумів сигналу. Максимально можлива вимірювана відстань для цього методу обмежена лише довжиною когерентності затравного лазера (3,6 м в цієї роботі) та ефективністю збору відбитого світла. Для розробленої в роботі установки вона оцінюється в декілька десятків метрів.

Основні результати та висновки

У дисертаційній роботі детально досліджено динаміку генерації та спектральні характеристики випромінювання ЗЧЗЗ лазерів на оптоволокні з домішками іонів Yb3+ та Er3+. Проведено порівняння отриманих результатів з розрахунками, виконаними на базі теорії [3], що була розроблена раніше, і отримано добре узгодження експериментальних даних з теорією. Експериментально продемонстровано високу ефективність нового методу вимірювання відстаней за допомогою оптоволоконного ЗЧЗЗ лазера із зовнішнім затравним лазером, фаза якого модулюється. Досліджено граничні можливості методу щодо діапазону відстаней, точності вимірювання та роздільної здатності. Визначено максимально можливу точність та роздільну здатність методу з використанням лазерного випромінювання різної спектральної ширини. Створено і досліджено повністю оптоволоконний ЗЧЗЗ лазер на оптоволокні з іонами ербію та визначено його характеристики як активного елемента для вимірювання відстаней в широкому діапазоні та з високою точністю.

В роботі отримано такі основні результати:

1. В спектрі ЗЧЗЗ лазера без зовнішнього затравного лазера продемонстровано відсутність поздовжніх мод. Показано, що за наявності монохроматичного затравного лазера вихідний спектр ЗЧЗЗ лазера являє собою набір дискретних частотних компонент, віддалених одна від одної на частоту акусто-оптичного модулятора. Спектральна форма та частотне положення максимуму обвідної цих компонент добре узгоджуються з передбаченнями теорії. Зокрема, положення максимуму та ширина спектрів ЗЧЗЗ лазера із зовнішнім затравним лазером та без нього визначаються тільки шириною контуру втрат та зсувом частоти і практично не залежать від потужності накачки.

2. Продемонстровано, що шляхом збільшення потужності затравного лазера можна збільшити значення потужності накачки, за якої лазер переходить до режиму самосинхронізації мод. Це збільшує діапазон режиму неперервного випромінювання, який є ''корисним'' режимом для вимірювання відстаней за допомогою ЗЧЗЗ лазера.

3. Проведено детальне порівняння існуючої теорії ЗЧЗЗ лазерів з експериментом з використанням внутрішньорезонаторних фільтрів, які вносять контрольовані втрати з відомою частотною залежністю. Виміряна ширина лінії фільтра використана для розрахунку ширини спектра та відстройки його максимуму відносно мінімуму пропускання фільтра ЗЧЗЗ лазера. Результати розрахунків добре узгоджуються з експериментальними даними.

4. Експериментально реалізовано новий метод вимірювання відстаней за допомогою оптоволоконного ЗЧЗЗ лазера із зовнішнім затравним лазером, фаза якого модулюється. Показано, що при фазовій модуляції затравного лазера випромінювання ЗЧЗЗ лазера після проходження через інтерферометр Майкельсона стає амплітудно модульованим, причому глибина модуляції резонансно збільшується на частоті, пропорційній різниці довжин плечей інтерферометра. Використання методу фазової модуляції більш ніж на порядок покращує відношення сигналу до шуму в методі вимірювання відстаней із застосуванням ЗЧЗЗ лазерів. Продемонстровано, що оптоволоконний ЗЧЗЗ лазер на іонах ітербію, який затравлюється зовнішнім фазово модульованим монохроматичним лазером, є ефективним пристроєм для вимірювання відстаней у діапазоні декількох метрів з точністю, вищою ніж 10 мкм та роздільною здатністю 100 мкм.

5. Експериментально досліджено роздільну здатність нового методу вимірювання відстаней за допомогою оптоволоконного ЗЧЗЗ лазера із зовнішнім затравним лазером, фаза якого модулюється. Показано, що вона пропорційна ширині спектра випромінювання лазера у діапазоні всіх можливих для лазерів такого типу ширин (аж до 3000 ГГц).

6. На прикладі повністю оптоволоконного ЗЧЗЗ лазера на іонах ербію, який затравлюється зовнішнім фазово модульованим монохроматичним лазером, продемонстровано можливість вимірювання відстаней в діапазоні від 15 см до 5 м. Експериментально виявлено складний характер залежності величини сигналу амплітудної модуляції від індексу модуляції та відстані, шо добре узгоджується з теоретичними розрахунками.

