ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА С ОПТИЧЕСКОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ Российский патент 2021 года по МПК H01S3/107 G01N21/17 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее описание относится к лазерной системе, содержащей лазер, связанный с помощью оптической обратной связи с оптическим резонатором, и к способу генерирования оптической волны с помощью такой лазерной системы.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] В патентной заявке WO 03/031949 описывается лазерная система, содержащая лазер, связанный с помощью оптической обратной связи с оптическим резонатором, который является внешним по отношению к лазеру, для обнаружения следов газов. Одна часть непрерывной исходной волны, излучаемой лазером, вводится в оптический резонатор посредством системы оптической связи. Оптический резонатор расположен в камере, в которую может вводиться газ для анализа. Одна часть генерируемой в оптическом резонаторе оптической волны, называемой при этом внутрирезонаторной волной, направляется назад в лазер. Когда лазер чувствителен к оптической обратной связи - это справедливо, например, для полупроводниковых лазеров - возникает эффект обратной связи, в результате чего частота исходной волны становится привязанной к частоте резонансной моды оптического резонатора. Это приводит к сужению спектра исходной волны, центр которого становится расположенным на частоте резонансной моды оптического резонатора.

[0003] Оптическая обратная связь, такая как описанная в вышеуказанной патентной заявке, позволяет посредством управления спектральными характеристиками излучаемой лазером исходной волны - как длиной волны излучения лазера, так и шириной спектра на этой длине волны - оптимизировать введение фотонов в оптический резонатор и повышать чувствительность лазерной системы в отношении обнаружения следов газа.

[0004] Однако эти эффекты привязки и сужения спектра возникают лишь при определенных условиях. Крайне необходимо, чтобы волна, излучаемая из оптического резонатора и направленная к лазеру, находилась в фазе с внутрирезонаторной волной, создаваемой лазером. В таких установках, как описанные в вышеуказанной патентной заявке, это предполагает управление расстоянием между лазером и оптическим резонатором с высокой точностью, поскольку возникает фазовый сдвиг, если общий оптический путь прохождения через лазер/резонатор не кратен длине волны, излучаемой лазером.

[0005] Кроме того, ввиду термомеханических эффектов колебаний показателя преломления воздуха под действием давления или температуры эти условия, как правило, могут пассивно сохраняться лишь на ограниченное время - приблизительно порядка нескольких секунд.

[0006] Как правило, относительная фаза между волной, выходящей из оптического резонатора, и исходной волной лазера зависит от длины волны. В вышеуказанной патентной заявке используется то обстоятельство, что на расстоянии, кратном длине плеч оптического резонатора, электрическое поле резонансной волны обязательно находится в фазе с электрическим полем лазера вне зависимости от длины волна: в частности, электрическое поле обязательно является нулевым при резонансе не только на тыльных зеркалах оптического резонатора, но и на зеркалах резонатора лазера. Например, путем размещения лазера таким образом, чтобы он располагался по отношению к входному зеркалу оптического резонатора на расстоянии, равном длине плеча оптического резонатора, который не находится на оси лазера, можно заставить длину волны излучения лазера изменяться без необходимости корректировки расстояния между лазером и оптическим резонатором. Все, что при этом требуется - это использование некоторого элемента для точной регулировки расстояния между лазером и оптическим резонатором. Таким элементом является, например, установленное на пьезоэлектрическом преобразователе зеркало, позволяющее точно регулировать расстояние между лазером и оптическим резонатором. Однако такая регулировка вносит ограничение, в частности, из-за ограниченной полосы пропускания пьезоэлектрического преобразователя и времени, необходимого для нахождения положения зеркала, позволяющего компенсировать относительную фазу между исходной волной и волной, выдаваемой путем передачи из оптического резонатора.

[0007] На практике эти ограничения в совокупности означают, что регулирование лазерной системы в той или иной среде с целью получения оптической обратной связи на различных частотах излучения лазера может потребовать нескольких часов.

[0008] Таким образом, по-видимому, существует необходимость в преодолении этих ограничений и/или упрощении операций регулирования лазерной системы.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0009] Задачей настоящего описания является - в соответствии с первым аспектом - лазерная система с оптической обратной связью, содержащая:

- лазер, чувствительный к оптической обратной связи и предназначенный для излучения - через выходное оптическое волокно - непрерывной распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны, называемой исходной волной, частота которой является регулируемой;

- оптический резонатор который связан с помощью оптической обратной связи с лазером и который выполнен с возможностью генерирования внутрирезонаторной волны, часть которой возвращается в лазер в форме распространяющейся в обратном направлении оптической волны;

- электрооптический модулятор основанный на волокне, размещаемый на оптическом пути между лазером и оптическим резонатором, причем, электрооптический модулятор выполнен с возможностью генерирования сдвинутой по фазе исходной волны путем фазового сдвига исходной волны и генерирования - путем фазового сдвига распространяющейся в обратном направлении оптической волны - сдвинутой по фазе распространяющейся в обратном направлении волны, называемой волной обратной связи, которая достигает лазера;

- фазорегулирующее устройство для генерирования сигнала для регулирования электрооптического модулятора по сигналу рассогласования, характеризующему относительную фазу между исходной волной и волной обратной связи, чтобы компенсировать относительную фазу между исходной волной и волной обратной связи.

[0010] Относительная фаза между исходной волной и волной обратной связи при этом также называется относительной фазой лазера/резонатора или даже фазовым сдвигом лазера/резонатора. Относительная фаза лазера/резонатора обозначается Φ_1c. относительная фаза Φ лазера/резонатора определяется по модулю 2π и задается угловой величиной, выражаемой в радианах. Аналогичным образом, регулирование ΔΦ фазы (или фазовый сдвиг), осуществляемое электрооптическим модулятором, задается угловой величиной, выражаемой в радианах. Это регулирование ΔΦ фазы соответствует полному регулированию для одного прохождения исходной волны туда/обратно через лазер/резонатор, т.е. сумме регулирования ΔΦ₁ фазы, осуществляемого с исходной волной, и регулирования ΔΦ₂ фазы, осуществляемого с волной обратной связи. Это регулирование ΔΦ фазы может быть меньше, равняться или быть больше, чем 2π. Регулирование фазы, равное ΔΦ=2π (-2π соответственно) соответствует удлинению (укорачиванию соответственно) оптического пути на длину, равную длине волны λ исходной волны. В более общем случае, регулирование фазы, равное ΔΦ=2π δ/λ, соответствует регулированию оптического пути на (положительную или отрицательную) длину δ.

[0011] Электрооптический модулятор основанный на волокне используется для применения фазовой коррекции, а именно, для изменения относительной фазы между исходной волной и волной обратной связи. Ограничение на расстояние между лазером и оптическим резонатором при этом полностью снимается, поскольку электрооптический модулятор позволяет получать достаточно большой диапазон изменения показателя преломления, позволяющий достигать регулирования фазы, превышающего половину длины волны, во всем диапазоне длин волн лазерного источника. Такое регулирование ΔΦ фазы осуществляется как с исходной волной, так и с распространяющейся в обратном направлении волной, передаваемой на электрооптический модулятор, по которой генерируется волна обратной связи. Регулирование фазы, измеряемое за прохождение туда и обратно, может вследствие этого соответствовать удлинению оптического пути более чем на одну длину волны λ исходной волны. Регулирование ΔΦ фазы, осуществляемое электрооптическим модулятором, равно регулированию (т.е. удлинению или укорачиванию) оптического пути исходной волны, в результате чего фазовый сдвиг лазера/резонатора является нулевым по модулю 2π, и это соответствует оптическому пути, который является целым кратным длине волны λ исходной волны. Когда фазовый сдвиг лазера/резонатора является нулевым, коэффициент связи между лазером и оптическим резонатором максимален, при этом передача оптического резонатора также максимальна.

[0012] Более того, благодаря замене механического элемента для регулирования расстояния между лазером и оптическим резонатором и зеркала на электрооптический модулятор с регулируемым показателем преломления, выполненный с возможностью осуществления регулирования фазы, обеспечивается решение, которое является гибким и простым и которое позволяет по существу достигать почти мгновенного регулирования фазового сдвига лазера/резонатора. Кроме того, в противоположность вышеупомянутому решению, в котором используется итеративный процесс для нахождения положения зеркала, позволяющего компенсировать фазовый сдвиг лазера/резонатора вне зависимости от длины волны, фазовая коррекция, генерируемая с помощью электрооптического модулятора, позволяет регулировать фазовый сдвиг лазера/резонатора в зависимости от длины волны распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны. Время отклика составляет менее 0,1 наносекунды (нс) - значительно меньше времени отклика в несколько миллисекунд (мс), требуемого для механического регулирования зеркала. Кроме того, фазовая коррекция может применяться почти мгновенно на основе сигнала SE рассогласования, характеризующего относительную фазу. Кроме того, осуществляемое регулирование ΔΦ фазы может задаваться расчетным путем, например, на основе сохраненных результатов измерений относительной фазы, проводимых для различных значений длин волн, чтобы дополнительно увеличивать скорость, с которой осуществляется регулирование.

[0013] Более того, применение лазера, на выходе которого имеется волоконная связь, является значительным усовершенствованием, которое не только позволяет быстро заменять лазер, но и позволяет легко вводить оптические модули основанные на волокне, выполняющие различные функции, например, модули, обеспечивающие: разделение оптических пучков (волоконно-оптический делитель или волоконно-оптический циркулятор); последовательное или параллельное мультиплексирование (оптические переключатели, либо мультиплексирование с разделением волны, либо спектральный демультиплексор) лазерных пучков, излучаемых на различных длинах волн; усиление оптических пучков (волоконно-оптический усилитель SOA или BOA) с целью регулирования степени обратной связи или выходной мощности лазерной системы); и т.д.

[0014] По меньшей мере, в одном варианте осуществления лазерной системы оптический резонатор образован, по меньшей мере, двумя зеркалами, содержащими, по меньшей мере, одно выходное зеркало; а фазорегулирующее устройство выполнено с возможностью генерирования сигнала для регулирования электрооптического модулятора по части внутрирезонаторной волны, которая выходит из оптического резонатора через упомянутое выходное зеркало.

[0015] По меньшей мере, в одном варианте осуществления лазерной системы оптический резонатор образован, по меньшей мере, двумя зеркалами, включая входное зеркало; а фазорегулирующее устройство выполнено с возможностью генерирования сигнала для регулирования электрооптического модулятора по волне, возникающей в результате интерференции между частью сдвинутой по фазе исходной волны, отражаемой входным зеркалом, и частью внутрирезонаторной волны, передаваемой в направлении обратного распространения через входное зеркало оптического резонатора.

[0016] По меньшей мере, в одном варианте осуществления лазерной системы фазорегулирующее устройство выполнено с возможностью генерирования сигнала для регулирования электрооптического модулятора по части распространяющейся в обратном направлении оптической волны, отбираемой на входе электрооптического модулятора в направлении обратного распространения.

[0017] По меньшей мере, в одном варианте осуществления лазерной системы электрооптический модулятор, кроме того, выполнен с возможностью генерирования модулированного оптического сигнала путем модулирования - в зависимости от сигнала рассогласования - фазы исходной волны вокруг среднего значения, а фазорегулирующее устройство выполнено с возможностью выдачи управляющего сигнала с помощью метода синхронного детектирования по части распространяющейся в обратном направлении оптической волны, отбираемой на входе электрооптического модулятора в направлении обратного распространения.

[0018] По меньшей мере, в одном варианте осуществления лазерной системы выходное оптическое волокно представляет собой поляризационно-стабилизированное волокно.

[0019] По меньшей мере, в одном варианте осуществления лазерной системы лазер не имеет оптического вентиля на своем выходе.

[0020] По меньшей мере, в одном варианте осуществления лазерная система содержит, по меньшей мере, один оптический компонент основанный на волокне, размещаемый на оптическом пути исходной волны до или после электрооптического модулятора основанного на волокне, причем оптический компонент основанный на волокне является компонентом, который выбирается из группы, состоящей из оптического усилителя, оптического ответвителя и оптического циркулятора. Как правило, данный оптический компонент основанный на волокне может представлять собой оптический компонент основанный на волокне, который действует на фазу, частоту и амплитуду распространяющейся в прямом направлении и/или распространяющейся в обратном направлении волн.

[0021] По меньшей мере, в одном варианте осуществления лазерная система в соответствии с настоящим описанием представляет собой лазерную систему с несколькими источниками, т.е. она содержит, по меньшей мере, второй лазер, выполненный с возможностью связи с помощью оптической обратной связи с оптическим резонатором.

[0022] По меньшей мере, в одном первом варианте осуществления лазерная система содержит: по меньшей мере, один второй лазер, который чувствителен к оптической обратной связи и который излучает - через выходное оптическое волокно - вторую непрерывную распространяющуюся в прямом направлении исходную оптическую волну, частота которой является регулируемой; и оптический переключатель основанный на волокне, выполненный с возможностью приема распространяющихся в прямом направлении исходных оптических волн, выдаваемых из первого лазера и упомянутого, по меньшей мере, одного второго лазера, для выбора одной из принимаемых распространяющихся в прямом направлении исходных оптических волн и для переноса - на электрооптический модулятор основанный на волокне - выбранной распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны.

[0023] По меньшей мере, в одном втором варианте осуществления лазерная система содержит: по меньшей мере, один второй лазер, который чувствителен к оптической обратной связи и который излучает - через выходное оптическое волокно - вторую непрерывную распространяющуюся в прямом направлении исходную оптическую волну, частота которой является регулируемой; по меньшей мере, один второй электрооптический модулятор основанный на волокне, размещаемый на оптическом пути между соответствующим упомянутым вторым лазером и оптическим резонатором, причем, каждый упомянутый второй электрооптический модулятор выполнен с возможностью генерирования сдвинутой по фазе распространяющейся в прямом направлении оптической волны путем фазового сдвига соответствующей упомянутой второй распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны; и оптический мультиплексор основанный на волокне, выполненный с возможностью приема сдвинутых по фазе распространяющихся в прямом направлении оптических волн, выдаваемых из электрооптического модулятора и упомянутого, по меньшей мере, одного второго электрооптического модулятора, для генерирования мультиплексированной оптической волны путем частотного мультиплексирования принимаемых сдвинутых по фазе распространяющихся в прямом направлении оптических волн, для выдачи на оптический резонатор мультиплексированной волны и для генерирования демультиплексированных волн путем демультиплексирования части внутрирезонаторной волны, которая достигает мультиплексора в форме распространяющейся в обратном направлении оптической волны; каждый упомянутый второй электрооптический модулятор, кроме того, выполнен с возможностью генерирования - путем фазового сдвига одной из демультиплексированных волн - соответствующей распространяющейся в обратном направлении оптической волны, которая достигает соответствующего второго лазера; фазорегулирующее устройство выполнено с возможностью генерирования управляющего сигнала для каждого второго электрооптического модулятора по сигналу рассогласования, характеризующему относительную фазу между соответствующей второй распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волной и соответствующей распространяющейся в обратном направлении оптической волной, достигающей соответствующего второго лазера, чтобы компенсировать относительную фазу между соответствующей распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волной и соответствующей распространяющейся в обратном направлении оптической волной. По меньшей мере, в одном конкретном варианте осуществления лазерная система, кроме того, содержит оптический компонент для генерирования суммарной оптической волны путем суммирования части исходной волны (волны обратной связи соответственно), выдаваемой из лазера, и части второй распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны (второй распространяющейся в обратном направлении оптической волны соответственно), выдаваемой из второго лазера.

