RO109131B1 - Dispozitiv de amplificare a fasciculelor optice - Google Patents

Abstract

Dispozitivul de amplificare a fasciculelor optice este destinat amplificării fasciculelor optice, într-o gamă mai largă de putere, evitându-se efectele nedorite, ce apar în dispozitivele amplificatoare, convenționale. Prin realizarea unei distribuții spațiale a fasciculului, în zona de amplificare, se asigură o folosire eficientă a posibilităților de amplificare, ale mediului optic activ (pentru o aceeași lungime a parcursului prin mediul optic aciv), un domeniu mai larg de operare (ca amplificator) al dispozitivului, fără ca acesta să fie afectat de efectele nedorite, ale regimurilor de distrugere termică și ale variațiilor aleatoare, cauzate de factori externi (influența acestora fiind mult redusă, datorită structurii de amplificator, folosite). Această distribuție spațială a fasciculului în zona de amplificare este realizată, prin mijloace simple (folosindu-se figuri geometrice, simple, ce reflectă fasciculul incident, în mai multe direcții în spațiu), iar amplificarea acestor fascicule rezultate se realizează în mod independent. Un astfel de dispozitiv de amplificare este deosebit de util și ca amplificator-limitator, în cazul unor fascicule optice, modulate în frecvență sau fază (modulația parazită în intensitate fiind eliminată). Structurile prezentate permit folosirea unor procedee din cadrul opticii integrate.

Description

Invenția se referă la un dispozitiv destinat fasciculelor optice de intensitate redusă; se dorește ca intensitatea acestora să fie adusă în gama de lucru necesară în aplicații, uimărindu-se, totodată, să fie minimizată influența factorilor aleatori existenți în amplificatoarele de semnal optic actuale. Dispozitivul este indicat să fie folosit în măsurători, comunicații, transmisia optică a informației.

în domeniul amplificării fasciculelor optice este cunoscut procedeul folosirii unui mediu optic activ (amplificator de tip laser), plasat pe direcția de propagare a fasciculului incident. Alegând un mediu optic activ, astfel încât la trecerea fasciculului incident prin acesta să poată apare fenomenul de emisie stimulată și asigurând condițiile de excitație necesare, se poate obține o amplificare corespunzătoare a fasciculului incident. Gradul de amplificare a radiației este dependent de condițiile externe de excitație (ce determină nivelul de pompaj), de structura mediului activ folosit, de parcursul radiației prin mediul activ etc. Cu cât drumul parcurs de radiația optică prin mediul activ este mai mare, cu atât amplificarea fasciculului incident este mai mare, putându-se ajunge la fenomenul de saturație (nedorit în cazul amplificatoarelor optice).

Din cauza faptului că nu se pot asigura condiții de excitație uniforme (o distribuție spațială uniformă a excitației), nici inversia de populație nu va fi aceeași în toate punctele din mediu. Ca urmare, coeficientul de amplificare va fi variabil pe parcursul drumului fasciculului optic prin respectivul mediu amplificator, fiind funcție și de intensitatea acestuia. Datorită acestui neajuns pot apare regimuri nedorite de lucru (distrugere termică). La cele de mai sus se adaugă variațiile aleatoare de intensitate care intervin în mod inevitabil datorită perturbațiilor externe.

Este, de asemenea, cunoscut cazul acelor amplificatoare de semnal optic ce folosesc un mediu laser și care au atașate elemente suplimentare ce reglează nivelul de amplificare al dispozitivului la o anumită valoare. Ele folosesc elemente care detectează variația nivelului de amplificare și care, apoi, prin intermediul unei bucle de reacție, comandă o variație a condițiilor externe de mediu (a nivelului de excitație, în general), astfel încât nivelul de amplificare să fie readus la o valoare dorită.

Un astfel de amplificator laser ce are atașată o buclă de reacție realizată în vederea reglării gradului de amplificare prezintă dezavantajul unui timp de răspuns mare, comparativ cu fluctuațiile rapide, permanente, ale nivelului amplificării.

