Устройство для измерения потерь кольцевого оптического резонатора

Полезная модель относится к области лазерной физики и может быть использована для измерения потерь в кольцевых оптических резонаторах на основе измерения ширины резонансной кривой на уровне ½ при пропускании через оптический резонатор излучения от внешнего задающего лазера. Требуемый технический результат, заключающийся в повышении чувствительности и точности устройства, достигается в устройстве, содержащем задающий лазер с блоком управления задающего лазера, вычислительный блок, последовательно соединенные первый фотоприемник, вход которого оптически соединен с выходом кольцевого оптического резонатора, используемого в качестве измеряемого, и первый аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с первым входом вычислительного блока, а также образцовый кольцевой оптический резонатор, одно зеркало которого оснащено пьезокерамическим двигателем с блоком управления пьезокерамическим двигателем, последовательно соединенные второй фотоприемник, вход которого оптически соединен с выходом образцового кольцевого оптического резонатора, и второй аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен со вторым входом вычислительного блока, а также оптический разделитель, вход которого оптически соединен с выходом задающего лазера, а первый и второй выходы - оптически соединены, соответственно, со входом образцового кольцевого оптического резонатора и кольцевого оптического резонатора, используемого в качестве измеряемого, при этом, вычислительный блок определяет ширину t_о резонансной кривой по уровню ½ образцового кольцевого оптического резонатора и ширину t_и резонансной кривой по уровню ½ кольцевого оптического резонатора, используемого в качестве измеряемого, а потери _и; в кольцевом оптическом резонаторе, используемом в качестве измеряемого, вычисляют по известным потерям _о образцового кольцевого оптического резонатора из соотношения . 1 ил.

Полезная модель относится к области лазерной физики и может быть использована для измерения потерь в кольцевых оптических резонаторах на основе измерения ширины резонансной кривой на уровне ½ при пропускании через оптический резонатор излучения от внешнего задающего лазера.

Предложенное техническое решение представляет собой устройство, содержащее элементы (блоки) и связи между ними, находящиеся в функционально-конструктивном единстве и размещенные в ограниченном пространстве с возможностью выполнения в едином корпусе.

Известно устройство [Грицай B.C., Попов В.Д., Лазерный измеритель оптических потерь. Электронная техника, сер. 10, квантовая электроника, 1, 74-76, 1975], содержащее активный лазерный резонатор, кронштейн, котировочные механизмы, механизм для внесения калиброванных потерь, поворотный стол, фотоприемник и микроамперметр, при этом, выход лазерного резонатора оптически соединен со входом фотоприемника, выход которого подключен ко входу микроамперметра.

Перед измерениями устройство калибруется. Для внесения калиброванных потерь используются две кварцевые пластины, связанные червячной передачей с лимбом. Зеркало, потери которого подлежат измерению, вводится в состав лазерного резонатора. Значения потерь определяются по показаниям микроамперметра.

Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности, позволяющие измерять потери только отдельных элементов лазерного резонатора (зеркал) и не позволяющие измерять потери резонатора в сборе.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство [Азарова В.В., Н.А. Ефремова. Комплексный метод измерения потерь и усиления в активных и пассивных кольцевых лазерных резонаторах. Квантовая электроника. 32, 3 (2002), стр. 241, рис. 2], содержащее последовательно соединенные задающий лазер с блоком управления задающего лазера и акустооптический модулятор, оптически соединенный с входом кольцевого оптического резонатора, а также последовательно соединенные фотоприемник, вход которого оптически соединен с выходом измеряемого кольцевого оптического резонатора, аналого-цифровой преобразователь и вычислительный блок.

В этом устройстве вычисление потерь по ширине резонансной кривой производится в вычислительном блоке по формуле

где t - ширина резонансной кривой по уровню ½, T - временной интервал между пиками пропускания.

Недостаток устройства заключается в том, что измерения малых потерь (менее 500 ppm) проводятся методом затухания резонансного излучения, а большие потери (более 500 ppm) измеряются по ширине резонансной кривой. Фактически в прототипе используется две различные установки (что заметно усложняет техническую реализацию), которые дают на границе диапазонов два разных значения потерь измеряемого резонатора. Определение величины T по формуле (1) требует перестройки в широком диапазоне оптических частот, что усложняет блок управления задающего лазера и приводит к возникновению дополнительных погрешностей, связанных с нелинейностью хода пьезокерамических двигателей. В результате относительная точность измерения потерь с этого устройства не превышает 10%, а величина относительной чувствительности ограничивается несколькими процентами.

Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, заключается в повышении чувствительности и точности устройства в рабочем диапазоне потерь от 100 до 50000 ppm.

