Rengasresonaattori

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 12. joulukuuta 2019 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 14 muokkausta .

Rengasresonaattori on optinen resonaattori , jossa valo etenee suljettua reittiä pitkin yhteen suuntaan. Volumetriset rengasresonaattorit koostuvat kolmesta tai useammasta peilistä , jotka on suunnattu siten, että valo heijastuu peräkkäin jokaisesta niistä tehden täydellisen kierroksen. Yksinkertaisin rengasresonaattori koostuu kahdesta rinnakkaisesta suoraviivaisesta aaltoputkesta ja niiden välissä olevasta rengasaaltoputken muodossa olevasta resonaattorista. Rengasresonaattoreita käytetään laajasti lasergyroskoopeissa ja lasereissa . Kuitulasereissa käytetään erityisiä kuiturengasresonaattoreita , jotka ovat yleensä muodoltaan suljetun renkaan muotoisiaoptinen kuitu WDM-liittimillä pumpun säteilyn syöttämiseen ja tuotetun säteilyn ulostuloon.

Rengasresonaattorit lasereissa
Kaavio äänenvoimakkuusrengasresonaattorista, jossa on kolme peiliä. Pisteviiva näyttää valon reitin resonaattorissa.
Perinteinen rengasresonaattori, joka on rakennettu kuitulaseriin. In : pumpun säteily. Out : lähtösäteily. 1 : aktiivinen kuitu. 2 : polarisaattori. 3 : optinen eristin. 4 WDM-napauta.
Kuitulaser, jossa on 8-rengasresonaattori. In : pumpun säteily. Out : lähtösäteily. 1 : aktiivinen kuitu. 2 : polarisaattori. 3 : optinen eristin. 4 WDM-napauta. 50:50 jakaja 50/50.
Rengasresonaattori aktiivisella väliaine- ja sähkökentän jakelulla.

Historia

Kuitu- ja integroidun optiikan kehitys on johtanut pienikokoisten optisten laitteiden, suodattimien, modulaattoreiden , deflektoreiden jne. kehittämiseen. Tällä hetkellä rakennusperiaatteet ovat varsin kehittyneitä ja laaja valikoima hybridi-, sähkö- ja akusto- optisia elementtejä on luotu. Koherentin optiikan ja optisten tietojenkäsittelyjärjestelmien kehittäminen edellyttää siirtymistä puhtaasti optisiin lineaarisiin ja epälineaarisiin laitteisiin, mikä avaa tien laitteiden koon merkittävälle pienentämiselle, virrankulutuksen alenemiselle ja nopeuden lisäämiselle.

Lähes minkä tahansa monimutkaisen optisen ja mikroaaltouunin kiinteä osa on resonaattori. Juuri resonaattorien parantamisen edistyminen johti usein laadullisesti uusien tulosten saavuttamiseen. Siten maserien ja laserien ilmaantuminen olisi ollut mahdotonta ilman korkealaatuisten resonaattoreiden toteuttamista mikroaalto- ja optisilla alueilla. High-Q-resonaattoreita käytetään aktiivisesti sukupolvilinjan kaventamiseen ja stabilointiin suodattimina ja erottimina, erilaisissa erittäin herkissä antureissa ja muuntimissa, metrologiassa ja tarkkuusfysikaalisissa kokeissa.

Resonaattorit ovat näissä tutkimuksissa keskeisessä roolissa. Pienikokoisten korkealaatuisten optisen alueen resonaattoreiden avulla esiteltiin ensimmäisen kerran sähkömagneettisen kentän ei-klassiset tilat ja tehtiin ensimmäistä kertaa vaikuttavia kokeita yksittäisten fotonien ja yksittäisten vuorovaikutusten havaitsemiseksi. atomeja. Läheisesti tähän suuntaan liittyvät sovellukset, kuten kvanttitietokoneet ja kvanttisalaus, jotka herättävät aktiivista huomiota ja odotuksia. Yksi tärkeimmistä kvanttivaikutusten havainnoinnin vaatimuksista on eristää järjestelmä ulkoisesta klassisesta maailmasta ja vähentää siinä hajoamista tilojen hajoamisen hidastamiseksi, mikä tarkoittaa resonaattoreiden laatutekijän kasvua.

Kuinka se toimii

Optisen rengasresonaattorin toiminta perustuu samoihin ominaisuuksiin kuin kuiskaavan gallerian , paitsi että se käyttää valoa ja on altis rakentavan interferenssin ja täydellisen sisäisen heijastuksen ominaisuuksille. Kun resonanssitaajuinen valo kulkee piirin läpi tuloaaltoputkesta, sen intensiteetti kumuloituu useiden jaksojen aikana rakentavan häiriön vuoksi ja lähetetään ulostuloaaltoputkeen. Koska vain tietyt resonanssiaallonpituudet etenevät resonaattorissa, optinen resonaattorirengas toimii suodattimena. Lisäksi kaksi tai useampi rengasresonaattori voidaan kytkeä toisiinsa optisen suodattimen muodostamiseksi.