[0024] По меньшей мере, в одном третьем варианте осуществления лазерная система содержит: второй лазер, который чувствителен к оптической обратной связи и который излучает - через выходное оптическое волокно - вторую непрерывную распространяющуюся в прямом направлении исходную оптическую волну, частота которой является регулируемой; второй электрооптический модулятор основанный на волокне, размещаемый на оптическом пути между вторым лазером и оптическим резонатором, причем, второй электрооптический модулятор выполнен с возможностью генерирования второй сдвинутой по фазе распространяющейся в прямом направлении оптической волны путем фазового сдвига второй распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны; и оптический сумматор для генерирования - из первой сдвинутой по фазе распространяющейся в прямом направлении оптический волны, генерируемой электрооптическим модулятором, и второй сдвинутой по фазе распространяющейся в прямом направлении оптический волны - суммарной волны, содержащей две ортогонально поляризованные волны, для выдачи на оптический резонатор суммарной волны и для генерирования разделенных волн путем разделения - в части внутрирезонаторной волны, которая достигает оптического сумматора в форме распространяющейся в обратном направлении оптической волны - частей ортогонально поляризованных волн; второй электрооптический модулятор, кроме того, выполнен с возможностью фазового сдвига одной из разделенных волн и выдачи второй распространяющейся в обратном направлении оптической волны, которая достигает второго лазера; лазерная система, кроме того, содержит второе фазорегулирующее устройство для генерирования второго сигнала для регулирования второго электрооптического модулятора по второму сигналу рассогласования, характеризующему относительную фазу между второй распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волной и второй распространяющейся в обратном направлении оптической волной, чтобы компенсировать относительную фазу между второй распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волной и второй распространяющейся в обратном направлении оптической волной.

[0025] Задачей настоящего описания - в соответствии со вторым аспектом - является система обнаружения газа, содержащая лазерную систему в соответствии с настоящим описанием, в которой оптический резонатор ограничивает собой камеру, предназначенную для приема, по меньшей мере, одного газа, причем, система обнаружения газа содержит анализатор для анализа, по меньшей мере, одной оптической волны, генерируемой лазерной системой. Такой анализ может, например, проводиться с целью анализа потерь, вносимых газом, например, потерь на поглощение. Спектр поглощения газа, имеющегося в резонаторе, может определяться по передаваемой оптической волне, выходящей из оптического резонатора. Может также проводиться измерение CRDS (нисходящей спектроскопии внутри кольцевого резонатора) на основе передаваемой оптической волны, выходящей из оптического резонатора.

[0026] Задачей настоящего описания - в соответствии с третьим аспектом - является способ генерирования оптической волны, включающий в себя: генерирование непрерывной распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны, называемой исходной волной, частота которой является регулируемой, через выходное оптическое волокно лазера, который чувствителен к оптической обратной связи; связывание - с помощью оптической обратной связи - лазера с оптическим резонатором, выполненным с возможностью генерирования внутрирезонаторной волны, часть которой возвращается на лазер в форме распространяющейся в обратном направлении оптической волны; генерирование - с использованием электрооптического модулятора основанный на волокне, размещаемого на оптическом пути исходной волны между лазером и оптическим резонатором - сдвинутой по фазе исходной волны путем фазового сдвига исходной волны, и - путем фазового сдвига распространяющейся в обратном направлении оптической волны - сдвинутой по фазе, распространяющейся в обратном направлении волны, называемой волной обратной связи, которая достигает лазера; и генерирование сигнала для регулирования электрооптического модулятора по сигналу рассогласования, характеризующему относительную фазу между исходной волной и волной обратной связи, чтобы компенсировать относительную фазу между исходной волной и волной обратной связи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0027] Другие преимущества и признаки представленных выше методов станут понятными после ознакомления с изложенным ниже подробным описанием, приведенным со ссылкой на чертежи, на которых:

фиг. 1 иллюстрирует один вариант осуществления лазерной системы с оптической обратной связью;

фиг. 2A-2E иллюстрируют различные варианты осуществления лазерной системы с оптической обратной связью с использованием различных способов генерирования сигнала для регулирования электрооптического модулятора;

фиг. 3A-3D иллюстрируют различные аспекты генерирование сигнала для регулирования электрооптического модулятора в соответствии с одним или более вариантами осуществления;

фиг. 4 иллюстрирует еще один вариант осуществления лазерной системы с оптической обратной связью;

фиг. 5 иллюстрирует один вариант осуществления лазерной системы с несколькими источниками с оптической обратной связью;

фиг. 6 иллюстрирует еще один вариант осуществления лазерной системы с несколькими источниками с оптической обратной связью;

фиг. 7 иллюстрирует еще один вариант осуществления лазерной системы с несколькими источниками с оптической обратной связью.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0028] В различных вариантах осуществления, которые описываются со ссылкой на чертежи, элементам, являющимся подобными или идентичными, присвоены одинаковые ссылочные позиции.

[0029] Фиг. 1 схематически иллюстрирует один вариант осуществления лазерной системы 100 с оптической обратной связью. В лазерной системе 100 генерируются различные оптические волны. Применительно к настоящему описанию оптическая волна считается распространяющейся в прямом направлении, если она распространяется от лазера к оптическому резонатору, и распространяющейся в обратном направлении в противоположном случае.

[0030] Лазерная система 100 содержит лазер 110, который предназначен для излучения через выходное оптическое волокно 111 непрерывной распространяющейся в прямом направлении исходной волны L0p, называемой также исходной волной, частота которой является регулируемой.

[0031] Лазер 110 является лазером, который чувствителен к оптической обратной связи, например, полупроводниковым лазером, используемым в телекоммуникации. По меньшей мере, в одном варианте осуществления лазер 110 не имеет оптического вентиля на своем выходе, чтобы повысить чувствительность лазера к оптической обратной связи.

[0032] По меньшей мере, в одном варианте осуществления выходное оптическое волокно 111 лазера является поляризационно-стабилизированным волокном с целью стабилизации поляризации исходной волны. Частота исходной волны L0p, как правило, является регулируемой в диапазоне 1 ТГц в случае диодов, используемых для телекоммуникации, причем, центральная частота излучения конкретного диода, возможно, находится между 176 и 240 ТГц.

[0033] Лазерная система 100 содержит оптический резонатор 120, который связан с помощью оптической обратной связи с лазером 110 и выполнен с возможностью генерирования внутрирезонаторной волны L5. Оптический резонатор 120 содержит, по меньшей мере, одно оптическое плечо 121, которое ограничено двумя зеркалами 123 и 124. В варианте осуществления, описываемом со ссылкой на фиг. 1, описывается конфигурация, содержащая два плеча 121, 122. Такая конфигурация, содержащая два или более плеч, упрощает реализацию. В примере на фиг. 1 оптический резонатор 120 ограничен тремя зеркалами 123, 124, 125. Два оптических плеча 121, 122 составляют некоторый угол относительно друг друга. Два плеча 121, 122 не обязательно имеют одинаковую длину. Оптическое плечо 122 является плечом, которое ограничено отклоняющим зеркалом 123 и выходным зеркалом 124. Оптическое плечо 121 является плечом, которое ограничено отклоняющим зеркалом 123 и выходным зеркалом 125.

[0034] В зависимости от целевых применений, оптический резонатор 120 может являться пустым или заполненным газом, газовой смесью, аэрозолями или любым другим составом, например, жидкостью, если зеркала пригодны для этой цели.

[0035] Лазерная система 100 содержит электрооптический модулятор 115 основанный на волокне, размещаемый на оптическом пути распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны L0p между лазером 110 и оптическим резонатором 120. Электрооптический модулятор 115 оптически соединен с лазером 110 через оптическое волокно 111, которое передает распространяющуюся в прямом направлении исходную оптическую волну L0p.

[0036] Электрооптический модулятор 115 выполнен с возможностью регулирования и/или модуляции фазы распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны L0p и генерирования распространяющейся в прямом направлении оптический волны L1p, которая сдвинута по фазе относительно распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны L0p и/или которая имеет боковые полосы модуляции.

[0037] Лазерная система 100, кроме того, содержит фазорегулирующее устройство 130 для получения сигнала SE рассогласования и генерирования сигнала SC для управления электрооптическим модулятором 115 в зависимости от сигнала SE рассогласования.

[0038] Оптическое волокно 112 на выходе электрооптического модулятора 115 передает распространяющуюся в прямом направлении сдвинутую по фазе оптическую волну L1p. Оптический путь между оптическим волокном 112 и оптическим резонатором 120 проходит через свободное пространство.

[0039] Одна или более линз 104 могут размещаться на выходе оптического волокна 112 с целью коллимирования распространяющейся в прямом направлении сдвинутой по фазе оптической волны L1p, выходящей из оптического волокна 112, и генерирования распространяющейся в прямом направлении оптической волны L2p, пространственная структура которой подходит для возбуждения резонансной моды резонатора 120. Распространяющаяся в прямом направлении оптическая волна L2p передается через свободное пространство перед введением в оптический резонатор 120. Один или более пластинчатых светоделителей 106 могут размещаться на оптическом пути распространяющейся в прямом направлении оптической волны L2p, чтобы отбирать часть распространяющейся в прямом направлении оптической волны L2p. Оптическое плечо 122 оптически центрировано на оптическом пути распространяющейся в прямом направлении оптической волны L2p.

[0040] При этом в лазерной системе генерируются различные оптические волны. Эти оптические волны включают в себя исходную оптическую волну L0 на выходе лазера 110, сдвинутую по фазе оптическую волну L1 на выходе электрооптического модулятора 115, оптическую волну L2 на входе оптического резонатора 120, оптическую волну L3, выдаваемую из оптического резонатора 120, оптическую волну L4, выдаваемую из оптического резонатора 120, внутрирезонаторную волну L5 и оптическую волну L6, выдаваемую из оптического резонатора 120.

[0041] Внутрирезонаторная волна L5 является стационарной волной, возникающей в результате наложения двух волн, распространяющихся в прямом направлении в противоположных направлениях: распространяющейся в прямом направлении волны L5p, распространяющейся в прямом направлении от отклоняющего зеркала 123 к выходному зеркалу 125 или 124, и распространяющейся в обратном направлении волны L5c, распространяющейся в прямом направлении от выходного зеркала 125 или 124 к отклоняющему зеркалу 123. Часть распространяющейся в обратном направлении волны L5c выходит из оптического резонатора и распространяется в направлении лазера 110.

[0042] Когда в оптическом резонаторе 120 формируется стационарная внутрирезонаторная волна L5, распространяющаяся в обратном направлении оптическая волна L5c повторно вводится по обратному пути в лазер 110, вызывая эффект оптической обратной связи. По такому обратному пути в лазер 110 распространяются распространяющиеся в обратном направлении волны L0c, L1c и L2c.

[0043] При этом оптическая волна L2 на входе оптического резонатора 120 состоит из распространяющейся в прямом направлении волны L2p, выдаваемой из оптического волокна 112, и распространяющейся в обратном направлении волны L2c. В частности, распространяющаяся в обратном направлении волна L2c соответствует части распространяющейся в обратном направлении оптической волны L5c, передаваемой через отклоняющее зеркало 123 на оси оптического плеча 122.

[0044] Аналогичным образом, оптическая волна L1 на выходе электрооптического модулятора 115 состоит из распространяющейся в прямом направлении волны L1p, генерируемой электрооптическим модулятором 115, и распространяющейся в обратном направлении волны L1c. Аналогичным образом, распространяющаяся в обратном направлении волна L1c соответствует части распространяющейся в обратном направлении оптической волны L5c, которая достигает электрооптического модулятора 115. Поскольку действие электрооптического модулятора 115 одинаково в обоих направлениях распространения, он изменяет на одинаковую величину и одинаковым образом фазу распространяющейся в прямом направлении исходной волны L0p и фазу распространяющейся в обратном направлении волны L1c.

[0045] Электрооптический модулятор обеспечивает изменение оптического пути падающей волны посредством изменения показателя преломления материала, находящегося под действием напряжения. Полное регулирование ΔΦ фазы (или фазовый сдвиг), осуществляемое электрооптическим модулятором, является вследствие этого суммой двух фазовых сдвигов: первого фазового сдвига ΔΦ₁, применяемого при прохождении наружу к падающей распространяющейся в прямом направлении волне; и второго фазового сдвига ΔΦ₂, применяемого при обратном прохождения к падающей распространяющейся в обратном направлении волне. Полное регулирование ΔΦ фазы, осуществляемое с помощью электрооптического модулятора, представляет собой вследствие этого ΔΦ=ΔΦ₁+ΔΦ₂=2*ΔΦ₁ при прохождении исходной волны туда/обратно через лазер/резонатор. При этом все, что требуется, это чтобы электрооптический модулятор мог создавать фазовый сдвиг, соответствующий удлинению/укорачиванию оптического пути, равному половине длины волны, чтобы электрооптический модулятор мог регулировать данный оптический путь на целое кратное длине волны исходной волны L0p.

[0046] Наконец, оптическая волна L0 на выходе лазера 110 состоит из распространяющейся в прямом направлении исходной волны L0p, генерируемой лазером 110, и распространяющейся в обратном направлении волны L0c, которая достигает лазера 110. Распространяющаяся в обратном направлении волна L0c соответствует части распространяющейся в обратном направлении оптической волны L5c, которая достигает выхода лазера 110.

[0047] Каждая из распространяющихся в обратном направлении волн L2c, L1c и L0c при этом возникает в результате распространяющейся в обратном направлении волны L5c.

[0048] Оптическая волна L3, генерируемая на оси плеча 121 оптического резонатора 120, возникает в результате передачи части распространяющейся в прямом направлении волны L5p через выходное зеркало 125. Аналогичным образом, оптическая волна L4, генерируемая на оси плеча 122 оптического резонатора 120, возникает в результате передачи части распространяющейся в прямом направлении волны L5p через выходное зеркало 124. Оптическая волна L6, генерируемая на оси плеча 121 оптического резонатора 120 и под углом, противоположным углу падения распространяющейся в прямом направлении оптической волны L2p, возникает в результате суммирования (оптической интерференции) отраженной оптической волны L2r, возникающей в результате отражения от отклоняющего зеркала 123 распространяющейся в прямом направлении волна L2p, и части распространяющейся в обратном направлении оптической волны L5c, передаваемой через отклоняющее зеркало 123 на оси оптического плеча 121.

