Способ разделения частот встречных волн в кольцевом лазере Советский патент 1979 года по МПК H01S3/83 

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

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

Известен способ разделения частот встречных волн в кольцевом ОКГ с циркулярно-анизотропным резонатором при наложении на активную среду продольного магнитного поля 2. Использование резонатора, обладающего естественным круговым дихроизмом, позволяет осуществить генерацию излучения на разных для всречных направлений б -компонентах контура усиления, а наложение на активную среду продольного магнитного поля вызывает расщепление контура усиления активной среды на две 6 -компоненты. Величина такого расщепления существенно меньше частотной области генерации на каждой и -компоненте, генерация осутцествляется на продольной моде с одним и тем же для обоих направлений распространения аксиальным индексом и частотой, находящейс я

в диапазоне перекрытия областей генерации на двух и-компонентах контура усиления. Поскольку встречные

волны усиливаются разными и -компон.ентами, они, в силу дисперсии показателя преломления активной среды, испытывают разные набеги фаз, что и приводит к разделению частот встречных ВОЛН. Величина этого разделения определяется величиной индуцированной магнитным полем циркулярно-фазовой анизотропии активной среды. Такой способ разделения частот

встречных волн в принципе не дает возможность создать большие частотные подставки, так как здесь величина частотной подставки ограничена величиной коэффициента усиления.

Это не позволяет существенно уменьшить ошибки измерения, обусловленные взаимодействием встречных волн. Другим существенным недостатком известного способа является то, что

