IT201800007429A1

IT201800007429A1 - Metodo ed apparato per mantenere la condizione di risonanza simultanea di due campi elettromagnetici distinti in una cavità

Info

Publication number: IT201800007429A1
Application number: IT102018000007429A
Authority: IT
Priority date: 2018-07-23
Filing date: 2018-07-23
Publication date: 2020-01-23

Description

DESCRIZIONE

Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo

“METODO ED APPARATO PER MANTENERE LA CONDIZIONE DI

RISONANZA SIMULTANEA DI DUE CAMPI

ELETTROMAGNETICI DISTINTI IN UNA CAVITÀ”

Ambito dell'invenzione

L'invenzione riguarda un metodo ed un apparato per mantenere la condizione di risonanza simultanea di due campi elettromagnetici distinti in una stessa cavità contenente un mezzo dispersivo. In particolare, l’invenzione si applica a sistemi di combinazione di radiazione elettromagnetica con un mezzo non lineare in cavità.

Stato dell'arte

L’uso di cavità elettromagnetiche risonanti è cruciale in una moltitudine di applicazioni. Alcuni esempi sono: la generazione di campi elettromagnetici (campi e.m.) a partire da altri campi e.m. mediante processi non lineari (come ad esempio sistemi di generazione di armoniche superiori o sommatori di frequenze), l’implementazione di oscillatori parametrici, ed i MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). In aggiunta, le cavità risonanti sono utilizzate per generare fotoni entangled e per costruire sensori ad elevata sensibilità.

Una cavità viene detta risonante con un campo e.m. quando la frequenza di un modo di cavità coincide con quella del campo e.m. incidente. In altre parole, quando la lunghezza (cammino) efficace (ovvero la lunghezza geometrica della cavità corretta per la velocità di fase del campo e.m. nella cavità stessa) è uguale ad un multiplo intero della lunghezza d’onda del campo e.m. propagante in cavità.

Per mantenere tale condizione di risonanza è necessario controllare accuratamente la lunghezza del cammino efficace della cavità. In questo modo è possibile compensare disturbi ad esempio di origine acustica, termica, sismica o meccanica. Tale compensazione attiva viene tipicamente effettuata tramite i seguenti metodi:

• Pound–Drever–Hall [Drever83 - "Laser Phase and Frequency stabilization Using an Optical Resonator" R.W.P. Drever, J.L. Hall, F.V. Kowalski, J. Hough, G.M. Ford, A.J. Munley, H. Ward, Appl. Phys. B 31, 97-105 (1983)];

• Hänsch–Couillaud [Hänsch80 - "Laser frequency stabilization by polarization spectroscopy of a reflecting reference cavity" T.W. Hänsch, B. Couillaud, Optics Communications 35(3), 441-444 (1980)].

Il primo metodo fa uso di un modulatore per iniettare delle bande laterali del campo e.m. al fine di misurare la condizione di risonanza della cavità mediante una misura eterodina fra il campo riflesso ed il campo circolante in cavità.

Il secondo si basa invece sull’analisi della polarizzazione della componente riflessa dalla cavità ed ha il vantaggio di non necessitare di modulazioni del campo e.m., preservandone quindi la purezza spettrale. Entrambi i metodi sono comunemente utilizzati per regolare cavità singolarmente risonanti, cioè risonanti con un singolo campo e.m.

Esempi caratteristici sono la generazione di seconde armoniche o frequenze somma.

Nel caso del processo di somma di frequenza, la potenza ottenibile è limitata dalla potenza del campo e.m. non risonante. Allo stesso modo, nel caso di generazione di seconda armonica, la mancante risonanza del campo e.m. generato in cavità limita la potenza dello stesso; è stato infatti dimostrato come cavità per generazione di seconda armonica doppiamente risonanti aumentino notevolmente l’efficienza di conversione. La complessità dell’implementazione di una cavità risonante su più frequenze sta principalmente nella diversa lunghezza efficace per i diversi campi, dovuta alla presenza di mezzi dispersivi al suo interno, come cristalli non lineari o specchi componenti la cavità stessa.