[0049] Как уже отмечалось выше, фазовый сдвиг между распространяющейся в обратном направлении волной L0c, передаваемой на лазер 110, и распространяющейся в прямом направлении исходной волной L0p, называется фазовым сдвигом лазера/резонатора: данный фазовый сдвиг соответствует фазовому сдвигу, накопленному при полном прохождении туда-обратно через лазер/резонатор, осуществляемому распространяющейся в прямом направлении исходной волной L0p. Аналогичным образом, полное оптическое прохождение туда-обратно между выходным зеркалом резонатора лазера и отклоняющим зеркалом 123 оптического резонатора 120 называется оптическим путем через лазер/резонатор.

[0050] Когда фазовый сдвиг лазера/резонатора является нулевым, часть распространяющейся в обратном направлении оптической волны L5c, передаваемой через отклоняющее зеркало 123 на оси оптического плеча 121, не интерферирует с распространяющейся в прямом направлении волной L2p, поскольку распространяющаяся в прямом направлении волна L2p отражается под углом, равным углу плеч, причем, эти две волны не являются геометрически наложенными. В то же время, оптическая волна L6 возникает в результате интерференции между отраженной оптической волной L2r и частью распространяющейся в обратном направлении оптической волны L5c, передаваемой через отклоняющее зеркало 123 на оси оптического плеча 121.

[0051] В резонаторе лазера 110 устанавливается стационарное поле, и оно резонирует внутри резонатора лазера 110. Это поле, внутреннее по отношению к лазеру 110, обязательно является нулевым на выходных гранях резонатора лазера 110. Аналогичным образом, стационарная оптическая волна формируется в оптическом резонаторе 120, и электрическое поле является нулевым на зеркалах, называемых «задними» зеркалами резонатора, т.е. зеркалах 125 и 124. Внутрирезонаторная оптическая волна, которая отражается от зеркала 124 и возвращается на лазер, имеет поле, которое обязательно является нулевым в точке, расположенной относительно зеркала 124 на расстоянии d121+d122 и соответствующей сумме длин двух плеч, или даже расстоянию d121 отклоняющего зеркала 123. Эта точка является одной из точек, в которой - вне зависимости от резонансной частоты, возбуждаемой в оптическом резонаторе, поле является нулевым, поскольку эта точка виртуально (т.е. посредством «зеркального» эффекта) соответствует точке, эквивалентной зеркалу 125, на котором поле является нулевым при резонансе оптического резонатора.

[0052] Регулирование фазы распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны L0p электрооптическим модулятором 115 осуществляется в зависимости от сигнала SE рассогласования, генерируемого фазорегулирующим устройством 130. С этой целью фазорегулирующее устройство 130 генерирует управляющий сигнал SC для регулирования электрооптического модулятора 115, который зависит от сигнала SE рассогласования. Сигнал SE рассогласования может генерироваться по одной или более из оптических волн, генерируемых в лазерной системе.

[0053] По меньшей мере, в одном варианте осуществления сигнал SE рассогласования, генерируемый фазорегулирующим устройством 130, характеризует (по модулю 2π) фазовый сдвиг лазера/резонатора и, следовательно, равен нулю, когда относительная фаза лазера/резонатора является нулевой. Сигнал SC для регулирования электрооптического модулятора 115 определяется по сигналу SE рассогласования, чтобы компенсировать относительную фазу лазера/резонатора. Регулирование фазы распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны L0p электрооптическим модулятором 115 осуществляется в зависимости от создаваемого при этом управляющего сигнала SC.

[0054] Регулирование фазы, осуществляемое электрооптическим модулятором 115 в оптической волне L0p и L1c, позволяет регулировать оптический путь через лазер/резонатор, чтобы компенсировать относительную фазу лазера/резонатора. По меньшей мере, в одном варианте осуществления фазовая модуляция, кроме того, применяется электрооптическим модулятором 115 к распространяющейся в прямом направлении исходной волне L0p или к распространяющейся в прямом направлении сдвинутой по фазе волне L1p, чтобы генерировать сигнал SE рассогласования, характеризующий фазовый сдвиг лазера/резонатора, и сигнал SC для регулирования электрооптического модуляторы 115, который позволяет компенсировать относительную фазу лазера/резонатора.

[0055] Сигнал SE рассогласования может генерироваться из одной или более из оптических волн, генерируемых в лазерной системе. Ниже со ссылкой на фиг. 2A-2E описываются различные варианты осуществления.

[0056] При необходимости лазерная система 100 может содержать один или более поляризаторов 105, размещаемых на пути свободного пространства оптической волны L2, например, чтобы управлять поляризацией распространяющейся в прямом направлении оптической волны L2p, достигающей оптического резонатора, и/или поляризацией распространяющейся в обратном направлении оптической волны L2c, чтобы уменьшать коэффициент обратной связи, создаваемой оптическим резонатором 120 на лазер 110.

[0057] При необходимости лазерная система 100 может содержать один или более оптических компонентов 102, 103 основанных на волокне, размещаемых на оптическом пути между лазером 110 и оптическим резонатором 120 до или после электрооптического модулятора 115, т.е. размещаемых в оптическом волокне 111 или в оптическом волокне 112 соответственно.

[0058] Оптический компонент 103 представляет собой, например, оптический циркулятор основанный на волокне, коэффициент развязки которого может модулироваться посредством группы 105 поляризаторов, и который выполнен с возможностью отбора - в направлении обратного распространения - некоторой части распространяющейся в обратном направлении оптической волны L2c с целью определения ее интенсивности. По меньшей мере, в одном варианте осуществления оптический циркулятор основанный на волокне используется для генерирования сигнала SE рассогласования с использованием волоконно-оптического фотодиода или сигнала поглощения, когда оптический резонатор 120 заполнен исследуемым веществом.

[0059] Оптический компонент 102 (103 соответственно) представляет собой, например, ответвитель основанный на волокне, выполненный с возможностью отбора - в направлении распространения - некоторой части распространяющейся в прямом направлении оптической волны L0p (распространяющейся в прямом направлении оптической волны L1p соответственно), с одной стороны, с целью оценки интенсивности этой распространяющейся в прямом направлении волны (это, например, полезно для нормализации передаваемого резонатором сигнала L3, L4, L6 или L2c в том случае, когда оптический резонатор 120 служит для анализа вещества, имеющегося в оптическом резонаторе 120), а, с другой стороны, чтобы сделать так, чтобы - с расчетом на другие применения - часть излучения имела спектральный состав, который значительно улучшается за счет эффекта обратной связи. Ответвитель 102 (103 соответственно) основанный на волокне может также использоваться для отбора - в направлении обратного распространения - некоторой части распространяющейся в обратном направлении оптической волны L1c (распространяющейся в обратном направлении оптической волны L2c соответственно). Отбор в направлении обратного распространения позволяет оценивать интенсивность волны L2C, поступающей из оптического резонатора 120, и, например, извлекать из нее сигнал SE рассогласования с использованием волоконно-оптического фотодиода или сигнал поглощения, если оптический резонатор 120 заполнен исследуемым веществом.

[0060] Оптический компонент 102 (103 соответственно) представляет собой, например, оптический усилитель основанный на волокне, позволяющий - в направлении распространения и обратного распространения - усиливать исходную оптическую волну L0 (оптическую волну L1 соответственно) с целью точного регулирования коэффициента оптической обратной связи путем регулирования коэффициента усиления. Это упрощает оптимизацию коэффициента обратной связи между лазером 110 и оптическим резонатором 120, в частности, в случае применения для исследования вещества, размещаемого в оптическом резонаторе 120. Это также позволяет компенсировать потери, вносимые потенциальным наличием оптического вентиля в лазере 110. Это также позволяет использовать очень немногие фотоны лазера 110 с целью обеспечения оптической обратной связи и - посредством оптического компонента 102 или 103 - почти все из них резервировать для других применений.

[0061] Фиг. 2A схематически иллюстрирует один вариант осуществления лазерной системы 100A с оптической обратной связью с использованием первого способа генерирования сигнала SC для регулирования электрооптического модулятора 115. Лазерная система 200A содержит лазер 110, который чувствителен к оптической обратной связи, оптический резонатор 120, оптическое волокно 111, оптическое волокно 112 и электрооптический модулятор 115 основанный на волокне, причем, эти элементы идентичны или аналогичны описанным со ссылкой на фиг. 1 и оптически соединены, как показано на фиг. 1. Лазерная система 200A может, кроме того, содержать оптические компоненты 102, 103, 104, 105, 106, описанные со ссылкой на фиг. 1.

[0062] Лазерная система 200A, кроме того, содержит фотодиод PD1A для генерирования - по части распространяющейся в прямом направлении оптической волны L2p, отобранной пластинчатым светоделителем 106 - электрического тока, величина которого зависит от интенсивности света части распространяющейся в прямом направлении оптической волны L2p.

[0063] Лазерная система 200 A, кроме того, содержит фотодиод PD2A для генерирования - по оптической волне L3 - электрического тока, величина которого зависит от интенсивности света оптической волны L3.

[0064] Лазерная система 200A, кроме того, содержит фазорегулирующее устройство 230A, выполненное с возможностью получения сигнала SE рассогласования, характеризующего фазовый сдвиг лазера/резонатора, и генерирования сигнала SC для регулирования электрооптического модулятора 115 основанного на волокне в зависимости от сигнала SE рассогласования, чтобы компенсировать относительную фазу лазера/резонатора. Фазорегулирующее устройство 230A выполнено с возможностью генерирования управляющего сигнала SC по оптической волне L3, передаваемой через выходное зеркало 125, и - при необходимости - по распространяющейся в прямом направлении оптической волне L2p на входе оптического резонатора 120. Точнее, управляющий сигнал SC генерируется по электрическим сигналам, генерируемым фотодиодом PD2A, и при необходимости фотодиодом PD1A.

[0065] Фазорегулирующее устройство 230A содержит полосовой фильтр 231A для фильтрации сигнала, генерируемого фотодиодом PD2A, с целью осуществления операции предварительной обработки, направленной на исключение частот за пределами полосы 9-11 кГц. Модулирующий сигнал SM суммируется с сигналом, выдаваемым с первого полосового фильтра 231A, с целью генерирования модулированного сигнала SM1. Модулирующий сигнал SM является сигналом достаточно низкой частоты ввиду того, что данный первый способ получения сигнала SE рассогласования ограничен временем отклика оптического резонатора 120. Модулирующий сигнал SM имеет частоту, например, равную 10 кГц, и амплитуду, равную 1 В. Фильтр 232A низких частот применяется к модулированному сигналу с целью генерирования сигнала рассогласования, который является нулевым, когда передача оптического резонатора максимальна. Частота среза фильтра низких частот выбирается более низкой, чем частота модуляции, например, 1 кГц. ПИД-регулятор (пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор) 233A после этого позволяет - по сигналу SE рассогласования - генерировать сигнал SC для регулирования электрооптического модулятора 115. При необходимости сигнал, генерируемой фотодиодом PD1A, используется для нормализации электрического сигнала, генерируемого фотодиодом PD2A, перед тем, как данный сигнал обрабатывается, как описано выше, с целью генерирования передаваемого сигнала Tr, характеризующего потери оптического резонатора 120, вносимые, например, поглощением газа в оптическом резонаторе 120.

[0066] Фиг. 2B схематически иллюстрирует один вариант осуществления лазерной системы 200B с оптической обратной связью с использованием второго способа генерирования сигнала для регулирования электрооптического модулятора.

[0067] Лазерная система 200B содержит лазер 110, который чувствителен к оптической обратной связи, оптический резонатор 120, оптическое волокно 111, оптическое волокно 112 и электрооптический модулятор 115 основанный на волокне, причем, эти элементы идентичны или аналогичны описанным со ссылкой на фиг. 1 и оптически соединены, как показано на фиг. 1. Лазерная система 200B может, кроме того, содержать оптические компоненты 102, 103, 104, 105, 106, описанные со ссылкой на фиг. 1.

[0068] Лазерная система 200B, кроме того, содержит волоконно-оптический ответвитель 150 основанный на волокне с целью отбора части оптической волны L1 на выходе электрооптического модулятора 115.

[0069] Лазерная система 200B, кроме того, содержит фотодиод PD1B на выходе ответвителя 150 основанного на волокне для генерирования - по части распространяющейся в прямом направлении оптической волны L1p, поступающей от лазера 110 - электрического тока, величина которого зависит от интенсивности света отобранной части волны. Фотодиод PD1B играет роль, эквивалентную роли, которую играет фотодиод PD1A, описанный со ссылкой на фиг. 2A, на которой интенсивности оптических сигналов, принимаемых этими фотодиодами, пропорциональны.

[0070] Лазерная система 200B, кроме того, содержит фотодиод PD2B на выходе ответвителя 150 основанного на волокне для генерирования - по части оптической волны L1c, поступающей из оптического резонатора 120 - электрического тока, величина которого зависит от интенсивности света отобранной части волны. Аналогичным образом, фотодиод PD2B играет роль, эквивалентную роли, которую играет фотодиод PD2A, описанный со ссылкой на фиг. 2A, на которой интенсивности оптических сигналов, принимаемых этими фотодиодами, пропорциональны.

[0071] Лазерная система 200B, кроме того, содержит фазорегулирующее устройство 230B, выполненное с возможностью получения сигнала SE рассогласования, характеризующего фазовый сдвиг лазера/резонатора, и генерирования сигнала SC для регулирования электрооптического модулятора 115 основанного на волокне в зависимости от сигнала SE рассогласования, чтобы компенсировать относительную фазу лазера/резонатора. Фазорегулирующее устройство 230B выполнено с возможностью генерирования управляющего сигнала SC по распространяющейся в обратном направлении оптической волне L1c, характеризующей часть распространяющейся в обратном направлении волны L5c, передаваемой через отклоняющее зеркало 123, и - при необходимости - по распространяющейся в прямом направлении оптической волне L1p, характеризующей распространяющуюся в прямом направлении волну L2p на входе оптического резонатора 120. Точнее, управляющий сигнал SC генерируется по электрическим токам, генерируемым фотодиодом PD2B, а при необходимости - фотодиодом PD1B.