величина частотной подставки сильно подвержена влиянию кестабильностей параметров лазера: величин- магнитного поля, длины параметра резонатора, коэффициента уа-1ления, уровня потерь. Это также приводит к огиибкам измерения угловых перемадений. Целью изобретения является повышение стабильности разделения встре ных волн, что ведет к уменьшению ошибок измерения угловых перемещени с noMoaibso кольцевого лазера, обусло ленных взаимодействием встречных волн и нестабильностью величины их частотного разделения. Достигается это тем, что используя циркулярно-анизотропный резонат и активную среду помещенную в продольное магнитное поле, выбирают де лнчину магнитного поля, обеспечквшо щуга зеемановское расщепление.между двумя 6 -компонентами контура уси ления активной среды не менее часто ной области генерации на каждой и компоненте и, выбирая хотя бы на од ной б -компоненте уровень потерь, не более коэффициента усиления, осугцествлягат релсим генерации по кра ней мере, одной продольной моды. Кроме того ос 1цествляют режим генерации одной продольной моды с одним и тем для встречных направлений акс альным индексом, которая усиливаетс только в одной и -компоненте, а так же режим генерации более двух про дольных мод,каждая из которых усиле на только одной и -компонентой кон тура усиления и возбуждена только i в одном направлении. Кроме того создают зеемановское расщепление между двумя о -конпонентами контура усиления, кратное по величине межмодовому интервалу. Осуществление режима генерации одной продольной моды с одним и тем для встречных направлений аксиальны индексом позволяет создать разные д встречных направлений набеги фаз в резонаторе за счет естественной цир лярно-фазовой анизотропии, что обес печивает частотную подставку. Применение резонаторов, обладающих естественным круговым дихроизмом позволяет осуществить многомодовый режим генерации на разных для встречных направлений продольных модах. Если используется зеемановское расщепление,кратное мехсмодовому интервалу, значительно уменьшает ся влияние нестабильностей параметров лазера на его точностные характеристики. -На фиг. дана схема кольцевого лазера для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 - 5 - режимы генерации лазера. Кольцевой лазер содержит зеркала 1-4 резонатора, изотропный по поляр зации активный элемент 5, блок б пи ния активного элемента, оптический элемент или устройство 7, обладающее круговой анизотропией, оптический смеситель S, четвертьволновую пластину 9, поляризатор 10, фотоприемник 11, регистрирующее устройство 12. Стрелкой и буквой н обозначено продольное магнитное поле, наложенное на активный элемент 5. В случае, когда в качестве оптического элемента 7 используется элемент или устройство, обладающее вственным KpyrosbHvj дихроизмом, раз зление частот встречных волн поясняется фиг.2. Здесь используются обозначения s бп,л-правокруговая и левокруговая компоненты, на которые расщепляется контур усиления линии при наложении продольного магнитного поля, KHOT и Кпот -уровни потерь для излучения/ поляризованного по правому и левому кругу соответственно, -оптическая частота, j.g оптические частоты, соответствующие шести соседним продольным модам, J-зеемановское раодепление между двумя и -компонентами, лФ частотная область генерации на каждой d -компоненте, б v -смещение частоты при вращении ОКГ. Сплощныr.«i вертикальными линиями изображены продольные моды, на которых осуществляется генерация, штриховыми линия1 ад на фиг. 2 и 3 изображены продольные моды, которые не возбуж даются активной средой, на фиг.4 положения возбужденных мод при вращении ОКГ. Знака ад + и обозначены направления распространения луча по и против часовой стрелки соответственно. Для удобства сравнения поляризаций встречных лучей здесь везде используется одна и та же для обоих направлений распространения система координат. Использование элемента 7,обладающего естественным круговым дихроизмом, позволяет осуществить генерацию на разных для встречных направлений 6 -компонентах контура усиления. Коэффициент усиления и уровень потерь на каждой и -компоненте, а также длину периметра резонатора подбирают такими, чтобы имел место многомодовый режим генерации. При зеемановском расщеплении мелоду (i -компонентами, превышающем частотную область генерации на каждой из них, достигается режим генерации на разных для встречных направлений продольных модах (сплошные вертикальные линии на фиг.З). Если зеемановское расщепление имеет величину порядка частотной области генерации на каждой (J -компоненте, а генерация осуществляется более,чем на двух продольных модах, суммарный спектр, изображенный на фиг.4 сплошными вертикальными линиями, представляет собой эквидистантный набор продольных мод. При вращении частоты генерируемого излучения в силу эффект а Саньяка смещаются нд рслнчину Sg- , пропорциональную скорости вращения, в результате наблкдается неэквидистантный спектр, изображен1НЫЙ на фиг.4 штриховыми линиями. При этом в фототоке на выходе приемника 11 излучения содержатся два высокочастотных сигнала межмодовых биений с частотами Slp и , где -межмодовое расстояние, в регистрирующем устройстве 12 определяется разность частот двух высокочастотных сигналов лЧр - ( ) 5 V , которая непосредственно несет информацию о скорости вращения. Разделение частот встречных волн при использовании оптического элемента или устройства 7, обладающего свойствами естественной циркулярнофазовой анизотропии,поясняется. фиг.5. Зесь -4 -частоты генерируемых волн, -разность частот встречных волн (частотная подставка К пот-уровень потерь, сплошными верт кальными линиями изображены частоты на которых происходит генерация в покоящемся кольце, а штриховыми их положение при вращении. Остальные обозначения те же, что и на фиг.2. В данном случае параметры лазера (уровень потерь, величину коэффицие та усиления, длину периметра резона тора) подбирают такими, чтобы в обоих направлениях область генераци на нерасщепленном контуре усиления не превышала величину мёжмодового интервала. Затем с помощью продольного магнитного поля создают зеемановское расщепление между двумя 6 -компонентами контура усиления, пре вышающее частотную область генераци на каждой из них, что позволяет при некоторых настройках длины периметра резонатора получить режим, когда хотя бы на одной из d -компонент контура усиления генерация осуществ ляется на одной продольной моде- Дл встречных направлений возбужденная мода имеет один и тот же аксиальный индекс. В силу того, что резонатор обладает естественной циркулярнофазовой анизотропией, набеги фаз для встречных волн в нем оказываются разными,, что и приводит к расщеплению данной продольной моды по частоте для встречных направлений, т.е. создается подставка , величина которой определяется величиной циркулярно-фазовой анизотропии резонатора. При вращении величина этого частотного разделения изменится (штриховые линии на фиг.5). Измеряя величину частоты биений встречных волн на данной б-компоненте, что достигается вьаделением сигнала биений в поляризованном свете с помощью элементов 9 и 10, и вычитая величину частотной подста известными методами, например. осуществляя коммутацию (изменение знака) подставки, получим непосредтвенную информацию о скорости вра ения. Коммутацию частотной подстави в данном случае можно осуществять двумя способами - переключением напряженности магнитного поля на активной среде на обратную и изменением знака естественной циркулярно-фазовой анизотропии резонатора. В том случае, когда генерация осуществляется как на левокруговой, так и на правокруговой ci -компонентах контура усиления, величина резонаторной частотной подставки на продольных модах, усиливающихся разными d -компонентами, одинакова по величине, но противоположна по знаку. В результате достигается четырехволновой режим генерации. в реальном лазере равенство между величинами частотного разделения встречных волн на двух С -компонентах контура усиления нарушается, т.е. эффекты затягивания частот и отталкивания провалоЕ для всех че тырех волн различны. Однако, если используется резонансное значение магнитного поля, когда зеемановское расщепление между с -компонентами кратно межмодовог ту интервалу, положение возбу Ц1;енных мод относительно соответствующих Сз -компонент одинаково и в этом частном случае разделение частот встречных волн даже с учетом эффектов насыщения одинакового по величине для обеих е компонент при любых расстройках этих частот в пределах области генерации (см.фиг.5). Враьцение приводит к тому, что равенство между величинами этих расщеплений будет нарушено (фиг.5 штриховые линии). Измеряя величины частот биений встречных волн на левокруговой и npasoKpyioвой э -компонентах контура усиления и вычитая эти величины, получим непссредственную информацию о скорости вращения. Если в резонаторе используется естественный круговой дихроизм, зеемановское расщепление с -компонент на величину порядка области генерации на каждой из них позволяет осуществить разделение частот встречных волн на ве. межмодового интервала,что на 3-5 порядков больше частотных подставок, г.олучаег-гых известным способоги. При таких нолях магнитные подуровни оптического перехода полностью расщеплены, т.е. достигается частичное разделение встречных волн и по мпгнит1-:ым подуровням. Все это позволяет уменьип-ггь ошибки измерения уг.;;овь:х переме:иений, обусловленьых взаиг-юдеГ ствием, встречных волн, до минимально возможных. В том случае, когда в резочаторе используется ecTecTSi esiHan Диркулярно-фазовая анизотрО1 ия, также не представляет труда сделать сколь угодно большую частотную подставку. Кроме того, величина резонаторной частотной подставки определяется величиной, не индуциро- ванной магнитным полем, как в известном способе, а естественной циркулярно-фазовой анизотропии. Поэтому она не подвержена влиянию нест бильности магнитного поля. При использовании четырехволнового режима, когда зеемановское расщепление кратно межмодовому интервалу, можно исключить ошибки измерения, обусловленные нестабильностью величины разделения частот встречньлх волн, в стационарном режиме, без использования коммутации частотной подставки.В отличие от известных, данный четырехволновой режим позволяет избавиться от ошибок измерения, обусловленных нестабильностью не только резонаторной частотой подставки, но и дисперсионных характеристик активной среды

