LASERY V METROLOGII A INTERFEROMETRII

Prezentace na téma: "LASERY V METROLOGII A INTERFEROMETRII"— Transkript prezentace:

1 LASERY V METROLOGII A INTERFEROMETRII
Josef Lazar, Ústav přístrojové techniky AVČR

2 Metrologie Diagram znázorňuje vazby mezi 7 základními veličinami systému SI: Je zřetelná závislost jednotky délky na jednotce času Vazba je prostřednictvím konstanty rychlosti světla ve vakuu „c“ Reprezentace: čas – cesiové hodiny (rf oscilátor), délka – laser (interferometr)

3 Laser – primární etalon délky
„Metr je délka, kterou urazí světlo ve vakuu za interval 1/ sekundy.“ Návaznost etalonů délky od primárního normálu: Vysoce stabilní laser Koncová měrka Mechanická měřidla Interferometr Interferometr převádí přesnou hodnotu vlnové délky na praktické měření vzdálenosti prostřednictvím odpočítávání počtu vlnových délek. Jeho přesnost je ovlivněna: Stabilita optické frekvence laseru Interferometr Měření ve vakuu, l = c / n Stabilita optické frekvence laseru Měření ve vzduchu, l = c / (n . n) Interferometr Index lomu vzduchu

4 He-Ne-I2 laser, základní etalon délky

5 He-Ne-I2 laser s digitálním zpracováním signálu
The design of electronic control (detection chain and stabilization of optical frequency to hyperfine components of the R(127)11-5 iodine transition) was done with a computer control with a graphic interface.

6 Polovodičový laser s externím rezonátorem (ECL)
LD s jednou z fazet nahrazenou selektivním reflektorem je cestou jak získat LD s nejlepšími spektrálními vlastnostmi. Konfigurace “Littrow“, mřížka působí jako selektivní člen, odráží svazek prvního difrakčního řádu zpět do laserové diody. Natočením mřížky je dána vlnová délka. Nultý řád slouží jako užitečný výstup. Konfigurace “Littmann“ – svazek z LD dopadá na mřížku pod velkým úhlem. Laser je laděn zrcadlem, nultý řád slouží jako užitečný výstup.

7 Konstrukce polovodičových laserů s externím rezonátorem
Naše první verze využívala nastavitelnou mřížku a držák laserové diody termostatizovaný odděleně od tělesa rezonátoru. Následovala kompaktnější verze s tělesem rezonátoru z jednoho kusu s nastavitelným bodem otáčení držáku zrcadla.

8 Experimentální a kompaktní verze ECL
ECL navržený pro experimenty a testování antireflexních vrstev pro laserové diody na vlnové délce 635 nm. Kompaktní ECL, stabilní a robustní laser pro metrologické aplikace, interferometrii, spectroscopii, atd. Navržen pro vlnovou délku 633 nm, jako náhrada He-Ne laserů.

9

10 Záznamy spektra hyperjemných komponent jodu použitých pro stabilizaci ECL
Přechody: P(33)6-3 a R(127)11-5 využívané pro stabilizaci He-Ne laserů, jsou na hranici šumu Skupina silných překrývajících se přechodů: R(60)8-4 R(125)9-4 P(54)8-4 (nejsou v měřítku)

11 Stabilizovaný ECL – výsledky srovnávání
« 10-12 14 kHz 19 kHz BNM – ECL R(60)8-4, R(125)9-4, and P(54)8-4 ISI1 – ECL 25 kHz 40 kHz P(33)6-3 mean() He-Ne-I2 R(127)11-5 rel. stability 100 second mean(f) reference (transition) unknown Relativní stabilita laseru ve srovnání s He-Ne normálem je vyjádřena v závislosti na integrační době prostřednictvím Allanových variancí