[0072] Принцип работы фазорегулирующего устройства 230B идентичен принципу работы фазорегулирующего устройства 230A: сигнал, генерируемой фотодиодом PD2B, используется вместо сигнала, генерируемого фотодиодом PD2A, для генерирования, как описано со ссылкой на фиг. 2A, сигнала SE рассогласования и управляющего сигнала SC. При необходимости сигнал, генерируемый фотодиодом PD1B, используется вместо сигнала, генерируемого фотодиодом PD1A, для нормализации электрического сигнала, генерируемого фотодиодом PD2B, перед тем, как этом сигнал будет обрабатываться, как описано со ссылкой на фиг. 2A.

[0073] Фиг. 2C схематически иллюстрирует один вариант осуществления лазерной системы 20°C с оптической обратной связью с использованием третьего способа генерирования сигнала для регулирования электрооптического модулятора. Лазерная система 20°C содержит лазер 110, который чувствителен к оптической обратной связи, оптический резонатор 120, оптическое волокно 111, оптическое волокно 112 и электрооптический модулятор 115 основанный на волокне, причем, эти элементы идентичны или аналогичны описанным со ссылкой на фиг. 1 и оптически соединены, как показано на фиг. 1. Лазерная система 20°C может, кроме того, содержать оптические компоненты 102, 103, 104, 105, 106, описанные со ссылкой на фиг. 1.

[0074] Лазерная система 200C, кроме того, содержит фотодиод PD3 для генерирования - по оптической волне L6 - электрического тока, величина которого зависит от оптической волны L6, возникающей в результате интерференции между распространяющейся в обратном направлении оптической волны L5c и оптической волны L2r, отраженной отклоняющим зеркалом 123.

[0075] Лазерная система 20°C может, кроме того, содержать фотодиод PD2C для генерирования - по оптической волне L3 - электрического тока, величина которого зависит от интенсивности света оптической волны L3.

[0076] Лазерная система 200C, кроме того, содержит фазорегулирующее устройство 230C, выполненное с возможностью получения сигнала SE рассогласования, характеризующего по модулю 2π фазовый сдвиг лазера/резонатора, и генерирования сигнала SC для регулирования электрооптического модулятора 115 основанного на волокне в зависимости от сигнала SE рассогласования, чтобы компенсировать относительную фазу лазера/резонатора. Фазорегулирующее устройство 23°C выполнено с возможностью генерирования управляющего сигнала SC по оптической волне L6. Точнее, фазорегулирующее устройство 230A выполнено с возможностью генерирования управляющего сигнала SC по сигналу, генерируемому фотодиодом PD3.

[0077] Принцип способа генерирования управляющего сигнала SC в данном случае состоит в измерении относительной оптической фазы между частью внутрирезонаторной волны L5, передаваемой через отклоняющее зеркало 123 резонатора, и распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волной L0p, излучаемой лазером. Оптическая волна L6, возникающая в результате суммирования этих двух волн, генерируется путем отражения от отклоняющего зеркала 123 оптического резонатора 120. Оптический путь оптической волны L6 геометрически отделен от оптического пути, используемого для связи лазера 110 и оптического резонатора 120. Следовательно, можно устанавливать фотодиод PD3 без нарушения этой связи.

[0078] Модулирующий сигнал SM генерируется с частотой фазовой модуляции, которая может выбираться между 100 кГц (т.е. приблизительно в 10-20 раз больше ширины мод резонатора) и 10 ГГц (это ограничение зависит от модуляционных способностей используемого электрооптического модулятора 115). Сигнал SE рассогласования достигается путем применения полосового фильтра 231C к сигналу, генерируемому фотодиодом PD3, а затем путем модуляции фильтрованного сигнала модулирующим сигналом SM. ПИД-регулятор 233C генерирует - по сигналу SE рассогласования, вводимому в ПИД-регулятор - корректирующий сигнал, к которому добавляется модулирующий сигнал SM, чтобы генерировать управляющий сигнал SC.

[0079] Относительная фаза между частью распространяющейся в обратном направлении внутрирезонаторной волны L5c, передаваемой через отклоняющее зеркало 123, и распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волной L0p зависит от отклонения относительно точного резонанса, т.е. зависит от оптимального коэффициента связи между лазером 110 и оптическим резонатором 120. На фиг. 3D показано изменение этой относительной фазы в зависимости от рассогласования с частотой исходного лазера, выражаемой как часть свободного спектрального интервала оптического резонатора 120. Как показано на фиг. 3D, данная относительная фаза проходит от -π до +π и равна нулю при точном резонансе.

[0080] Основное достоинство данного третьего способа генерирования управляющего сигнала обусловлено тем, что сохраненные в оптическом резонаторе 120 фотоны, которые временно отфильтрованы, образуют резервуар, который очень стабилен в масштабе нескольких десятков микросекунд. Оптический резонатор 120 действует как источник ультрастабильной частоты. Таким образом, любое воздействие на лазер 110 в масштабе времени короче указанного времени отклика резонатора будет мгновенно обнаружено.

[0081] Поскольку можно очень быстро измерять относительную фазу, вследствие этого можно обеспечивать чрезвычайно быстрое регулирование относительной фазы. Как и в предыдущем случае, в данном случае также полностью используются преимущества электрооптического модулятора 115, который обеспечивает почти мгновенное регулирование фазы (время отклика <0,1 нс).

[0082] При необходимости сигнал, генерируемой фотодиодом PD2C, используется для нормализации электрического сигнала, генерируемого фотодиодом PD3, до того, как данный сигнал будет обрабатываться, как описано выше.

[0083] Фиг. 2D схематически иллюстрирует один вариант осуществления лазерной системы 200D с оптической обратной связью с использованием четвертого способа генерирования сигнала для регулирования электрооптического модулятора. Лазерная система 200D содержит лазер 110, который чувствителен к оптической обратной связи, оптический резонатор 120, оптическое волокно 111, оптическое волокно 112 и электрооптический модулятор 115 основанный на волокне, причем, эти элементы идентичны или аналогичны описанным со ссылкой на фиг. 1 и оптически соединены, как показано на фиг. 1. Лазерная система 200D может, кроме того, содержать оптические компоненты 102, 103, 104, 105, 106, описанные со ссылкой на фиг. 1.

[0084] Лазерная система 200D, кроме того, содержит ответвитель основанный на волокне 107 для отбора некоторой части распространяющейся в обратном направлении оптической волны L1c из оптического волокна 112 и для генерирования оптической волны L7.

[0085] Лазерная система 200D, кроме того, содержит фотодиод PD2D для генерирования - по оптической волне L7 - электрического тока, величина которого зависит от интенсивности света оптической волны L7.

[0086] Лазерная система 200D, кроме того, содержит фазорегулирующее устройство 230D, выполненное с возможностью получения сигнала SE рассогласования, характеризующего фазовый сдвиг лазера/резонатора, и генерирования сигнала SC для регулирования электрооптического модулятора 115 основанного на волокне в зависимости от сигнала SE рассогласования, чтобы компенсировать относительную фазу лазера/резонатора. Фазорегулирующее устройство 230D выполнено с возможностью генерирования управляющего сигнала SC по оптической волне L1 на выходе электрооптического модулятора 115. Точнее, управляющий сигнал SC генерируется в зависимости от полученного сигнала SE рассогласования посредством так называемого метода синхронного детектирования, в котором фазовая модуляция применяется к распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волне L0p, причем, данная модуляция применяется вокруг среднего значения. Управляющий сигнал SC генерируется таким образом, чтобы осуществлять регулирование среднего значения фазы распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны L0p, в то время как фазовая модуляция применяется к той же распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волне L0p. Эта фазовая модуляция вызывает модуляцию интенсивности внутрирезонаторной волны L5, и, следовательно, внутрирезонаторной распространяющейся в обратном направлении волны L5c. Поскольку распространяющаяся в обратном направлении оптическая волна L1c характеризует распространяющуюся в обратном направлении оптическую волну L5c, эта модуляция интенсивности детектируется фотодиодом PD2D на основе части распространяющейся в обратном направлении оптической волны L1c, отбираемой посредством оптического циркулятора 107. Сигнал рассогласования достигается синхронным усилителем 331 посредством демодуляции сигнала, генерируемого фотодиодом PD2D. Данный метод синхронного детектирования подробнее описывается ниже со ссылкой на фиг. 3A-3D.

[0087] Фиг. 2E схематически иллюстрирует один вариант осуществления лазерной системы 200E с оптической обратной связью с использованием пятого способа генерирования сигнала для регулирования электрооптического модулятора.

[0088] Лазерная система 200E идентична лазерной системе 200D за исключением того, что лазерная система 200E содержит фазорегулирующее устройство 230E, которое выполнено с возможностью получения сигнала SE рассогласования, характеризующего фазовый сдвиг лазера/резонатора, и генерирования модулирующего сигнала SM лазера 110 и управляющего сигнала SC в зависимости от сигнала SE рассогласования, чтобы компенсировать относительную фазу лазера/резонатора. Фазорегулирующее устройство 230E выполнено с возможностью генерирования управляющего сигнала SC по оптической волне L1 на выходе электрооптического модулятора 115. Точнее, управляющий сигнал SC генерируется посредством метода синхронного детектирования, в котором величина тока, подаваемого на диод лазера 110, модулируется, чтобы вызывать модуляцию частоты лазера. Это вызывает модуляцию интенсивности внутрирезонаторной волны L5 и, следовательно, внутрирезонаторной распространяющейся в обратном направлении волны L5c. Поскольку распространяющаяся в обратном направлении оптическая волна L1c характеризует распространяющуюся в обратном направлении оптическую волну L5c, эта модуляция интенсивности детектируется фотодиодом PD2D на основе части распространяющейся в обратном направлении оптической волны L1c, отбираемой оптическим циркулятором 107. Сигнал SE рассогласования достигается посредством синхронного усилителя 331 путем демодуляции сигнала, генерируемого фотодиодом PD2D. Управляющий сигнал SC генерируется таким образом, чтобы осуществлять - в зависимости от полученного сигнала SE рассогласования - регулирование среднего значения фазы распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны L0p, в то время как применяется модуляция величины тока, подаваемого на диод лазера 110. Данный метод синхронного детектирования подробнее описывается ниже со ссылкой на фиг. 3A-3D.

[0089] Фиг. 3A-3D иллюстрируют различные аспекты генерирования сигнала SC для регулирования электрооптического модулятора 115 с помощью метода синхронного детектирования.

[0090] Фиг. 3A представляет собой характеристику передачи, отображающую интенсивность оптической волны L3 или L4, передаваемой оптическим резонатором 120 в зависимости от времени, при изменении частоты распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны L0p. Такое изменение частоты, например, достигается путем изменения величины тока I_laser, подаваемого на диод, внутренний по отношению к лазеру 110. Когда лазер 110 настраивается с помощью оптической обратной связи на одну из резонансных частот оптического резонатора 120, фотоны по существу вводятся в оптический резонатор 120 и накапливаются в нем, что приводит к выдаче оптических волн L3, L2c, L4 или L6 путем передачи из оптического резонатора 120. Напротив, когда лазер 110 не настроен, фотоны по существу не вводятся, и путем передачи из оптического резонатора 120 выдается незначительно света или совсем не выдается. Эффективность связи между лазером 110 и оптическим резонатором 120 может при этом измеряться через интенсивность одной из оптических волн L3, L2c, L1c, L4 или L6, выдаваемых из оптического резонатора 120. Как показано на фиг. 3A, данная интенсивность описывается некоторой колоколообразной кривой, максимум которой соответствует состоянию оптимальной связи. Иными словами, оптимизация коэффициента связи представляет собой максимизацию интенсивности одной из оптических волн L3, L2c, L1c, L4 или L6, выдаваемых из оптического резонатора 120.

[0091] На фиг. 3A изображены различные примеры рабочих точек (1), (2) и (3) на характеристике передачи. В рабочей точке (1) производная характеристики передачи положительна: интенсивность передаваемой оптической волны увеличивается, когда частота лазерного источника (т.е. ток I_laser) увеличивается, и уменьшается, когда частота лазерного источника (т.е. ток I_laser) уменьшается. В рабочей точке 3) производная характеристики передачи отрицательна: интенсивность передаваемой оптической волны уменьшается, когда частота лазерного источника (т.е. ток I_laser) увеличивается, и увеличивается, когда частота лазерного источника (т.е. ток I_laser) уменьшается. В рабочей точке (2) коэффициент связи оптимален, а производная характеристики передачи является нулевой: интенсивность передаваемой оптической волны не подвержена влиянию изменения частоты лазерного источника (т.е. тока I_laser).

[0092] Кривые на фиг. 3B иллюстрируют поведение лазерной системы, когда модулирующий сигнал малой амплитуды применяется к току I_laser. Кривая 30 показывает ток , который применяется к диоду лазера (ε> 0). Частота ω составляет, например, около нескольких кГц. Кривая 31 представляет (практически синусоидальную) характеристику передачи лазера, получаемую вокруг рабочей точки (1) с такой модуляцией: увеличивающиеся части синусоидальной волны имеет более высокий наклон в абсолютном значении, чем уменьшающиеся части синусоидальной волны, что соответствует положительной модуляции фазы Φ1 характеристики передачи . Кривая 32 представляет характеристику передачи лазера, получаемую вокруг рабочей точки (2) с такой модуляцией: характеристика передачи практически постоянна (т.е. нулевая фазовая модуляция и нулевая амплитуда модуляция с ). Кривая 33 представляет (практически синусоидальную) характеристику передачи лазера, получаемую вокруг рабочей точки (3) с такой модуляцией: увеличивающиеся части синусоидальной волны имеет более низкий наклон в абсолютном значении, чем уменьшающиеся части синусоидальной волны, что соответствует отрицательной модуляции фазы Φ3 характеристики передачи . Таким образом, можно увидеть, что можно детектировать множество раз за секунду величину производной характеристики передачи в отношении тока и, следовательно, определять регулирование, необходимое для получения оптимального коэффициента связи между лазером 110 и оптическим резонатором 120.

[0093] В вариантах осуществления на фиг. 2D и 2E такое детектирование может обеспечиваться с помощью синхронного усилителя 331, который, в частности, обеспечивает амплитуду и относительную фазу сигнала (в данном случае модулированного передаваемого сигнала) относительно синусоидального опорного сигнала (в данном случае сигнала SM, используемого для модуляции частоты излучения лазера посредством модуляция электрического тока I_laser). По меньшей мере, в одном варианте осуществления усилителя 331 синхронного детектирования входной сигнал усиливается, а затем умножается на модулирующий сигнал с целью генерирования модулированного сигнала. После этого полосовой фильтр позволяет интегрировать модулированный сигнал.

[0094] В вариантах осуществления на фиг. 2D и 2E выход синхронного усилителя 331 соединен с ПИД-регулятором 333 (ПИД - пропорционально-интегрально-дифференциальный), который позволяет - по сигналу SE рассогласования, выдаваемому с усилителя 331 синхронного детектирования - генерировать управляющий сигнал SC, генерируемый, чтобы компенсировать относительную фазу лазера/резонатора.

