P R O J E K T B A D A W C Z Y Z A M A W I A N Y PBZ-MiN-009/T/00 Elementy i moduły optoelektroniczne do zastosowań w medycynie, przemyśle, ochronie środowiska i technice wojskowej SPRAWOZDANIE NAUKOWE.. Opracowanie układu kontroli i aktywnej stabilizacji częstotliwości mikrolaserów jednoczęstotliwościowych ciała stałego Kierownik: prof. dr hab. inż. K. ABRAMSKI Grupa tematyczna: I. Moduły optoelektroniczne do zastosowań w interferometrii Wykonawca Części Wyodrębnionej: Politechnika Wrocławska Kierownik : prof. dr hab. inż. Krzysztof ABRAMSKI Warszawa 004-00
Krzysztof M. Abramski Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Politechnika Wrocławska Wybrzeże Wyspiańskiego 50-0 Wrocław tel. () 0 0 4 fax. ()0 89 e-mail: krzysztof.abramski@pwr.wroc.pl Wrocław, dn.: października 00 roku SPRAWOZDANIE MERYTORYCZNE Z REALIZACJI ZADANIA. PROGRAMU PBZ-MIN-009/T/00 Opracowanie układu kontroli aktywnej stabilizacji częstotliwości mikrolaserów jednoczęstotliwościowych ciała stałego Projekt realizowany jest w Zakładzie Teorii Pola Elektromagnetycznego i Elektroniki Kwantowej przez członków Grupy Elektroniki Laserowo-Światłowodowej: prof. dr hab. Krzysztof Abramski kierownik projektu, dr inż. Arkadiusz Antończak, dr inż. Paweł Kaczmarek, mgr inż. Jarosław Sotor, Jan Kwiatek. W wyniku badań i optymalizacji opracowano końcową wersję stabilizowanego jednoczęstotliwościowego lasera Nd:YAG/KTP składającego się z trzech głównych modułów: bloku jednoczęstotliwościowego lasera Nd:YAG/KTP z filtrem Lyota, wzorca częstotliwości w postaci stabilizowanej termicznie światłowodowej siatki Bragga, części elektronicznej obejmującej układ detekcji, wzmacniania i regulacji PID oraz wzmacniacza mocy. Schemat budowy kompletnego lasera przedstawia rys.. 00,0 0 9 8 5 4 49, d Rys.. Jednoczęstotliwościowy mikrolaser Nd:YAG/KTP z filtrem Lyota: a) schemat budowy: TEC TM--.0-.9M, dioda pompująca HPD-00-8080, GRIN Casix PCH00, 4 Laser Nd:YAG Casix DPO0 (fx5mm,. HR@04nm R>99,8%, HR@5nm R>99%,AR@808nm R<5%,. AR@04nm R<0,%), 5 płytka Brewstera (fused silica mm), KTP xx5mm, - dichroiczne zwierciadło Casix DPO00 (. HR@04nm R>99,8%, AR@5nm R<5%,. AR@5nm R<0,%, r = 50mm), 8 stoliki (XY) do pozycjonowania diafragmy, 9 dzielnik światła dichroiczny 5/04nm, 0 pozycjoner kolimatora, kolimator, b) konstrukcja kolimatora, gdzie: F = 5mm, F = 5mm, odległość: d = 9,8mm, powiększenie x0
W celu określenia podstawowych parametrów zbudowanego lasera przeprowadzono pomiary: struktury częstotliwościowo-modowej lasera, mocy oraz jej fluktuacji w funkcji czasu, rozbieżności wiązki wyjściowej. Ponieważ struktura modowa promieniowania lasera dla modu podstawowego i drugiej harmonicznej jest identyczna, analizę spektralną lasera przeprowadzono w podczerwonym zakresie promieniowania (λ = 04nm). Pomiary przedstawione na rysunkach a i b przedstawiają odpowiednio: optyczne widmo lasera w przypadku pracy wielomodowej bez płytki Brewstera oraz w przypadku pracy jednomodowej z umieszczoną w rezonatorze płytką Brewstera. W przypadku pracy wielomodowej struktura modowa oraz ilość modów była przypadkowa i trudna w kontroli, podobnie jak stan polaryzacji światła na wyjściu lasera. W drugim przypadku uzyskano stabilną pracę jednoczęstotliwościową. Należy dodać, że zastosowanie