[論文レビュー] Radial distribution gain at 633 nm in a He-Ne RF-excited small bore discharge

Giacomelli, Umberto, Beverini, Nicolò+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2021

Geophysics and Sensor Technology被引用数 3

ひとこと要約

本研究は633 nmにおけるヘリウムネオン（He-Ne）RF励起放電の径方向光学利得分布を調査し、リングレーザーギロスコープ（RLG）における最適な単モード動作が7–9 mbarのガス圧および約200 mWのRF出力で達成されることを示している。スキャンプローブレーザーを用いてブール径全体で利得を測定し、時間依存的汚染の補正を施した結果、利得の均一性と安定性を最大化する条件を同定し、GP2 RLGプロトタイプで安定した横モードおよび縦モードの単モードレーザー発振を実現した。

ABSTRACT

Devices as Large Ring Laser Gyroscopes (RLG) for fundamental physics and geophysics investigation are currently run by means of RF power supply systems. This is not the standard method to supply a gas laser, that typically is powered with a DC system. In literature RF power supply lasers have been studied several years ago, and to correctly understand the behaviour of devices as RLG a more detailed study has been pursued. Detailed study of the radial distribution of the optical gain of an He-Ne discharge cell in function of gas pressure and RF power supply will be illustrated, discussed and compared with existing literature. The presented analysis demonstrates that it is possible to optimize the RLG operation with a proper choice of gas pressure and power level of the RF power supply. Accordingly we have been able to establish transversal and longitudinal single-mode operation our prototype GP2.

研究の動機と目的

• 633 nmにおけるヘリウムネオンRF励起放電の径方向利得分布を特徴づけること。
• 大スケールフレームリングレーザーギロスコープ（RLG）における安定な単モード動作に最適なガス圧およびRF出力を特定すること。
• 低圧ガス放電における時間依存的汚染効果が利得測定に与える影響を補正すること。
• 実際のRLG装置（GP2）での予測の妥当性を検証するため、実験的利得モデルを検証すること。
• RF励起利得プロファイルを歴史的DC励起データと比較し、高精度RLG用途における関連性を評価すること。

提案手法

• 150 µmのウエストを有するヘリウムネオンレーザープローブを、マイクロメータースクリューを用いて5.6 mmのブール径全体を走査し、径方向利得分布をマッピングした。
• プローブビームはチョッパーで変調され、300 mmの焦点距離を持つレンズで集光され、放電中心部への正確なビーム位置決めを確保した。
• 約150 MHzのRF発生器が、3 mm間隔の10 mm幅の銅電極間のプラズマ放電を駆動し、可変コンデンサによるインピーダンス整合が行われた。
• 固定位置での時間依存的利得低下を測定し、二重指数関数を用いて汚染効果をモデル化した：G(t) = G₁e⁻ᵗ⁄τ₁ + G₂e⁻ᵗ⁄τ₂。
• 時間依存的モデルを用いて利得データを補正し、ガラスブールからの水素脱ガスに起因するドリフトを除去した。
• 補正済みの径方向利得プロファイルを用いて最適な動作条件を同定し、その条件をGP2 RLGプロトタイプでテストした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RF励起ヘリウムネオン放電の633 nmにおける径方向光学利得プロファイルは、ガス圧およびRF出力にどのように依存するか？
• RQ2 時間依存的汚染（例：水素の脱ガス）が測定利得に与える影響は何か？ そして、その影響をどのように補正できるか？
• RQ3 RF励起ヘリウムネオン放電の径方向利得特性は、DC励起放電と比較して形状および大きさの面でどのように異なるか？
• RQ4 ガス圧およびRF出力のどの組み合わせが、大スケールフレームRLGにおける安定した横モードおよび縦モードの単モード動作を保証するか？
• RQ5 最適化条件下での実際のRLG装置で、予測された利得行動が実験的に検証可能か？

主な発見

• RF励起ヘリウムネオン放電の径方向光学利得プロファイルは、ブール軸を中心に対称的かつベル型の分布を示し、DC励起放電と一致する。
• 1.33 mbarおよび高RF出力（約500 mW）の条件下では、中心部で利得の飽和が観察され、非線形利得行動が示された。
• 測定された単位長さあたりの利得は1%～20%／mの範囲にあり、以前の文献（例：SpoorとLatimer, 1974）で報告されたオーダーと一致した。
• 時間依存的汚染により利得が二重指数関数的低下を示し、時間定数τ₁ ≈ 1000 sおよびτ₂ ≈ 100 sであったが、これらは成功裏にモデル化され補正された。
• GP2 RLGプロトタイプでは、全圧7–9 mbarおよびRF出力約200 mWの条件下で、安定した横モードおよび縦モードの単モード動作が達成された。
• 最適な動作領域は、100 ppmのキャビティ損失を補償するのに十分な利得を提供するとともに、マルチモード閾値を回避するバランスを保つものであり、実験的検証で確認された。