[0095] В вариантах осуществления на фиг. 2A, 2C, 2D или 2E ПИД-регулятор 233A, 233C, 333 генерирует - по сигналу SE рассогласования, вводимому в данный ПИД-регулятор 233A, 233C, 333 - управляющий сигнал SC, который является взвешенной суммой 3 компонентов, получаемых по сигналу SE рассогласования: пропорционального компонента, соответствующего сигналу SE рассогласования, интегрального компонента, получаемого путем интегрирования сигнала SE рассогласования, и производного компонента, получаемого путем дифференцирования сигнала SE рассогласования. Интегральный компонент управляющего сигнала используется для фильтрации медленных изменений сигнала рассогласования, а производный компонент управляющего сигнала используется для фильтрации быстрых изменений сигнала рассогласования. Благодаря этим трем компонентам может обеспечиваться стабильность системы. Управляющий сигнал SC достигает - сверху и снизу - оптимального значения SM_O, когда сигнал SE рассогласования достигает нуля, т.е. когда передача оптического резонатора максимальна, и коэффициент связи лазера/резонатор максимален. Кроме того, управляющий сигнал может продолжать увеличиваться или уменьшаться, чтобы соответствовать компенсируемым изменениям фазы. Когда достигается это оптимальное значение SM_O, электрооптический модулятор осуществляет регулирование ΔΦ1 фазы исходной волны, выдаваемой из лазера, и полное регулирование ΔΦ фазы=ΔΦ1+ΔΦ2=2*ΔΦ1 при прохождении исходной волны туда/обратно через лазер/резонатор. Кроме того, пропорциональный компонент управляющего сигнала SC увеличивается или уменьшается относительно оптимального значения SM_O пропорционально величине сигнала SE рассогласования.

[0096] В варианте осуществления на фиг. 2C и 2D модулирующий сигнал SM, кроме того, используется для модуляции выходного сигнала ПИД-регулятора 233A, 233C, 333, чтобы генерировать модулированный управляющий сигнал SC, который также является взвешенной суммой 3 компонентов, получаемых по сигналу SE рассогласования: пропорционального компонента, соответствующего сигналу SE рассогласования, интегрального компонента, получаемого путем интегрирования сигнала SE рассогласования, и производного компонента, получаемого путем дифференцирования сигнала SE рассогласования. Среднее значение, вокруг которого модулируется управляющий сигнал SC, достигает оптимального значения, когда сигнал SE рассогласования достигает нуля (т.е. когда передача оптического резонатора максимальна, и коэффициент связи лазера/резонатор максимален). Кроме того, пропорциональный компонент управляющего сигнала SC увеличивается или уменьшается пропорционально величине сигнала SE рассогласования.

[0097] Интенсивность оптической волны L3, L1c, L2c, L4 или L6, выдаваемой из оптического резонатора 120, может при этом служить в качестве входного сигнала для генерирования сигнала SE рассогласования, характеризующего фазовый сдвиг лазера/резонатора.

[0098] Для заданной частоты излучения лазера 110 коэффициент связи между лазером 110 и оптическим резонатором 120 может регулироваться путем регулирования фазы распространяющейся в прямом направлении оптической волны L1p, выдаваемой из электрооптического модулятора 115 по среднему значению таким образом, чтобы оптический путь через лазер/резонатор был равен целому числу длин волн λ, где λ - длина волны распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны L0p.

[0099] Вместо того, чтобы модулировать частоту лазера 110, можно, как показано на фиг. 2D, модулировать с помощью электрооптического модулятора 115 фазу оптической волны L1 на выходе электрооптического модулятора. Это позволяет поддерживать постоянный ток, подаваемый на диод лазера 110, т.е. гарантировать, что мощность излучения лазера 110 останется стабильной. Это позволяет - при отборе части распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны L0p, генерируемой лазером 110, например, с помощью волоконно-оптического ответвителя - получать оптическую волну, которая не нарушена модуляцией, в то же время обеспечивая лазер, который является и точным, и стабильным по длине волны и по мощности.

[00100] На фиг. 3C изображено множество сигналов, получаемых с помощью лазерных систем 200D или 200E. На кривой 35 (масштаб - слева от кривой) изображен пример модулирующего сигнала SM с частотой модуляции, равной 1,4 кГц. Кривая 36 (масштаб - слева) представляет оптическую волну L3 или L4, выдаваемую из оптического резонатора 120, в случае модуляции величины тока I_laser, подаваемого на диод, являющийся внутренним по отношению к лазеру 110. Можно видеть, что эффект модуляции достигает нуля в конце интервала времени, приблизительно равного 0,09 с, который соответствует максимуму кривой 36, на котором достигается значение, равное 1,2 В: данный максимум соответствует максимальному коэффициенту связи лазера/резонатора. Кривая 37 (масштаб - справа) представляет сигнал, возникающий в результате модуляции модулирующим сигналом SM оптической волны L3 или L4, выдаваемой из оптического резонатора 120. По кривой 37 можно также видеть, что эффект модуляции достигает нуля в конце интервала времени, приблизительно равного 0,09 с, который соответствует максимуму кривой 36. Кривая 38 (масштаб - справа) представляет собой сигнал SE рассогласования, получаемый низкочастотной фильтрацией (например, с частотой среза, равной 200 Гц) сигнала, представленного кривой 37. Сигнал SC для регулирования электрооптического модулятора 115 получается путем применения ПИД-коррекции к сигналу, представленному кривой 38. Производная кривой 38 достигает нуля в конце интервала времени, приблизительно равного 0,09 секунды, для средней величины, приблизительно равной 0,25 В, которая соответствует максимуму кривой 36 или 37. Управляющий сигнал SC при этом генерируется таким образом, что он достигает оптимального значения, когда кривая 38 достигает нуля, а пропорциональный компонент управляющего сигнала SC увеличивается пропорционально разности относительно величины кривой 38 в точке, в которой кривая 38 достигает нуля, т.е. в точке, соответствующей максимальной связи лазера/резонатора и, следовательно, максимальной передаче.

[00101] Фиг. 4 схематически иллюстрирует еще один вариант осуществления лазерной системы 400 с оптической обратной связью. Данный вариант осуществления может быть объединен с любым из вариантов осуществления, описанных со ссылкой на фиг. 1 и 2A-2E.

[00102] Лазерная система 400 содержит лазер 110, который чувствителен к оптической обратной связи, оптический резонатор 120, оптическое волокно 111, оптическое волокно 112 и электрооптический модулятор 115 основанный на волокне, причем, эти элементы идентичны или аналогичны описанным со ссылкой на фиг. 1 и оптически соединены, как показано на фиг. 1. Лазерная система 400 может, кроме того, содержать оптические компоненты 102, 103, 104, 105, 106 описанные со ссылкой на фиг. 1.

[00103] Лазерная система 400, кроме того, содержит фазорегулирующее устройство 430, выполненное с возможностью получения сигнала SE рассогласования, характеризующего по модулю 2π фазовый сдвиг лазера/резонатора, и генерирования сигнала SC для регулирования электрооптического модулятора 115 основанного на волокне в зависимости от сигнала SE рассогласования, чтобы компенсировать относительную фазу лазера/резонатора. Управляющий сигнал SC может генерироваться с использованием любого из способов, описанных со ссылкой на фиг. 2A-2E.

[00104] Лазерная система 400 содержит волоконно-оптический ответвитель 107 для отбора части исходной оптической волны L0 на выходе лазера 110. Фотодиод PD4 соединен с первым выходом ответвителя 107 и принимает часть (например, 10%) распространяющейся в обратном направлении исходной оптической волны L0c, которая возвращается в лазер 110. Фотодиод PD5 соединен со вторым выходом ответвителя 107 и принимает часть (например, 90%) распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны L0p, которая выходит из лазера. Оптический выходной сигнал, наблюдаемый на фотодиоде PD5, образует ультрастабильный высокомощный оптический источник.

[00105] Фиг. 5 схематически иллюстрирует один вариант осуществления лазерной системы 500 с несколькими источниками с оптической обратной связью. Эта лазерная система 500 содержит, по меньшей мере, два лазера, которые чувствительны к оптической обратной связи и которые предназначены для излучения - через выходное оптическое волокно - непрерывной исходной оптической волны, частота которой является регулируемой. В примере, изображенном на фиг. 5, лазерная система 500 содержит три лазера (510 A, 510 B, 510 C), которые чувствительны к оптической обратной связи и которые предназначены для излучения - через соответствующее выходное оптическое волокно 511A-511C соответственно - соответствующей непрерывной распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны (L50Ap, L50Bp, L50Cp), частота которой является регулируемой. Описание варианта осуществления на фиг. 5 приведено для числа лазеров, равного 3, но может распространяться на любое число лазеров.

[00106] Лазерная система 500 содержит оптический резонатор 120, который связан с помощью оптической обратной связи с одним из лазеров (510A, 510B, 510C) и выполнен с возможностью генерирования внутрирезонаторной волны L5. Оптический резонатор 120 может быть идентичным или аналогичным оптическому резонатору 120, описанному со ссылкой на любую из фиг. 1 и 2A-2E.

[00107] Лазерная система 500, кроме того, содержит оптическое волокно 111, оптическое волокно 112 и электрооптический модулятор 115 основанный на волокне, причем, эти элементы идентичны или аналогичны описанным со ссылкой на фиг. 1 и 2A-2E и оптически соединены, как изображено на этих чертежах. Лазерная система 500 может, кроме того, содержать оптические компоненты 102, 103, 104, 105, 106, описанные со ссылкой на фиг. 1.

[00108] Лазерная система 500 содержит оптический переключатель 550 основанный на волокне, который выполнен с возможностью приема распространяющихся в прямом направлении оптических волн L50Ap-L50Cp, выдаваемых лазерами 510A-51°C соответственно, для выбора одной из принимаемых оптических волн и для переноса на электрооптический модулятор 115 выбранной распространяющейся в прямом направлении оптической волны L50 через оптическое волокно 111. Выбранная оптическая волна L50p служит в качестве распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны, причем, электрооптический модулятор 115 выполнен с возможностью регулирования (и оптического модулирования) фазы выбранной оптической волны L50p, как описано со ссылкой на фиг. 1 и 2A-2E, чтобы генерировать распространяющуюся в прямом направлении оптическую волну L51p, которая сдвинута по фазе относительно распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны L50p. В случае модуляции сдвинутая по фазе распространяющаяся в прямом направлении оптическая волна L51p, кроме того, имеет боковые полосы модуляции. Оптическая обратная связь из оптического резонатора 120 вследствие этого передается на лазер 510A-510C, который генерировал выбранную оптическую волну L50p.

[00109] Стационарная внутрирезонаторный оптическая волна L5, которая формируется в оптическом резонаторе 120, состоит из распространяющейся в обратном направлении внутрирезонаторной волны L5c и распространяющейся в прямом направлении внутрирезонаторной волны L5p. Распространяющаяся в обратном направлении внутрирезонаторная волна L5c повторно вводится по обратному пути в лазеры (510A, 510B, 510C), вызывая эффект оптической обратной связи. Оптическая обратная связь может возникать между каждым из лазеров (510A, 510B, 510C) и оптическим резонатором 120.

[00110] Оптическая волна L52 на входе оптического резонатора 120 при этом состоит из распространяющейся в прямом направлении волны L52p и распространяющейся в обратном направлении волны L52c. В частности, распространяющаяся в обратном направлении волна L52c соответствует части распространяющейся в обратном направлении внутрирезонаторной волны L5c, передаваемой через отклоняющее зеркало 123 на оси оптического плеча 122.

[00111] Аналогичным образом, оптическая волна L51 на выходе электрооптического модулятора 115 состоит из распространяющейся в прямом направлении волны L51p и распространяющейся в обратном направлении волны L51c. Распространяющаяся в обратном направлении волна L51c соответствует части распространяющейся в обратном направлении внутрирезонаторной волны L5c, которая достигает выхода электрооптического модулятора 115. Поскольку действие электрооптического модулятора 115 одинаково в обоих направлениях распространения, он изменяет на одинаковую величину и одинаковым образом фазу распространяющейся в прямом направлении исходной волны L0p и фазу распространяющейся в обратном направлении волны L51c.

[00112] Аналогичным образом, оптическая волна L50 на выходе оптического переключателя 550 состоит из распространяющейся в прямом направлении исходной волны L50p, генерируемой оптическим переключателем 550, как описано выше, и распространяющейся в обратном направлении волны L50c. Распространяющаяся в обратном направлении волна L50c соответствует части распространяющейся в обратном направлении оптической волны L5c, которая достигает выхода оптического переключателя 550.

[00113] Оптический переключатель 550 действует в направлении обратного распространения, чтобы выполнять функцию, обратную функции, которая выполняется в направлении прямого распространения, и тем самым генерирует распространяющуюся в обратном направлении волну L50Ac, L50Bc, L50Cc, которая возвращается на лазер 510A, 510B, 510C, распространяющаяся в прямом направлении исходная волна которого выбиралась оптическим переключателем 550 в направлении прямого распространения.

[00114] Таким образом, оптическая волна L50A (L50B, L5°C соответственно) на выходе лазера 510A (510B, 51°C соответственно) состоит из распространяющейся в прямом направлении исходной волны L50Ap (L50Bp, L50Cp соответственно) и распространяющейся в обратном направлении волны L50Ac (L50Bc, L50Cc соответственно).

[00115] Каждая из распространяющихся в обратном направлении волн L52c, L51c, L50c, L50Ac, L50Bc, L50Cc при этом возникает в результате распространяющейся в обратном направлении волны L5c.

[00116] Лазерная система 500, кроме того, содержит фазорегулирующее устройство 530, выполненное с возможностью получения сигнала SE рассогласования, характеризующего по модулю 2π фазовый сдвиг лазера/резонатора, накопленный при прохождении туда/обратно через лазер/резонатор, соответствующий лазеру 510A-510C, который излучал распространяющуюся в прямом направлении исходную оптическую волну, выбираемую оптическим переключателем 550, и генерирования управляющего сигнала SC для регулирования электрооптического модулятора 115 основанного на волокне в зависимости от сигнала SE рассогласования, чтобы компенсировать относительную фазу лазера/резонатора, соответствующую лазеру 510A-510C, который излучал выбранную распространяющуюся в прямом направлении исходную оптическую волну. Управляющий сигнал SC может генерироваться с использованием любого из способов, описанных со ссылкой на фиг. 1 и 2A-2E.