Формула изобретения

1. Способ разделения частот встреных волн в кольцевом лазере с циркулярно-анизотропным резонатором при наложении на активную среду продольного магнитного поля, отличающий с я тем, что, с целью повышения стабильности разделения встречных волн, выбирают величину магнитного поля, обеспечивающую зеемановское растепление межлу двумя б -компонентами контура усиления активной среды не менее частотной области генерации на каждой (-компоненте и, выбирая хотя бы на одной с -компоненте уровень потерь не более коэффициента усиления, осуг- твляют режим генерации, по, крайнь мере, одной продольной моды.

2.Способ по п.1, отличающий с я тем, что, осуществляют режим генерации одной продольной моды с Одним и тем же для встречных направлений аксиальным индексом, которая усилена только одной с -компонентой.

3.Способ по ПП.1 и 2, о т л и чающийс я тем, что осуществляют режим генерации более двух продольных мод, каждая из которых усилена только одной Сэ -компонентой контура усиления и возбуждена только в одном направлении распространения

4.Способ по пп.1-3, о т л и чающийся тем, что создают зеемановское расщепление межДу двумя

Сз -компонентами контура усиления, кратное по величине межмодовому интервалу.

Приоритет пп.З и 4 - 21.07.77 г.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР №270359, кл. Н 0 S 3/083, 1964.

2.Патент США № 3382759, кл. 331-94,5, опублик. 1968.

4

S

i.

2 %:

12

-{Г

- К

S

- ц- 5-) -Iйд

Vj 4 Фиг.ft