Требуемый технический результат заключается в повышении чувствительности и точности устройства.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство для измерения потерь в кольцевом оптическом резонаторе, содержащее задающий лазер с блоком управления задающего лазера, вычислительный блок, а также последовательно соединенные первый фотоприемник, вход которого оптически соединен с выходом кольцевого оптического резонатора, используемого в качестве измеряемого, и первый аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с первым входом вычислительного блока, согласно предложенной полезной модели, введены образцовый кольцевой оптический резонатор, одно зеркало которого оснащено пьезокерамическим двигателем с блоком управления пьезокерамическим двигателем, последовательно соединенные второй фотоприемник, вход которого оптически соединен с выходом образцового кольцевого оптического резонатора, и второй аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен со вторым входом вычислительного блока, а также оптический разделитель, вход которого оптически соединен с выходом задающего лазера, а первый и второй выходы - оптически соединены, соответственно, с входом образцового кольцевого оптического резонатора и кольцевого оптического резонатора, используемого в качестве измеряемого, при этом, вычислительный блок определяет ширину t_о резонансной кривой по уровню ½ образцового кольцевого оптического резонатора и ширину t_и резонансной кривой по уровню ½ кольцевого оптического резонатора, используемого в качестве измеряемого, а потери _и, в кольцевом оптическом резонаторе, используемом в качестве измеряемого, вычисляют по известным потерям _о образцового кольцевого оптического резонатора из соотношения

.

На чертеже представлена функциональная схема устройства для измерения потерь в кольцевом оптическом резонаторе.

Устройство для измерения потерь в кольцевом оптическом резонаторе содержит задающий лазер 1 с блоком 2 управления задающего лазера и вычислительны блок 3.

Устройство для измерения потерь в кольцевом оптическом резонаторе содержит также последовательно соединенные первый фотоприемник 4, вход которого оптически соединен с выходом кольцевого оптического резонатора 5, используемого в качестве измеряемого, и первый аналого-цифровой преобразователь 6, выход которого соединен с первым входом вычислительного блока 3.

Кроме того, устройство для измерения потерь в кольцевом оптическом резонаторе содержит образцовый кольцевой оптический резонатор 7, одно зеркало 8 которого оснащено пьезокерамическим двигателем с блоком 9 управления пьезокерамическим двигателем, и последовательно соединенные второй фотоприемник 10, вход которого оптически соединен с выходом образцового кольцевого оптического резонатора 7, и второй аналого-цифровой преобразователь 11, выход которого соединен со вторым входом вычислительного блока 3, а также оптический разделитель 12, вход которого оптически соединен с выходом задающего лазера 1, а первый и второй выходы - оптически соединены, соответственно, со входом образцового кольцевого оптического резонатора 7 и со входом кольцевого оптического резонатора 5, используемого в качестве измеряемого.

Работает устройство для измерения потерь в кольцевом оптическом резонаторе следующим образом.

Блок 2 управления задающего лазера вырабатывает пилообразное напряжение U_PZT1, которое подается в задающий лазер 1, например, для управления его пьезодвигателем, и используется для перестройки по оптической частоте так, чтобы возникли резонансы в образцовом кольцевом оптическом резонаторе 7 и в кольцевом оптическом резонаторе 5, используемом в качестве измеряемого.

Одновременно с этим блок 9 управления пьезокерамическим двигателем, которым оснащено одно зеркало 7 образцового кольцевого оптического резонатора 6, регулирет напряжение U_PZT2 на пьезодвигателе так, чтобы резонансы образцового кольцевого оптического резонатора 7 и кольцевого оптического резонатора 5, используемого в качестве измеряемого, возникали примерно на одних частотах генерации задающего лазера.

Излучение с интенсивностью I₀ задающего лазера 1 делится оптическим разделителем 12 на два луча примерно одинаковой интенсивности I₀/2, которые направляются в образцовый кольцевой оптический резонатор 7 и кольцевой оптический резонатор 5, используемый в качестве измеряемого. В результате на их выходах появляется, соответственно, излучение с интенсивностью I_iо и излучение с интенсивностью I_iи. После соответствующих им преобразований во втором фотоприемнике 10 и втором аналого-цифровом преобразователе 11 и первом фотоприемнике 4 и первом аналого-цифровом преобразователе 6, эти излучения представляются в виде двух массивов чисел, по которым вычислительный блок 3 сначала определяет t_о - ширину резонансной кривой по уровню ½ образцового кольцевого оптического резонатора и t_и - ширину резонансной кривой по уровню ½ кольцевого оптического резонатора, используемого в качестве измеряемого, а затем, с учетом известного значения _о, соответствующего величине потерь образцового кольцевого оптического резонатора, определяют потери в кольцевом оптическом резонаторе 5, используемом в качестве измеряемого, по формуле

где t_о, t_и - ширина резонансной кривой по уровню ½ образцового кольцевого оптического резонатора и ширина резонансной кривой по уровню ½ кольцевого оптического резонатора, используемого в качестве измеряемого, соответственно;

_о, _и - потери образцового кольцевого оптического резонатора и кольцевого оптического резонатора, используемого в качестве измеряемого, соответственно.