[00117] Варианты осуществления, описанные со ссылкой на фиг. 5, позволяют быстро переключаться на один из исходных лазеров с целью, например, изменения канала связи или изменения спектрального диапазона применительно к анализу поглощения внутрирезонаторным веществом 120, т.е., конкретно, с целью обеспечения проектирования недорогостоящих мультигазовых анализаторов с одним оптическим резонатором и множеством лазерных источников.

[00118] Фиг. 6 схематически иллюстрирует еще один вариант осуществления лазерной системы с несколькими источниками 600 с оптической обратной связью. Эта лазерная система 600 содержит, по меньшей мере, два лазера, которые чувствительны к оптической обратной связи и которые предназначены для излучения - через выходное оптическое волокно - непрерывной исходной оптической волны, частота которой является регулируемой. В примере, иллюстрируемом на фиг. 6, лазерная система 600 содержит три лазера (610A, 610B, 610C), которые чувствительны к оптической обратной связи и которые предназначены для излучения - через соответствующее выходное оптическое волокно (611A, 611B, 611C) - соответствующей непрерывной распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны (L60Ap, L60B, L60C), частота которой является регулируемой, соответственно. Описание варианта осуществления на фиг. 6 приводится для числа лазеров, равного 3, но может распространяться на любое число лазеров.

[00119] Каждое оптическое волокно (611A, 611B, 611C) идентично или аналогично оптическому волокну 111, описанному со ссылкой на любую из фиг. 1, 2A, 2B и 2C.

[00120] Лазерная система 600 содержит оптический резонатор 120, который связан с помощью оптической обратной связи с каждым из лазеров (610A, 610B, 610C) и который выполнен с возможностью генерирования внутрирезонаторной волны L5. Оптический резонатор 120 может являться идентичным или аналогичным оптическому резонатору 120, описанному со ссылкой на любую из фиг. 1, 2A, 2B и 2C.

[00121] Лазерная система 600, кроме того, содержит для каждого лазера (610A, 610B, 610C) соответствующий электрооптический модулятор основанный на волокне (615A, 615B, 615C), который может являться идентичным или аналогичным электрооптическому модулятору 115 основанному на волокне, описанному со ссылкой на любую из фиг. 1, 2A, 2B и 2C.

[00122] Лазерная система 600, кроме того, содержит для каждого электрооптического модулятора (615A, 615B, 615C) выходное оптическое волокно (612A, 612B, 612C), которое идентично или аналогично оптическому волокну 112, описанному со ссылкой на любую из фиг. 1, 2A, 2B и 2C.

[00123] Каждый из электрооптических модуляторов (615A, 615B, 615C) выполнен с возможностью регулирования (и оптического модулирования) фазы соответствующей распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны (L60Ap, L60Bp, L60Cp), чтобы генерировать соответствующую распространяющуюся в прямом направлении сдвинутую по фазе оптическую волну (L61Ap, L61Bp, L61Cp) способом, идентичным способу, описанному для электрооптического модулятора 115 со ссылкой на любую из фиг. 1 и 2A-2E. В случае модуляции сдвинутая по фазе распространяющаяся в прямом направлении оптическая волна (L61Ap, L61Bp, L61Cp), кроме того, имеет боковые полосы модуляции.

[00124] Лазерная система 600, кроме того, содержит фазорегулирующее устройство 630 для генерирования управляющего сигнала (SC6A, SC6B, SC6C) для каждого из электрооптических модуляторов (615A, 615B, 615C). Каждый из управляющих сигналов (SC6A, SC6B, SC6C) определяется фазорегулирующим устройством 630, чтобы компенсировать - по модулю 2π для каждого лазера (610A, 610B, 610C) - фазовый сдвиг лазера/резонатора, накопленный при каждом из прохождений туда-обратно через лазер-резонатор.

[00125] Лазерная система 600, кроме того, содержит мультиплексор 660 для ввода в то же волокно сдвинутой по фазе распространяющейся в прямом направлении оптической волны (L61Ap, L61Bp, L61Cp) и для генерирования мультиплексированной распространяющейся в прямом направлении оптической волны L61p через выходное оптическое волокно 612. Мультиплексирование по длине волны (демультиплексирование по длине волны - WDM) осуществляется таким образом, что полосы частот сдвинутых по фазе распространяющихся в прямом направлении оптических волн L61Ap-L61Cp могут, соответственно, мультиплексироваться в единое волокно или демультиплексироваться из него. По меньшей мере, в одном варианте осуществления эти полосы частот являются отдельными полосами.

[00126] Одна или более линз 104 могут размещаться на выходе оптического волокна 612 с целью коллимирования распространяющейся в прямом направлении оптической волны L61p, которая выходит из оптического волокна 612, и генерирования распространяющейся в прямом направлении оптической волны L62p. Распространяющаяся в прямом направлении оптическая волна L62p передается через свободное пространство перед вводом в оптический резонатор 120. Один или более пластинчатых светоделителей 106 могут размещаться на оптическом пути распространяющейся в прямом направлении оптической волны L62p с целью отбора распространяющейся в прямом направлении части распространяющейся в прямом направлении оптической волны L62.

[00127] Стационарная внутрирезонаторная оптическая волна L5, которая образуется в оптическом резонаторе 120, состоит из распространяющейся в обратном направлении внутрирезонаторной волны L5c и распространяющейся в прямом направлении внутрирезонаторной волны L5p. Распространяющаяся в обратном направлении внутрирезонаторная волна L5c повторно вводится по обратному пути в лазер 610A-610C, вызывая эффект оптической обратной связи. Оптическая обратная связь возникает между каждым из лазеров (610A, 610B, 610C) и оптическим резонатором 120.

[00128] Таким образом, оптическая волна L62 на входе оптического резонатора 120 состоит из распространяющейся в прямом направлении волны L62b и распространяющейся в обратном направлении волны L62c. В частности, распространяющаяся в обратном направлении волна L62c соответствует части распространяющейся в обратном направлении оптической волны L5c, передаваемой через отклоняющее зеркало 123 на оси оптического плеча 122.

[00129] Аналогичным образом, оптическая волна L61 на выходе мультиплексора 660 состоит из распространяющейся в прямом направлении волны L61p, генерируемой мультиплексором 660, как описано выше, и распространяющейся в обратном направлении волны L61c. Распространяющаяся в обратном направлении волна L61c соответствует части распространяющейся в обратном направлении оптической волны L5c, которая достигает выхода мультиплексора 660.

[00130] Мультиплексор 660 действует в направлении обратного распространения в качестве демультиплексора, чтобы разделять частотные компоненты распространяющейся в обратном направлении волны L61c путем выполнения функции, которая обратна функции, выполняемой в направлении распространения, и тем самым генерировать распространяющиеся в обратном направлении волны L61Ac, L61Bc, L61Cc.

[00131] Таким образом, оптическая волна L61A (L61B, L61C соответственно) на выходе электрооптического модулятора 615A (615B, 615C соответственно) состоит из распространяющейся в прямом направлении сдвинутой по фазе волны L61Ap (L61Bp, L61Cp соответственно) и распространяющейся в обратном направлении волны L61Ac (L61Bc, L61Cc соответственно). Электрооптический модулятор 615A (615B, 615C соответственно) выполнен с возможностью - в направлении прямого распространения - изменения фазы распространяющейся в прямом направлении исходной волны L60Ap (L60Bp, L60Cp соответственно) и - в направлении обратного распространения - изменения фазы распространяющейся в обратном направлении волны L61Ac (L61Bc, L61Cc соответственно). Поскольку действие электрооптического модулятора 615A (615B, 615C соответственно) одинаково в обоих направлениях распространения, он изменяет - на одинаковую величину и одинаковым образом - и фазу распространяющейся в прямом направлении исходной волны L60Ap (L60Bp, L60Cp соответственно), и фазу распространяющейся в обратном направлении волны L61Ac (L61Bc, L61Cc соответственно).

[00132] Оптическая волна L60A (L60B, L6°C соответственно) на выходе лазера 610A (610B, 61°C соответственно) состоит из распространяющейся в прямом направлении исходной волны L60Ap (L60Bp, L60Cp соответственно), генерируемой лазером 610A (610B, 61°C соответственно), и распространяющейся в обратном направлении волны L60Ac (L60Bc, L60Cc соответственно), которая возвращается на лазер 610A (610B, 61°C соответственно). Распространяющаяся в обратном направлении волна L60Ac (L60Bc, L60Cc соответственно) соответствует части распространяющейся в обратном направлении оптической волны L5c, которая достигает выхода лазера 610A (610B, 61°C соответственно).

[00133] Каждая из распространяющихся в обратном направлении волн L62c, L61c, L61Ac, L61Bc, L61Cc, L60Ac, L60Bc, L60Cc при этом возникает в результате распространяющейся в обратном направлении волны L5c.

[00134] Лазерная система 600, кроме того, содержит ответвитель 650 основанный на волокне, который размещается на оптическом волокне 612 и который выполнен с возможностью отбора - в направлении распространения - некоторой части распространяющейся в прямом направлении оптической волны L61p и - в направлении обратного распространения - некоторой части распространяющейся в обратном направлении оптической волны L61c. Ответвитель 650 содержит два выходных волокна - первое выходное волокно 1 и второе выходное волокно 2.

[00135] Мультиплексор 651 размещается на первом выходном волокне 1 ответвителя 650, чтобы отбирать - в направлении обратного распространения - части L61A1, L61B1, L61C1 распространяющейся в обратном направлении оптической волны L61c, которые соответствуют полосам частот сдвинутых по фазе волн L61Ap, L61Bp, L61Cp, вводимых в мультиплексор 660, соответственно. Соответствующий фотодиод PD6A, PD6B, PD6C используется для генерирования - по соответствующим оптическим волнам L61A1, L61B1, L61C1 - электрического тока, величина которого зависит от интенсивности света соответствующей оптической волны. В альтернативном варианте части L61A1, L61B1, L61C1 мультиплексированной оптической волны L61 могут отбираться на одном из участков оптического волокна, соединяющего лазер (610A, 610B, 610C) с мультиплексором 660, например, на выходе электрооптических модуляторов (615A, 615B, 615C).

[00136] Мультиплексор 652 размещается на втором выходном волокне 2 ответвителя 650, чтобы отбирать - в направлении прямого распространения - части L61A2, L61B2, L61C2 распространяющейся в прямом направлении оптической волны L61p, которые соответствуют полосам частот сдвинутых по фазе волн L61Ap, L61Bp, L61Cp, вводимых в мультиплексор 660, соответственно. Соответствующий фотодиод PD7A, PD7B, PD7C используется для генерирования - по соответствующим оптическим волнам L61A2, L61B2, L61C2 - электрического тока, величина которого зависит от интенсивности света, соответствующей оптической волны L61A2, L61B2, L61C2. В альтернативном варианте части L61A2, L61B2, L61C2 мультиплексированной оптической волны L61 могут отбираться на одном из участков оптического волокна, соединяющего лазер (610A, 610B, 610C) с мультиплексором 660, например, на выходе электрооптических модуляторов (615A, 615B, 615C).

[00137] Фазорегулирующее устройство 630 выполнено с возможностью генерирования сигнала SE6A рассогласования (SE6B, SE6C соответственно), характеризующего по модулю 2π фазовый сдвиг лазера/резонатора, накопленный при прохождении туда-обратно через лазер-резонатор, соответствующем лазеру 610A (610B, 61°C соответственно), и генерирования сигнала SC6A (SC6B, SC6C соответственно) для регулирования электрооптического модулятора 615A (615B, 615C соответственно) основанного на волокне в зависимости от сигнала SE6A рассогласования (SE6B, SE6C соответственно), чтобы компенсировать относительную фазу лазера/резонатора, соответствующую лазеру 610A (610B, 61°C соответственно). Управляющий сигнал SC6A (SC6B, SC6C соответственно) может генерироваться с использованием способа, описанного со ссылкой на фиг. 2B, в котором фотодиод PD7A (PD7B, PD7C соответственно) играет роль фотодиода PD1B, а фотодиод PD6A (PD6B, PD6C соответственно) играет роль фотодиода PD2B.

[00138] Лазерная система 600 может, кроме того, содержать оптические компоненты 602A-602C (603A-603C соответственно) основанные на волокне, которые идентичны компоненту 102 (103 соответственно), описанному со ссылкой на фиг. 1, и которые размещаются до или после каждого из соответствующих электрооптических модуляторов (615A, 615B, 615C).

[00139] Такая система позволяет использовать один и тот же резонатор 120 для одновременного обеспечения обратной связи со множеством лазеров. Аппаратура обнаружения газа может тем самым параллельно и непрерывно анализировать несколько спектральных областей. Можно также обеспечивать множество ультрастабильных источников, которые соединены друг с другом через оптический резонатор 120 для метрологических применений, телекоммуникационных применений или применений, которые требуют очень точных комбинаций (например, с помощью оптических биений, суммирования или вычитания) частот, например, для генерирования терагерцового излучения.

[00140] Фиг. 7 схематически иллюстрирует еще один вариант осуществления лазерной системы 700 с несколькими источниками с оптической обратной связью. Такая лазерная система 700 содержит, по меньшей мере, два лазера, которые чувствительны к оптической обратной связи и которые предназначены для излучения - через выходное оптическое волокно - непрерывной распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны, частота которой является регулируемой. В примере, иллюстрируемом на фиг. 7, лазерная система 700 содержит два лазера (710A, 710B), которые чувствительны к оптической обратной связи и которые предназначены для излучения - через a соответствующий выходное оптическое волокно (711A, 711B) - соответствующей непрерывной распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны (L70Ap, L70Bp), частота которой является регулируемой, соответственно.

[00141] Каждое оптическое волокно (711A, 711B) идентично или аналогично оптическому волокну 111, описанному со ссылкой на фиг. 1.

[00142] Лазерная система 700 содержит оптический резонатор 120, который связан с помощью оптической обратной связи одновременно с каждым из лазеров (710A, 710B) и который выполнен с возможностью генерирования внутрирезонаторной волны L5. Оптический резонатор 120 может являться идентичным или аналогичным оптическому резонатору 120, описанному со ссылкой на любую из фиг. 1 и 2A-2E.

[00143] Лазерная система 700, кроме того, содержит для каждого лазера (710A, 710B) соответствующий электрооптический модулятор (715A, 715B) основанный на волокне, который может являться идентичным или аналогичным электрооптическому модулятору 115 основанному на волокне, описанному со ссылкой на любую из фиг. 1 и 2A-2E.

[00144] Лазерная система 700, кроме того, содержит для каждого электрооптического модулятора (715A, 715B) выходное оптическое волокно (712A, 712B), которое идентично или аналогично оптическому волокну 112, описанному со ссылкой на любую из фиг. 1 и 2A-2E.

