ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ВОЛОКОННЫЙ ДВУХЗЕРКАЛЬНЫЙ ОТРАЖАТЕЛЬНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР
REBUILDABLE FIBER-OPTIC TWO-MIRROR REFLECTIVE INTERFEROMETER

Область техники
Изобретение относится к волоконной оптике, а именно к многолучевому интерференционному устройству для спектральной узкополосной фильтрации излучения в отраженном свете.
Интерферометры - это спектральные приборы, предназначенные для проведения различных измерений с высокой точностью, а также фильтрации света за счет эффекта интерференции. Простейший интерферометр состоит из двух полупрозрачных зеркал, установленных параллельно друг другу и имеющих высокие коэффициенты отражения внутренних сторон зеркал. Пучок света, прошедший через переднее (входное) зеркало, многократно отражается между зеркалами. Такие интерферометры называются многолучевыми. В пространстве между зеркалами возникают стоячие волны, и интерференционная картина, которая для наблюдения выводится («пропускается») через заднее (выходное) зеркало на плоский экран, имеет вид светлых интерференционных полос (колец) на темном фоне для разных углов падения. Такая интерференционная картина называется «необращенной», а интерферометр работает на «пропускание» света. В противоположность необращенной картине в пропускании, в отражении у такого интерферометра наблюдается «обращенная» интерференционная картина, представляющая узкие темные полосы интенсивности на светлом поле.
3
В последнее время возрос интерес к использованию, так называемых, интерферометров отраженного света. Первые исследования, относящиеся к таким интерферометрам появились примерно сто лет назад по сведениям из [1] (Ю.В. Троицкий, Многолучевые интерферометры отраженного света, 1985, изд. «Наука»). Однако, их применение и исследования в этой области сдерживались уровнем технологий того времени для создания материалов, требуемых для построения интерферометров. В таких устройствах интерференционная картина наблюдается в отраженном свете, что делает их незаменимыми, например, при исследовании поверхностей непрозрачных предметов. В этом случае, интерферометр работает на «отражение», называется «отражательным» и может иметь в общем случае разную форму интерференционной картины (как обращенную, так и необращенную, а также промежуточные между ними). Известно [1], что двухзеркальный интерферометр «на пропускание» может приобретать характеристики отражательного с необращенной формой полос в отражении в случае, когда его переднее зеркало будет имеет асимметрию коэффициентов отражения. Такое зеркало должно иметь очень низкий коэффициент отражения в сторону источника света и очень высокий - с обратной стороны. Заднее зеркало для такого интерферометра должно иметь максимально высокий коэффициент отражения. Вариант такого отражательного интерферометра, реализованный в одномодовом оптическом волокне, предлагается в настоящей заявке на изобретение. При этом преимущества волоконной оптики позволяют создать компактное по габаритам устройство, малочувствительное к вибрационным воздействиям, имеющее высокодобротный резонатор (резкость интерференционных полос до 10) и с возможностью широкополосной перестройки максимума спектрального коэффициента отражения в диапазоне до 100 нм, что особенно ценно для селекции продольных мод в волоконных (диодных) лазерах.
Уровень техники
Известен патент, в котором объемный (то есть выполненный на основе компонент не из оптического волокна или иных волноводных структур) вариант отражательного интерферометра использовался для селекции мод в оптическом квантовом генераторе: № SU 274872А, Ю.В. Троицкий. «Оптический квантовый генератор с селекцией типов колебаний» [2]. Недостатки данной схемы интерферометра - в объемности конструкции интерферометра и в низкой добротности его резонатора, так как в качестве переднего зеркала интерферометра использован только рассеивающий слой на стеклянной подложке без многослойного покрытия, что значительно снижает селектирующие свойства интерферометра (резкость полос) в отраженном свете из-за низкой добротности резонатора.
Известен также пример использования отражательного интерферометра, разработанного для исследования поверхностей оптических элементов (патент RU 2432546 С1 «Интерферометр для контроля формы оптических деталей», Полещук А.Г, Маточкин А.Е.).