Questa differenza di cammino efficace generalmente preclude la possibilità di simultanea risonanza fra diversi campi, anche se questi stanno in relazione armonica. Tale problematica viene risolta compensando attivamente la dispersione in cavità introducendo un’ulteriore differenza di cammino efficace tra i due campi e.m. Ciò può essere ottenuto regolando la posizione di due cristalli con faccia angolata oppure di un prisma o di una coppia di lamine.

Nel caso di utilizzo di una coppia di lamine, la regolazione del cammino efficace può essere ottenuta variando l’angolo di orientazione delle lamine rispetto all’asse di propagazione. La coppia di lamine è orientata ad un angolo vicino a quello di Brewster per il campo e.m. principale, per limitare, rispettivamente, il disallineamento e le perdite per riflessione. L’orientazione delle lamine può essere regolata mediante un servocontrollo agente su degli elementi galvanici. Allo stato attuale, il servocontrollo necessita di una modulazione esterna che presenta lo svantaggio di limitare la purezza spettrale del campo e.m. generato in cavità ed aumenta la complessità dell’apparato.

Descrizione sintetica dell'invenzione

Il metodo qui proposto si propone di compensare la differente dispersione di due campi e.m. in cavità osservando le fluttuazioni residue sul segnale di controllo impiegato per mantenere la condizione di risonanza tra la cavità ed il primo campo. Tali fluttuazioni residue rappresentano, a tutti gli effetti, una modulazione efficace della cavità per il secondo campo e.m. Tale segnale di controllo viene quindi utilizzato per demodulare l’efficienza di accoppiamento del secondo campo, effettuando quindi una generalizzazione del tradizionale metodo “lock-in” dove uno spettro continuo di frequenze sostituisce la singola frequenza generata da un oscillatore locale. Il risultato della demodulazione é un segnale di errore rispetto ad un punto di lavoro ottimale.

Le variazioni delle condizioni di risonanza del secondo campo e.m. si ripercuotono sul segnale d’errore tramite una variazione, con segno, del segnale stesso. Conseguentemente, tale segnale é utilizzabile per attuare, tramite un servocontrollo, un controllo attivo su di un mezzo di compensazione posto in cavità.

Tale controllo permette infine di assicurare la condizione di simultanea risonanza dei due campi e.m. in cavità.

Breve descrizione dei disegni

Fig. 1 rappresenta uno schema a blocchi del metodo ed apparato secondo una prima forma realizzativa dell’invenzione;

Fig. 2 rappresenta uno schema a blocchi del metodo ed apparato secondo una variante della prima forma realizzativa dell’invenzione;

Fig. 3 rappresenta uno schema a blocchi del metodo ed apparato secondo una seconda forma realizzativa dell’invenzione;

Fig. 4 rappresenta uno schema a blocchi del metodo ed apparato secondo una terza forma realizzativa dell’invenzione; e

Fig. 5 rappresenta uno schema a blocchi del metodo ed apparato secondo una terza forma realizzativa dell’invenzione.

Descrizione di alcune configurazioni

La figura 1 illustra uno schema a blocchi di una cavità 1 contenente un mezzo dispersivo mantenuta simultaneamente risonante con due campi e.m. distinti EM1, EM2.

Un classico metodo di controllo, del tipo Pound-Drever-Hall o Hänsch-Couillaud o equivalente, viene implementato, tramite un sensore S1, un servocontrollo 4 ed un attuatore 7a, per mantenere la risonanza fra i modi di cavità 1 ed il primo campo EM1. In aggiunta, la risonanza fra i modi di cavità 1 ed il secondo campo EM2 viene mantenuta senza precludere la contemporanea condizione di risonanza tra la cavità 1 ed il primo campo EM1.

A tal fine, il segnale rappresentante la condizione di risonanza del secondo campo EM2, acquisito mediante il sensore S2, é demodulato tramite il segnale del sensore S1. Così facendo é possibile ottenere un segnale di controllo 5 utilizzabile per controllare attivamente, tramite un attuatore 7b agente su di un elemento dispersivo, la dispersione in cavità 1. L’operazione di demodulazione viene effettuata utilizzando un moltiplicatore a banda larga, analogico o digitale, e un filtro passa basso LP, che può essere implementato nell’attuatore stesso.