Основні результати дисертації викладені в публікаціях

1. Yatsenko L .P. Ranging and interferometry with frequency shifted feedback lasers / L. P. Yatsenko, V. M. Khodakovsky, V. V. Ogurtsov, G. Bonnet, B. W. Shore, K. Bergmann // Proc. SPIE.Ї 2005.Ї Vol.6054.Ї P.60540T

2. Ogurtsov V. V. Experimental characterization of an Yb3+-doped fiber ring laser with frequency shifted feedback / V. V. Ogurtsov, L. P. Yatsenko, V. M. Khodakovskyy, B. W. Shore, G. Bonnet, K. Bergmann // Optics Comm.Ї 2006.Ї Vol.266.Ї P.627-637

3. Ogurtsov V. V. High accuracy ranging with Yb3+-doped fiber-ring frequency-shifted feedback laser / V. V. Ogurtsov, L. P. Yatsenko, V. M. Khodakovskyy, B. W. Shore, G. Bonnet, K. Bergmann// Optics Comm.Ї 2006.Ї Vol.266.Ї P.266-273

4. Ogurtsov V. V. An all-fiber frequency-shifted feedback laser for optical ranging; signal variation with distance / V. V. Ogurtsov, V. M. Khodakovskyy, L. P. Yatsenko, B. W. Shore, G. Bonnet, K. Bergmann // Optics Comm.Ї 2008.Ї Vol.281.Ї P.1679-1685

5. Yatsenko L. P. Ranging and interferometry with frequency shifted feedback lasers / L. P. Yatsenko, V. M. Khodakovsky, V. V. Ogurtsov, G. Bonnet, B. W. Shore, K. Bergmann // International Conference on Lasers, Applications, an Technologies (LAT 2005).Ї St. Petersburg, Russia, May 11-15 2005.Ї P.LThA7

6. Bergmann K. Lasers with frequency-shifted feedback: a new concept for high accuracy ranging / K. Bergmann, V. V. Ogurtsov, L. P. Yatsenko, V. M. Khodakovskyy, B. W. Shore // National Conference on Laser Physics.Ї Erevan, Armenia, October 10-13 2006.Ї P.1

7. Ogurtsov V. V. Ranging with frequency-shifted feedback laser / V. V. Ogurtsov, L. P. Yatsenko, V. M. Khodakovskyy, B. W. Shore, G. Bonnet, K. Bergmann // Conference of German Physic Society.Ї Dusseldorf, Germany, March 19-23 2007.Ї P.28.1

Анотація

Огурцов В. В. Експериментальні дослідження оптоволоконних лазерів зі зсунутим за частотою зворотним зв'язком.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.05 - оптика, лазерна фізика. Інститут фізики НАН України, Київ, 2008.

В дисертації описується дослідження лазерів зі зсунутим за частотою звототним зв'язком (ЗЧЗЗ), підсилюючимо середовищем яких є оптичні волокна з домішками іонів ербію та ітербію. Експериментально підтверджена теорія, яка дає змогу розрахувати частотне положення та ширину спектра випромінювання ЗЧЗЗ лазера, використовуючи тільки такі параметри лазера, як характерна ширина лінії втрат та частота акусто-оптичного модулятора. Продемонстровано, що спектр ЗЧЗЗ лазера є гаусовою функцією з невеликою асиметрією, її максимум спектру є зсунутим відносно мініму втрат резонатору на певну величину, яка майже не залежить від потужності накачки. За допомогою звуження спектру ЗЧЗЗ лазера та інтерферометра Фабрі-Перо з високою різкістю показано, що спектр ЗЧЗЗ лазера без зовнішньої затравки є суцільним, а при наявності монохроматичного затравного лазера складається з дискретних компонент, розділених частотою акусто-оптичного модулятора. Експериментально доведено, що при фазовій модуляції випромінювання затравного лазера випромінювання ЗЧЗЗ лазера після проходження через інтерферометр Майкельсона стає амплітудно-модульованим, причому глибина модуляції резонансно збільшується на частоті, пропорційній різниці довжин плечей інтерферометра. Використання зовнішнього затравного лазера з фазовою модуляцією більш ніж на порядок покращує відношення сигнал/шум при вимірюванні відстаней за допомогою ЗЧЗЗ лазера. Роздільна здатність такого методу вимірювання відстаней прямо пропорційна ширині спектра випромінювання лазера в діапазоні від 60 до 3000 ГГц. Експериментально перевірено залежність величини сигналу амплітудної модуляції від індексу модуляції та відстані в діапазоні від 15 см до 5 м, яка дуже добре узгоджується з теоретичними розрахунками.

Ключові слова: зсунутий за частотою зворотний зв'язок, лазерне випромінювання, спектр, оптоволокно, іони ербію, іони ітербію, акусто-оптичний модулятор, електро-оптичний модулятор

Summary

Ogurtsov V. V. Experimental research of fiber lasers with frequency-shifted feedback.- Manuscript.

Thesis for Candidate's Degree in Physics and Mathematics on the Speciality 01.04.05 - Optics, Laser Physics. Institute of Physics of NAS of Ukraine, Kyiv, 2008.

The thesis deals with the studies of the frequency-shifted feedback (FSF) lasers with optical fibers doped by erbium and ytterbium ions as gain medium. It presents experimental characteristics of an Yb3+-doped fiber ring laser operating with frequency-shifted feedback (FSF) through an acousto-optic modulator (AOM) and seeded by both a stationary continuous-wave (CW) laser and spontaneous emission. The spectrum and output characteristics for operations with several effective gain bandwidths established by Fabry-Perot etalons inside the cavity are demonstrated. Observation using a high finesse Fabry-Perot interferometer shows that, as expected from earlier work, although the spectrum of the FSF laser without seeding is continuous, when seeded by a CW-laser the spectrum consists of a comb of discrete modes, each offset from the seed by an integer number of AOM frequency shifts. The experimental results are in good quantitative agreement with the theory developed earlier.