В другом устройстве из патента № US 5215746, C.M. Miller, J.W. Miller «Single Waffered Ferrule Fiber Fabry-Perot Filters» [3] представлена конструкция перестраиваемого волоконного резонатора интерферометра Фабри-Перо, выполненная с использованием одномодового оптического волокна. В конструкции сборки используются центраторы волоконных втулок на основе трех направляющих цилиндрических стержней, что значительно усложняет конструкцию.
Для создания заявляемого отражательного волоконного интерферометра выбрана схема резонатора двухзеркального интерферометра на «пропускание». Это схема волоконного интерферометра Фабри-Перо, реализованная с использованием волоконно-оптических компонентов по патенту US 5062684, “Optical Fiber Filter” [4]. Устройство состоит из двух сборок на основе волоконных втулок, содержащих волокна с нанесенными на их торцы одинаковыми зеркалами, причем между зеркалами предусмотрены волоконные вставки из коротких отрезков волокна, играющие роль внутренней световедущей части волоконного резонатора. Между вставками и торцами волокон присутствует небольшой воздушный промежуток (несколько микрометров), в пределах которого волоконные втулки могут перемещаться. Волоконные втулки помещены в цилиндрическую пружину из керамики и, таким образом, их оси совмещены. Втулки прикреплены ко внешнему корпусу, который является их держателем, и который также является линейным актюатором, перемещающим волоконные втулки друг относительно друга вдоль оси на расстояние не менее половины длины волны (чтобы обеспечить спектральную перестройку пика пропускания фильтра на величину не менее области свободной дисперсии).
Для того, чтобы указанное устройство приобрело характеристики «отражательного» интерферометра необходимо вместо указанных одинаковых зеркал использовать на месте переднего зеркала асимметричное по коэффициентам отражения зеркало, а на месте заднего зеркала - высокоотражающее зеркало.
Технология изготовления зеркал с требуемыми для отражательного интерферометра характеристиками требует, чтобы в переднее зеркало интерферометра были внесены потери для бегущей волны света [1], тогда такое зеркало становится асимметричным по коэффициентам отражения. Данные потери могут быть как поглощательной (омической) природы, так и рассевающей (дифракционной) природы. Это достигается за счет использования в структуре переднего зеркала либо тонкой металлической пленки, либо металлической дифракционной структуры, либо полностью диэлектрической дифракционной структуры [5] (В.С. Терентьев. «Многолучевые интерферометры в отраженном свете с “необращенной” аппаратной функцией». // Автометрия, 2009, т. 45, № 6, с. 89-98. DOI: 10.3103/S8756699009060119). Тогда коэффициент отражения со стороны поглощательного элемента может стать достаточно малым (<0,1%). С другой стороны переднего зеркала, обращенной в резонатор, необходимо использовать специально согласованное диэлектрическое покрытие, повышающее коэффициент отражения (>90%). В волоконной оптике эта задача решается путем формирования зеркала на торце одномодового волокна [6] (V.S. Terentyev, V.A. Simonov, and S.A. Babin, “Multiple-beam reflection interferometer formed in a single-mode fiber for applications in fiber lasers” // Optic Express, 2016, V. 24, No. 5, p. 4512-4518, DOI: 10.1364/OE.24.004512).
