Prstencový rezonátor

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 12. prosince 2019; kontroly vyžadují 14 úprav .

Prstencový rezonátor je optický rezonátor , ve kterém se světlo šíří po uzavřené dráze v jednom směru. Objemové prstencové rezonátory se skládají ze tří nebo více zrcadel orientovaných tak, aby se světlo postupně odráželo od každého z nich, čímž došlo k úplné revoluci. Nejjednodušší prstencový rezonátor se skládá ze dvou rovnoběžných přímočarých vlnovodů a mezi nimi umístěného rezonátoru ve formě prstencového vlnovodu. Prstencové rezonátory nacházejí široké uplatnění v laserových gyroskopech a laserech . U vláknových laserů se používají speciální konstrukce vláknových prstencových rezonátorů, obvykle ve formě optického vlákna uzavřeného do prstence s WDM spojkami pro vstup záření čerpadla a výstup generovaného záření.

Prstencové rezonátory v laserech
Schéma objemového prstencového rezonátoru se třemi zrcadly. Tečkovaná čára znázorňuje dráhu světla v rezonátoru.
Konvenční prstencový rezonátor zabudovaný do vláknového laseru. In : záření čerpadla. Out : výstupní záření. 1 : aktivní vláknina. 2 : polarizátor. 3 : optický izolátor. 4 WDM kohoutek.
Vláknový laser s osmikruhovým rezonátorem. In : záření čerpadla. Out : výstupní záření. 1 : aktivní vláknina. 2 : polarizátor. 3 : optický izolátor. 4 WDM kohoutek. 50:50 dělič 50/50.
Prstencový rezonátor s aktivním prostředím a distribucí elektrického pole.

Historie

Rozvoj vláknové a integrované optiky vedl k vývoji malých optických zařízení, filtrů, modulátorů , deflektorů atd. V současné době jsou principy konstrukce zcela vyvinuty a existuje široká škála hybridních, elektro- a akustických zařízení. byly vytvořeny optické prvky. Další vývoj koherentní optiky a systémů zpracování optických informací vyžaduje přechod na čistě optická lineární a nelineární zařízení, která otevírají cestu k výraznému zmenšení velikosti zařízení, snížení spotřeby energie a zvýšení rychlosti.

Nedílnou součástí téměř každého složitého optického a mikrovlnného zařízení je rezonátor. Právě pokrok ve zdokonalování rezonátorů vedl často k dosažení kvalitativně nových výsledků. Vznik maserů a laserů by tedy nebyl možný bez implementace vysoce kvalitních rezonátorů v mikrovlnné a optické oblasti. High-Q rezonátory se aktivně používají k zúžení a stabilizaci generační linky, jako filtry a diskriminátory, v různých vysoce citlivých senzorech a převodnících, v metrologii a v přesných fyzikálních experimentech.

Rezonátory hrají v těchto studiích zásadní roli. Právě pomocí miniaturních vysoce kvalitních rezonátorů v optickém rozsahu byly poprvé demonstrovány neklasické stavy elektromagnetického pole a poprvé byly provedeny působivé experimenty s pozorováním účinků interakce jednotlivých fotonů a jednotlivých fotonů. atomy. S tímto směrem úzce souvisí aplikace jako kvantové počítače a kvantová kryptografie, které vyvolávají aktivní pozornost a očekávání. Jedním z hlavních požadavků na pozorování kvantových efektů je izolace systému od vnějšího klasického světa a snížení disipace v něm pro zpomalení rozpadu stavů, což znamená zvýšení faktoru kvality pro rezonátory.

Jak to funguje

Činnost optického prstencového rezonátoru je založena na stejných vlastnostech jako našeptávající galerie , kromě toho, že využívá světlo a podléhá vlastnostem konstruktivní interference a totálního vnitřního odrazu. Když světlo rezonanční frekvence prochází obvodem ze vstupního vlnovodu, jeho intenzita se v důsledku konstruktivní interference akumuluje během několika cyklů a je vyvedena do výstupního vlnovodu. Protože se v rezonátoru šíří pouze určité rezonanční vlnové délky, působí prstenec optického rezonátoru jako filtr. Kromě toho mohou být dva nebo více prstencových rezonátorů vzájemně spojeny pro vytvoření optického filtru.

