[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究调查了在633 nm波长下，He-Ne射频激励放电的径向光学增益分布，表明在气压7–9 mbar和射频功率约200 mW时，环形激光陀螺仪（RLG）可实现最佳单横模运转。通过使用扫描探针激光测量沿孔径直径的增益，并对随时间变化的污染效应进行校正，作者确定了最大化增益均匀性和稳定性的条件，从而在他们的GP2 RLG原型中实现了稳定的横向和纵向单模振荡。

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.

研究动机与目标

• 表征633 nm波长下射频激励He-Ne放电的径向光学增益分布。
• 确定在大尺寸环形激光陀螺仪（RLG）中实现稳定单模运转的最佳气压和射频功率。
• 校正低气压气体放电中随时间变化的污染效应对增益测量的影响。
• 通过在真实RLG装置（GP2）中测试其预测，验证实验增益模型。
• 将射频激励的增益分布与历史上的直流激励数据进行比较，评估其在高精度RLG应用中的相关性。

提出的方法

• 使用具有150 µm束腰的He-Ne激光探针，通过微调螺丝在5.6 mm孔径直径范围内扫描，以绘制径向增益分布。
• 探针光束经斩波器调制，并通过焦距为300 mm的透镜聚焦，以确保光束精确对准放电中心。
• 使用中心频率约150 MHz的射频发生器，为间距3 mm、宽10 mm的两块铜电极之间提供放电等离子体，通过可变电容器实现阻抗匹配。
• 在固定位置测量随时间变化的增益衰减，采用双指数函数建模污染效应：G(t) = G₁e⁻ᵗ⁄τ₁ + G₂e⁻ᵗ⁄τ₂。
• 利用时间依赖模型对增益数据进行校正，以消除玻璃孔径氢气脱吸引起的漂移。
• 利用校正后的径向增益分布确定最佳工作条件，并在GP2 RLG原型中进行测试。

实验结果

研究问题

• RQ1 在633 nm波长下，射频激励He-Ne放电的径向光学增益分布如何随气压和射频功率变化？
• RQ2 随时间变化的污染（如氢气脱吸）对测量增益值有何影响，如何进行校正？
• RQ3 射频激励He-Ne放电的径向增益特性与直流激励放电相比，在形状和幅度上有何异同？
• RQ4 何种气压与射频功率组合可确保大尺寸RLG中稳定的横向和纵向单模运转？
• RQ5 在优化条件下，能否在真实RLG装置中实验验证预测的增益行为？

主要发现

• 射频激励He-Ne放电的径向光学增益分布呈对称的钟形曲线，中心位于孔径轴线上，与直流激励放电行为一致。
• 在1.33 mbar气压和高射频功率（约500 mW）下，中心区域出现增益饱和，表明存在非线性增益行为。
• 测得的单位长度增益范围为每米1%至20%，与早期文献报道的量级相符（例如，Spoor和Latimer，1974年）。
• 时间依赖的污染导致增益呈双指数衰减，时间常数τ₁ ≈ 1000 s，τ₂ ≈ 100 s，该模型成功建立并完成校正。
• 在GP2 RLG原型中，当总气压为7–9 mbar、射频功率约为200 mW时，实现了稳定的横向和纵向单模运转。
• 最佳工作区域能够在克服100 ppm腔体损耗的同时避免多模阈值，经实验验证确认。