Nuevos sistemas electrónicos de comparación de frecuencias mediante interferómetro michelson para la estabilización de diodos láser

Resumo

Esta Tesis Doctoral forma parte de una línea de investigación del Departamento de Física Aplicada de la Universidad de Vigo en colaboración con el Laboratorio Oficial de Metrología de Galicia (LOMG) cuyo objetivo último es la estabilización electrónica de diodos láser para aplicaciones interferométricas, entre las que se puede citar el desarrollo de un sistema de calibración de Bloques Patrón Longitudinales (BPL). La calibración de BPLs se realiza típicamente aplicando el método de excedentes fraccionarios a una serie de patrones de franjas proporcionados por un sistema interferométrico en el que se emplean por lo menos dos fuentes láser de gas tipo He-Ne ultraestabilizadas en longitud de onda. El proceso precisa de un módulo interferométrico encapsulado con control ambiental fino, un sistema electrónico de control para el posicionado de los BPLs y la modulación de fase óptica, un sistema de adquisición y procesamiento de imagen encargado de obtener la fase óptica mediante la combinación apropiada de uno o más patrones de franjas. El proceso de decodificación que proporciona la fase óptica emplea habitualmente Algoritmos de Desplazamiento de Fase (ADFs) combinados con un proceso adicional de reconstrucción de fase (“unwrapping”) que proporcione la fase real teniendo en cuenta el orden de las franjas del patrón interferométrico a partir de los valores principales de fase. Durante el proceso, la temperatura, la presión atmosférica y la humedad relativa deben estar monitorizadas para obtener la variación del índice de refracción del aire. Los equipos comerciales existentes son sistemas cerrados de precio muy elevado y normalmente se sitúan en los laboratorios nacionales de referencia. Uno de los elementos que más los encarece son las fuentes láser ultraestabilizadas de He-Ne, con un ancho de banda inferior a 1 MHz que permite calibrar BPL menores de 100 mm con incertidumbres menores de 50 nm. El uso de de diodos láser ultraestabilizados permite reducir el coste de forma notable con una estabilidad en longitud de onda similar. La estabilización en la longitud de onda de los diodos se consigue actuando sobre la corriente de alimentación y la temperatura, y la ultraestabilización mediante técnicas de anclaje en frecuencia con una celda de gas y un actuador piezoeléctrico. Con este procedimiento, el ancho de banda de los diodos láser se puede reducir a menos de 1 MHz (igual que con los láseres de gas) utilizando la electrónica de control necesaria y con precios mucho más económicos. Una vez conseguida la estabilización de los diodos láser es importante conocer con exactitud la longitud de onda resultante, para lo que se necesita un láser de referencia calibrado y un sistema electrónico de comparación de ambos láseres. Esta Tesis Doctoral se centra fundamentalmente en los elementos electrónicos necesarios para la medida de la longitud de onda de diodos láser mediante un sistema con interferómetro Michelson de brazo móvil. Se ha desarrollado un nuevo prototipo basado en el método Vernier, mejorando y actualizando desarrollos anteriores. También se ha desarrollado una nueva técnica de medida que hemos denominado “cuenta de multicoeficientes con restos fraccionarios” (“multicoefficient fractional counting”) que combina y mejora métodos anteriores utilizando marcas de tiempo, multicoincidencias y promediado de múltiples medidas, junto con el uso de restos fraccionarios de las franjas de interferencia para mejorar la precisión. También se ha contemplado la función final del sistema, abordando tareas relacionadas con el sistema electrónico de control de generación y adquisición de patrones de franjas y su posterior procesado mediante algoritmos diferenciales de desplazamiento de fase ADDFs, así como el proceso de reconstrucción de fase o unwrapping.