Измерение длины волны и частоты лазерного излучения

Под длиной волны лазерного излучения понимается средняя длина волны спектра лазерного излучения в пределах интервала длин волн линии спонтанного излучения. Измерения длин волн лазеров необходимы для их эффективного использования в метрологии, измерительной технике, спектроскопии, при уточнении фундаментальных физических констант и др.

С появлением стабильных по частоте лазеров стали развиваться два направления в измерениях длин волн: абсолютные и относительные. Под абсолютным измерением понимается непосредственное сравнение длины волны лазерного излучения с одной или несколькими юридически узаконенными стандартными длинами волн ламповых источников, под относительным – сравнение длин вол стабилизированных по частоте лазеров. Иногда для достижения необходимой точности абсолютные измерения комбинируются с относительными измерениями.

Основными методами измерений лазерных длин волн являются интерференционные, в наиболее точных их них для интерпретации дробной части интерференционного порядка используют оптическое гетеродинирование. Гетеродинные методы для измерений длин волн применяются редко, так как они позволяют сравнивать длины волн лазеров близких спектральных диапазонов, отличающихся по частоте на десятки и сотни мегагерц. Это обусловлено недостаточно высоким быстродействием приемников оптического излучения.

Гетеродинные методы незаменимы для излучения стабильности и воспроизводимости частот лазеров, в том числе отличающихся конструкцией и технологией изготовления. Это имеет большое значение в установлении новых лазерных эталонов длин волн. Гетеродинный метод может быть полезен при заводском контроле длин волн серийно выпускаемых однотипных лазеров.

К средствам измерений длин волн в зависимости от решаемой задачи предъявляются различные требования. Так, требуемая точность измерений длины волны генерируемого излучения колеблется в очень широких пределах от 10⁴ (для лидарных исследований) до 10¹⁰ – 10¹¹ (для большинства спектроскопических задач). Для исследования и установления новых эталонов длин волн и частот, фундаментальных исследований требования к точности измерений намного выше.

При работе с высокостабильными лазерами непрерывного действия быстродействие измерительной аппаратуры не имеет какого-нибудь значения, тогда как в измерениях длин волн импульсных лазеров, особенно при свипировании частоты в течение импульса генерации, это условие является решающим.

Что касается спектрального диапазона, где необходимо проводить измерения длин волн, то он чрезвычайно широк – от ультрафиолета до субмиллиметровых волн.

Использование явления дифракции на щели для определения

длины волны излучения лазера

Этот способ определения длины волны является простейшим. На рис. 47 приведена функциональная схема установки, реализующая данный способ.

Задав соответствующую ширину щели 2, на экране 3 получим дифракционное изображение одиночной щели, по которому можно определить длину волны излучения лазера. Условием минимума освещенности является выражение: dsin = n, где d – ширина щели; n = 1, 2, 3.. – порядки минимума;  – угол, определяющий направление от центра щели на произвольную точку дифракционной картины. Выбрав n-ый минимум и определив приближенное значение sin  можно определить длину волны излучения лазера. В этом выражении: b – расстояние на экране от центра дифракционной картины до выбранного минимума, а L – расстояние между экраном и плоскостью щели, причем L >> b.

Определение длины волны методом совпадения интерференционных картин

Измерение выполняется на установке, схема которой приведена на рис.48, следующим образом.

Излучение от лазера, длину волны излучения которого необходимо определить, и от эталонного источника (например, кадмиевая или ртутная разрядная лампа), длина волны которого известна с определенной степенью точности, одновременно, с помощью элементов 2 и 5, направляются в интерферометр Фабри-Перо 3. С помощью трубы 6 наблюдают (часто предварительно фотографируют, а потом рассматривают) интерференционные картины, соответствующие двум длинам волн _х и _э. Нужная эталонная длина волны может быть выделена монохроматором из спектра излучения газоразрядной лампы. Измерение осуществляют путем изменения оптической длины интерферометра, т. е. путем изменения расстояния L между зеркалами интерферометра, отмечая те расстояния, для которых наблюдается совпадение интерференционных картин.

Для определенности будем считать, что _х > _э. Пусть интерференционное кольцо k порядка для _х совпадает с (k + m) кольцом для _э, тогда условие образования максимума будет иметь вид:

2L₁ cos = k_х = (k + m)_э ,

где L₁ – расстояние между зеркалами интерферометра;  – угол наблюдения интерференционной картины. Если следующее совпадение интерференционных картин соответствует расстоянию между зеркалами интерферометра L₂, когда в поле зрения прошло р-порядков интерференции для _х и (р + 1)-порядков для _э, то имеем:

2L₂ cos = (k + р)_х = (k + m + р + 1)_э.

Из этих соотношений путем вычитания получаем

2(L₁ – L₂)cos = р_х = (р + 1) _э. (7)

или

.

