УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОТЕРЬ В КОЛЬЦЕВОМ ОПТИЧЕСКОМ РЕЗОНАТОРЕ

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
8
где Δt - 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=3·10 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%.
о
и
и
о
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 Δt резонансной кривой по уровню ½ образцового кольцевого оптического резонатора и ширину Δt резонансной кривой по уровню ½ кольцевого оптического резонатора, используемого в качестве измеряемого, а потери δ в кольцевом оптическом резонаторе, используемом в качестве измеряемого, вычисляют по известным потерям δобразцового 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
,
б
где c - скорость света, L - периметр резонатора, Δt - ширина резонансной кривой на полувысоте, τ - расстояние между резонансными кривыми, ν - 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 τ.
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 δ в измеряемом оптическом резонаторе по соотношению
,
б
где с - скорость света, L - периметр резонатора, Δt - ширина резонансной кривой на полувысоте, τ - расстояние между резонансными кривыми, ν - 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 λ/2, 21 - пластина плоскопараллельная, 22 - оптический смеситель (призма).
Работает устройство для измерения потерь в кольцевом оптическом резонаторе следующем образом.
PZT
1
2
б
б
б
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 от блока 3 управления пьезокерамическим двигателем. Изменения интенсивностей I, I встречных волн на выходе измеряемого оптического резонатора 6, которые соответствуют двум резонансным кривым, которые сдвинуты на временной оси на величину τ (фиг. 3). Эта величина на временной оси пропорциональна частоте биений ν. Разность частот ν 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 ν 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
,
б
где c - скорость света, L - периметр резонатора, Δt - ширина резонансной кривой на полувысоте, τ - расстояние между резонансными кривыми, ν - частота биений встречных волн в зондирующем лазере.
б
В устройстве для измерения потерь в кольцевом оптическом резонаторе в качестве калибровочного интервала используется частота биения ν 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
,
б
где c - скорость света, L - периметр резонатора, Δt - ширина резонансной кривой на полувысоте, τ - расстояние между резонансными кривыми, ν - 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.