Узкополосный импульсный лазер на красителях с электродинамическими приводами поворота дисперсионных элементов

Узкополосный импульсный лазер на красителях с электродинамическими приводами поворота дисперсионных элементов. Исследование изотопических сдвигов оптических линий атомов с короткоживущими ядрами на лазерно-ядерном комплексе, созданном сотрудниками Ленинградского института ядерной физики и Института спектроскопии АН СССР, потребовало разработки узкополосного 1 пм импульсного лазера на красителях, который обеспечивал бы с высокой степенью воспроизводимости сравнительно быструю и плавную перестройку длину волны излучения и легко сопрягался с ЭВМ. Методы получения узкополосного плавно перестраиваемого излучения достаточно хорошо разработаны обычно это механическая перестройка поворот дифракционной решетки лазера, производимая синхронно и одновременно с перестройкой вставляемых внутрь резонатора эталона Фабри Перо или фильтра Лио, либо перестройка оптической длины такого резонатора за счет изменения давления газа. Последний способ обеспечивает синхронность перестройки всех дисперсионных элементов резонатора лазера в сравнительно большом диапазоне длин волн несколько нанометров и высокую 0,2 линейность сканирования, но неприемлем из-за низкой скорости сканирования.

При перестройке внутрирезонаторного эталона Фабри-Перо изменением его зазора связь приводов решетки эталона вследствие линейности характеристик преобразования обоих дисперсионных элементов достигается установкой одного коэффициента пропорциональности, обеспечивающего одинаковые приращения по длине волны в зависимости от управляющего сигнала.

Однако создание привода с линейной и стабильной характеристикой преобразования для такого эталона является весьма сложной задачей.

В большинстве случаев для этой цели используются пьезокерамические материалы, которым присущи такие свойства, как гистерезис и достаточно большая температурная нестабильность.

Эти недостатки можно компенсировать только с помощью сложных технических решений, где эффект достигается введением отрицательной обратной связи по перемещению, а измерение перемещения осуществляется датчиком емкостного типа. Перечисленные трудности привели нас к выбору другого способа перестройки эталона с помощью его поворота, который мог быть реализован с использованием хорошо зарекомендовавшего себя электродинамического привода ЭДП, управляющего поворотом дифракционной решетки лазера.

Единственный недостаток такого способа нелинейность зависимости перестройки длины волны от угла поворота был устранен введением небольшого дополнительного функционального блока, осуществляющего нелинейную связь до управляющим напряжениям приводов решетки и эталона рис. 3.1. Зависимости длины волны от углов поворота и дифракционной решетки 1 и эталона Фабри Перо 2 соответственно даются известными формулами HYPER13 EMBED Equation.3 HYPER14HYPER15 и HYPER13 EMBED Equation.3 HYPER14HYPER15, где d постоянная решетки, t зазор эталона и HYPER13 EMBED Equation.3 HYPER14HYPER15. Исключив длину волны из этих зависимостей, находим связь углов HYPER13 EMBED Equation.3 HYPER14HYPER15 и HYPER13 EMBED Equation.3 HYPER14HYPER15 HYPER13 EMBED Equation.3 HYPER14HYPER15, или HYPER13 EMBED Equation.3 HYPER14HYPER15. Эта нелинейная зависимость может быть аппроксимирована полиномом второй степени HYPER13 EMBED Equation.3 HYPER14HYPER15 3.1 где Up и Uэ напряжения управления ЭДП решетки ЭДПР и эталона ЭДПЭ соответственно HYPER13 EMBED Equation.3 HYPER14HYPER15 коэффициенты, устанавливаемые при настройке ЭДП. Для согласования размеров пучка на дифракционной решетке и эталоне служил призменный телескоп. 6. Для обеспечения плавной линейной перестройки длины волны лазера на вход регулирующего устройства РУ 3 ЭДПР подается вырабатываемое программным генератором ПГ 4 линейное пилообразное напряжение, при этом в функциональном блоке ФБ 5, через который то же напряжение поступает на РУ 6 ЭДПЭ, формируется обратная по отношению к 3.1 зависимость HYPER13 EMBED Equation.3 HYPER14HYPER15 Рис. 3.1. Схема управления синхронным поворотом дифракционной решетки и внутрирезонаторного эталона За базовую модель был взят широко используемый в установках по лазерной ступенчатой резонансной фотоионизации атомов серийный импульсный лазер на красителях ЛЖИ-504 с накачкой импульсно-периодическим лазером на парах меди Криостат-1, в котором перестраиваемый вручную синусный механизм поворота дифракционной решетки был заменен ЭДП. Аналогичный привод управлял поворотом внутрирезонаторного плоского эталона Фабри-Перо, для чего сердечники дифференциального индуктивного датчика положения и линейного микродвигателя магнитоэлектрического типа жестко крепились к приводному рычагу кольца, в котором закреплялся серийный кварцевый интерферометр ИФП-2 с воздушным зазором 2 мм или внутренний эталон из комплекта ЛЖИ-504. Лазер обеспечивал ширину линии излучения 0,04 см-1. Сигналы с датчиков положения обрабатывались автоматическими регулирующими устройствами РУ ЭДПР и РУ ЭДПЭ, управляющий сигнал с которых поступал на обмотки микродвигателей для поворота элементов.