płytki Brewstera (co wraz z KTP filtr Lyota) w mikrolaserze Nd:YAG/KTP oprócz wymuszenia pracy jednoczęstotliwościowej pozwala również na uzyskanie liniowej polaryzacji promieniowania dla długości fali λ = 5nm. Rys.. Optyczne widmo lasera Nd:YAG/KTP z filtrem dwójłomnym: a) praca wielodomowa bez płytki Brewstera, b) praca jednomodowa z umieszczoną w rezonatorze płytką Brewstera Płynna zmiana temperatury lasera pozwoliła na praktyczną weryfikację wartości zakresu ciągłego przestrajania bez przeskoków na sąsiednie mody podłużne. Wynosiła ona ΔT q = 0,5 o C rysunek a. Pracę jednoczęstotliwościową utrzymano w zakresie około ΔT = 5, o C, co odpowiadało przestrojeniu lasera o wartość Δν = 0GHz @ 04nm czyli ponad 00GHz dla długości fali λ = 5nm rysunek b. Rys.. Optyczne widno lasera: a) przestrajania lasera w trybie: mode-hop (Δν 0 = 8,48GHz) przy zmianie temperatury lasera o T q = 0,48 C, b) dwa skrajne przypadki pełnego zakresu przestrajania (ΔT = 5, o C) lasera wynoszącego: 0GHz @ 04nm zakres pracy jednomodowej
Założeniem projektu była budowa jednoczęstotliwościowego lasera o mocy wyjściowej kilku mw. Opracowana przez nas konstrukcja charakteryzuje się mocą wyjściową rzędu 40mW @5nm dla TEM00. Pomiar typowych fluktuacji mocy w funkcji czasu przedstawiono na rys 4. 4 P@5 [mw] 0 8 4 0 0 50 00 50 00 50 00 50 400 t [s] Rys. 4. Fluktuacje mocy wyjściowej lasera dla długości fali 5nm w funkcji czasu. Pomiary przeprowadzono dla mocy pompy P 808nm = 0mW i temperatury kryształu T =, o C Pomiary zostały przeprowadzone z krokiem 00ms i rozdzielczością miernika mocy wynoszącą 0,mW. Uzyskano stałość mocy ma poziomie: ±0,8% tj. ±0,mW przy średniej mocy wyjściowej P 5nm =,8mW. Pomiar rozbieżności wiązki wyjściowej przeprowadzono na wyjściu lasera za układem kolimatora. Uzyskano wiązkę o średnicy <,5mm na ustalonym odcinku 0m. Budowę zastosowanego kolimatora oraz obraz pola modowego przedstawia rys.5. Rys. 5. a) - Kolimator wiązki wyjściowej lasera w układzie lunety Galileusza, gdzie: - F = =-5mm, - F = 5mm, odległość: d = 9,8mm, powiększenie x0. Uzyskano wiązkę o średnicy <,5mm na odcinku 0m, b) - obraz pola modowego oraz jego analiza D w programie SyBaWiLa.0
Stałość częstotliwości mikrolaserów ograniczona jest stałością znacznika częstotliwości (@04nm) światłowodowej siatki Bragga a w szczególności jej stałości temperaturowej, która to determinuje i pozwala określić stałość częstotliwości budowanego lasera. W ramach projektu zakupiono pięć atermicznych i trzy standardowe światłowodowe siatki Bragga. Celem przeprowadzenia pomiarów zaprojektowano i wykonano układ kontroli termicznej siatek. Rys.. Układ kontroli (stabilizacji) temperatury FBG: a) schemat budowy gdzie: gniazdo siatki, czujnik temperatury, element Peltier, 4 radiator, b) fotografia zbudowanego układu. Dla każdej siatki przeprowadzono badania stromości zbocza oraz stałości temperaturowej parametrów wprost determinujących możliwy do osiągnięcia poziom stałości częstotliwości. W poniższym raporcie zamieszczono jedynie wybrane pomiary ww. siatek. pomiar stromości zbocza siatek atermicznych:,8db,9 pm =>,4 GHz Rys.. FBG stromość zbocza siatek atermicznych. W pierwszym etapie wykonano pomiary siatek przy wykorzystaniu ASE lasera Nd:YAG (bez lustra