Раскрытие изобретения
Технический результат предлагаемого устройства достигается за счет того, что в перестраиваемом волоконном отражательном интерферометре, выполненном на основе двух волоконных цилиндрических втулок, расположенных торцами друг к другу и прикрепленных к внешнему корпусу, который является линейным актюатором на основе пьезокерамического преобразователя, при этом оси упомянутых волоконных втулок центрированы с помощью цилиндрической пружины, а между торцами втулок присутствует воздушный промежуток в несколько микрометров, при этом волоконные втулки содержат оптические волокна, одно из которых является входным и расположено в первой волоконной втулке, а его торец находится в плоскости торца первой волоконной втулки, другой отрезок оптического волокна, образующий базу резонатора интерферометра, расположен во второй волоконной втулке, при этом один торец данного отрезка расположен в плоскости торца второй волоконной втулки, а второй торец расположен внутри второй волоконной втулки и находится в стыке с торцом третьего выходного оптического волокна, также расположенного во второй волоконной втулке, при этом на торце входного волокна сформировано переднее асимметричное по коэффициентам отражения зеркало на основе поглощающей или рассеивающей структуры в сочетании с согласованным диэлектрическим многослойным покрытием, а на торец оптического волокна базы, примыкающего к торцу выходного волокна, нанесено заднее высокоотражающее зеркало на основе диэлектрического многослойного покрытия.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. Схема перестраиваемого волоконного отражательного интерферометра (сечение в плоскости оси оптического волокна): 1, 2 - волоконные керамические втулки, 3 - входное оптическое волокно, 4 - переднее асимметричное по коэффициентам отражения зеркало, 5 - волокно базы интерферометра, 6 - выходное оптическое волокно, 7 - заднее высокоотражающее зеркало, 8 - воздушный промежуток, 9 - цилиндрическая керамическая пружина, 10 - внешний корпус, линейный актюатор на основе цилиндрическоого пьезокерамического преобразователя, 11 - фиксаторы волоконных втулок и корпуса актюатора между собой, 12 - база интерферометра, 13 - поглощающий или рассеивающий слой, 14 - согласованное диэлектрическое многослойное покрытие, 15 - падающий свет, 16 - отраженный свет, 17 - прошедший свет.
Фиг. 2. Макетный образец перестраиваемого резонатора для волоконного отражательного интерферометра.
c
Фиг. 3. Схема лазера с одночастотной генерацией на основе волоконного отражательного интерферометра. Волоконные: КП - контроллер поляризации, ОИ - оптический изолятор, В - втулки, ВБР - брэгговская решетка, ВОИ - отражательный интерферометр, ПОУ - полупроводниковый оптический усилитель, L - длина резонатора.
Осуществление изобретения
2
2
2
Схема предлагаемого интерферометра показывается на фигуре (фиг. 1). Перестраиваемый волоконный отражательный интерферометр выполнен на основе двух волоконных втулок 1 и 2, обращенных своими торцами друг к другу, которые могут быть керамическими, например, из оксида циркония (ZrO). Диаметр внутреннего канала втулок должен соответствовать диаметру используемых оптических волокон. В первой втулке 1 размещается входное волокно 3. На торец волокна 3, расположенный в плоскости торца втулки 1, нанесено переднее асимметричное по коэффициентам отражения зеркало 4. Во втулке 2 располагается отрезок волокна 5, образующий волоконную часть базы интерферометра, на торце которого нанесено заднее высокоотражающее зеркало 7, находящееся в стыке с выходным волокном 6. Длина отрезка волокна 5, меньшая длины втулки 2, и воздушный промежуток 8 между торцами волоконных втулок определяют область свободной дисперсии интерферометра. Оптические волокна 3 и 6 выходят из втулок наружу и могут иметь произвольную дину. Волокна 3, 5, 6 могут заклеиваться в канале втулок 1, 2 с помощью эпоксидного клея. Оси волоконных втулок 1, 2 и соответствующих им волокон 3 и 5 совмещаются с помощью цилиндрической пружины из керамики 9. Оси волокон 5 и 6 совмещаются в канале волоконной втулки 2. Как правило, диаметр волокна отличается от диаметра отверстия втулки на величину менее 1 мкм, таким образом, точность совмещения осей менее 1 мкм. Размер воздушного промежутка 8 составляет несколько микрометров (2-4 длины волны света). Такая небольшая величина промежутка 8 необходима, чтобы свет, распространяющийся по базе интерферометра, имел пренебрежимо малые потери на рассеяние. Промежуток 8 необходим для перемещения втулок 1 и 2 вдоль оси. Втулки закреплены во внешнем корпусе 10 с помощью крепежных фиксаторов 11. Корпус 10 может быть выполнен на основе полого цилиндра из пьезокерамического материала, который может удлиняться и/или сжиматься под действием электрического поля и фактически представляет собой линейный актюатор. За счет деформации корпуса 10 и перемещения втулок 1 и 2, воздушный промежуток 8 и база интерферометра 12 могут изменяться, при этом осуществляется спектральная перестройка длины волны пика отражения интерферометра. Фиксаторы 11 могут быть выполнены в виде отдельных фланцев или втулочных фланцев и приклеены на эпоксидный клей к корпусу 10. Зеркало 4 имеет асимметрию коэффициентов отражения и изготовлено на основе поглощающего или рассеивающего слоя 13 в сочетании с диэлектрическим многослойным покрытием 14. Зеркало 7 - высокоотражающее, с коэффициентом отражения >99%, например, состоящее из большого количества чередующихся пар (не менее 6) четвертьволновых диэлектрических покрытий с большой разницей коэффициентов преломления (TiO, SiO). Зеркало 7 также может быть волоконной брэгговской решеткой, сформированной не на торце, а в сердцевине волокна 5 или 6.
