Gyűrűrezonátor

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2019. december 12-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 14 szerkesztést igényelnek .

A gyűrűrezonátor olyan optikai rezonátor , amelyben a fény egy zárt úton terjed egy irányba. A térfogati gyűrűs rezonátorok három vagy több tükörből állnak, amelyek úgy vannak elrendezve, hogy mindegyikről egymás után verődik vissza a fény, teljes fordulatot téve. A legegyszerűbb gyűrűrezonátor két párhuzamos egyenes vonalú hullámvezetőből és egy közöttük elhelyezkedő rezonátorból áll, gyűrűs hullámvezető formájában. A gyűrűrezonátorokat széles körben alkalmazzák a lézergiroszkópokban és lézerekben . A szálas lézerekben speciális kialakítású szálgyűrűs rezonátorokat használnak, amelyek általában zárt gyűrű alakúakoptikai szál WDM csatolókkal a szivattyú sugárzásának bemenetére és a generált sugárzás kimenetére.

Gyűrűrezonátorok lézerekben
Három tükörrel ellátott hangerőgyűrűs rezonátor vázlata. A szaggatott vonal a fény útját mutatja a rezonátorban.
Szállézerbe épített hagyományos gyűrűrezonátor. In : szivattyú sugárzás. Out : kimeneti sugárzás. 1 : aktív rost. 2 : polarizátor. 3 : optikai leválasztó. 4 WDM csap.
Szállézer nyolcas gyűrűs rezonátorral. In : szivattyú sugárzás. Out : kimeneti sugárzás. 1 : aktív rost. 2 : polarizátor. 3 : optikai leválasztó. 4 WDM csap. 50:50 osztó 50/50.
Gyűrűs rezonátor aktív közeg- és elektromos térelosztással.

Történelem

A szálas és integrált optika fejlődése kis méretű optikai eszközök, szűrők, modulátorok , terelők stb. kifejlesztéséhez vezetett. Jelenleg a konstrukciós elvek meglehetősen kidolgozottak, és a hibrid, elektro- és akusztikai eszközök széles választéka áll rendelkezésre. optikai elemeket hoztak létre. A koherens optika és az optikai információfeldolgozó rendszerek továbbfejlesztéséhez át kell térni a tisztán optikai lineáris és nemlineáris eszközökre, amelyek megnyitják az utat az eszközök méretének jelentős csökkenéséhez, az energiafogyasztás csökkenéséhez és a sebesség növeléséhez.

Szinte minden összetett optikai és mikrohullámú készülék szerves eleme a rezonátor. A rezonátorok fejlesztésének előrehaladása gyakran vezetett minőségileg új eredmények eléréséhez. Így a maserek és lézerek megjelenése lehetetlen lett volna jó minőségű rezonátorok megvalósítása nélkül a mikrohullámú és optikai tartományban. A High-Q rezonátorokat aktívan használják a generációs vonal szűkítésére és stabilizálására, mint szűrők és diszkriminátorok, különféle rendkívül érzékeny érzékelőkben és átalakítókban, a metrológiában és a precíziós fizikai kísérletekben.

A rezonátorok alapvető szerepet játszanak ezekben a vizsgálatokban. Az optikai tartományban található miniatűr, kiváló minőségű rezonátorok segítségével mutatták be először az elektromágneses tér nem klasszikus állapotait, és először végeztek lenyűgöző kísérleteket az egyes fotonok és egyedek kölcsönhatásának megfigyelésére. atomok. Ehhez az irányhoz szorosan kapcsolódnak az olyan alkalmazások, mint a kvantumszámítógépek és a kvantumkriptográfia, amelyek aktív figyelmet és elvárásokat váltanak ki. A kvantumhatások megfigyelésének egyik fő követelménye a rendszer elszigetelése a külső klasszikus világtól, és a benne lévő disszipáció csökkentése az állapotok lelassítása érdekében, ami a rezonátorok minőségi tényezőjének növekedését jelenti.

Hogyan működik

Az optikai gyűrűrezonátor működése ugyanazokon a tulajdonságokon alapul, mint a suttogó galéria , kivéve, hogy fényt használ, és ki van téve a konstruktív interferencia és a teljes belső visszaverődés tulajdonságainak. Amikor a rezonanciafrekvenciájú fény áthalad az áramkörön a bemeneti hullámvezetőből, intenzitása több cikluson keresztül halmozódik fel a konstruktív interferencia miatt, és a kimeneti hullámvezetőre kerül. Mivel a rezonátorban csak bizonyos rezonáns hullámhosszak terjednek, az optikai rezonátorgyűrű szűrőként működik. Ezenkívül két vagy több gyűrűrezonátor csatlakoztatható egymással optikai szűrővé.