Регулирующие устройства были идентичны и выполнены в стандарте КАМАК размером ЗМ. Программный генератор и ФБ конструктивно выполнены в едином модуле КАМАК также размером ЗМ. Формируемое на выходе ПГ напряжение Uy пилообразной формы имеет максимальную амплитуду 5 В и может уменьшаться с шагом 0,5 В. Длительность нарастания напряжения может изменяться от 18 с до 30 мин с шагом 199 максимального значения.

Выбранные диапазоны амплитуды 0 9 и длительности 0 99 управляющего напряжения указываются на цифровом табло на лицевой панели модуля.

Рис. 3.2.Структурная схема ФБ Функциональный блок рис. 3.2 состоит из сумматора аналоговых сигналов 1, аналогового умножителя I и инвертора.

Аналоговый умножитель двухквадрантного типа выполнен по схеме с широтно-импульсным преобразователем.

Он включает в себя ключи 2 и 5, генератор треугольного напряжения 3, компаратор 4, усилитель 6 и источник опорного напряжения 7. Цепь 6 5 7 обеспечивает стабилизацию широтно-импульсного модулятора II, выполненного на элементах 4 и 3. Усилитель 8 осуществляет инверсию схемы, включенной в его обратную связь, реализуя тем самым решение уравнения 3.1 R1 и R2 переменные резисторы, с помощью которых устанавливаются соответствующие коэффициенты k1 и k2 обеспечивающие в зависимости от начального положения эталона оптимальную функциональную связь между Up и Uэ, по минимуму отклонения максимума пропускания эталона от частоты, заданной положением дифракционной решетки.

Характеристики лазера изучались с помощью стабилизированного по температуре внешнего конфокального эталона Фабри Перо с областью свободной дисперсии 0,125 см-1 и резкостью 30. Электронные устройства ЭДП осуществляли плавную синхронную перестройку элементов, обеспечивая скорость сканирования длины волны от 0,1 до 0,001 см-1с. В диапазоне автоматического непрерывного сканирования длины волны до 2 см-1 нелинейность характеристики составляет 0,5 2 и зависит от начального положения внутрирезо-наторного эталона.

Максимальный диапазон синхронного сканирования решетки и эталона без срыва синхронизации 3 см-1. Воспроизводимость длины волны такого лазера составляет 5 10-3 см-1 на интервале работы 4 ч и полностью определяется характеристиками внутрирезонаторного эталона.

Описанный узкополосный лазер на красителях на базе ЭДП поворота дисперсионных элементов с управлением от ЭВМ был с успехом использован в ядерно-оптических экспериментах на установке ИСАН и ЛИЯФ.