It is shown that a frequency-shifted feedback laser, when seeded by a phase-modulated narrow-band radiation field, is a powerful tool for distance measurements to accuracy better than 10 мm and resolution better than 100 мm, for distances of a few meters. In such measurements the unknown distance forms one arm of a Michelson interferometer, in which the intensity of the output signal is modulated at the phase-modulation frequency of the seed. The amplitude of the output-signal modulation exhibits a resonance for every distinct signal delay, i.e. for each distinct distance within the laser spot on the target. The use of a phase-modulated input seed allows one to use a very narrow-bandwidth filter when measuring the return signal. In the range of 60-3000 GHz the resolution of the distance measurement method is proportional to the laser spectral width. The dependence of the amplitude modulation magnitude upon the modulation index and the distance is experimentally verified in the range 0,15-5 m, and it is in good agreement with theoretical calculations.

Keywords: frequency-shifted feedback, laser radiation, spectrum, optical fiber, erbium ions, ytterbium ions, acousto-optic modulator, electro-optic modulator.

Аннотация

Огурцов В. В. Экспериментальные исследования оптоволоконных лазеров со сдвинутой по частоте обратной звязью.- Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.05 - оптика, лазерная физика. Институт физики НАН Украини, Киев, 2008.

В диссертации описывается исследование лазеров со смещенной по частоте обратной связью (СЧОС), в качестве усиливающей среды в которых используются оптические волокна с примесями ионов эрбия и иттербия, а в качестве сдвигателя частоты Ї акусто-оптический модулятор. Продемонстри-ровано, что спектр оптоволоконного СЧОЧ лазера представляет собой гауссову функцию з незначительной асимметрией, максимум которой смещен относительно минимума потерь резонатора на определенную величину, которая практически не зависит от мощности накачки. Использование в качестве внутрирезонаторных фильтров эталонов Фабри-Перо с известной зависимостью величины пропускания от частоты позволило провести эксперементальную проверку теории, которая дает возможность рассчитать частотное положение и ширину спектра СЧОС лазера, используя только такие его параметры как характерная ширина линии потерь частотного фильтра и частота акусто-оптического модулятора. Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными. Одновременное применение четырех этелонов Фабри-Перо позволило сузить спектр СЧОС лазера почти в 100 раз, что дало возможность с помощью интерферометра Фабри-Перо с высокой контрастностью рассмотреть структуру спектра СЧОС лазера с внешней затравкой и без нее. Эксперименты показали, что если в качестве затравки присутствует только собственное излучение, спектр Ї сплошной, т.е. не имеет модовой структуры, а при наличии монохроматического затравочного лазера состоит из дискретных компонент, разделенных частотой акусто-оптического модулятора. Продемонстрировано, что внешний затравочный лазер препятствует переходу СЧОС лазера в режим самосинхронизации мод, расширяя таким образом диапазон его генерации в режиме непрерывного излучения.

Эксериментально реализован новый метод измерения расстояний с помощью оптоволоконного СЧОС лазера с внешним затравочном лазером. Теоретически было предсказано, что при фазовой модуляции излучения затравочного лазера, излучение СЧОС лазера после прохождения через интерферометр Майкельсона с разною длинной плеч станет амплитудно-модулированым, причем глубина модуляции будет резонансно увеличиваться на частоте, пропорциональной этой разности длин плеч. Эксперименты показали наличие такого резонанса монохроматической амплитудной модуляции, регистрация которой намного упрощается по сравнению с шумным сигналом, используемым в ранее известном методе измерения расстояний СЧОС лазером без внешней затравки. На примере оптоволоконного СЧОС лазера на ионах иттербия продемонстрировано, что использование внешнего затравочного лазера с фазовой модуляцией более чем на порядок улучшает отношение сигнал/шум. С помощью образцов, выполненных в виде ступеней с высотой 1 и 0,1 мм, показана разрешающая способность этого метода для оптических спектров лазера с различной шириной. Как и предсказывает теория, точность измерения расстояний прямо пропорциональна ширине спектра излучения лазера в диапазоне от 60 до 3000 ГГц. Максимально достигнутая точность составила 10 мкм, исходя из возможности определить положение максимума с точностью до 10% его ширины.

Разработан и исследован полностью оптоволоконный СЧОС лазер на активном волокне с ионами эрбия. На его основе построена установка по измерению расстояний, основанная на фазово модулированном затравочном лазере. Высокая стабильность этой системы позволила экспериментально проверить зависимость величины сигнала амплитудной модуляции от индекса модуляции и расстояния в диапазоне от 15 см до 5 м, которая очень хорошо согласуется с теоретическими расчетами. Точность этой установки составила 100 мкм.

Ключевые слова: смещенная по частоте обратная связь, лазерное излучение, спектр, оптоволокно, ионы ербия, ионы иттербия, акусто-оптический модулятор, электро-оптический модулятор.

Размещено на Allbest.ru