Таким образом, для определения длины волны _х исследуемого лазера требуется определить число порядков между двумя совпадениями интерференционных картин. Если при измерениях наблюдается несколько совпадений, то измерения получаются более точными.

При измерении этим методом можно иначе подойти к решению вопроса. Из выражения (7) можно получить, что В этом выражении величину можно определить при помощи микрометрического отсчетного устройства. Косинус угла  можно положить равным единице, убедившись, что углы малы или определить, зная диаметр кольца и фокусное расстояние объектива фотокамеры. Число порядков р можно подсчитать по выражению подставляя вместо _х приближенное значение длины волны, полученное из спектроскопических измерений. В результате пересчета получим более точное значение _х.

Динамический метод счета интерференционных полос

Одним из недостатков рассмотренного выше метода, определения длины волны излучения лазера является его трудоемкость, связанная с необходимостью определения числа порядков между двумя совпадениями интерференционных картин для _х и _э. Применение динамического метода

счета интерференционных полос позволяет значительно облегчить труд экспериментатора путем полной автоматизации процесса измерения и быстрого получения результата измерения.

Рассмотрим структурную схему установки, приведенную на рис. 49.

Для реализации этого метода необходимо чтобы длины волн используемых лазеров существенно различались (например, ₁ = 0,63 мкм, а ₂ = 3,39 мкм). Сколлимированные излучения лазеров 1 и 2 совмещаются в пространстве зеркалами 5 и направляются в интерферометр типа Майкельсона, состоящий из светоделителя 6 и подвижного уголкового отражателя 7. Интерферирующие световые пучки направляются на фотоприемники 9 и 10, один из которых воспринимает видимое, а другой инфракрасное излучения. Электрические сигналы с фотоприемников поступают в блок 11 обработки сигналов и индикации результата измерения.

При движении каретки, на которой смонтирован уголковый отражатель на выходе фотоприемников образуются импульсы напряжения с частотой прохождения интерференционных полос и , где  – скорость движения каретки; ₁ – длина волны эталонного лазера или одной из спектральных линий образцовой лампы; ₂ – длина волны исследуемого лазера.

Если напряжение одной из частот использовать для формирования соответствующего интервала времени (счета), а напряжение другой частоты подать на вход частотомера, то на табло частотомера получим непосредственно искомое отношение длин волн .

При непрерывном динамическом счете полос не требуется остановка в начале и в конце счета. Время измерения примерно три минуты. Скорость изменения разности хода необходимо выбирать исходя из условия получения минимального влияния механических вибраций и другого рода помех. При создании установки такого типа необходимо обеспечить равномерность движения уголкового отражателя, что позволяет использовать узкополосный усилитель и тем самым обеспечить высокое отношение сигнала к шуму на его выходе.

Было проведено сравнение длин волн 0,63 и 3,39 мкм стабилизированных лазеров. Длина волны последнего была принята в качестве образцовой, которой на основании международных рекомендаций присвоено значение 3,39223140  110^-8 мкм. В результате измерений получено значение длины волны 0,63299149 мкм с доверительным интервалом случайной составляющей погрешности ± 310^-8, при вероятности 0,95. Систематическая составляющая погрешности полученного результата оценивалась сравнением его с результатом измерения этой же длины волны 0,632991498  310^-9 мкм, выполненного на установке с многолучевым интерферометром.

Приведенные погрешности измерений свидетельствуют о высоких метрологических характеристиках, достигаемых в двухлучевых интерферометрах с динамическим счетом интерференционных полос, при оперативном получении результата измерений.

Измерения длины волны импульсных лазеров

Измерения длин волн импульсных лазеров, в отличие от измерений длин волн высокостабилизированных газовых лазеров непрерывного действия производятся, как правило, с меньшей точностью (10⁴ – 10⁶), что обусловлено шириной линии их генерации и областями применений.

Из-за малой длительности импульсов излучения и невозможности осуществления какого-либо сканирования в спектральных приборах необходима регистрация пространственной спектральной картины.

При измерениях с точностью порядка 10³ – 10⁵ обычно используют стандартную аппаратуру – спектрографы (ИСП-51, ИСП-28) или монохроматоры. Регистрацию спектра излучения лазера производят в большинстве случаев фотографическим методом, а затем сравнивают полученный спектр со спектром источника, излучающего стандартные длины волн.

Схема типовой установки для сравнения длины волны лазерного излучения с длиной волны образцового источника (например, лампы с криптоном 86) методом фотографической регистрации имеет вид, представленный на рис. 50. Излучения от исследуемого лазера 2 и эталонного источника 1 с помощью линз 3, 4 и полупрозрачного зеркала 5 совмещаются в пространстве и направляются на входную щель 6 спектрографа, далее параллельный пучок лучей, получаемый на выходе коллиматора 7 направляется на интерферометр Фабри-Перо и на диспергирующий элемент спектрографа. Спектр излучения лазера и эталонного источника регистрируются на фотопластинке 11.