[00145] Каждый из электрооптических модуляторов (715A, 715B) выполнен с возможностью регулирования (и оптического модулирования) фазы соответствующей распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны (L70Ap, L70Bp) и генерирования соответствующей распространяющейся в прямом направлении сдвинутой по фазе оптической волны (L71Ap, L71Bp) способом, идентичным или аналогичным способу, описанному для электрооптического модулятора 115 со ссылкой на любую из фиг. 1 и 2A-2E. В случае модуляции сдвинутая по фазе распространяющаяся в прямом направлении оптическая волна (L71Ap, L71Bp), кроме того, имеет боковые полосы модуляции.

[00146] Лазерная система 700, кроме того, содержит оптический сумматор 780 для генерирования в направлении прямого распространения - по первой сдвинутой по фазе распространяющейся в прямом направлении оптическое волне (L71Ap) и по второй сдвинутой по фазе распространяющейся в прямом направлении оптической волне (L71Bp) - суммарной распространяющейся в прямом направлении волны (L77Cp), содержащей две ортогонально поляризованные волны (L77Ap, L77Bp). В одном варианте осуществления первая распространяющаяся в прямом направлении поляризованная оптическая волна (L77Ap) получается путем поляризации первой распространяющейся в прямом направлении сдвинутой по фазе оптической волны (L71Ap), а вторая распространяющаяся в прямом направлении поляризованная оптическая волна (L77Bp) получается путем поляризации - ортогонально первой распространяющейся в прямом направлении поляризованной оптической волне - второй распространяющейся в прямом направлении сдвинутой по фазе оптической волны (L71Bp). Например, поляризационно-стабилизированные оптические волокна используются на выходе электрооптического модулятора 715A и 715B, причем, эти волокна соединены со входом оптического сумматора (780) таким образом, что их оси поляризации ортогональны. Оптический сумматор (780), кроме того, выполнен с возможностью подачи на оптический резонатор полученной суммарной распространяющейся в прямом направлении волны (L77Cp).

[00147] Одна или более линз 704 могут размещаться на выходе оптического волокна 781 с целью коллимирования распространяющейся в прямом направлении оптической волны L77Cp, выходящей из оптического волокна 781, и генерирования распространяющейся в прямом направлении оптической волны L72p. Аналогично распространяющейся в прямом направлении оптической волне L77Cp, распространяющаяся в прямом направлении оптическая волна L72p содержит две оптические волны ортогональных поляризаций. Распространяющаяся в прямом направлении оптическая волна L72p передается через пространство перед вводом в оптический резонатор 120.

[00148] Одно или более зеркал 706 могут размещаться на оптическом пути распространяющейся в прямом направлении оптической волны L72p с целью направления оптической волны L72p ко входу оптического резонатора 120.

[00149] Стационарная внутрирезонаторная волна L5 образуется в оптическом резонаторе 120; она содержит две оптические волны ортогональных поляризаций, соответствующих поляризациям оптических волн L77Ap, L77Bp, суммируемые в распространяющуюся в прямом направлении суммарную оптическую волну L77Cp. Аналогичным образом, распространяющаяся в прямом направлении внутрирезонаторная волна L5p, аналогично распространяющейся в обратном направлении внутрирезонаторной волне L5p, содержит две оптические волны ортогональных поляризаций, соответствующих поляризациям оптических волн L77Ap, L77Bp, суммируемые в распространяющуюся в прямом направлении суммарную оптическую волну L77Cp.

[00150] Кроме того, когда стационарная внутрирезонаторная волна L5 образуется в оптическом резонаторе 120, распространяющаяся в обратном направлении оптическая волна L5c повторно вводится по обратному пути в лазеры 710A, 710B, вызывая эффект оптической обратной связи. Оптическая обратная связь возникает между каждым из лазеров (710A, 710B) и оптическим резонатором 120.

[00151] Таким образом, оптическая волна L72 на входе оптического резонатора 120 состоит из распространяющейся в прямом направлении волны L72p и распространяющейся в обратном направлении волны L72c. В частности, распространяющаяся в обратном направлении волна L72c соответствует части распространяющейся в обратном направлении оптической волны L5c, передаваемой через отклоняющее зеркало 123 на оси оптического плеча 122. Аналогично распространяющейся в прямом направлении волне L72p, распространяющаяся в обратном направлении волна L72c содержит две оптические волны ортогональных поляризаций, соответствующих поляризациям оптических волн L77Ap, L77Bp, суммируемые в распространяющуюся в прямом направлении суммарную оптическую волну L77Cp.

[00152] Аналогичным образом, оптическая волна L77C на выходе оптического сумматора 780 состоит из распространяющейся в прямом направлении волны L77Cp и распространяющейся в обратном направлении волны L77Cc. Аналогично распространяющейся в прямом направлении волне L77Cp, распространяющаяся в обратном направлении волна L77Cc содержит две распространяющиеся в обратном направлении оптические волны L77Ac, L77Bc ортогональных поляризаций, соответствующих поляризациям оптических волн L77Ap, L77Bp. В направлении обратного распространения оптический сумматор 780 выполнен с возможностью генерирования раздельных волн путем разделения - в распространяющейся в обратном направлении суммарной оптической волне L77Cc, которая достигает оптического сумматора - частей ортогонально поляризованных волн и генерирования распространяющихся в обратном направлении волн L71Ac и L71Bc.

[00153] Аналогичным образом, оптическая волна L71A (L71B соответственно) на выходе электрооптического модулятора 715A (715B соответственно) состоит из распространяющейся в прямом направлении сдвинутой по фазе волны L71Ap (L71Bp соответственно) и распространяющейся в обратном направлении волны L71Ac (L71Bc соответственно). Электрооптический модулятор 715A (715B соответственно) выполнен с возможностью - в направлении прямого распространения - изменения фазы распространяющейся в прямом направлении исходной волны L70Ap (L70Bp соответственно) и - в направлении обратного распространения - изменения фазы распространяющейся в обратном направлении волны L71Ac (L71Bc соответственно). Поскольку действие электрооптического модулятора 715A (715B соответственно) идентично в обоих направлениях распространения, он изменяет одинаковым образом фазу распространяющейся в прямом направлении исходной волны L70Ap (L70Bp соответственно) и фазу распространяющейся в обратном направлении волны L71Ac (L71Bc соответственно).

[00154] Аналогичным образом, оптическая волна L70A (L70B соответственно) на выходе лазера 710A (710B соответственно) состоит из распространяющейся в прямом направлении исходной волны L70Ap (L70Bp соответственно), генерируемой лазером 710A (710B соответственно), и распространяющейся в обратном направлении волны L70Ac (L70Bc соответственно), которая возвращается на лазер 710A (710B соответственно). Распространяющаяся в обратном направлении волна L70Ac (L70Bc соответственно) соответствует части распространяющейся в обратном направлении оптической волны L5c, которая достигает лазера 710A (710B соответственно).

[00155] Каждая из распространяющихся в обратном направлении волн L72c, L77Cc, L71Ac, L71Bc, L70Ac, L70Bc при этом возникает в результате распространяющейся в обратном направлении волны L5c.

[00156] Лазерная система 700, кроме того, содержит светоделитель 707, размещаемый на входе оптического резонатора на оси плеча 121 оптического резонатора. Светоделитель 707 принимает оптическую волну L76. Отраженная оптическая волна L72r возникает в результате отражения от отклоняющего зеркала 123 распространяющейся в прямом направлении оптической волны L72p. Во время работы, когда внутрирезонаторный стационарная волна L5 образуется в оптическом резонаторе 120, оптическая волна L76, образуемая на входе резонатора 120 на оптической оси плеча 121, возникает в результате оптической интерференции между отраженной оптической волной L72r и частью распространяющейся в обратном направлении внутрирезонаторной волны L5c, передаваемой через отклоняющее зеркало 123 оптического резонатора 120 на оси плеча 121 оптического резонатора. В то же время, для части распространяющейся в обратном направлении оптической волны L5c, передаваемой через отклоняющее зеркало 123 на оси плеча 122 оптического резонатора 120, отсутствует интерференция с распространяющейся в прямом направлении оптической волной L72p. Светоделитель 707 генерирует из оптической волны L76 две оптические волны L76A, L76B отличающихся поляризаций, соответствующих поляризациям первой поляризованной оптической волны L77Ap и второй поляризованной оптической волны L77Bp соответственно.

[00157] Лазерная система 700, кроме того, содержит фотодиод PD76A для генерирования из оптической волны L76A электрического тока, величина которого зависит от интенсивности света оптической волны L76A.

[00158] Лазерная система 700, кроме того, содержит фотодиод PD76B для генерирования из оптической волны L76B электрического тока, величина которого зависит от интенсивности света оптической волны L76B.

[00159] Лазерная система 700 может, кроме того, содержать светоделитель 708, размещаемый на выходе оптического резонатора на оси плеча 121 оптического резонатора. Светоделитель 708 принимает оптическую волну L73, которая возникает в результате передачи части распространяющейся в прямом направлении внутрирезонаторной волны L5 через выходное зеркало 125 оптического резонатора 120. Светоделитель 708 генерирует из оптической волны L73 две оптические волны L73A, L73B отличающихся поляризаций, соответствующих поляризациям первой поляризованной оптической волны L77Ap и второй поляризованной оптической волны L77Bp соответственно.

[00160] Лазерная система 700 может, кроме того, содержать фотодиод PD73A для генерирования из оптической волны L73A электрического тока, величина которого зависит от интенсивности света оптической волны L73A.

[00161] Лазерная система 700 может, кроме того, содержать фотодиод PD73B для генерирования из оптической волны L73B электрического тока, величина которого зависит от интенсивности света оптической волны L73B.

[00162] Лазерная система 700, кроме того, содержит одно или более фазорегулирующих устройств (730A, 730B) для генерирования управляющего сигнала (SC7A, SC7B) для каждого из электрооптических модуляторов (715A, 715B). Каждый из управляющих сигналов (SC7A, SC7B), определяемых одним фазорегулирующим устройством (730A, 730B), определяется для того, чтобы компенсировать по модулю 2π фазовый сдвиг лазера/резонатора, накопленный при прохождении туда-обратно через лазер-резонатор, соответствующем каждому лазеру (710A, 710B). Каждое из фазорегулирующих устройств (730A, 730B) принимает электрический ток, генерируемой фотодиодами PD76A, PD76B (и при необходимости PD73A, PD73B), которые принимают оптическую волну поляризации, соответствующей поляризации рассматриваемой сдвинутой по фазе оптической волны.

[00163] Управляющий сигнал SC7A (SC7B соответственно) генерируется по соответствующему сигналу SE7A рассогласования (SE7B соответственно), причем, данный сигнал SE7A рассогласования получается из электрического сигнала, генерируемого фотодиодом PD76A (PD76B соответственно), и при необходимости из электрического сигнала, соответственно, генерируемого фотодиодом PD73A (PD73B соответственно), с использованием способа, описанного со ссылкой на фиг. 2C, в котором фотодиод PD76A (PD76B соответственно) играет роль фотодиода PD3, а фотодиод PD73A (PD73B соответственно) играет роль фотодиода PD2C, чтобы генерировать управляющий сигнал SC7A (SC7B соответственно), соответственно.

[00164] Лазерная система 700 может, кроме того, содержать ответвитель 740A основанный на волокне, который размещается на оптическом волокне 711A и который выполнен с возможностью отбора некоторой части распространяющейся в прямом направлении оптической волны L40Ap. Ответвитель 740A имеет, по меньшей мере, один выход, на котором может размещаться оптический усилитель OA7A с целью генерирования высокомощной выходной оптической волны L74A.

[00165] По меньшей мере, в одном варианте осуществления лазерная система 700 содержит оптический компонент для суммирования распространяющихся в прямом направлении оптических волн L70Ap, L70Bp (распространяющихся в обратном направлении оптических волн L70Ac, L70Bc соответственно) на выходе лазеров 710A и 710B. Часть этих распространяющихся в прямом направлении оптических волн L70Ap, L70Bp (распространяющихся в обратном направлении оптических волн L70Ac, L70Bc соответственно) после этого отбирается, например, с помощью оптического ответвителя или оптического циркулятора. Например, лазерная система 700 может, кроме того, содержать ответвитель 740B основанный на волокне, который размещается на оптическом волокне 711B и который выполнен с возможностью отбора некоторой части оптической волны L70B. Ответвитель 740B имеет, по меньшей мере, один выход, на котором может размещаться оптический усилитель OA7B с целью генерирования высокомощной выходной оптической волны L74B. Выходная оптическая волна L74A и выходная оптическая волна L74B стабильны по частоте и имеют очень узкую спектральную ширину полосы, например, равную нескольким Герцам, т.е. относительную точность, равную 10 ¹⁴. Лазерная система 700 может, например, кроме того, содержать оптический компонент для комбинирования - например, с помощью оптических биений, суммирования или вычитания - выходной оптической волны L74A и выходной оптической волны L74B, чтобы получать оптическую волну более высокой или более низкой частоты, которая стабильна по частоте и имеет высокую точность.

[00166] Одним возможным применением системы 700 является при этом генерирование двух оптических волн, отношение частот которых является очень точным, с целью генерирования, например, очень чистого и перестраиваемого в широком диапазоне терагерцового излучения. Система 700 при этом применима к обнаружению тяжелых молекул: биология, взрывчатые вещества, визуализация, связь и т.д.

[00167] Различные лазерные системы, описанные в данном документе со ссылкой на фиг. 1-7, могут использоваться для создания системы обнаружения газа. В такой системе обнаружения газа оптический резонатор ограничивает собой камеру, предназначенную для приема, по меньшей мере, одного анализируемого газа. Система обнаружения газа может содержать анализатор для анализа и/или сравнения одной или более оптических волн, создаваемых лазерной системой. Например, анализатор выполнен с возможностью определения соотношения между интенсивностями света оптической волны, выдаваемой из оптического резонатора, и оптической волны, вводимой в оптический резонатор. По меньшей мере, в одном варианте осуществления частота одного или более источников света изменяется, и для каждой частоты измеряется соотношение интенсивностей света, чтобы получить частотный спектр. В случае лазерной системы с несколькими источниками, описанной со ссылкой на фиг. 5-7, анализ может осуществляться одновременно или поочередно на различных частотах различных источников света.

[00168] В соответствии с одним вариантом осуществления, проводится измерение CRDS (нисходящей спектроскопии внутри кольцевого резонатора). В таком варианте осуществления излучение исходной волны лазером прерывается, как только резонатор заполняется фотонами, и измеряется время жизни фотонов в резонаторе. Это время жизни зависит от коэффициента отражения зеркала, а также от потерь на поглощение в газе, имеющемся в резонаторе. Лазер может прерываться с помощью электрооптического модулятора, выполненного с возможностью значительного ослабления волны лазера (>60 дБ), или усилителем (элемент 103), который размещается после электрооптического модулятора в направлении прямого распространения и который прерывается (ослабление >80 дБ).