12 Technologie výroby absorpčních kyvet
Technologie výroby vyvinutá na našem pracovišti Trubice kyvety včetně okének z křemenného skla Okénka jsou mírně skloněna (~1O) a AR povrstvena na obou stranaách Svrchní vrstva z SiO2 uvnitř kyvety neovlivňuje čistotu jodu Kyveta je evakuována a odplyněna při teplotách do 400OC po dobu 100 hodin a plněna několikanásobně destilovaným jodem Byly vyrobeny kyvety až 1m délky

13 “Master oscillator” pulzního výkonového laseru PALS (Prague Asterix Laser System)
Laser výzkumného centra PALS je systému MOPA (Master Oscillator Parametric Amplifier) Základní vlnová délka: nm Délka pulsu: až 500 ps Doba opakování: 20 min Stabilita výstupní energie: < 1.5% Energie pulsu 400 ps: J Pulsní výkon: 3 TW

14 PALS – současný stav a cíle
Současný pulzní master oscilátor PALSu: jodový laser v mode-lock režimu, generující posloupnost pulzů různé amplitudy Cíl rekonstrukce laseru PALS: OPCPA (Optical Parametric Chirped Pulse Amplification) 200 J 20 fs 3w OPA 790 nm KOMPRESOR l=1.315 µm, 1 kJ, 500 ps DKDP KDP 438 nm 600J Jódový laserový systém ~10 J pump Optickým směšováním s rozmítanými fs pulzy bude možné po jejich opětné kompresi dosáhnout vyššího pulzního výkonu. 10 fs 500 ps 500 mJ ROZMÍTAČ (STRETCHER) fs oscilátor LBO 10 nJ Ti:safír l=790 nm předzesilovač(e) LiB3O5 lithium triborate

15 Sestava stabilizovaného polovodičového laseru
Nový Master Oscilátor (optovláknový front-end) je koncipován jako kontinuální stabilizovaný polovodičový laser na bázi DFB diody následovaný optovláknovými předzesilovači a spínaný elektrooptickým modulátorem. Laser je stabilizován na absorpční čáry v tepelně disociovaném jodu ve vyhřívané absorpční kyvetě. Část výstupního záření je využita ke stabilizaci. Detekce absorpčních čar a regulace frekvence je plně digitální.

16 Digitální detekce a stabilizace
Systém využívá dvou kontrolérů, jeden generuje modulační signál a synchronně s ním realizuje funkci lock-in zesilovače s filtrem. Vypočítává tak hodnotu regulační odchylky. Obsahuje i algoritmus identifikace absorpčních čar Druhý kontrolér je regulátorem teploty pouzdra DFB diody. Výstup ze synchronního detektoru určuje regulační hodnotu.

17

18 Etalon optické frekvence v telekomunikačním pásmu v okolí 1542 nm
Doporučení CIPM, Consultative Committee for Length na svém 10. Zasedání přidala k doporučeným vlnovým délkám:  1.11 Absorbing molecule 13C2H2, P(16) (ν1+ν3) transition The values f = MHz λ = fm with a provisional relative standard uncertainty of 5.2×10-10 apply to the radiation of a laser stabilized with an external 13C2H2 cell at a pressure range from 1.3 Pa to 5.3 Pa. Telecommunikační pásma, rozsahy vlnových délek: O – Band nm E - Band nm S - Band nm C - Band nm L - Band nm U - Band nm

19 Lineární absorpční spectroscopie acetylenu na 1542 nm s polovodičovým laserem
Laser source: DFB (Distributed Feedback) laser diode, type JDS Uniphase, the CQF 935/708. linewidth below 2 MHz, fiber coupled with integrated isolator Arrangement for linear absorption spectroscopy and laser stabilization with a fiber coupled semiconductor laser

20 Spectrum acetylenu 13C2H2 na 1542 nm
Part of the spectrum of the 13C2H2 acetylene at 1542 nm around the P(16) (ν1+ν3) transition. Spectrum was detected by digital first-harmonic derivative spectroscopy technique by thermal tuning and current modulation of the DFB laser.

