Гелий-неоновые лазеры, стабилизированные методом терморегулирования по заданному соотношению интенсивностей ортогонально поляризованных мод излучения [1], нашли применение в лазерных интерферометрах, используемых для линейных измерений в машино- строении. Ниже рассмотрены характеристики и особенности двух таких лазеров – ЛГН-303М и ЛГН-304М.

Характеристики и особенности ЛГН-303М и ЛГН-304М

Лазер ЛГН-303 был разработан в 1985 году и выполнен в виде двух блоков: блока излучателя и блока электроники. Они состыковывались с помощью двух кабелей – высоковольтного и сигнального. Этот лазер использовался в машиностроении и в геоэкологии в составе лазерного интерферометра-деформографа [2]. Однако для таких целей, а также для линейных измерений в машиностроении предпочтительнее использовать модернизированные приборы этого класса – ЛГН-303М и ЛГН-304М, разработанные в компании "Лазервариоракурс" в 2006 году.

Основное отличие лазера ЛГН-303М от ЛГН-303 в том, что он выполнен в виде моноблока, объединяющего излучатель, источник питания и систему автоподстройки частоты излучения (метод стабилизации частоты – аналогичен). Преимущество такой конструкции в данном типе лазеров – повышенная надежность благодаря отсутствию высоковольтного кабеля. Нестабильность частоты уменьшена благодаря дополнительной защите излучателя от действия внешних возмущающих факторов. Чтобы уменьшить рассеиваемую мощность моноблока, используется двухполярное питание на постоянном токе с напряжениями +15 В и –24 В. Для согласования с сетью питания 220 В (50 Гц) к прибору прилагается соответствующий адаптер, который выполняется на любое напряжение питания (12 или 24 В), что позволяет использовать для питания аккумуляторы или бортовую сеть 27 В. Прибор может работать в полевых условиях, что важно для применения ЛГН-303М в геоэкологии.

Конструкция лазера

Рассмотрим конструкцию лазера. Его основой является активный элемент (рис.1), выполненный в виде газоразрядной трубки с внутренними зеркалами. Расстояние между зеркалами равно 230 мм, диаметр капилляра 1 мм. Наполнение трубки – смесь гелия-3 и неона-20 в пропорции 7:1. Активный элемент работает при токах 5 мА и имеет выходной спектр излучения в виде двух линейных ортогонально-поляризованных мод P || и P ? с разносом 640 МГц (рис.2).

Рис.1. Конструкция активного элемента лазера ЛГН-303М
1 – баллон газоразрядной трубки; 2 – разрядный капилляр; 3 – катод; 4 – анод; 5 – вывод катода;
6,7 – юстировочные втулки; 8 – плоское "прозрачное" зеркало; 9 – сферическое "плотное" зеркало.

he-ne-2
Рис.2. Спектр (а), зависимость мощности мод от частоты (б),
дискриминационная характеристика активного элемента лазера ЛГН-303М (в)

Мощности этих мод (см. рис.2) меняются в противофазе при изменении длины оптического резонатора ?L и частоты лазерного излучения, соответственно, а цикличность изменений соответствует межмодовому интервалу лазера ?/2. Это обстоятельство используется для стабилизации частоты излучения. Сущность процесса стабилизации в том, что излучение со стороны более плотного зеркала активного элемента (рис.3) пространственно разделяется по поляризациям с помощью двулучепреломляющего кристалла и поступает на двухсекторный фотодиод. Получаемые два фототока вычитаются в дифференциальном усилителе и после обработки в пропорционально-интегро-дифференциальном (ПИД) регуляторе подаются (после усиления) на нагреватель, размещенный на боковых стенках активного элемента. Этот нагреватель устанавливает такую температуру активного элемента, при которой длина оптического резонатора соответствует равенству мощностей излучения ортогонально поляризованных мод излучения. При нагревании лазера от внешнего источника тепла ток нагревателя уменьшается, а при охлаждении, наоборот, нарастает. Тем самым поддерживается постоянное расстояние между зеркалами оптического резонатора и стабилизируется частота излучения.

Рис.3. Функциональная схема стабилизации частоты излучения лазера ЛГН-303М

При использовании частотно-стабилизированных гелий- неоновых лазеров с внутренними зеркалами в прецизионной аппаратуре, например в интерферометрах, часто возникают проблемы устойчивости лазеров к обратным отражениям. Это связано с тем, что в лазерах рассматриваемого типа генерируются две ортогонально-поляризованные моды, которые при обратном отражении имеют склонность к скачкам поляризации. Этот недостаток практически полностью устранен в лазере ЛГН-304М.

В данном приборе использован активный элемент с относительно коротким оптическим резонатором (около 100 мм), внутри которого размещена пластинка Брюстера. В результате поляризация излучения жестко стабилизирована, что и определяет малую чувствительность к обратным отражениям. При этом (благодаря малой длине оптического резонатора) мощность излучения в свободном режиме генерации меняется от 0,1 до 0,35 мВт, а спектр излучения содержит одну частоту практически во всём диапазоне перестройки. Стабилизация частоты в этом случае осуществляется аналогично тому, как и в лазерах типа ЛГН-303, – методом терморегулирования длины резонатора, но не по равенству мощностей ортогонально поляризованных компонентов излучения, а по заданному уровню единственной одночастотной моды.

Лазер ЛГН-304М выполнен в виде моноблока с габаритами 160х87х42 мм, питание и адаптер питания такие же, как у лазера ЛГН-303М (параметры лазеров см. в таблице 1).

Таблица 1. Основные параметры лазеров ЛГН-303М и ЛГН-304М

Наименование параметра	ЛГН-303 М	ЛГН-304 М
Спектральный состав излучения	Двухчастотный, две поляризации	Одночастотный, одна поляризация
Средняя мощность лазерного излучения, мВт, не менее	2,0	0,25
Длина волны излучения, мкм	0, 6329910±2*10-7	0,6329910±4*10-7
Время готовности, мин, не более	30	20
Относительная нестабильность частоты (8 ч)	2 . 10-9	1 . 10-8
Относительная нестабильность мощности излучения (30 мин)	0,5	0,2
Габаритные размеры, мм	280х140х42	160х87х42

Отличительная черта обеих конструкций – наличие жесткой механической привязки активных элементов к металлическим трубкам, выступающим с обеих сторон металлических корпусов и служащим местами посадки приборов в лазерных интерферометрах. Это обеспечивает высокую пространственную стабильность выходного лазерного излучения.