[00169] Настоящее описание относится к способу генерирования лазерного источника с помощью лазерной системы в соответствии с любым из вариантов осуществления, описанных в данном документе. По меньшей мере, в одном варианте осуществления такой способ включает в себя генерирование непрерывной распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны (L0p; L50Ap, L60Ap, L70Ap), называемой исходной волной, частота которой является регулируемой. Исходная волна генерируется с помощью лазера (110; 510A; 610A; 710A), который чувствителен к оптической обратной связи, через выходное оптическое волокно (111; 511A; 611A; 711A) лазера.

[00170] По меньшей мере, в одном варианте осуществления данный способ включает в себя связь - с помощью оптической обратной связи - лазера с оптическим резонатором (120), который выполнен с возможностью генерирования внутрирезонаторной волны (L5), часть которой возвращается на лазер в форме распространяющейся в обратном направлении волны.

[00171] По меньшей мере, в одном варианте осуществления данный способ включает в себя генерирование - электрооптическим модулятором основанным на волокне, размещаемым на оптическом пути исходной волны между лазером и оптическим резонатором - сдвинутой по фазе исходной волны (L1p; L51Ap, L61Ap, L71Ap) путем фазового сдвига исходной волны, и - путем фазового сдвига распространяющейся в обратном направлении оптической волны - сдвинутой по фазе распространяющейся в обратном направлении волны (L0c; L50Ac, L60Ac, L70Ac), называемой волной обратной связи, которая достигает лазера.

[00172] По меньшей мере, в одном варианте осуществления данный способ включает в себя генерирование сигнала (SC; SC6A, SC7A) для регулирования электрооптического модулятора по сигналу рассогласования (SE), характеризующему относительную фазу между исходной волной и волной обратной связи, чтобы компенсировать относительную фазу между исходной волной и волной обратной связи. Управляющий сигнал может генерироваться с использованием любого из способов, описанных со ссылкой на фиг. 2A-2E, 5, 6 и 7. Данный способ применим к различным лазерным системам, описанным в данном документе со ссылкой на фиг. 1, 2A-2E и фиг. 4-7.

Изобретение относится к лазерной системе с оптической обратной связью. Заявленная лазерная система с оптической обратной связью содержит чувствительный к оптической обратной связи лазер (110), который излучает, через выходное оптическое волокно (111), непрерывную регулируемую по частоте распространяющуюся исходную оптическую волну (L0p), называемую исходной волной; оптический резонатор (120), связанный с помощью оптической обратной связи с лазером и выполненный с возможностью генерирования внутрирезонаторной волны (L5), одна часть которой возвращается на лазер в форме распространяющейся в обратном направлении оптической волны (L0c); электрооптический волоконный модулятор (115), размещаемый на оптическом пути между лазером и оптическим резонатором, причем упомянутый электро-оптический модулятор выполнен с возможностью генерирования сдвинутой по фазе исходной волны (L1p) путем фазового сдвига исходной волны и, путем фазового сдвига распространяющейся в обратном направлении оптической волны, генерирования сдвинутой по фазе, распространяющейся в обратном направлении волны (L0c), называемой волной обратной связи, которая достигает лазера; фазорегулирующее устройство (130) для генерирования управляющего сигнала (SC) для электрооптического модулятора по сигналу (SE) рассогласования, характеризующему относительную фазу между исходной волной (L0p) и волной (L0c) обратной связи, чтобы компенсировать относительную фазу между исходной волной и волной обратной связи. Технический результат – упрощение регулирования фазового сдвига лазера/резонатора. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Лазерная система с оптической обратной связью, содержащая:

- лазер (110; 510A; 610A; 710A), чувствительный к оптической обратной связи и предназначенный для излучения, через выходное оптическое волокно (111; 511A; 611A; 711A), непрерывной распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны, называемой исходной волной, частота которой является регулируемой;

- оптический резонатор (120), который связан с помощью оптической обратной связи с лазером и который выполнен с возможностью генерирования внутрирезонаторной волны (L5), часть которой возвращается в лазер в форме распространяющейся в обратном направлении оптической волны (L1c; L51Ac, L61Ac, L71Ac);

- электрооптический модулятор (115; 615A; 715A), основанный на волокне, размещаемый на оптическом пути между лазером и оптическим резонатором, причем электрооптический модулятор выполнен с возможностью генерирования сдвинутой по фазе исходной волны (L1p; L51Ap, L61Ap, L71Ap) путем фазового сдвига исходной волны и генерирования, путем фазового сдвига распространяющейся в обратном направлении оптической волны - сдвинутой по фазе, распространяющейся в обратном направлении волны (L0c; L50Ac, L60Ac, L70Ac), называемой волной обратной связи, которая достигает лазера;

- фазорегулирующее устройство (130; 230A; 230B; 230C; 230D; 230E; 530; 630; 730A) для генерирования сигнала (SC; SC6A, SC7A) для регулирования электрооптического модулятора по сигналу (SE) рассогласования, характеризующему относительную фазу между исходной волной (L0p; L50Ap, L60Ap, L70Ap) и волной (L0c; L50Ac, L60Ac, L70Ac) обратной связи, чтобы компенсировать относительную фазу между исходной волной и волной обратной связи.

2. Лазерная система по п. 1, в которой:

- оптический резонатор (120) образован, по меньшей мере, двумя зеркалами, содержащими, по меньшей мере, одно выходное зеркало (125);

- фазорегулирующее устройство выполнено с возможностью генерирования сигнала (SC) для регулирования электрооптического модулятора (115) по части (L3) внутрирезонаторной волны, которая выходит из оптического резонатора через упомянутое выходное зеркало (125).

3. Лазерная система по п. 1, в которой:

- оптический резонатор (120) образован, по меньшей мере, двумя зеркалами, включая входное зеркало (123);

- фазорегулирующее устройство выполнено с возможностью генерирования сигнала (SC) для регулирования электрооптического модулятора (115) по волне (L6), возникающей в результате интерференции между частью (L2r) сдвинутой по фазе исходной волны, отражаемой входным зеркалом (123), и частью (L2c) внутрирезонаторной волны (L5), передаваемой в направлении обратного распространения через входное зеркало.

4. Лазерная система по п. 1, в которой фазорегулирующее устройство выполнено с возможностью генерирования сигнала (SC) для регулирования электрооптического модулятора (115) по части распространяющейся в обратном направлении оптической волны (L1c), отбираемой на входе электрооптического модулятора (115) в направлении обратного распространения.

5. Лазерная система по п. 1, в которой электрооптический модулятор дополнительно выполнен с возможностью генерирования модулированного оптического сигнала путем модулирования, в зависимости от сигнала рассогласования, фазы исходной волны вокруг среднего значения, а фазорегулирующее устройство выполнено с возможностью выдачи управляющего сигнала (SC) с помощью метода синхронного детектирования по части распространяющейся в обратном направлении оптической волны (L1c), отбираемой на входе электрооптического модулятора (115) в направлении обратного распространения.

6. Лазерная система по любому из предыдущих пунктов, в которой выходное оптическое волокно представляет собой поляризационно-стабилизированное волокно.

7. Лазерная система по любому из предыдущих пунктов, в которой лазер не имеет оптического вентиля на своем выходе.

8. Лазерная система по любому из предыдущих пунктов, содержащая, по меньшей мере, один оптический компонент (102; 103) основанный на волокне, размещаемый на оптическом пути исходной волны до или после электрооптического модулятора (115) основанного на волокне, причем оптический компонент, основанный на волокне, является компонентом, который выбирается из группы, состоящей из оптического усилителя, оптического ответвителя и оптического циркулятора.

9. Лазерная система по любому из пп. 1-8, содержащая:

- по меньшей мере, один второй лазер (510B, 510C), который чувствителен к оптической обратной связи и который излучает, через выходное оптическое волокно (511B, 511C), вторую непрерывную распространяющуюся в прямом направлении исходную оптическую волну (L50Bp, L50Cp), частота которой является регулируемой;

- оптический переключатель (550), основанный на волокне, выполненный с возможностью приема распространяющихся в прямом направлении исходных оптических волн (L50Ap, L50Bp, L50Cp), выдаваемых из первого лазера и упомянутого, по меньшей мере, одного второго лазера, для выбора одной из принимаемых распространяющихся в прямом направлении исходных оптических волн и для переноса, на электрооптический модулятор, основанный на волокне, выбранной распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны.

10. Лазерная система по любому из пп. 1-8, содержащая:

- по меньшей мере, один второй лазер (610B, 610C), который чувствителен к оптической обратной связи и который излучает, через выходное оптическое волокно, соответствующую вторую непрерывную распространяющуюся в прямом направлении исходную оптическую волну (L60Bp, L60Cp), частота которой является регулируемой;

- по меньшей мере, один второй электрооптический модулятор (615B, 615C), основанный на волокне, размещаемый на оптическом пути между соответствующим упомянутым вторым лазером (610B, 610C) и оптическим резонатором, причем каждый упомянутый второй электрооптический модулятор выполнен с возможностью генерирования сдвинутой по фазе распространяющейся в прямом направлении оптической волны (L61Bp, L61Cp) путем фазового сдвига соответствующей упомянутой второй распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны (L60Bp, L60Cp);

- оптический мультиплексор (660), основанный на волокне, выполненный с возможностью приема сдвинутых по фазе, распространяющихся в прямом направлении оптических волн (L61Ap, L61Bp, L61Cp), выдаваемых из электрооптического модулятора и упомянутого, по меньшей мере, одного второго электрооптического модулятора, для генерирования мультиплексированной оптической волны (L61p) путем частотного мультиплексирования принимаемых сдвинутых по фазе, распространяющихся в прямом направлении оптических волн, для выдачи на оптический резонатор мультиплексированной волны и для генерирования демультиплексированных волн путем демультиплексирования части внутрирезонаторной волны (L5), которая достигает мультиплексора в форме распространяющейся в обратном направлении оптической волны;

- каждый упомянутый второй электрооптический модулятор, кроме того, выполнен с возможностью генерирования, путем фазового сдвига одной из демультиплексированных волн, соответствующей распространяющейся в обратном направлении оптической волны (L60Bc, L60Cc), которая достигает соответствующего второго лазера; причем

- фазорегулирующее устройство (630A) выполнено с возможностью генерирования управляющего сигнала (SC6B, SC6C) для каждого второго электрооптического модулятора по сигналу (SE) рассогласования, характеризующему относительную фазу между соответствующей второй распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волной (L60Bp, L60Cp) и соответствующей распространяющейся в обратном направлении оптической волной (L60Bc, L60Cc), достигающей соответствующего второго лазера, чтобы компенсировать относительную фазу между соответствующей распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волной и соответствующей распространяющейся в обратном направлении оптической волной (L60Bc, L60Cc).

11. Лазерная система по любому из пп. 1-8, содержащая:

- второй лазер (710B), который чувствителен к оптической обратной связи и который излучает, через выходное оптическое волокно (711B), вторую непрерывную распространяющуюся в прямом направлении исходную оптическую волну (L70B), частота которой является регулируемой;

- второй электрооптический модулятор (715 B), основанный на волокне, размещаемый на оптическом пути между вторым лазером и оптическим резонатором, причем второй электрооптический модулятор выполнен с возможностью генерирования второй сдвинутой по фазе, распространяющейся в прямом направлении оптической волны (L71Bp) путем фазового сдвига второй распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны;

- оптический сумматор (780) для генерирования, из первой сдвинутой по фазе, распространяющейся в прямом направлении оптический волны (L71Ap), генерируемой электрооптическим модулятором (715A), и второй сдвинутой по фазе, распространяющейся в прямом направлении оптический волны (L71Ac), суммарной волны (L77Cp), содержащей две ортогонально поляризованные волны, для выдачи на оптический резонатор суммарной волны (L77Cp) и для генерирования разделенных волн (L71Ac, L71Bc) путем разделения, в части внутрирезонаторной волны, которая достигает оптического сумматора в форме распространяющейся в обратном направлении оптической волны (L77Cc), частей ортогонально поляризованных волн; причем

- второй электрооптический модулятор (715B), кроме того, выполнен с возможностью фазового сдвига одной из разделенных волн и выдачи второй распространяющейся в обратном направлении оптической волны (L70Bc), которая достигает второго лазера;

- лазерная система, кроме того, содержит второе фазорегулирующее устройство (730B) для генерирования второго сигнала (SC7B) для регулирования второго электрооптического модулятора по второму сигналу рассогласования, характеризующему относительную фазу между второй распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волной (L70Bp) и второй распространяющейся в обратном направлении оптической волной (L70Bc), чтобы компенсировать относительную фазу между второй распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волной и второй распространяющейся в обратном направлении оптической волной.

12. Система для генерирования оптической волны, содержащая лазерную систему по п. 11 и оптический компонент для генерирования суммарной оптической волны путем суммирования части исходной волны и волны обратной связи, соответственно, на выходе лазера (710A) и части второй распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны и второй распространяющейся в обратном направлении оптической волны, соответственно, на выходе второго лазера (710B).

13. Система обнаружения газа, в которой оптический резонатор ограничивает собой камеру, предназначенную для приема, по меньшей мере, одного газа, причем система обнаружения газа содержит:

- лазерную систему по любому из предыдущих пунктов,

- анализатор для анализа, по меньшей мере, одной оптической волны, генерируемой лазерной системой.

14. Способ генерирования оптической волны, включающий в себя:

- генерирование непрерывной распространяющейся в прямом направлении исходной оптической волны, называемой исходной волной, частота которой является регулируемой, через выходное оптическое волокно лазера, который чувствителен к оптической обратной связи;

- связывание, с помощью оптической обратной связи, лазера с оптическим резонатором, выполненным с возможностью генерирования внутрирезонаторной волны, часть которой возвращается на лазер в форме распространяющейся в обратном направлении оптической волны (L0c; L50Ac, L0Ac, L70Ac);

- генерирование, с использованием электрооптического модулятора, основанного на волокне, размещаемого на оптическом пути исходной волны между лазером и оптическим резонатором, сдвинутой по фазе исходной волны (L1p; L51Ap, L61Ap, L71Ap) путем фазового сдвига исходной волны, и, путем фазового сдвига распространяющейся в обратном направлении оптической волны, сдвинутой по фазе распространяющейся в обратном направлении волны (L0c; L50Ac, L60Ac, L70Ac), называемой волной обратной связи, которая достигает лазера; и

- генерирование сигнала (SC; SC6A, SC7A) для регулирования электрооптического модулятора по сигналу (SE) рассогласования, характеризующему относительную фазу между исходной волной и волной обратной связи, чтобы компенсировать относительную фазу между исходной волной и волной обратной связи.