Exemple în acest sens de elemente de reglare a intensității fasciculelor optice, produse de dispozitivele de tip laser, sunt următoarele:

a. Metode directe bazate pe varierea unei aperturi ce permite trecerea radiației optice de excitație (un nivel mai mare al excitației conducând la un factor de amplificare mai mare), în lucrările:

- U.Brauch, J.Muckenschnabel, G.Thompson, H.Bemstein, A.Yogev, A.Reich, M.Oron, Influence ofoperating temperature on the power, divergence and induced birefringence in soler-pumped solid state-lasers, Optical Engineering, Novemeber, 1992. • G.Thompson, A.Yogev, A.Reich, V.Krupkin, M.Oron, Solar pumped Nd:Cr:6566 parallel array laser, Optical Engineering, December, 1992.

b. Metode indirecte bazate pe stabilizarea frecvenței laserului (prin varierea lungimii cavității rezonante), aceasta conducând la o stabilizare în intensitate a fasciculului laser (factorul de amplificare, în condițiile aceluiași nivel de excitație, variind în funcție de frecvență), în lucrările:

- G.Thuillier, J.F.Brun, J.M.Alunni, J.J. Roland, Frequency-stabilized He-Ne laser for WINDII interferometer calibration on board the UARS-NASA satellite, Optical Engineering, March, 1992, H.C. Sun, E. Whatteker, Dynamic resonant peak locking scheme for diode laser modulation spectroscopy, Optical Engineering, March, 1993.

Toate aceste metode, împreună cu altele bazate pe varierea parametrilor sursei de excitație, necesită existența unei bucle de reacție, aceasta având dezavantajele prezentate.

Problema pe care o rezolvă invenția de față este aceea că asigură o folosire eficientă a posibilităților de amplificare ale mediului activ și un domeniu de operare mai larg (ca amplificator) pentru dispozitiv, fără ca acesta să fie afectat de efectele nedorite, ale regimului de distrugere termică și ale variațiilor aleatoare cauzate de factori externi.

Invenția înlătură dezavantajele menționate mai sus (posibilitatea apariției unor regimuri nedorite de lucru, influența perturbațiilor externe) prin aceea că realizează o distribuție spațială a fasciculului în zona de amplificare, asigurându-se prin aceasta funcționarea dispozitivului într-o gamă largă de putere (ca amplificator), fără ca acesta să fie afectat de efectele nedorite sus-menționate.

Avantajele rezultate în urma aplicării invenției sunt următoarele:

- obținerea unei game dinamice de operare ca amplificator mai largă pentru dispozitivele de amplificare a radiației optice coerente;

- obținerea unui efect de stabilizare în intensitate a dispozitivelor de amplificare a radiației optice coerente prin compensarea reciprocă a influenței unor factori aleatori (de mediu, excitație, calitate a mediului activ, precizie de realizare a componentelor optice);

- obținerea unui dispozitiv ce poate fi folosit la circuitele optice integrate.

Se dă, în continuare, un exemplu de realizare a invenției, în legătură și cu fig. 1...4, care reprezintă:

- fig.l, vedere de ansamblu a dispozitivului, conform invenției;

- fig.2, secțiune cu un plan A-A, din fig. 1, pe care s-a reprezentat și traseul razelor optice (reprezentare necesară la explicarea funcționării dispozitivului) secțiune longitudinala:

- fig. 3, secțiune transversală cu un plan B-B, din fig. 1;

- fig.4, secțiune transversală cu un plan B-B, într-o altă variantă constructivă.

Dispozitivul este alcătuit din trei ansambluri:

- ansamblul format dintr-un con 1 cu suprafața laterală, total reflectorizantă, și un trunchi de con 2 ce este gol la interior, având suprafața interioară total reflectorizantă; acest ansamblu are rolul de a transforma un fascicul luminos, distribuit pe o suprafață circulară în spațiu, într-un fascicul luminos distribuit pe o suprafață inelară în spațiu;

- ansamblul destinat să amplifice în mod independent un număr mare de fascicule optice, format dintr-un cilindru 3 gol la interior (realizat dintr-un mediu optic activ A distribuit spre interiorul cilindrului) și o sursă optică de excitație 4;

- ansamblul format dintr-un trunchi de con 5 la interior, având suprafața interioară total reflectorizantă, și un con 6 având suprafața laterală total reflectorizantă; acest ansamblu are rolul de a transforma un fascicul optic distribuit pe o suprafață inelară în spațiu întrun fascicul optic distribuit pe o suprafață circulară în spațiu.