Sisäinen kokonaisheijastus

Optisessa rengasresonaattorissa etenevä valo jää aaltoputken sisään johtuen sädeoptiikan ilmiöstä, jota kutsutaan sisäiseksi kokonaisheijastukseksi.

Sisäinen kokonaisheijastus on optinen ilmiö, joka tapahtuu, kun valonsäde osuu väliaineen rajaan kulmassa, joka on suurempi kuin jokin kriittinen kulma, ja sen väliaineen taitekerroin , jossa säde etenee, on suurempi kuin väliaineen taitekerroin. rajan toisella puolella.

Häiriöt

Häiriö on prosessi, jossa useita aaltoja asetetaan päällekkäin muodostaen tuloksena suuremman tai pienemmän amplitudin aallon. Häiriö viittaa toistensa kanssa korreloivien tai koherenttien aaltojen vuorovaikutukseen .

Resonaattorissa oleva valo heijastuu toistuvasti peileistä. Heijastuneet säteet häiritsevät aiheuttaen vain tiettyjen kenttäjakaumien säilymisen tietyillä taajuuksilla resonaattorissa, säteilyn muilla taajuuksilla tai erilaisella jakautumisella häiriön vaimenemisen tai nopean poistumisen resonaattorista. Jakaumat, jotka toistuvat yhdellä resonaattorin täydellä kierrolla, ovat vakaimpia ja niitä kutsutaan ominaismuodoiksi tai resonaattorimoodiksi.

Jos oletetaan, että järjestelmässä ei ole absorptiohäviöitä, säteilyhäviöitä ja resonanssiehto täyttyy, niin rengasresonaattorista lähtevän valon intensiteetti on yhtä suuri kuin järjestelmään syötetyn valon intensiteetti.

Optinen tiedonsiirto (lineaariset aaltoputket rengasmaisilla)

Kun säde kulkee aaltoputken läpi, osa säteilystä kytkeytyy optiseen rengasresonaattoriin. Syynä tähän on transienttikentän ilmiö, joka ylittää aaltoputkimoodin eksponentiaalisesti pienentyvässä radiaaliprofiilissa. Toisin sanoen, jos rengas ja aaltoputki tuodaan lähelle toisiaan, osa valosta aaltoputkesta voi kulkeutua renkaaseen.

Optiseen kytkentään vaikuttavat aaltoputken ja optisen resonaattorin välinen etäisyys, linkin pituus sekä aaltoputken ja resonaattorin taitekertoimet. Useimmiten optisen kytkennän parantamiseksi aaltoputken ja rengasresonaattorin välistä etäisyyttä pienennetään.

Optisen polun ero

Olkoon ääriviiva, jota pitkin valo voi levitä. Aika, joka kuluu valolta täydellisen piirin tekemiseen:

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

missä R on ääriviivan säde, c on valon nopeus. Polku, jonka pyörimissuuntaa pitkin etenevä säde kulkee tänä aikana:

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

Pyörimissuuntaa vastakkaiseen suuntaan etenevä säde:

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

missä ν on lineaarinen nopeus. Sitten ero polkujen välillä yhdessä läpikulussa on:

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

missä ν = ωR ˂˂ c, ω on kulmanopeus, А on ääriviivan pinta-ala.

n kierrokselle:

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

Resonanssitaajuus

Pääasiassa resonanssitaajuuksia (aallonpituuksia) ylläpidetään resonaattorissa, ja taajuudet kulkevat kytkentäalueen läpi toiseen suoraviivaiseen aaltoputkeen. Siten siirto suoritetaan suuremmassa tai pienemmässä määrin viestintäasteen mukaan. Loput aallonpituudet kulkevat ilman vuorovaikutusta. Resonanssiehto saadaan seuraavasti:

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

missä n eff on tehollinen taitekerroin, L on ympärysmitta, R on rengasresonaattorin kaarevuussäde ja m on kokonaisluku. [2]

Ominaisuudet

Laatutekijä

Laatutekijä on värähtelyjärjestelmän parametri, joka määrittää resonanssin leveyden ja kuvaa, kuinka monta kertaa järjestelmän energiavarastot ovat suuremmat kuin yhden värähtelyjakson energiahäviöt.