La figura 2 illustra uno schema a blocchi di una cavità 1 contenente un mezzo dispersivo ED mantenuta simultaneamente risonante con due campi e.m. distinti EM1, EM2, come nella descrizione di figura 1. Un sensore S2 genera un segnale 2b che viene demodulato con il segnale 2a generato da S1 e quindi filtrato tramite LP1 per ottenere un segnale 5. Tale segnale 5 viene utilizzato per ottimizzare il punto di lavoro del servocontrollo 7a (attraverso unità di controllo 4) che mantiene la condizione di risonanza tra la cavità 1 ed il campo EM1. Simultaneamente, un sensore S3 genera un segnale 2c che viene demodulato con il segnale 2a generato da S1 e quindi filtrato tramite LP2 per ottenere un segnale 8. Tale segnale 8 viene utilizzato per implementare un servocontrollo 7b agente sull’elemento dispersivo ED al fine di adattare la lunghezza efficace della cavità 1 in modo da soddisfare la condizione di risonanza simultanea tra la cavità 1, il campo EM1 ed il campo EM2.

La figura 3 illustra uno schema a blocchi di un dispositivo 1 per generazione di seconda armonica in cui sia il campo incidente EM1 che il campo generato EM2, definito dalla seconda armonica di EM1, sono contemporaneamente risonanti con una cavità 1.

All’interno della cavità 1 è presente un cristallo non lineare NL atto a generare la seconda armonica del campo incidente.

La condizione di risonanza fra il campo e la cavità 1 viene mantenuta regolando la lunghezza della cavità 1 tramite un opportuno attuatore PZ. L’attuatore PZ viene controllato tramite un metodo del tipo Hänsch– Couillaud, o Pound–Drever–Hall, o equivalente, il cui segnale 2a di errore viene ottenuto tramite un sensore S1. Il metodo di demodulazione descritto al punto precedente (Figura 1) viene qui applicato per implementare un servocontrollo 7b agente su un elemento dispersivo ED come, per esempio, delle lamine di compensazione. Tale elemento dispersivo ED adatta la lunghezza efficace della cavità 1 in modo da soddisfare la condizione di risonanza simultanea tra la cavità 1, il campo EM1 ed il campo EM2 generato in cavità 1.

La figura 4 illustra uno schema a blocchi di un apparato che implementa i metodi sopra descritti in un triplicatore di frequenza doppiamente risonante.

All’interno di una cavità 1 è presente un cristallo per somma di frequenze SF atto a combinare i due campi EM1 e EM2, seconda armonica di EM1 per generare un terzo campo EM3. La frequenza di EM3 è uguale alla frequenza di EM1 sommata alla frequenza di EM2 e quindi equivale a tre volte la frequenza di EM1 (triplicazione di frequenza). Il sistema è composto da un sensore S1, un attuatore PZ ed un servocontrollo 4 del tipo Hänsch–Couillaud, o Pound–Drever–Hall, o equivalente, regola la lunghezza della cavità 1 al fine di sostenere la condizione di risonanza fra uno dei campi EM1, EM2 e la cavità 1 stessa. Il metodo di demodulazione descritto al punto precedente (Fig.1) viene qui applicato per implementare un servocontrollo 7b agente su un elemento dispersivo ED come, per esempio, delle lamine di compensazione. Tale elemento dispersivo ED adatta la lunghezza efficace della cavità 1 in modo da soddisfare la condizione di risonanza simultanea tra la cavità 1, il campo EM1 ed il campo EM2.

In accordo alla presente invenzione il metodo consente di compensare gli effetti dispersivi in una cavità 1 risonante con due diversi campi e.m. senza la necessità di introdurre una modulazione esterna della dispersione in cavità 1. In tal modo tal modo la purezza spettrale del campo e.m. viene preservata.

In particolare, il metodo consente di estrarre un segnale 2a di errore adatto a controllare e stabilizzare la dispersione in cavità 1 al fine di mantenere la condizione di risonanza simultanea tra la cavità 1 e due campi e.m. Tale segnale 2a di errore viene ottenuto mediante una generalizzazione del metodo “lock-in”. Nello specifico, un oscillatore locale viene sostituito da un continuo di frequenze ottenuto dal segnale di errore di un tradizionale metodo di aggancio agente per un singolo campo e.m. Questo continuo di frequenze funge da modulazione efficace della lunghezza della cavità 1 per il secondo campo EM2, permettendo così, mediante demodulazione, di ottenere un segnale di errore anche per esso.