Unghiurile făcute de generatoarele conurilor 1 și 6 și ale trunchiurilor de con 2 și 5 cu axa de simetrie a dispozitivului, așa cum se arată în fig. 2, sunt de 45°.

Pentru înțelegerea funcționării dispozitivului este necesar să urmărim traseul razelor de lumină, prezentate în fig. 2 (liniile ce au o săgeată desenată), în drumul de la intrare spre ieșire. Fasciculul luminos incident este reflectat de suprafața laterală a conului 1, fiind transformat într-un număr mare de fascicule ce se propagă radial (fasciculul incident este notat cu φί, iar intensitatea acestuia este notată cu I,); fasciculele radiale sunt la rândul lor reflectate de suprafața interioară a trunchiulului de con 2 (gol la interior) și în urma acestui proces de dublă reflexie, realizat de elementele 1 și 2, fasciculul optic incident (ce era distribuit pe o suprafață circulară de rază r în spațiu, rază r egală cu raza cercului de la baza conului 1) este transformat într-un fascicul optic distribuit pe o suprafață inelară în spațiu (diferența dintre razele celor două cercuri ce detemină suprafața inelară fiind egală tot cu r). în urma acestui proces, suprafața pe care este distribuit fasciculul în spațiu crește; ca și fasciculul optic incident, fasciculul optic reflectat ce a rezultat în urma acestei duble reflexii se propagă paralel cu axa de simetrie (Δ) a dispozitivului, deoarece unghiurile formate de generatoarele conului 1 și trunchiului de con 2 cu axa de simetrie (Δ) sunt de 45°.

Acest fascicul optic rezultat, ajunge la un cilindru 3 gol la interior, porțiunea delimitată de suprafața interioară a acestui cilindru și de cea exterioară fiind notată cu A în fig. 3 și fiind reprezentată hașurat (în secțiune). Cilindrul 3 este dimensionat și poziționat astfel, încât toate fasciculele optice reflectate de trunchiul de con 2 (gol la interior) să se propage prin mediul material, reprezentat hașurat în fig. 3, fasciculele reflectate de trunghiul de con 2 (gol la interior) trebuind să ocupe, în secțiune, suprafața hașurată din fig.

3. Cilindrul 3, gol în interior, este realizat dintr-un mediu optic activ A, dispus spre interiorul cilindrului. Mediul optic activ A este excitat cu ajutorul unei surse optice de excitație

4, astfel încât să fie întrunite condițiile de emisie stimulată; fasciculele optice ce se propagă prin acest mediu optic activ simt amplificate. Acest cilindru gol la interior are rolul de a amplifica fasciculele optice reflectate de trunchiul de con 2 (gol Ia interior) și realizează acest lucru cu ajutorul mediului optic activ excitat A.

Fasciculele optice, obținute prin amplificare, sunt ulterior reflectate la 90° de către un trunchi de con (gol la interior) 5, ele fiind direcționate perpendicular pe axa de simetrie (Δ) a dispozitivului. Un con 6 reflectă, apoi, aceste fascicule din nou la 90°, transformîndule într-un fascicul optic ce se propagă în spațiu paralel cu axa de simetrie (Δ), ocupând îh secțiune o suprafață circulară egală ca mărime cu suprafața ocupată de fasciculul inițial (ce a fost reflectat de conul 1). Trunchiul de con 5 și conul 6 au rolul de a grupa fasciculele amplificate, astfel încât acestea să fie transmise mai departe sub forma unui fascicul φ_Γ ce ocupă aceeași suprafață (în secțiune) ca fascicul inițial și se propagă în aceeași direcție (intensitatea fasciculului rezultat fiind notată cu I_r). Ansamblul format din trunchiul de con 5 și conul 6 este identic cu ansamblul format din trunchiul de con 2 și conul 1, reprezentând simetricul acestuia în raport cu planul de secțiune B-B.