transmisyjnego). Stromość zbocza lepsza niż: 0, db/ghz oznacza, że przy założonym poziomie mocy wejściowej w torze stabilizacji @04nm na poziomie ok. mw uzyskujemy sygnał dyskryminacyjny o czułości,µw/0mhz co dla typowego fotodetektora (0,8A/W) doje zmiany sygnału,4µa na każde 0MHz. Jest to wartość znacznie przewyższająca prąd ciemny i szumy diody. Pozwala więc na uzyskanie założonej stałości częstotliwości. Znacznie dokładniejsze pomiary uzyskano dokonując wprost dyskryminacji częstotliwości przestrajanego lasera zmianą temperatury o wartość 0, o C co odpowiada zmianie częstotliwości promieniowania lasera o f = 800MHz rys.8. - fluktuacje częstotliwości badanego lasera - dryft częstotliwości spowodowany zmianą temperatury lasera o T = 0. o C Rys.8. FBG dyskryminacja częstotliwości promieniowania lasera: a) dziedzina czasu ( sygnał dyskryminacji częstotliwości lasera na FBG, sygnał odniesienia mocy), b) dziedzina częstotliwości (przestrojenie lasera o f = 800MHz)
W tym przypadku otrzymano wynik nieco lepszy wynik: U/ f 0,44mV/0MHz. Oznacza to że światłowodowe siatki Bragga mogą być wykorzystane jako znacznik częstotliwości do stabilizacji lasera. Kolejnym krokiem był: pomiar stałości temperaturowej: W tym celu przeprowadzono pomiary siatek w zakresie 0-55 o C. -0.0 04.00 Power level [dbm] -80.0-90.0 0 C 5 C 0 C 5 C 5 C 45 C Wavelength λ [nm] 0.80 measured point polynomial fit non-athermal package 55 C -00.0 0.9 0.8 0.8 0.85 Wavelength λ [nm] b) Rys.9. Pomiary stałości temperaturowej siatek a) rodzina charakterystyk obrazujących zmianę położenia centrum siatki w funkcji temperatury, b) wykres porównujący atermiczną i standardową siatkę Bragga Przeprowadzone pomiary pozwalają określić stałość temperaturową siatek jako: 0,5pm/ o C (9MHz/ o C). Stabilizacja temperatury siatek z dokładnością 0, o C pozwala uzyskać dewiację częstotliwości mniejszą niż 9,MHz co w efekcie pozwala uzyskać założony poziom stałości częstotliwości Sn <. 0-8. Podstawowa wada /zaletą atermicznych siatek Bragga jest brak możliwości przestrojenia ich na określoną długość fali. Ponieważ zamówione i wykonane siatki Bragga na skutek rozbieżności wskazań optycznego analizatora widma w naszym zakładzie i firmie AOS odbiegały ok. 0,nm (wartość porównywalna z dokładnością analizatora) od pożądanej długości fali do pierwszych prób układu stabilizacji zamówiono standardowe siatki Bragga. Podobnie jak poprzednio określono ich stromość zbocza i stałość temperaturową. pomiar stromości zbocza i stałości temperaturowej. a) - fluktuacje częstotliwości badanego lasera - sygnał dyskryminacji częstotliwości przy zmianie częstotliwości promieniowania lasera o ok. F =,9GHz 0.0 0 5 0 45 0 Temperature [ C] Stromość zbocza badanej siatki wynosiła: U/ f 0,9mV/0MHz. Jest to wynik równie dobry jak w przypadku siatek atermicznych ( U/ f 0,44mV/0MHz). b) 04,5 04, λ =f(t) 04,5 04, λ [nm] 04,5 04, 04,05 04 0 5 0 5 0 5 40 45 50 55 0 5 Rys.0. Pomiary siatek standardowych a) stromości zbocza, b) stałości termicznej T [C] Przeprowadzone pomiary pozwoliły określić stałość termiczną siatek na poziomie (λ 0 = 04,09nm@5 o C) λ 0 / T =,8pm/ o C co stanowi wynik gorszy o 9,4x względem siatek atermicznych i pozwala na uzyskanie roboczej stałości częstotliwości lasera na poziomie 0 -.