Teljes belső tükrözés

Az optikai gyűrűrezonátorban terjedő fény a sugároptikában a teljes belső visszaverődésnek nevezett jelenség miatt a hullámvezető belsejében marad.

A teljes belső visszaverődés egy optikai jelenség, amely akkor következik be, amikor egy fénysugár a közeg határát valamilyen kritikus szögnél nagyobb szögben éri, és annak a közegnek a törésmutatója , amelyben a sugár terjed, nagyobb, mint a közeg törésmutatója. a határ másik oldalán.

Interferencia

Az interferencia az a folyamat, amelynek során több hullám egymásra helyeződik, és így kisebb vagy nagyobb amplitúdójú hullám keletkezik. Az interferencia az egymással korrelált vagy koherens hullámok kölcsönhatására utal .

A rezonátorban lévő fény ismételten visszaverődik a tükrökről. A visszavert nyalábok interferálnak, így bizonyos frekvenciákon csak bizonyos téreloszlások maradnak meg a rezonátorban, más frekvenciákon vagy eltérő eloszlású sugárzást az interferencia elnyom, vagy gyorsan távozik a rezonátorból. A rezonátor egy teljes menetében ismétlődő eloszlások a legstabilabbak, ezeket sajátmódusoknak vagy rezonátormódusoknak nevezik.

Ha feltételezzük, hogy a rendszerben nincsenek abszorpciós veszteségek, sugárzási veszteségek, és a rezonancia feltétel teljesül, akkor a gyűrűrezonátorból kilépő fény intenzitása megegyezik a rendszerbe juttatott fény intenzitásával.

Optikai kommunikáció (lineáris hullámvezetők gyűrűvel)

Ahogy a sugár áthalad a hullámvezetőn, a sugárzás egy része az optikai gyűrűrezonátorhoz kapcsolódik. Ennek oka a tranziens mező jelensége, amely exponenciálisan csökkenő radiális profilban túllép a hullámvezető móduson. Más szóval, ha a gyűrűt és a hullámvezetőt közel hozzák egymáshoz, a hullámvezetőből származó fény egy része átjuthat a gyűrűbe.

Az optikai csatolást befolyásolja a hullámvezető és az optikai rezonátor távolsága, a kapcsolat hossza, valamint a hullámvezető és a rezonátor törésmutatói. Leggyakrabban az optikai csatolás javítása érdekében csökkentik a hullámvezető és a gyűrűrezonátor közötti távolságot.

Optikai út különbség

Legyen egy körvonal, amely mentén a fény terjedhet. Az idő, ameddig a fénynek szüksége van egy teljes áramkör létrehozásához:

${\displaystyle T={2\pi R\over c))$

ahol R a körvonal sugara, c a fénysebesség. Az út, amelyet a forgásirány mentén terjedő sugár megtesz ezalatt:

$L_{cw}=2\pi R+\nu T$

A forgásiránnyal ellentétes terjedő sugár esetén:

$L_{ccw}=2\pi R-\nu T$ ,

ahol ν a lineáris sebesség. Ekkor az utak közötti különbség egy bejárásban a következő:

${\displaystyle \bigtriangleup L={4\pi R\nu \over c}={4A\omega \over c))$

ahol ν = ωR ˂˂ c, ω a szögsebesség, А a körvonal területe.

n fordulatra:

${\displaystyle \bigtriangleup L={n4A\omega \over c))$ [egy]

Rezonancia frekvencia

A túlnyomórészt rezonáns frekvenciák (hullámhosszak) megmaradnak a rezonátorban, és a frekvenciák a csatolási tartományon keresztül egy másik egyenes vonalú hullámvezetőbe jutnak át. Így az átvitel a kommunikáció mértékétől függően kisebb-nagyobb mértékben megtörténik. A fennmaradó hullámhosszok kölcsönhatás nélkül haladnak át. A rezonancia feltételt a következőképpen adja meg:

$\lambda _{res}={n_{eff}L \over m}={n_{eff}2\pi R \over m},m=1,2,3,...$

ahol n eff az effektív törésmutató, L a kerülete, R a gyűrűrezonátor görbületi sugara és m egy egész szám. [2]

Jellemzők

Minőségi tényező

A minőségi tényező egy oszcillációs rendszer paramétere, amely meghatározza a rezonancia szélességét, és azt jellemzi, hogy a rendszer energiatartalékai hányszor nagyobbak, mint egy rezgési ciklus energiavesztesége.