Оптические волокна 3, 5, 6 могут быть одномодовыми (поддерживающими распространение только одной поперечной собственной моды волокна), многоводовыми (поддерживающими распространение более одной поперечной собственной моды), с сохранением поляризации (типа Panda, Bow-tie, в которых специальные стеклянные стержни, проложенные параллельно сердцевине волокна, создают механическое напряжение, которое приводит к двулучепреломлению), активными оптическими волокнами (легированные, содержащие в своей структуре примеси редкоземельных металлов эрбия (Er), иттербия (Yb), тулия (Tm), гольмия (Ho), ниодима (Nd), висмута (Bi) и других), градиентными оптическими волокнами (с градиентным распределением коэффициента преломления в поперечном сечении оптического волокна), оптическими волокнами с большим диаметром моды (одномодовые оптические волокна, у которых специальным образом подобрано распределение показателя преломления в поперечном сечении, что приводит к увеличению диаметра основной поперечной моды), фотонно-кристаллические волокна (микроструктурированное оптическое волокно, дырчатый волновод - класс оптических волокон, оболочка которых имеет структуру двумерного фотонного кристалла и зачастую содержит воздушные полости).
Возможность создания волоконного асимметричного зеркала 4 на основе элемента 13 в виде тонкой металлической пленки и элемента 14 в виде диэлектрического многослойного покрытия, а также создание волоконного отражательного интерферометра была продемонстрирована в работе [6]. Применение волоконного отражательного интерферометра для одночастотной генерации в лазере с коротким резонатором на основе полупроводникового оптического усилителя, в котором волоконный отражательный интерферометр использовался в качество одного из зеркал, было продемонстрировано в [7] (V.S. Terentyev, V.A. Simonov, S.A. Babin. «Fiber-based multiple-beam reflection interferometer for single-longitudinal-mode generation in fiber laser based on semiconductor optical amplifier» // Laser Physics Letters, 2017, V. 14, I. 2, p. 25103, http://dx.doi.org/10.1088/1612-202X/aa548e). В работах [8] (В.С. Терентьев, В.А. Симонов. “Волоконный отражательный интерферометр на основе диэлектрической дифракционной структуры для селекции мод волоконного лазера”. // Прикладная фотоника. 2016, Т. 3, №3, с. 321-330), [9] (В.С. Терентьев, В.А. Симонов. «Многолучевой волоконный отражательный интерферометр на основе полностью диэлектрической дифракционной структуры» // Квантовая электроника, 2017, т. 47, № 10, с. 971-976) методами математического моделирования показана и экспериментально продемонстрирована принципиальная возможность получения необращенной формы аппаратной функции в отражении при использовании в качестве элемента 13 фазовой дифракционной структуры (непоглощающего рассеивателя), которая максимально увеличивает лучевую стойкость зеркал интерферометра.
Пример использования
Волоконный резонатор с перестраиваемой базой
Изготовленный образец перестраиваемого резонатора для предлагаемого устройства показывается на фигуре (фиг. 2). Эксперименты показали работоспособность данной конструкции в диапазоне длин волн около 1550 нм, при частотах перестройки базы резонатора до 3 кГц на всю область свободной дисперсии (изменение расстояния между торцами втулок на 0,775 мкм).
Параметры устройства:
- Область свободной дисперсии: Δλ≈4,5 нм.
- Резкость полос: F≈40.
2
- Волоконные втулки: керамика  (оксид циркония, ZrO) с металлическими фланцами.
- Длина керамической части волоконных втулок: 8 мм.
- Полная длина волоконной втулки с металлическим фланцем: 16 мм.
- Диаметр внутреннего отверстия волоконных втулок: 125,5 мкм.