21 Subdopplerovská detekce s laserem stabilizovaným na pasivní rezonátor
Similar arrangement where the FM lock to a passive cavity helps to reduce frequency noise of the DFB LD and weak subdoppler transitions are detected in 500mm cell.

22 Záznam stability Relative Allan standard deviation
Allan standard deviation [Hz] Integration time [s] free running (thermal stabilization only) stabilization to doppler broadened line P(16) sub-doppler stabilization, cells 100 mm, 2 Pa – 500 mm, 5.5 Pa sub-doppler stabilization, cells 500 mm, 2 Pa – 500 mm, 5.5 Pa

23 Laserová polarizace jader vzácných plynů
Polarizace jader (nerovnovážné rozložení populace jednotlivých jaderných spinů) He a Xe je možná optickým čerpáním, přímo (He), nebo výměnou spinu s parami alkalických kovů (Rb, K, Na, Cs). OPTICKÉ ČERPÁNÍ optickým čerpáním lze za přítomnosti magnetického pole polarizovat elektronový spin atomů alkalických kovů (Rb, K) a následně spinovou výměnou přenést polarizaci na jádra vzácných plynů (He, Xe) v praxi se používá rubidium (Rb): dostatečný tlak nasycených par při relativně nízkých teplotách (je určen teplotou kousku pevného Rb v kyvetě) koincidence absorpčních spektrálních čar s dostupnými lasery nm, titan-safírový laser čerpaný argonovým laserem, polovodičové lasery přenos (výměna) spinu na He je však účinnější prostřednictvím K, nebo Na, na Xe prostřednictvím Cs, nebo Rb.

24 Výměna spinu Opticky čerpané atomy Rb (a K) mohou vyměnit polarizaci spinu elektronu s jiným spinem, např. s jaderným spinem atomů vzácných plynů výměna spinu s 3He se děje binárními srážkami výměna spinu s 129Xe se děje prostřednictvím vzniku van der Waalsových molekul s delší dobou života (výrazně vyšší efektivita, než u He)

25 Spektrální charakteristiky laseru a absorpce v Rb
Optimální stav: stejná šířka absorpční čáry Rb a emisní čáry laseru - celý výkon laseru je absorbován, maximální účinnost čerpání (+ stabilita frekvence laseru - aby zůstal naladěn na čáru Rb) LASERY: LD: Dl= až několik nm, Rb: Dn=10 GHz (Dl=20 pm), rozdíl až 2 řády lze zúžit čáru laseru (viz dále) lze rozšířit absorpční čáru Rb přidáním He (buffer gas), viz obr. Ti:Sa laser čerpaný Ar laserem, P=1-2 W, Dl=v řádu GHz velkoplošná laserová dioda, P=až 5W, Dl=1-2nm pole laserových diod, P=až 200W, Dl=2-4nm

26 Experimentální sestava
LD – laser diode S-λ-3000C-200-H; LC – aspheric lens; APP – anamorphic prism pair; M2 – semireflecting mirror; M3,M4 – periscope; λ/4 – retardation plate; L1, L2 – telescope; HC – Helmholz coils; PD – photodetector; TC – cell; GR - grating

27 Zúžení emisní čáry ve výkonovém polovodičovém laseru s externím rezonátorem
Normalized line profiles of the original broad-stripe power (3W) semiconductor laser and the extended-cavity laser

28 FREQUENCY METHOD OF DISTANCE MEASUREMENT BASED ON
FABRY-PEROT INTERFEROMETER The method uses relation between wavelength and optical frequency 0 = c0 /  Michelson interferometer with quadruple passage of beams in measurement and reference arm of the interferometer Distance-to-optical frequency change converter based on Fabry-Perot resonator, HeNeI2 stabilized laser, and tunable laser Couple of measuring mirrors moved by PZT driven mechanical nano-stage L =  400 nm Optical Frequency Method