A rezonátor minőségi tényezője a térrezgések száma, mielőtt a keringő energia az eredeti energiánál kisebbre csökken. A minőségi tényező meghatározásához a mikrorezonátort egy bizonyos szintig gerjesztik, és figyelembe veszik a teljesítménylebontás mértékét. Fontos megjegyezni, hogy a minőségi tényező be- és kirakodható. Terheletlen minőségi tényező akkor lép fel, ha a rezonátor nincs csatlakoztatva a hullámvezetőkre. Hullámvezetőhöz csatlakoztatva további veszteségeket vezetnek be a rezonátorba. $1/e$

Saját modok. Gyakoriság

A sajátmódusokat a három l , m és q paraméter segítségével írjuk le , amelyeket a poláris, azimut és radiális módusokhoz használunk. A 2l az azimut irányú maximumok számát adja meg, az l–m+1 pedig a poláris irányú maximumok számának kiszámítására szolgál . A q módszám határozza meg a maximumokat radiális irányban. A fenti paraméterarányokból látható, hogy az alapmódus leírása q = 1 és l = m , ahol l és m nagyon nagy számok. A q > 1 módusok mélyebben vannak a rezonátorban. [3]

Divatválasztás

A többmódusú modellt figyelembe véve kimutatható, hogy a rendszerben erős verseny fog megjelenni a különböző módok között. Ennek eredményeként egyes módok gyengülnek, míg mások éppen ellenkezőleg, felerősödnek.

Rezonátor stabilitás

A stabil rezonátorok közé tartoznak azok, amelyekben a visszaverődés után a nyaláb korlátozott térfogatban marad a rezonátor tengelye közelében, ellenkező esetben a rezonátorok instabilok.

Anyagok

A rezonátorok kristályos anyagokból készülnek. mivel az ilyen anyagok jellemzően jelentős kettős törést mutatnak, nincs áthallás a TE és TM polarizációjú módusok között. [négy]

Néhány példa ilyen anyagokra: kvarc, CaF 2 , MnF 2 .

Alkalmazás

A gyűrűrezonátorokat a technológia számos területén széles körben használják: számos katonai repülőgépen, hajón, tengeralattjárón, ballisztikus rakétán, tankon, torpedón, minden űrrakétán, modern polgári repülőgépeken (autopilóták), hajókon stb.

A giroszkópoknak más alkalmazásai is vannak: robotika, gyógyászat, lézerek, lézergiroszkópok, szögsebesség-érzékelők, autóipar, valamint különféle fogyasztói alkalmazások.

Lásd még

Irodalom

Zvelto O. Principles of Lasers = Principles of Lasers. - 3. kiadás — M .: Mir, 1990. — 558 p. — ISBN 5-03-001053-X .
Agrawal GP Lightwave technológia: alkatrészek és eszközök. - Wiley-IEEE, 2004. - 427 p. — ISBN 9780471215738 .
Agrawal GP Nemlineáris száloptika alkalmazásai. — 2. kiadás. - Akadémiai Kiadó, 2008. - Vol. 10. - 508 p. - (Optika és fotonisz sorozat). — ISBN 9780123743022 .
W. Liang, et al. Rezonáns mikrofotonikus giroszkóp // Optica Vol. 4, sz. 1. 2017. R. 114–117.
V. Vukmirica. Interferometrikus száloptikai giroszkóp: Működési elv és alapvető paraméterek meghatározása // Tudományos Műszaki Szemle, Vol.LVIII.No.3-4. 2008.
Schwefel HGL, Whispering Gallery Mode Resonators, Optikai, Információs és Fotonikai Intézet, Erlangen-Nürnbergi Egyetem, Márc. 25., (2014) – jelenleg nem publikált.
V.Sh. Berikashvili, N.T. Klyuchnik, M.Ya. Jakovlev. Gyűrűs mikrorezonátorokon alapuló elektro-optikai modulátorok és szűrők száloptikai kommunikációs rendszerekhez // technológia és tervezés az elektronikus berendezésekben 4. sz. 2011. P. 3-9.

Linkek

Optikai rezonátor - cikk a Physical Encyclopedia -ból

↑ Herve C. Lefevre. Interferometrikus száloptikai giroszkóp // Száloptikai érzékelők: Kritikus áttekintés. – SPIE, 1993.01.28. - doi : 10.1117/12.145202 .
↑ Technológia és tervezés az elektronikus berendezésekben . — Magánvállalkozás, Politehperiodika.
↑ Richard Zeltner, Florian Sedlmeir, Gerd Leuchs, Harald GL Schwefel. Refraktometriás érzékelés kristályos MgF2 Whispering Gallery módú rezonátorokkal // Frontiers in Optics 2014. - Washington, DC: OSA, 2014. - ISBN 1-55752-286-3 . - doi : 10.1364/ls.2014.lth3i.5 .
↑ Wei Liang, Vladimir S. Ilchenko, Anatoliy A. Savchenkov, Elijah Dale, Danny Eliyahu. Rezonáns mikrofotonikus giroszkóp // Optica. — 2017-01-12. - T. 4 , sz. 1 . - S. 114 . — ISSN 2334-2536 . - doi : 10.1364/optica.4.000114 .