Устройство для измерения потерь в кольцевом оптическом резонаторе

Полезная модель относится к области лазерной физики. Устройство содержит зондирующий лазер с блоком управления зондирующего лазера, блок управления пьезокерамическим двигателем, вычислительный блок, последовательно соединенные первый фотоприемник, вход которого соединен с первым выходом измеряемого оптического резонатора, и первый аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с первым входом вычислительного блока, последовательно соединенные второй фотоприемник и второй аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен со вторым входом вычислительного блока, генератор тока, выход которого соединен с катушками магнитного поля зондирующего лазера, последовательно соединенные третий фотоприемник, вход которого соединен с выходом зондирующего лазера через оптический смеситель, и цифровой частотомер, выход которого соединен с третьим входом вычислительного блока, а также блок ввода оптических сигналов в измеряемый оптический резонатор, вход которого соединен с выходом зондирующего лазера, а выход соединен с входом измеряемого оптического резонатора, при этом выход блока управления пьезокерамическим двигателем соединен с управляющим входом пьезокерамического двигателя, установленного на зеркале измеряемого оптического резонатора, а вычислительный блок определяет потери 5 в измеряемом оптическом резонаторе по соотношению , где c - скорость света, L - периметр резонатора, t - ширина резонансной кривой на полувысоте, - расстояние между резонансными кривыми, _б - частота биений встречных волн в зондирующем лазере. Устройство обладает повышенной точностью. 3 ил.

Полезная модель относится к области лазерной физики и может быть использована для измерения потерь в кольцевых оптических резонаторах.

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 техническое решение [В.В. Азарова, 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 зондирующий лазер с блоком управления зондирующего 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 производится в вычислительном блоке по формуле

где t - ширина резонансной кривой по уровню ½, T - временной интервал между импульсами пропускания. Интервал T представляет собой линейно преобразованный во время межмодовый интервал и является здесь калибровочным значением. При периметре лазера L=0,3 м и c=3·10⁸ м/с межмодовый интервал составляет 1 ГГц.

Однако преобразование оптической частоты во время оказывается нелинейным из-за нелинейности пьезокерамических двигателей зондирующего лазера. Учитывал широкий диапазон сканирования (более 1 ГГц), можно утверждать, что в данном техническом решении межмодовый интервал определяется со значительной погрешностью.

Поэтому недостатком этого технического решения является относительно низкая точность измерений, при которой относительная погрешность составляет величину не менее 5-10%.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство [RU 141306, U1, G01C 19/68, 27.05.2014], в котором в основу измерений положен метод сравнения потерь в измеряемом и образцовом резонаторах и которое содержит зондирующий лазер с блоком управления зондирующего 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, 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 зондирующего 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

.

Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно низкая точность.

Это обусловлено тем, что, в устройстве имеется зависимость точности измерения от точности определенных заранее потерь образцового резонатора. При этом, поскольку не определен способ измерения потерь в образцовом резонаторе, и если, в частности, такие измерения проводить наиболее распространенным методом по ширине резонансной кривой, то точность будет низкой и образцовая величина потерь будет определена со значительной погрешностью, на которую будет накладываться и погрешность других элементов. Поэтому наиболее близкое техническое решение характеризуется относительно низкой точностью измерений.

Задача, которая решается в полезной модели, заключается в повышении точности устройства.

Требуемый технический результат заключается в повышении точности устройства.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее зондирующий лазер с блоком управления зондирующего лазера, блок управления пьезокерамическим двигателем, вычислительный блок, а также последовательно соединенные первый фотоприемник, вход которого соединен с первым выходом измеряемого оптического резонатора, и первый аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с первым входом вычислительного блока, и последовательно соединенные второй фотоприемник и второй аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен со вторым входом вычислительного блока, согласно полезной модели, введены генератор тока, выход которого соединен с катушками магнитного поля зондирующего лазера, последовательно соединенные третий фотоприемник, вход которого соединен с выходом зондирующего лазера через оптический смеситель, и цифровой частотомер, выход которого соединен с третьим входом вычислительного блока, а также блок ввода оптических сигналов в измеряемый оптический резонатор, вход которого соединен с выходом зондирующего лазера, а выход соединен с входом измеряемого оптического резонатора, при этом, выход блока управления пьезокерамическим двигателем соединен с управляющим входом пьезокерамического двигателя, установленного на зеркале измеряемого оптического резонатора, а вычислительный блок определяет потери 8 в измеряемом оптическом резонаторе по соотношению