- Внешний диаметр волоконных втулок: 2,5 мм.
2
- Центраторная волоконная цилиндрическая пружина: керамика (оксид циркония, ZrO) с внутренним диаметром 2,5 мм.
- Оптическое волокно: типа SMF-28e фирмы Corning (одномодовое).
- Диаметр оптического волокна: 125 мкм.
- Электрическое напряжение, подаваемое на электроды, при котором происходит спектральная перестройка пика пропускания на всю область свободной дисперсии: 14 В.
- Предельная измеренная частота перестройки, при которой обеспечивается спектральная перестройка пика пропускания на всю область свободной дисперсии: 3 кГц.
- Цилиндрическая пьезокерамика: многослойный пьезоактюатор, модель PTH1500845101, производитель SUZHOU PANT PIEZOELECTRIC TECH CO., LTD, Китай, (http://en.pantpiezo.com/Multilayer-Piezo-Ring-Actuators-PTH150-series-pd9476.html).
Одночастотная селекция в волоконном лазере с линейным резонатором.
На фигуре (фиг. 3) схематично изображен вариант применения волоконного отражательного интерферометра для селекции излучения волоконного (диодного) лазера и получения одночастотной генерации на одной продольной моде [7]. В линейном резонаторе с отражательным интерферометром возможно сократить длину резонатора лазера до величин менее миллиметра, что существенно облегчает требования к спектральной селективности фильтра для получения одночастотной генерации.
Оптической волокно: SMF-28e.
Полупроводниковый оптический усилитель: SOA-1550 (ЗАО «Нолатех»).
c
Длина резонатора L: 13,5 см.
Спектральное расстояние между собственными модами резонатора: 6 пм.
Длина волны генерации: 1528,4 нм
Спектральная ширина на полувысоте: 500 кГц.
Мощность генерации: до 2 мВт.
Волоконный отражательный интерферометр:
- резкость интерференционных полос: 24;
- максимальный коэффициент отражения: 0,6;
- фильтрация в пределах ВБР (ширина на полувысоте): 35 пм.
- область свободной дисперсии: 860 пм.
Литературные источники
1. Троицкий Ю.В. «Многолучевые интерферометры отраженного света». Новосибирск: Наука, 1985, 208 с.
2. Ю.В. Троицкий. «Оптический квантовый генератор с селекцией типов колебаний» // № SU 274872 А.
3. C.M. Miller, J.W. Miller «Single Waffered Ferrule Fiber Fabry-Perot Filters» // US 5215746.
4. J.B. Clayton, C.M. Miller. “Optical Fiber Filter” // US 5062684.
5. В.С.Терентьев. «Многолучевые интерферометры в отраженном свете с “необращенной” аппаратной функцией». // Автометрия, 2009, т. 45, № 6, с. 89-98. (V.S. Terentiev. «Multiple-Beam Interferometers in Reflected Light with a “Non-Inverted” Response Function» // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing, 2009, Vol. 45, No. 6, pp. 563-570.) DOI: 10.3103/S8756699009060119
6. V.S. Terentyev, V.A. Simonov, and S.A. Babin, “Multiple-beam reflection interferometer formed in a single-mode fiber for applications in fiber lasers” // Optic Express, 2016, V. 24, No. 5, p. 4512-4518, DOI:10.1364/OE.24.004512.
7. V.S. Terentyev, V.A. Simonov, S.A. Babin. «Fiber-based multiple-beam reflection interferometer for single-longitudinal-mode generation in fiber laser based on semiconductor optical amplifier» // Laser Physics Letters, 2017, V. 14, I. 2, p. 25103, http://dx.doi.org/10.1088/1612-202X/aa548e
8. В.С. Терентьев, В.А. Симонов. “Волоконный отражательный интерферометр на основе диэлектрической дифракционной структуры для селекции мод волоконного лазера”. // Прикладная фотоника. 2016, Т. 3, №3, с. 321-330.
9. В.С. Терентьев, В.А. Симонов. «Многолучевой волоконный отражательный интерферометр на основе полностью диэлектрической дифракционной структуры» // Квантовая электроника, 2017, т. 47, № 10, с. 971-976.