Способ разделения частот встречных волн в кольцевом лазере

 

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заввлено 130875 (21) 21б 3248/18-25 с присоединением заявки М

Н 01 S 3/083

Государственкый комнтст

СССР по делам нзобретеннй и открытий (23) Приоритет (5З) УДК 621, 375. 8 (088. 8) Опубликовано 250979, Бюллетень HP 35

Дата опубликования описания 25.09,79 (72) Авторы изобретения

А.П.Войтович, И.П.Мазанько и В.И.Сардыко (71) Заявитель

Ордена Трудового Красного Знамени институт физики hH Белорусской ССР (54 ) СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТ ВСТРЕЧНЫХ ВОЛН

В КОЛЬЦЕВОМ ЛАЗЕРЕ в диапазоне перекрытия областей генерации на двух б -компонентах контура усиления. Поскольку встречные волны усиливаются разными б -компонентами, они, в силу дисперсии показателя преломления активной среды, испытывают разные набеги фаз, что и приводит к разделению частот встречf0 ных волн. Величина этого разделения определяется величиной индуцированной магнитным полем циркулярно-фазовой анизотропии активной среды.

Такой способ разделения частот встречных волн в принципе не дает возможность создать оольшие частотные подставки, так как здесь величина частотной подставки ограничена величиной коэффициента усиления.

Это не позволяет существенно умень-шить ошибки измерения, обусловленные взаимодействием встречных волн.

Другим существенным недостатком известного способа является -.о, что

25 Величина частотной подставки сильно подвержена влиянию нестабильностей параметров лазера: величин магнитного поля, длины параметра резонатора, коэффициента усиления, уровня потерь. Это также приводит к

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно, в способам разделения частот встречных волн в кольцевых ОКГ, применяемых для измерения угловых скоростей и перемещений.

Известен способ разделения частот встречных волн с помощью невзаимного элемента (1).

Известен способ разделения частот встречных волн в кольцевом ОКГ с циркулярно-анизотропным резонатором при наложении на активную среду продольного магнитного поля (2). Использование резонатора, обладающего естественным круговым дихроизмом, позволяет осуществить генерацию излучения на разных для всречных направлений -компонентах контура усиления, а наложение на активную среду продольного магнитного поля вызывает расщепление контура усиления активной среды на две 6 †компонен.

Величина такого расщепления существенно меньше частотной области генерации на каждой б -компоненте, а генерация осуществляется на продольной моде с одним и тем же для обоих направлений распространения аксиальвым индексом и частотой, находящейся

ОПИСАНИЕ изовгкткняя ""6875ОВ

687508

55 ошибкам измерении угловых перемещений.

Целью изобретения является повышение стабильности разделения встречных волн, что ведет к уменьшении ошибок измерения угловых перемещений с помощью кольцевогo лазера, обуслов5 ленных взаимодействием вс речных волн и нестабильностью величины их частотного разделения.

Достигается это тем, что используя циркулярно-анизотропный резонатор1 ) и активную среду, помещенную в продольное магнитное поле, выбирают Величину магнитнОго пОлЯр Обеспечиваю щую зеемановское расщепление, между двумя 6 -компонентами контура усиления активной среды не менее частотной области генерации на каждой 6— компоненте и, выбирая хотя бы на од" ной ф -компоненте уровень потерь не более коэффициента усиления. .20

Осуществляют режим генерации по крайней мере, одной продольной моды.

Кроме того осуществляют режим генерации одно" продольн,ой моды с одним и тем для встречных направлений акси- 25 альным индексом, которая усиливается только в одной Д -компоненте, а также режим генерации более двух продольных мод,каждая иэ которых усилена только одной 4 -компонентой кон= тура усиления и возбуждена только в одном направлении. Кроме того создают эеемановское расщепление между двумя б -конпонентами контура усиления, кратное по величине межмодовому интервалу.

Осуществление режима генерации одной продольной моды с одним и тем для встречных направлений аксиальным индексом позволяет создать разные для встречных направлений набеги фаэ в резонаторе эа счет естественной циркулярно-фаэовой анизотропии, что обеспечивает частотную подставку. Применение резонаторов, обладающих естественным круговым дихроиэмом позволяет осуществить многомодовый режим генерации на разных для встречных направлений продольных модах. Если используется зеемановское расщепление, кратное межмодовому интервалу, значительно уменьшается влияние нестабильностей параметров лазера на его точностные характеристики.

На фиг.1 дана схема кольцевого лазера для осуществления предлагаемого способа; на фиг.2 — 5 — режимы генерации лазера.

Кольцевой лазер содержит зеркала

1-4 резонатора, изотропный по поляризации активный элемент 5, блок б пита-@ ния активного элемента, оптический элемент или устройство 7, обладающее круговой анизотропией, оптический смеситель Я, четвертьволновую пластину 9,. поляризатор 10, фото- 65 приемник 11, регистрирующее устройство 12 . Стрелкой и буквой Н обозначено продольное магнитное поле, наложенное на активный элемент 5.