,

где c - скорость света, L - периметр резонатора, t - ширина резонансной кривой на полувысоте, - расстояние между резонансными кривыми, _б - частота биений встречных волн в зондирующем лазере. На чертеже представлены:

на фиг. 1 - функциональная схема устройства для измерения потерь в кольцевом оптическом резонаторе;

на фиг. 2 - эквивалентная оптическая схема устройства для измерения потерь в кольцевом оптическом резонаторе.

на фиг. 3 - изменение интенсивностей встречных волн на выходах измеряемого оптического резонатора, соответствующее двум резонансным кривым, сдвинуты на временной оси на величину .

Устройство для измерения потерь в кольцевом оптическом резонаторе (фиг. 1) содержит зондирующий лазер 1 с блоком 2 управления зондирующего лазера, блок 3 управления пьезокерамическим двигателем, вычислительный блок 4, а также последовательно соединенные первый фотоприемник 5, вход которого соединен с первым выходом измеряемого оптического резонатора 6, и первый аналого-цифровой преобразователь 7, выход которого соединен с первым входом вычислительного блока 4, и последовательно соединенные второй фотоприемник 8 и второй аналого-цифровой преобразователь 9, выход которого соединен со вторым входом вычислительного блока 4.

Кроме того, устройство для измерения потерь в кольцевом оптическом резонаторе содержит генератор 10 тока, выход которого соединен с катушками 11 магнитного поля зондирующего лазера, последовательно соединенные третий фотоприемник 12, вход которого соединен с выходом зондирующего лазера 1 через оптический смеситель 13, и цифровой частотомер 14, выход которого соединен с третьим входом вычислительного блока 4, а также блок 15 ввода оптических сигналов в измеряемый оптический резонатор, вход которого соединен с выходом зондирующего лазера 13, а выход соединен с входом измеряемого оптического резонатора 6, при этом выход блока 3 управления пьезокерамическим двигателем соединен с управляющим входом пьезокерамического двигателя 16, установленного на зеркале измеряемого оптического резонатора, а вычислительный блок 4 определяет потери в измеряемом оптическом резонаторе по соотношению

,

где с - скорость света, L - периметр резонатора, t - ширина резонансной кривой на полувысоте, - расстояние между резонансными кривыми, _б - частота биений встречных волн в зондирующем лазере.

На эквивалентной оптической схеме устройства для измерения потерь в кольцевом оптическом резонаторе обозначены: 17 - фотоприемник, 18 - плоское зеркало, 19 - оптический изолятор, 20 - пластина /2, 21 - пластина плоскопараллельная, 22 - оптический смеситель (призма).

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

Встречные световые волны из зондирующего лазера 1, в качестве которого используется зеемановский лазер, с помощью блока 15 ввода оптических сигналов вводятся также во встречных направлениях в измеряемый оптический резонатор 6. Частота его настройки периодически сканируется путем подачи на один или два пьезокерамических двигателя 16 пилообразного напряжения U_PZT от блока 3 управления пьезокерамическим двигателем. Изменения интенсивностей I ₁, I₂ встречных волн на выходе измеряемого оптического резонатора 6, которые соответствуют двум резонансным кривым, которые сдвинуты на временной оси на величину (фиг. 3). Эта величина на временной оси пропорциональна частоте биений _б. Разность частот _б встречных волн в зондирующем лазере 1 возникает вследствие генерируемого эффекта Зеемана. Для этого в устройстве предусмотрены катушки И магнитного поля, генератор 10, тока и блок 2 управления зондирующего лазера, который обеспечивает режим работы зондирующего лазера 1 путем установки необходимых значений тока разряда и напряжения на его пьезокерамических двигателях. Оптический смеситель 13 выделяет частоту биений, которая после оптико-электрического преобразования в третьем фотоприемнике 12 поступает в цифровой частотомер 14, результат измерения _б из которого подается в вычислительный блок 4.