29 FABRY-PEROT RESONATOR – the first method
The tunable laser is locked to a resonant mode of the F.-P. resonator and the beat-frequency with an optical frequency standard determines distance changes: expression of tunability of F.P. resonator: FP = LFP / LFP . c /  = K . LFP for LFP = mm and LFP = 400 nm then: FP = 1276 MHz tunability of HeNe laser at   633 nm: HeNe >  650 MHz

30 FABRY-PEROT RESONATOR – the second method
A resonant mode of the F.-P. resonator is locked to the tunable laser. The tunable laser is frequency stabilized to required beat-frequency offset with respect to the optical frequency standard. Then length of F.-P. resonator is stabilized without the influence of PZT instabilities.

31 SUB-NANOMETER DISTANCE MEASUREMENT
DIFFERENTIAL MICHELSON INTERFEROMETER COUPLED WITH FABRY-PEROT RESONATOR BY PZT DRIVEN NANO-STAGE

32 SUB-NANOMETER DISTANCE MEASUREMENT
DIFFERENTIAL MICHELSON INTERFEROMETER COUPLED WITH FABRY-PEROT RESONATOR BY PZT DRIVEN NANO-STAGE Cip, Petru, Lazar, Buchta: Ultra-Precise Measurement of Distance by Fabry-Perot Resonator. Physica Scripta, T118, pp 48-50, 2005.

33 Přehled projektů Projekty v současné době v řešení
GAAV (Starčuk) Jaderná magnetická rezonance laserem polarizovaných vzácných plynů GAČR (Lazar) Magnetická polarizace jader xenonu s využitím výkonových polovodičových laserů GAAV (Lazar) Přesnost optické frekvence laserů stabilizovaných prostřednictvím saturované absorpce v jodu MPO Tandem (Číp) Soustava laserových interferometrů pro nanometrologii délek GAAV (Mikel) Využití vláknových mřížek při konstrukci polovodičových laserových zdrojů pro přesnou laserovou interferometrii a spektroskopii MŠMT (Zemánek) Centrum moderní optiky Projekty o které jsme žádali NPV II, MŠMT (Lazar) Bezpečné optické bezkabelové spoje pro municipální sítě Nano, AVČR (Lazar) Nanometrologie využívající metod rastrovací sondové mikroskopie NPV II, MPO (Číp) Výzkum metod diagnostiky koncových měrek pro přesné strojírenství GAČR (Číp) Metody stanovení hodnoty indexu lomu vzduchu s optickými rezonátory

34 Projekty v současné době v řešení
Magnetická polarizace jader xenonu s využitím výkonových polovodičových laserů cíle: - čerpání Rb Ti:Sa laserem - ECL laser na bázi „broad-stripe“ diody - zúžení čáry pole výkonových diod Přesnost optické frekvence laserů stabilizovaných prostřednictvím saturované absorpce v jodu cíle: - měření fluorescence - měření absolutních frekvencí I2 laserů s kyvetami vzájemným srovnáváním - (měření absolutních frekvencí I2 laserů porovnáváním s opt. syntezátorem) - souvislosti s technologií výroby kyvet a závěry pro technologii Soustava laserových interferometrů pro nanometrologii délek Nositel: J.Kůr (MESING) Spoluřešitelé: O.Číp (ÚPT), P.Balling (ČMI) cíl: - vyvinout sytém kalibračních interferometrů pro vysoce přesné kalibrace indukčnostních snímačů vyráběných v ČR.

35 Seznam lidí v našem týmu
Ing. Josef Lazar, Dr. Ing. Ondřej Číp, Ph.D. Ing. František Petrů, DrSc. Ing. Petr Jedlička, Ph.D. RNDr. Pavel Pokorný Ing. Břetislav Mikel Ing. Bohdan Růžička Ing. Zdeněk Buchta Mgr. Radek Šmíd Ing. Radek Helán Ing. Martin Čížek Ing. Jan Hrabina Richard Vašíček Tatiana Šarlejová