Totální vnitřní odraz

Světlo šířící se v optickém prstencovém rezonátoru zůstává uvnitř vlnovodu v důsledku jevu v optice paprsků nazývaného totální vnitřní odraz.

Úplný vnitřní odraz je optický jev, ke kterému dochází, když paprsek světla narazí na hranici média pod úhlem větším, než je nějaký kritický úhel, a index lomu prostředí, ve kterém se paprsek šíří, je větší než index lomu média. na druhé straně hranice.

Rušení

Interference je proces, při kterém se na sebe navrství několik vln a vytvoří výslednou vlnu o větší nebo menší amplitudě. Interferencí se rozumí interakce vln, které spolu korelují nebo jsou koherentní .

Světlo v rezonátoru se opakovaně odráží od zrcadel. Odražené paprsky interferují, což způsobuje, že v rezonátoru se zadrží pouze určitá rozložení pole na určitých frekvencích, záření na jiných frekvencích nebo s jiným rozložením je potlačeno interferencí nebo rychle opustí rezonátor. Distribuce, které se opakují v jednom plném průchodu rezonátoru, jsou nejstabilnější a nazývají se vlastní módy nebo rezonátorové módy.

Pokud předpokládáme, že v systému nedochází k žádným ztrátám absorpcí, ztrátám zářením a podmínka rezonance je splněna, pak se intenzita světla opouštějícího prstencový rezonátor bude rovnat intenzitě světla dodávaného do systému.

Optická komunikace (lineární vlnovody s prstencem)

Když paprsek prochází vlnovodem, část záření bude připojena k optickému prstencovému rezonátoru. Důvodem je jev přechodného pole, které překračuje vlnovodný mód v exponenciálně klesajícím radiálním profilu. Jinými slovy, pokud se prstenec a vlnovod přiblíží k sobě, část světla z vlnovodu může procházet do prstence.

Optická vazba je ovlivněna vzdáleností mezi vlnovodem a optickým rezonátorem, délkou spoje a indexy lomu vlnovodu a rezonátoru. Nejčastěji se za účelem zlepšení optické vazby zmenšuje vzdálenost mezi vlnovodem a prstencovým rezonátorem.

Rozdíl optické dráhy

Nechť existuje obrys, po kterém se světlo může šířit. Doba, kterou světlo potřebuje k vytvoření kompletního okruhu:

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

kde R je poloměr obrysu, c je rychlost světla. Dráha, kterou se paprsek šířící se ve směru rotace během této doby ubere:

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

Pro paprsek šířící se proti směru otáčení:

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

kde ν je lineární rychlost. Pak je rozdíl mezi cestami v jednom průchodu:

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

kde ν = ωR ˂˂ c, ω je úhlová rychlost, А je plocha obrysu.

Pro n zatáček:

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

Rezonanční frekvence

V rezonátoru jsou udržovány převážně rezonanční frekvence (vlnové délky) a frekvence procházejí vazebnou oblastí do dalšího přímočarého vlnovodu. Přenos se tedy provádí ve větší či menší míře v závislosti na stupni komunikace. Zbývající vlnové délky procházejí bez interakce. Rezonanční podmínka je dána:

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

kde n eff je efektivní index lomu, L je obvod, R je poloměr zakřivení prstencového rezonátoru a m je celé číslo. [2]

Charakteristika

Faktor kvality

Faktor kvality je parametr oscilačního systému, který určuje šířku rezonance a charakterizuje, kolikrát jsou zásoby energie v systému větší než energetické ztráty v jednom cyklu kmitů.