Кроме того, резонансные кривые измеряемого оптического резонатора 6 с помощью первого 5 и второго 8 фотоприемников и первого 7 и второго 9 аналого-цифровых преобразователей вводятся в вычислительный блок 4 для анализа и проведения вычислений общих потерь 5 в измеряемом оптическом резонаторе 6 по формуле

,

где c - скорость света, L - периметр резонатора, t - ширина резонансной кривой на полувысоте, - расстояние между резонансными кривыми, _б - частота биений встречных волн в зондирующем лазере.

В устройстве для измерения потерь в кольцевом оптическом резонаторе в качестве калибровочного интервала используется частота биения _б встречных световых волн, равная 100-150 кГц. Вследствие этого обеспечивается узкий диапазон сканирования, что уменьшает влияние нелинейностей в перестройке частоты и сокращает время измерения. Частота биений измеряется цифровым частотомером 14.

Таким образом, благодаря введенным элементам и соответствующим связям (в частности, тем, что введены генератор тока, выход которого соединен с катушками магнитного поля зондирующего лазера, последовательно соединенные третий фотоприемник, вход которого соединен с выходом зондирующего лазера через оптический смеситель, и цифровой частотомер, выход которого соединен с третьим входом вычислительного блока, а также блок ввода оптических сигналов в измеряемый оптический резонатор, вход которого соединен с выходом зондирующего лазера, а выход соединен с входом измеряемого оптического резонатора, при этом выход блока управления пьезокерамическим двигателем соединен с управляющим входом пьезокерамического двигателя, установленного на зеркале измеряемого оптического резонатора, а вычислительный блок определяет потери 5 в измеряемом оптическом резонаторе по соотношению

,

где c - скорость света, L - периметр резонатора, t - ширина резонансной кривой на полувысоте, - расстояние между резонансными кривыми, _б - частота биений встречных волн в зондирующем лазере), исключается необходимость использования образцового резонатора, параметры которого могут произвольно изменяться, что повышает точность устройства. Заявляемое устройство может быть использовано для периодической калибровки образцовых кольцевых резонаторов.

Устройство для измерения потерь в кольцевом оптическом резонаторе, содержащее зондирующий лазер с блоком управления зондирующего лазера, блок управления пьезокерамическим двигателем, вычислительный блок, а также последовательно соединенные первый фотоприемник, вход которого соединен с первым выходом измеряемого оптического резонатора, и первый аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с первым входом вычислительного блока, и последовательно соединенные второй фотоприемник и второй аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен со вторым входом вычислительного блока, отличающееся тем, что введены генератор тока, выход которого соединен с катушками магнитного поля зондирующего лазера, последовательно соединенные третий фотоприемник, вход которого соединен с выходом зондирующего лазера через оптический смеситель, и цифровой частотомер, выход которого соединен с третьим входом вычислительного блока, а также блок ввода оптических сигналов в измеряемый оптический резонатор, вход которого соединен с выходом зондирующего лазера, а выход соединен с входом измеряемого оптического резонатора, при этом выход блока управления пьезокерамическим двигателем соединен с управляющим входом пьезокерамического двигателя, установленного на зеркале измеряемого оптического резонатора, а вычислительный блок определяет потери в измеряемом оптическом резонаторе по соотношению

где с - скорость света, L - периметр резонатора, t - ширина резонансной кривой на полувысоте, - расстояние между резонансными кривыми, _б -частота биений встречных волн в зондирующем лазере.