Resonaattorin laatutekijä on kentän värähtelyjen lukumäärä ennen kuin kiertoenergia kuluu alkuperäistä energiaa pienemmäksi. Laatutekijän määrittämiseksi mikroresonaattori viritetään tietylle tasolle ja otetaan huomioon tehon hajoamisen taso. On tärkeää huomata, että laatutekijä voidaan lastata ja purkaa. Kuormittamaton laatutekijä syntyy, kun resonaattoria ei ole kytketty aaltojohtoihin. Aaltoputkeen liitettynä resonaattoriin johdetaan lisähäviöitä. $1/e$

Omat modit. Taajuus

Ominaismuodot kuvataan käyttämällä kolmea parametria l , m ja q , joita käytetään vastaavasti polaari-, atsimuutti- ja radiaalimoodissa. 2l antaa maksimien lukumäärän atsimuuttisuunnassa ja l–m+1 :stä lasketaan maksimien lukumäärä napasuuntaisessa suunnassa . Moodin numero q määrittää maksimit säteen suunnassa. Yllä olevista parametrisuhteista voidaan nähdä, että perusmoodia kuvataan q = 1 ja l = m , missä l ja m ovat erittäin suuria lukuja. Modet, joissa q > 1, ovat syvemmällä resonaattorissa. [3]

Muotivalikoima

Monimuotomallin perusteella voidaan osoittaa, että järjestelmään tulee kovaa kilpailua eri moodien välillä. Tämän seurauksena jotkut tilat vaimentuvat, kun taas toiset päinvastoin vahvistuvat.

Resonaattorin vakaus

Stabiilit resonaattorit sisältävät ne, joissa säde heijastuksen jälkeen jää rajoitetussa tilavuudessa lähellä resonaattorin akselia, muuten resonaattorit ovat epävakaita.

Materiaalit

Resonaattorit on valmistettu kiteisistä materiaaleista. koska sellaisilla materiaaleilla on tyypillisesti merkittävä kahtaistaitteisuus, TE- ja TM-polarisaatioita sisältävien moodien välillä ei ole ylikuulumista. [neljä]

Joitakin esimerkkejä tällaisista materiaaleista: kvartsi, CaF 2 , MnF 2 .

Sovellus

Rengasresonaattoreita käytetään laajasti monilla tekniikan aloilla: monissa sotilaslentokoneissa, laivoissa, sukellusveneissä, ballistisissa ohjuksissa, tankeissa, torpedoissa, kaikissa avaruusraketeissa, nykyaikaisissa siviililentokoneissa (autopiloteissa), laivoissa jne.

Gyroskoopeilla on myös muita sovelluksia: robotiikka, lääketiede, laserit, lasergyroskoopit, kulmanopeussensori, autoteollisuus sekä erilaiset kuluttajasovellukset.

Katso myös

Kirjallisuus

Zvelto O. Laserien periaatteet = Principles of Lasers. - 3. painos - M .: Mir, 1990. - 558 s. — ISBN 5-03-001053-X .
Agrawal GP Lightwave -tekniikka: komponentit ja laitteet. - Wiley-IEEE, 2004. - 427 s. — ISBN 9780471215738 .
Agrawal GP Epälineaarisen kuituoptiikan sovellukset. - 2. painos - Academic Press, 2008. - Voi. 10. - 508 s. - (Optiikka ja fotonis-sarja). — ISBN 9780123743022 .
W. Liang, et ai. Resonoiva mikrofotoninen gyroskooppi // Optica Vol. 4, ei. 1. 2017. R. 114–117.
V. Vukmirica. Interferometrinen kuituoptinen gyroskooppi: Toimintaperiaate ja perusparametrien määritys // Scientific Technical Review, Vol.LVIII.No.3-4. 2008.
Schwefel HGL, Whispering Gallery Mode Resonators, Optiikan, informaation ja fotoniikan instituutti, Erlangen-Nürnbergin yliopisto, maaliskuu. 25., (2014) - tällä hetkellä julkaisematon.
V.Sh. Berikashvili, N.T. Klyuchnik, M.Ya. Jakovlev. Rengasmikroresonaattoreihin perustuvat sähkö-optiset modulaattorit ja suodattimet kuituoptisiin viestintäjärjestelmiin // tekniikka ja suunnittelu elektroniikkalaitteissa nro 4. 2011. P. 3-9.

Linkit

Optinen resonaattori - artikkeli Physical Encyclopediasta

↑ Herve C. Lefevre. Interferometrinen kuituoptinen gyroskooppi // Kuituoptiset anturit: kriittinen katsaus. - SPIE, 1993-01-28. - doi : 10.1117/12.145202 .
↑ Elektroniikkalaitteiden tekniikka ja suunnittelu . — Yksityisyritys, Politehperiodika.
↑ Richard Zeltner, Florian Sedlmeir, Gerd Leuchs, Harald GL Schwefel. Refraktometrinen tunnistus kiteisillä MgF2 Whispering Gallery Mode -resonaattoreilla // Frontiers in Optics 2014. - Washington, DC: OSA, 2014. - ISBN 1-55752-286-3 . - doi : 10.1364/ls.2014.lth3i.5 .
↑ Wei Liang, Vladimir S. Ilchenko, Anatoli A. Savchenkov, Elijah Dale, Danny Eliyahu. Resonoiva mikrofotoninen gyroskooppi // Optica. – 12.1.2017. - T. 4 , no. 1 . - S. 114 . — ISSN 2334-2536 . - doi : 10.1364/optica.4.000114 .