La figura 5 illustra uno schema a blocchi di un dispositivo per generazione di seconda armonica in cui i metodi sopra descritti sono utilizzati al fine di ottimizzare il controllo della risonanza. All’interno della cavità 1 è presente un cristallo non lineare NL atto a generare la seconda armonica del campo incidente EM1. La condizione di risonanza fra il campo EM1 e la cavità 1 viene mantenuta regolando la lunghezza della cavità 1 tramite un opportuno attuatore (PZ). L’attuatore viene controllato tramite un metodo del tipo Hänsch–Couillaud, o Pound–Drever–Hall, o equivalente, il cui segnale 2a di errore viene ottenuto tramite un sensore S1. Il metodo di demodulazione descritto precedentemente (es. Figura 1) viene qui applicato per ottimizzare il punto di lavoro del servocontrollo (o unità di controllo) che mantiene la condizione di risonanza tra la cavità 1 ed il campo EM1.

In particolare, la forma realizzativa di figura 4 prevede di indirizzare il segnale demodulato 3 di uscita verso l’unità di controllo 4 e verso lo stesso attuatore primario 7a configurato per regolare la lunghezza di detta cavità 1 (e non verso l’attuatore secondario 7b che può non essere presente). Pertanto, l’unità di controllo 4 è configurata per ricevere due segnali in ingresso: il segnale 2a di rilevamento di errore ed il segnale demodulato 3 per controllare l’attuatore primario 7a (ad esempio un piezo). In questo caso, il segnale demodulato 3 viene utilizzato per ottimizzare il punto di lavoro dell’attuatore primario 7a.