Б случае, когда в качестве оптического элемента 7 используется элемент или устройство, обладающее ественным круговым дихроиэмом, раз зление частот встречных волн поясняется фиг.2. Здесь используются обозначения: Cr,п-правокруговая и левокруго. вая компоненты, на которые расщепляется контур усиления линии при наложении продольного магнитного поля, К„ и Кпот -уровни потерь для излучения, поляризованного по правому и левому кругу соответственно, Я -оптическая частота, ф — оптические частоты, соответствующие шести соседним продольным модам, акр -зеемановское расщепление между двумя б -компонентами, д у частотная область генерации на каждой 4 -компоненте, 6 9 -смещение частоты при вращении ОКГ. Сплошными вертикальными линиями изображены продольные моды, на которых осуществляется генерация, штриховыми линия и на фиг.2 и 3 изображены продольные моды, которые н е в о з буж даются активной средой, на фиг.4 положения возбужденных мод при вращении ОКГ. Знаками + и обозначены направления распространения луча по и против часовой стрелки соответственно. Для удобства сравнения поляризаций встречных лучей здесь везде используется одна и та же для обоих направлений распространения система координат.

Использование элемента 7,обладающего естественным круговым дихроизмом, позволяет осуществить генерацию на разных для встречных направлений 6 -компонентах контура усиления. Коэффициент усиления и уровень потерь на каждой 5 -компоненте, а также длину периметра резонатора подбирают такими, чтобы имел место многомодовый режим генерации. При зеемановском расщеплении между -компонентами, превышающем частотную область генерации на каждой из них, достигается режим генерации на разных для встречных направлений продольных модах (сплошные вертикальные линии на фнг.3). Если эеемановское расщепление имеет величину порядка частотной области генерации на каждой -компоненте, а генерация осуществляется более,чем на двух продольных модах, суммарный спектр, изображенный на фиг.4 сплошными вертикальными линиями, представляет собой эквидистантный набор продольных мод. При вращении частоты генерируемого излучения и силу эффекTB. Саньяка смещаются на величину

Ь 4 — пропорциональную ск рости вра687508

30 щения, в результате наблюдается неэквидистантный спектр, изображен-! ный на фиг.4 штриховыми линиями.

При этом в фототоке на выходе приемника ll излучения содержатся два вы-, сокочастотных сигнала межмодовых биений с частотами 4 р и a )р-Ь, где 1Чр -межмодовое расстояние. В реги= стрирующем устройстве 12 определяется разность частот двух высокочастотных сигналов dip - (йЧр-39) = Г 9 которая непосредственно несет информацию о скорости вращения.

Разделение частот встречных волн при использовании оптического элемента или устройства 7, обладающего свойствами естественной циркулярно- !5 фазовой анизотропии,поясняется. фиг.5. Эесь Ч1 4 -частоты генерируемых волн, ЛЯ р -разность частот встречных волн (частотная подставка), К1 -уровень потерь, сплошными верти- 2О кальными линиями изображены частоты, на которых происходит генерация в покоящемся кольце, а штриховымк их положение при вращении. Остальные обозначения те же, что и на 25 фкг.2, В данном случае параметры лазера (уровень потерь, величину коэффициента усиления, длину периметра резонатора) подбирают такими, чтобы в обоих направлениях область генерации на нерасщепленном контуре усиления не превышала величину межмодового интервала. Эатем с помощью продольного магнитного поля создают зеемановское расщепление между двумя б—

-компонентами контура усиления, превышающее частотную область генерации на каждой из них, что позволяет при некоторых настройках длины периметра резонатора получить режим, когда хотя бы на одной из Д -компонент контура усиления генерация осуществляется на одной продольной моде. Для встречных направлений возбужденная мода имеет один к тот же аксиальный 5 индекс. В силу того, что резонатор обладает естественной циркулярнофазовой анизотропией, набеги фаз для встречных волн в нем оказываются разными, что и приводит к рас- 50 щеплению данной продольной моды по частоте для встречных направлений, т. е. создается подставка &Vcr, величина которой определяется величиной циркулярно-фазовой анкзотропки 55 резонатора. Прк вращении величина этого частотного разделения изменится (штриховые линии на фкг.5).

Измеряя величину частоты биений встречных волн на данной б -компоненте, что достигается выделением сигнала биений в поляризованном свете с помощью элементов 9 к 10, к вычитая велкчкну частотной подставки кзвестнымк методамк, например, 65 осуществл я я коммутацию (изменение знака) подставки, получим непосредственную информацию О скорости вращения. Коммутацию частотной подставки в данном случае можно Осуществлять двумя способамк — переключением напряженности магнитного поля на активной среде на обратную к изменением знака естественной циркулярно-фазовой анизотропик резснатора.