Opracowano i zrealizowano układy elektroniczne pętli sprzężenia zwrotnego stabilizacji mikrolasera. W celu minimalizacji kosztów zaprojektowano układ modułowy mogący po odpowiedniej konfiguracji i rozszerzeniu pełnić funkcje: stabilizacji temperatury diody pompującej, siatek Bragga jak i samego lasera. a) VDD IN SIG C 0uF P5 k R5 00 R 5k P k R5 0k C5 nf J NtcOff R 0k R 0 R 5k NTC 0k R4 k VCC 8 4 LCD OUT C5 0uF R5 0k C 00nF R5 00k P54 00k R54 0M 5 C5 40nF C nf U5B OPA440 J5 IntOff 9 R58 8 0k U5A 0 OPA40 U5C OPA440 5 Differentional R8 C54 TC: 00ms to s xk uf R0 M R k U LM85,5V R9 k +IN RG 8 RG -IN U AD0A +VS -VS 4 OUT REF P5 5k R59 00k P5 5k 5 C5 0uF Integrator TC:s - 0s C5 uf Proporcional R5 00k VCC R 0k R 0k 4 U5D OPA440 P 0k 4 R55 0k R 0k U5A OPA440 J5 DifOff POWER C55 00nF R4 0k U5B OPA40 45 C0 0p VCC PWM MODULE CZ 00n C08 0nF J0 R0 4k D0 RED R0 0k C0 uf D0 GREEN CZ 00n VDD CZ4 00u VDD CZ 00u VCC C0 uf R00 k 4 5 8 P00 k R0 R0 x0k R04 R05 x80 AVDD AGND ROSC COSC AREF IN+ IN- SD L00 0uH C0 uf C04 uf 0 9 8 5 FREQ INT/EX PWM PWM PWM FA FA0 H/C H/C H/C 9 0 4 5 T0 BC84A T0 BC84A C05 0uF PWM H/C U0 DRV59 4 0 9 8 L0 50uH C0 0uF 4 OUT TEC b) c) Rys.. Układ kontroli temperatury z regulatorem PID a) schemat blokowy, b) projekt PCB, c) fotografia zbudowanego układu Układ składa się z trzech bloków: AD0A przetwornik temperatura napięcie OPA40 & OPA440 układ PID DRV59 końcówka mocy PWM Powyższy układ został zoptymalizowany. Jego druga, ostateczna wersja znajduje się w załączniku D. Końcowym produktem Zadania jest jednoczęstotliwościowy Mikrolaser Nd:YAG/KTP stabilizowany częstotliwościowo na zewnętrzną światłowodową siatkę Bragga o stałości częstotliwości determinowanej przez stałość częstotliwości wzorca, czyli siatki Bragga. Schemat blokowy układu lasera przedstawia rys..
Rys.. Schemat blokowy jednoczęstotliwościowego lasera Nd:YAG/KTP Zbudowano dwa bliźniacze układy stabilizacji częstotliwości. Oba układy były stabilizowane na siatkach Bragga bez obudowy atermicznej ze stałością częstotliwości pm/ o C (,8GHz/ o C). Zakupione przez nas siatki Bragga w obudowie atermicznej posiadają stałość częstotliwości 0,5pm/ o C (9MHz/ o C), to znaczy dwadzieścia razy lepszą. Siatki w obudowach atermicznych miały jedną zasadniczą wadę ich środkowe częstotliwości wychodziły poza spektralny zakres generacji lasera Nd:YAG. Jeszcze w ubiegłym roku, gdy zamawialiśmy na obstalunek te siatki, producent (AOS, Drezno), gwarantował dokładność wykonania spektralnego centrum siatki (±0,5nm). Wykonane siatki wychodziła poza zakres pracy lasera co najmniej 0,nm. Nie mieliśmy podstaw do reklamacji. Toteż, by nie ryzykować kupnem następnych atermicznych siatek o takiej niedokładności centralnej długości fali, jak również mając na uwadze długi termin wykonywania tych siatek (poprzednio czekaliśmy na siatki miesięcy), zdecydowaliśmy się na kupno siatek bez obudowy atermicznej, ale za to termicznie przestrajalnych (O/E Land Inc., Kanada), jednak o 0-krotnie gorszej stałości częstotliwości. Ostatnio Firma AOS, zainspirowana naszą koncepcją wykorzystania siatek jako spektralnych wzorców częstotliwości, poszerzyła ofertę siatek atermicznych ze znacznie większą dokładnością spektralną oraz możliwością ich przestrajania w zakresie 00pm. Dwa bliźniacze lasery Nd:YAG/KTP, każdy stabilizowany na odrębna siatkę Bragga, zestawiono w układ heterodyny optycznej, co pozwoliło na analizę stałości częstotliwości tych laserów. Zmierzona długoterminowa stałość częstotliwości mikrolaserów na tych siatkach wynosiła 0MHz, co daje stałość częstotliwości lasera: 0 -. Zatem zastosowanie siatek atermicznych powinno dać stałość: 0-8. Uzyskane wyniki potwierdzają, że niespełna dwa lata temu zaproponowana przez nas oryginalna (dwa zgłoszenia patentowe P994 i P994 z dnia 9 czerwca 00 roku) metoda stabilizacji częstotliwości za pomocą siatek Bragga (jest metodą praktycznie realizowalną i przy zastosowaniu stabilnych atermicznie światłowodowych siatek Bragga pozwala na osiągnięcie metrologicznej stałości częstotliwości 0-8. Zatem zbudowane lasery spełniają w pełni założenia Projektu. W załączniku zamieszczono pełna dokumentację techniczną tj.: rysunki techniczne, schematy oraz wzory płytek drukowanych.