Benché siano fornite la descrizioni del principio di funzionamento della nostra invenzione in relazione ad alcuni apparati specifici, è inteso che queste descrizioni sono fornite unicamente allo scopo di esempio, e non come limite di implementazione ed applicazione dell'invenzione come esposto nei suoi scopi e nelle rivendicazioni allegate.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo per mantenere la condizione di risonanza simultanea di una cavità (1) elettromagnetica regolabile in lunghezza, con almeno due campi elettromagnetici (EM1, EM2) distinti presenti all’interno di detta cavità (1), comprendente le seguenti fasi operative: - generare un primo segnale di rilevamento (2a) indicativo della qualità della risonanza della cavità (1) con il primo campo elettromagnetico (EM1) rispetto a corrispondenti lunghezze della cavità (1); - regolare la lunghezza di detta cavità (1) in funzione dei contenuti del primo segnale di rilevamento (2a) relativi alla qualità della risonanza della cavità (1) rilevata, in modo da variare detta lunghezza per sostenere la condizione di risonanza; caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti ulteriori fasi operative: - generare un secondo segnale di rilevamento (2b) indicativo della qualità della risonanza della cavità (1) con un secondo campo elettromagnetico (EM2) rispetto alle corrispondenti lunghezze istantanee della cavità (1); - demodulare detto secondo segnale di rilevamento (2b) rispetto al primo segnale di rilevamento (2a) in modo da ottenere un segnale demodulato (3) di uscita; - utilizzare detto segnale demodulato (3) per regolare ulteriormente la lunghezza di detta cavità (1) o per controllare un elemento dispersivo attivo sulla cavità (1).
2. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detto primo (EM1) e detto secondo campo elettromagnetico (EM2) vengono fatti incidere dall’esterno ed attraversano detta cavità (1).
3. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di comprendere una fase di inserire all’interno della cavità (1) un cristallo non lineare (NL) in modo che detto primo campo elettromagnetico (EM1) attraversi quest’ultimo.
4. Metodo secondo la rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che detto secondo campo elettromagnetico (EM2) viene generato all’interno della cavità (1) da una armonica del primo campo elettromagnetico (EM1) generata a seguito dell’attraversamento del cristallo non lineare (NL).
5. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 2 caratterizzato dal fatto di comprendere una fase di inserire all’interno della cavità (1) un cristallo per somma di frequenze (SF) in modo che detto primo campo elettromagnetico (EM1) e detto secondo campo elettromagnetico (EM2) attraversino quest’ultimo per generare un terzo campo elettromagnetico di uscita dalla cavità (1).
6. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detta fase di demodulare detto secondo segnale di rilevamento (2b) viene realizzata utilizzando un moltiplicatore a banda larga, analogico o digitale, e un filtro passa basso (LP).
7. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che la fase di utilizzare detto segnale demodulato (3) per regolare ulteriormente la lunghezza di detta cavità (1) prevede di inviare detto segnale demodulato (3) verso un’unità di controllo (4) di uno stesso attuatore primario (7a) utilizzato anche per regolare la lunghezza di detta cavità (1) in funzione dei contenuti del primo segnale di rilevamento (2a), in modo da ottimizzare il punto di lavoro dell’attuatore primario (7a) stesso.
8. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti ulteriori fasi: - generare un terzo segnale di rilevamento (2c) indicativo della qualità della risonanza della cavità (1) di un terzo campo elettromagnetico (EM3) rispetto a corrispondenti lunghezze della cavità (1); - demodulare detto terzo segnale di rilevamento (2c) rispetto al primo segnale di rilevamento (2a) in modo da ottenere un ulteriore segnale demodulato (8) di uscita; - utilizzare detto ulteriore segnale demodulato (8) per regolare ulteriormente la lunghezza di detta cavità (1) o per controllare un elemento dispersivo attivo sulla cavità (1) in modo da soddisfare una condizione di risonanza simultanea tra la cavità (1), il primo campo (EM1) ed il secondo campo (EM2).
9. Apparato per mantenere la condizione di risonanza simultanea di una cavità (1) elettromagnetica regolabile in lunghezza, con almeno due campi elettromagnetici (EM1, EM2) distinti presenti all’interno di detta cavità (1), comprendente: - un primo sensore (S1) di rilevamento collegato alla cavità (1) e configurato per: rilevare un valore indicativo della qualità della risonanza della cavità (1) con il primo campo elettromagnetico (EM1) rispetto a corrispondenti lunghezze della cavità (1); generare un primo segnale di rilevamento (2a) in funzione di quanto rilevato; - un’unità di controllo (4) configurata per ricevere detto primo segnale di rilevamento (2a) e per generare un segnale di controllo (5) in funzione dei contenuti di detto primo segnale di rilevamento (2a) in modo da regolare la lunghezza di detta cavità (1) in modo da variare detta lunghezza per sostenere la condizione di risonanza; caratterizzato dal fatto di comprendere: - un secondo sensore (S2) di rilevamento collegato alla cavità (1) e configurato per: rilevare un valore indicativo della qualità della risonanza della cavità (1) con il secondo campo elettromagnetico (EM2) rispetto a corrispondenti lunghezze della cavità (1); generare un secondo segnale di rilevamento (2b) in funzione di quanto rilevato; - un demodulatore (6) collegato a detti sensori di rilevamento e configurato per demodulare detto secondo segnale di rilevamento (2b) rispetto al primo segnale di rilevamento (2a) in modo da ottenere un segnale demodulato (3) di uscita; - un attuatore secondario (7b) o un elemento dispersivo attivo sulla cavità (1) configurato per ricevere detto segnale demodulato (3) e per regolare ulteriormente la lunghezza di detta cavità (1) in funzione dei contenuti di detto segnale demodulato (3).
10. Apparato secondo la rivendicazione 9 caratterizzato dal fatto che detta cavità (1) comprende un elemento dispersivo come un cristallo non lineare (NL) per la generazione del secondo campo elettromagnetico (EM2) all’interno della cavità (1) e/o come un cristallo per somma di frequenza (SF) per combinare i due campi elettromagnetici (EM1, EM2).
11. Apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 10 caratterizzato dal fatto di comprendere un attuatore primario (7a) configurato per regolare la lunghezza di detta cavità (1) in funzione dei contenuti del primo segnale di rilevamento (2a), in cui detto attuatore primario (7a) è di tipo piezoelettrico (PZ).