С целью уменьшения влияния шумов и помех и повышения точности измерений потерь, ширина резонансной кривой по уровню ½ для образцового кольцевой оптического резонатора 7 и ширина резонансной кривой по уровню ½ кольцевого оптического резонатора 5, используемого в качестве измеряемого, могут быть использованы их аппроксимации функцией Лоренца с помощью алгоритма Левенберга-Марквардта:

,

где t - время, в которое преобразуется изменяющаяся оптическая частота при сканировании;

a₀, a₁, a₂ , a₃ - параметры функции Лоренца.

После нахождения параметров функции Лоренца искомые ширины резонансных кривых по уровню 0,5 определяются как

t=2·a₂.

Для подтверждения эффекта, связанного с повышением чувствительности и точности устройства, были проведены тестовые эксперименты, позволившие определить точностные характеристики предложенной двухканальной установки измерения потерь кольцевых оптических резонаторов с длиной волны =0,6328 мкм. Величина потерь определялась по ширине резонансной кривой в два этапа. В начале определялись потери образцового кольцевого резонатора. Затем, путем сравнения ширин двух резонансных кривых, определялись потери измеряемого кольцевого. Собственные колебания в резонаторах возбуждались при помощи излучения зеемановского кольцевого He-Ne лазера (=0,6328) с резонатором с неплоским контуром. Мощность одномодовой генерации лазера составляла около 50 мкВт. При измерении потерь образцового кольцевого резонатора собственные колебания возбуждались во встречных направлениях. Разность частот возбуждающих колебаний составляла около 80 кГц. Это значение частоты использовалось в качестве калибровочного значения при определении абсолютной величины потерь.

Проведенные измерения потерь кольцевого оптического резонатора (с плоским и неплоским контурами) показали, что данная установка обладает следующими характеристиками:

- диапазон измеряемых потерь - 100-50000 ppm;.

- относительная систематическая погрешность - не более 1%;

- среднеквадратичное отклонение единичных отсчетов - 2%;

- предельная чувствительность - 0,1%.

Столь высокая точность измерений существенно превышает точность аналогичных установок, используемых в настоящее время.

Для демонстрации возможностей устройства проведены измерения величины амплитудной анизотропии в кольцевых резонаторах с неплоским контуром. При величине потерь равной примерно 2500 ppm, различие потерь соседних поляризационных мод составило 20 ppm при значении среднеквадратического отклонения около 2 ppm.

Предложенное устройство может быть использовано в качестве контрольного средства для целого ряда параметров лазерного гироскопа, включающих в себя величину амплитудной анизотропии кольцевого резонатора с неплоским контуром, изменение потерь основной моды при перемещении пьезодвигателей, коэффициента поглощения многослойных интерференционных покрытий на уровне 1 ppm и других параметров, требующих повышенной точности измерения потерь резонатора.

Устройство для измерения потерь в кольцевом оптическом резонаторе, содержащее задающий лазер с блоком управления задающего лазера, вычислительный блок, а также последовательно соединенные первый фотоприемник, вход которого оптически соединен с выходом кольцевого оптического резонатора, используемого в качестве измеряемого, и первый аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с первым входом вычислительного блока, отличающееся тем, что введены образцовый кольцевой оптический резонатор, одно зеркало которого оснащено пьезокерамическим двигателем с блоком управления пьезокерамическим двигателем, последовательно соединенные второй фотоприемник, вход которого оптически соединен с выходом образцового кольцевого оптического резонатора, и второй аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен со вторым входом вычислительного блока, а также оптический разделитель, вход которого оптически соединен с выходом задающего лазера, а первый и второй выходы оптически соединены соответственно со входом образцового кольцевого оптического резонатора и кольцевого оптического резонатора, используемого в качестве измеряемого, при этом вычислительный блок определяет ширину t_о резонансной кривой по уровню ½ образцового кольцевого оптического резонатора и ширину t_и резонансной кривой по уровню ½ кольцевого оптического резонатора, используемого в качестве измеряемого, а потери _и в кольцевом оптическом резонаторе, используемом в качестве измеряемого, вычисляют по известным потерям _о образцового кольцевого оптического резонатора из соотношения