В том случае, когда генерация осуществляется как на левокруговой, так и на правокруговой б -компонентах контура усиления, величина резонаторной частотной подставки на продольных модах, усиливающихся разными -компонентами, одинакова по величине, но противоположна по знаку, В результате достигается четырехволновой режим генерации. реальном лазере равенство между величинами частотного разделения встречных волн на двух 1- -компонентах контура усиления нарушается, т.е. эффекты затягивания частст к отталкивания провалог для всех че" тырех волн различны. Однако, если используется резонансное значение магнитного поля, когда зеемановское расщепление между С," -компонентами кратно межмодовому интервалу, положение возбужденных мод ОтнОСктельно соответствующих Д -компонент одинаково и в этом частном случае разделение частот встречных волн даже с учетом эффектов насыщения Одинакового по величине для Обекх Д— компонент прк любых расстройках этих частот в пределах области генерации (см.фкг.5). Вращение приводит к тому, что равенство между величинами этих расщеглений будет нарушено (фкг.5 штриховые линки). Измеряя величины частот биений встречных волн на левокруговой к правскругoвой Д -компонентах контура усиления к вычитая этк величины, получим непссредственную инФормацию о скорое"... вращения.

Если в резонаторе используется естественный круговой д хрокзм, зеемановское расщеплен,:е C -компОнент на величину порядка области генерации на каждой кз н11х ;Озвол«eò

Осуществить разделен кE частот 31 т j- ; ных ВОлн на Вел11ч1!ну меж!!ОЛОБО1 О интервала, что на 3 — 5 НОрядков больше частотных подставок, получке -ых известным способом, Прк таких !!Олях магнитные подуровни оптического перехода полностью расщеплены,;.. е. достигается частичное разделен!!а встречных волн и по глпгнкт1;ы..! подуровням. Все это 11озволяет уме11ь1;;:.:ть

Ошибки измерения углОвых перемеще— нкй, Обусловленных взак;лодейс-тв11ем, встречных волн, до мкнима::üнс. возможньгх. В Toì сл"ча». НОгда в рсзОзаторе используется Осте т.енная цкркуляоно-Фазсвая а.. oòОО1;к так68750 же не представляет труда сделать сколь угодно большую частотную подставку. Кроме того, величина резонаторной частотной подставки определяется величиной, не индуцированной магнитным полем, как в известном способе, а естественной циркулярно-фазовой аниэотропии. Поэтому она не подвержена влиянию нестабильности магнитного поля. При использовании четырехволнового режима, когда зеемановское расщепление крат- 10 но межмодовому интервалу, можно исключить ошибки измерения, обусловленные нестабильностью величины разделения частот встречных волн, в стационарном режиме, без использования 15 коммутации часготной подставки.В отличие от известных, данный четырехволновой режим позволяет избавиться от ошибок измерения, обусловленных нестабильностью не только резонаторной частотой подставки, но и дисперсионных характеристик активной среды.

Формула изобретения

1. Способ разделения частот встречных волн в кольцевом лазере с циркулярно-анизотропным резонатором при наложении на активную среду продольного магнитного поля, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повыше" ния стабильности разделения встречных волн, ныби рают величину ма гнитного поля, обеспечивающую эеемановс8 8 кое расщепление между двумя ь — компонентами контура усиления активной среды не менее частотной области генерации на каждой g -компоненте и, выбирая хотя бы на одной e -компоненте уровень потерь не более коэффициента усйления, осу.- ."твляют режим генерации, по, крайн - .ере, одной продольной моды.

2. Способ по п.1, о т л и ч а ю шийся тем, что, осуществляют режим генерации одной продольной моды с одним и тем же для встречных направлений аксиальным индексом, котоРая усилена только одной С -компонентой.

3. Способ по пп.1 и 2, о т л и ч а ю шийся тем, что осуществляют режим генерации более двух продольных мод, каждая иэ которых усилена только одной Π†компонент контура усиления и возбуждена только в одном направлении распространения.

4. Способ по пп.1-3, о т л и ч а ю щ и И с я тем, что соэдают эеемановское расщепление между двумя

-компонентами контура усиления, кратное по величине межмодовому интервалу.

Приоритет пп.3 и 4 — 21.07. 77 r.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

9270359, кл. Н О) S 3/083, 1964.

2. Патент США Р 3382759, кл. 331-94,5, опублик. 1968.

687508 4

Фиг.Ф

Составитель О.Исаева

Редактор Е,Гончар Техред Л.Алферова Корректор E.Ïàïï

Закаэ 5740/48 Тираж 923 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам ивобретений и открытий

l13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/S

Филиал ППП Патент, г.ужгород, ул. Проектная, 4