Mediul optic activ A, dimensiunile geometrice ale cilindrului gol la interior 3 realizat din mediul optic activ și nivelul de excitație (realizat de sursa de excitație 4) se aleg astfel, încât să fie prezent fenomenul de emisie stimulată, fără a se intra în regimul nedorit de distrugere termică.

Amplificarea fasciculului incident este realizată de-a lungul unor trasee de amplificare independente, distribuite în mediul material al unui cilindru gol la interior. Fasciculele optice ce sosesc la începutul fiecărui traseu sunt egale ca intensitate (fiind obținute prin divizare realizată de conul 1 și trunchiul de con 2), iar traseele de amplificare sunt identice din punct de vedere fizic. Coeficientul de amplificare al fiecărui traseu va varia în funcție de condițiile locale de excitație și de mediu (temperatură, presiune) existente pe parcursul traseului, dar la nivelul tuturor traseelor se poate vorbi despre un nivel mediu de amplificare determinat de condițiile medii de excitație și de cele ale altor parametri externi (temperatură, presiune).

Variațiile aleatoare rapide, în condițiile de excitație din diferite puncte ale mediului optic activ, sunt compensate în mare măsură reciproc, și intensitatea fasciculului rezultat va fi extrem de puțin influențată de aceste variații (după cum se știe, dispersia la nivelul mediei dintr-un număr de N de variabile aleatoare identice este mult mai mică decât dispersia la nivelul unei singure variabile aleatoare). în plus, prin realizarea unei distribuții spațiale a fasciculului în zona de amplificare, intensitatea radiației luminoase incidență pe unitatea de suprafață scade, prin aceasta dispozitivul îndepărtându-se mult de zona regiunilor nedorite de lucru (distrugere termică), pentru aceeași lungime a parcursului prin mediul optic activ și același nivel de amplificare. Aceasta permite ca, pentru aceeași lungime a parcursului prin mediul optic activ A, să crească intensitatea undei incidente sau nivelul de amplificare, asigurându-se funcționarea dispozitivului într-o gamă mai largă de putere (cu rezervarea corespunzătoare față de regimurile nedorite de lucru ce apar la intensități mari). în acest mod lungimea parcursului prin mediul optic activ este folosită cu maximum de eficiență.

Dispozitivul poate fi folosit în două modalități:

a) ca amplificator simplu, în cazul în care se dorește ca intensitatea fasciculului amplificat să fie strict proporțională cu intensitatea fasciculului luminos incident (I_r=KI; unde K este coeficientul de amplificare care trebuie să fie constant); un astfel de mod de utilizare este indicat atunci când informația este transmisă, folosindu-se ca parametru variabil intensitatea luminoasă (modulație în intensitate a fasciculului emis de sursă). într-un asemenea caz intensitatea excitației produse de sursa de excitație și parcursul prin mediul optic activ sunt dimensionate astfel, încât fenomenul de saturație să nu apară.

b) ca amplificator-limitator, în cazul în care se dorește ca intensitatea fasciculului amplificat să fie constantă și independentă de intensitatea fasciculului incident (Inconstant); un astfel de mod de utilizare este indicat atunci când informația este transmisă, folosindu-se ca parametru variabil frecvența, faza undei luminoase emise sau un alt parametru diferit de intensitate (într-un asemenea caz fiind vorba de modulația în frecvență sau fază a fasciculului emis). într-o asemenea situație, intensitatea excitației produse de sursa de excitație 4 și parcursul prin mediul optic activ A sunt dimensionate astfel, încât să apară fenomenul de saturație. în acest caz, intensitatea fasciculului optic care va fi trecut ulterior printr-un filtru sau alt demodulator va fi constantă, iar demodularea de fază sau frecvență va decurge mai ușor și cu precizie mai mare, prin eliminarea modulației parazite de intensitate (semnalul de la ieșirea din filtru sau alt dispozitiv demodulator va avea o intensitate dependentă exclusiv de faza sau frecvența semnalului, nedepinzând practic deloc de intensitatea fasciculului optic recepționat).