Faktor kvality rezonátoru je počet kmitů pole, než se cirkulující energie vyčerpá na méně než původní energie. Pro určení činitele jakosti je mikrorezonátor vybuzen na určitou úroveň a je uvažována úroveň výkonového rozkladu. Je důležité si uvědomit, že faktor kvality lze nakládat a vykládat. Nezatížený činitel jakosti nastává, když rezonátor není spojen s vlnovody. Při připojení k vlnovodu se do rezonátoru zavádějí další ztráty. $1/e$

Vlastní mody. Frekvence

Vlastní módy jsou popsány pomocí tří parametrů l , m a q , které se používají pro polární, azimutové a radiální módy. 2l udává počet maxim ve směru azimutu a l–m+1 se používá k výpočtu počtu maxim v polárním směru . Číslo režimu q určuje maxima v radiálním směru. Z výše uvedených poměrů parametrů je vidět, že základní mód je popsán jako q = 1 a l = m , kde la m jsou velmi velká čísla. Módy s q > 1 jsou hlouběji v rezonátoru. [3]

Výběr módy

S ohledem na multimódový model lze ukázat, že v systému se objeví silná konkurence mezi různými režimy. V důsledku toho jsou některé režimy utlumeny, zatímco jiné jsou naopak zesíleny.

Stabilita rezonátoru

Mezi stabilní rezonátory patří ty, u kterých paprsek po odrazu zůstává v omezeném objemu blízko osy rezonátoru, jinak jsou rezonátory nestabilní.

Materiály

Rezonátory jsou vyrobeny z krystalických materiálů. protože takové materiály mají typicky významný dvojlom, nedochází k přeslechům mezi vidy majícími TE a TM polarizaci. [čtyři]

Některé příklady takových materiálů: křemen, CaF2 , MnF2 .

Aplikace

Prstencové rezonátory jsou široce používány v mnoha oblastech techniky: na mnoha vojenských letadlech, lodích, ponorkách, balistických střelách, tancích, torpédech, všech vesmírných raketách, na moderních civilních letadlech (autopilotech), lodích atd.

Existují i další aplikace gyroskopů: robotika, medicína, lasery, laserové gyroskopy, snímač úhlové rychlosti, automobilový průmysl, ale i různé spotřebitelské aplikace.

Viz také

Literatura

Zvelto O. Principles of Lasers = Principles of Lasers. - 3. vyd. — M .: Mir, 1990. — 558 s. — ISBN 5-03-001053-X .
Technologie Agrawal GP Lightwave: komponenty a zařízení. - Wiley-IEEE, 2004. - 427 s. — ISBN 9780471215738 .
Agrawal GP Aplikace nelineární vláknové optiky. — 2. vyd. - Academic Press, 2008. - Vol. 10. - 508 str. - (Série Optika a Photonis). — ISBN 9780123743022 .
W. Liang., a kol. Rezonanční mikrofotonický gyroskop // Optica Vol. 4, č. 1. 2017. R. 114–117.
V. Vukmirica. Interferometrický vláknový optický gyroskop: Princip činnosti a stanovení základních parametrů // Scientific Technical Review, Vol.LVIII.No.3-4. 2008.
Schwefel HGL, Whispering Gallery Mode Resonators, Institut pro optiku, informace a fotoniku, Univerzita Erlangen-Norimberk, Mar. 25., (2014) - v současnosti nepublikováno.
V.Sh. Berikashvili, N.T. Klyuchnik, M.Ya. Jakovlev. Elektrooptické modulátory a filtry na bázi prstencových mikrorezonátorů pro vláknové optické komunikační systémy // technologie a design v elektronických zařízeních č. 4. 2011. P. 3–9.

Odkazy

Optický rezonátor - článek z Fyzické encyklopedie

↑ Herve C. Lefevre. Interferometrický optický gyroskop // Optické senzory: Kritický přehled. — SPIE, 1993-01-28. - doi : 10.1117/12.145202 .
↑ Technologie a design elektronických zařízení . — Soukromý podnik, Politehperiodika.
↑ Richard Zeltner, Florian Sedlmeir, Gerd Leuchs, Harald GL Schwefel. Refractometric Sensing with Crystalline MgF2 Whispering Gallery Mode Resonators // 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, Anatolij A. Savčenkov, Elijah Dale, Danny Eliyahu. Rezonanční mikrofotonický gyroskop // Optika. — 2017-01-12. - T. 4 , ne. 1 . - S. 114 . — ISSN 2334-2536 . - doi : 10.1364/optica.4.000114 .