Фотографическая регистрация спектрограмм благодаря высокому пространственному разрешению фотоматериала (до 3000 – 5000 лин/мм) позволяет достичь точности измерений длин волн около 110⁸. Практически точность измерений ограничивается шириной линии генерации лазеров и составляет около 10⁶.

Измерение частоты лазерного излучения

Спектр излучения лазера может включать ряд составляющих, количество которых и относительное положение на оси частот определяются шириной линии контура усиления, длиной резонатора и наличия в последнем селектирующих устройств. В этом случае, когда говорят о частоте излучения и о ее нестабильности, подразумевают частоту _ср, соответствующую максимуму огибающей спектра излучения, и нестабильность _ср положения этого максимума. Характерная для многомодовых лазеров ширина спектра излучения 10⁸ – 10¹⁰ Гц позволяет применять для определения _ср обычные методы оптической спектроскопии и их модификации. Более интересный и важный с метрологической точки зрения вопрос измерения частотных характеристик отдельных спектральных составляющих излучения лазеров возник в связи с распространением одночастотных лазеров, и особенно одночастотных стабилизированных и перестраиваемых лазеров. Частотные характеристики линии излучения лазера, учитывая специфику диапазона генерации можно определить несколькими параметрами.

Абсолютное значение частоты – значение частоты, измеренное сличением с принятым в настоящее время эталоном времени и частоты.

Абсолютная нестабильность частоты – нестабильность частоты излучения по сравнению с эталоном частоты является мерой систематических уходов.

Относительная нестабильность частоты – определяется путем измерения каким-либо образом флуктуации частоты излучения.

Требования, которые предъявляются к средствам измерения характеристик лазеров, определяются следующими особенностями диапазона генерации и параметров флуктуации:

1) большим абсолютным значением частот излучения 10¹¹ – 10¹⁵ Гц;

2) большими величинами флуктуации частоты 10² – 10⁶ Гц;

3) возможность перестройки частоты в диапазоне 10⁶ Гц и более.

В настоящее время отсутствуют методы, которые позволили бы создать приборы, способные охватить все перечисленные диапазоны измерения, поэтому на практике создают приборы на узкие диапазоны или даже на дискретные точки частотного диапазона в зависимости от примененного метода преобразования.

Измерение абсолютного значения частоты методом «переноса»

Значение частот излучения лазеров находится в том диапазоне спектра, где до недавнего времени не было приемников излучения, постоянная времени , которых была бы много меньше 1/ (где  – частота излучения лазера). Однако такие приемники были созданы, что позволило приступить к измерению абсолютных значений частот лазеров в диапазоне до 10¹⁴ Гц, применяя радиотехнические методы, которые в практике лазерных измерений были названы методами переноса. Такое название связано со следующим обстоятельством. Ввиду низкой эффективность генераторов гармоник сигналов в рассматриваемом диапазоне реализовать метод непосредственного сличения частоты лазеров с частотой стандарта в диапазоне 10 ГГц практически невозможно. Поэтому сравнения производят последовательно, измеряя частоту сигнала источника, находящуюся близко к частоте стандарта, а затем частоту лазера, находящуюся не слишком далеко от этого источника и т. д., используя в каждом случае метод гетеродинного преобразования на гармониках. Таким образом, применяется набор «переносчиков» характеристик стандартов в более высокочастотную область. Поясним метод измерений с помощью схемы, приведенной на рис. 51.

Излучения лазера 2, частоту которого необходимо измерить, а также излучение лазера 1 с известной частотой направляют в квазиоптический смеситель 5. В последнем происходит возбуждение гармоник частоты более низкочастотного сигнала лазера 1. причем сигнал гармоники наиболее близкой к частоте лазера 2. смешивается с сигналом этого лазера в результате чего образуется сигнал промежуточной частоты ^’_пр = ₂ – n₁. Поскольку абсолютные значения частот лазеров велики, в реальных условиях ^’_пр находится в диапазоне 10⁹ – 10¹¹ Гц и не может быть измерено достаточно точно, поэтому на смеситель подают также сигнал от источника 3, частота которого находится в этом же диапазоне, с тем, чтобы получить новую промежуточную частоту _пр = ^’_пр – ₃  10⁸ Гц, которую можно измерить при помощи частотомера.

В рассматриваемой схеме преобразователь частоты служит одновременно в качестве генератора гармоник и смесителя и представляет собой точечно контактный диод, в котором тонкая заостренная металлическая игла ( ~ 1 мкм) соприкасается с подложкой из полупроводника. Размеры острия подбираются таким образом, чтобы постоянная времени контакта  удовлетворяла соотношению   1/.

Однако практическая реализация такого метода трудоемкая и особенно в коротковолновой области спектра.