O variantă constructivă a invenției, ce diferă de cea prezentată mai sus prin modul în care este distribuit mediul optic activ A în interiorul cilindrului 3, este prezentată în fig. 4 (ce reprezintă secțiunea B-B în noua variantă, înlocuind fig. 3). Fig. 1 și 2 rămân nemodifiate în noua variantă. Notațiile din fig. 4 reprezintă:

A-mediu optic activ;

S-mediu electroizolant.

în această variantă apare un număr de canale de amplificare separate între ele, eliminându-se practic complet interinfluențele dintre traseele de amplificare din mediul optic activ A ce determină nivelul de amplificare a dispozitivului. O astfel de structură poate fi realizată printr-o structură optică integrată, de tip strip, ghid optic, ghiduri de suprafață, distribuite pe suprafața sau în volumul mediului activ amplificator A.

Mediul optic activ A mai poate fi realizat sub forma unei coroane circulare plasate pe traseul fasciculelor optice reflectate de conul 1, înainte ca acestea să ajungă la trunchiul de con (gol la interior) 2, excitarea, acestui mediu optic activ efectuându-se cu ajutorul unei surse optice de excitație la care radiația ce produce excitația este îndreptată peipendicular pe fasciculele optice reflectate de conul 1. într-o asemenea situație canalele de amplificare pot fi, de asemenea, separate între ele din punct de vedere electromagnetic.

Claims (4)

1. Dispozitiv de amplificare a fasciculelor optice (folosind un mediu optic activ în care apare fenomenul de emisie stimulată) caracterizat prin aceea că se folosește un element ce transformă fasciculul optic incident într-un fascicul optic divergent, pe baza fenomenului de reflexie (acest element fiind, de preferință, constituit dintr-un con (1) ce reflectă la 90° în toate direcțiile radiale fasciculului incident), un element ce transformă prin fenomenul de reflexie, acest fascicul divergent (ori fascicule rezultate în urma unor eventuale reflexii sau refracții ale fasciculului divergent într-un fascicul direcționat astfel, încât să se propage prin mediul optic activ (A) al unui amplificator de tip laser (acest element fiind, de preferință, constituit dintr-un trunchi de con (2) gol la interior ce reflectă fasciculul radial produs de conul (1) astfel, încât acesta să se propage în aceeași direcție cu fasciculul inițial), fasciculul optic inițial fiind transformat într-un fascicul distribuit pe o suprafață mai mare, în secțiune, decât cel inițial, un mediu optic activ (A) dispus în spațiu și excitat de o singură sursă de excitație (4) (mediul optic activ (A) fiind, de preferință, distribuit spre interiorul unui cilindru (3) gol la interior, sursa de excitație (4) a acestui mediu optic activ (A) fiind, de preferință, constituită dintr-o sursă optică de excitație (4) dispusă în interiorul gol al cilindrului (3).

2. Dispozitiv de amplificare a fasciculelor optice, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că se folosește un element ce transformă fasciculul optic incident într-un fascicul optic divergent, pe baza fenomenului de reflexie (acest element fiind de preferință constituit dintr-un con (1) ce reflectă la 90° în toate direcțiile radiale fasciculul incident), un mediu optic activ (A) distribuit în spațiu și dispus astfel, încât fasciculul optic divergent să se propage prin acest mediu activ și o singură sursă de excitație ce excită acest mediu optic activ (A) (mediul optic activ (A) fiind, de preferință, dispus sub forma unei coroane circulare plasate pe traseul fasciculului optic divergent produs prin reflexie de conul (1)).

3. Dispozitiv, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că sunt separate 5 canalele de amplificare între ele (printr-o structură optică integrată de tip strip, ghid optic, ghiduri de suprafață, distribuite pe suprafața sau în volumul mediului activ amplificator, sau prin orice altă configurație în 10 care canalele de amplificare a radiației sunt separate între ele din punct de vedere ¹⁰ electromagnetic).

4. Dispozitiv, conform revendicărilor 1 și 2, caracterizat prin aceea că sunt separate între ele canalele de amplificare, din punct de vedere electromagnetic (printr-o structurii optică integrată de tip strip, ghid optic, ghiduri de suprafață, distribuite pe suprafața sau îri volumul mediului activ amplificator, sau prin orice altă configurație în care canalele de amplificare a radiației sunt separate între ele din punct de vedere electromagnetic).