RU2163354C1 - Fiber-optical self-sustained oscillator - Google Patents
Fiber-optical self-sustained oscillator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2163354C1 RU2163354C1 RU99127769/28A RU99127769A RU2163354C1 RU 2163354 C1 RU2163354 C1 RU 2163354C1 RU 99127769/28 A RU99127769/28 A RU 99127769/28A RU 99127769 A RU99127769 A RU 99127769A RU 2163354 C1 RU2163354 C1 RU 2163354C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fiber
- autocollimator
- optical
- self
- oscillator
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к волоконно-оптическим автоколебательным системам на основе микрорезонатора и может быть использовано в системах измерения различных физических величин (температуры, давления, ускорения - Т, Р, g и др.). The invention relates to fiber-optic self-oscillating systems based on a microcavity and can be used in measuring systems of various physical quantities (temperature, pressure, acceleration - T, P, g, etc.).
Известны работы по созданию нового класса волоконно-оптических автогенераторов на основе использования микрорезонатора (МР), автоколлиматора (АК) и оптического когерентного излучения, взаимодействующего с МР. В литературе сообщается о разработках различных схем по оптическому возбуждению колебаний МР и их практической реализации. Known work on the creation of a new class of fiber-optic oscillators based on the use of a microcavity (MR), an autocollimator (AK) and optical coherent radiation interacting with MR. The literature reports on the development of various schemes for the optical excitation of MR oscillations and their practical implementation.
Известно техническое решение (заявка PCT WO 89/00677, кл. G 01 D 5/26, 26.01.89 г.), взятое в качестве аналога, содержащее лазерный источник оптического излучения со световодом и микрорезонатор, причем один торец световода сопряжен с коллиматором, расположенным между этим торцом и микрорезонатором, а второй торец является выходным. A technical solution is known (PCT application WO 89/00677, class G 01 D 5/26, 01/26/89), taken as an analogue, containing a laser optical radiation source with a fiber and a microcavity, with one end of the fiber coupled to a collimator, located between this end and the microresonator, and the second end is the output.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является волоконно-оптический автогенератор с оптическим методом возбуждения колебаний МР и частотным съемом информации (см. патент РФ N 2135958, опубл. в БИ N 24 от 27.08.99 г.). Closest to the proposed technical solution in terms of technical nature and the achieved result is a fiber-optic oscillator with an optical method for exciting MR oscillations and frequency data reading (see RF patent N 2135958, published in BI N 24 of 08.28.99).
Конструктивно автогенератор представляет собой устройство, содержащее в качестве источника излучения волоконно-оптической лазер (ВОЛ), одномодовый световод, один торец которого сопряжен с МР, а другой является выходным. При этом отражающая поверхность МР образует с выходным торцом световода двухзеркальный оптический резонатор волоконно-оптического лазера. Кроме того, устройство содержит автоколлиматор, расположенный между световодом и МР. В качестве автоколлиматора применяется градиентная стержневая линза в четверть периода, формирующая Гауссовы пучки с параметрами: диаметр перетяжки пучка 2WO = 780 мкм, угол расходимости 2Θ = 2,6 ·10-3 рад. Оптическая ось пучка образует с отражающей поверхностью МР заданный угол Θи.
Непосредственная связь автогенератора с цифровыми устройствами измерения без необходимости преобразования аналог-цифра, большая протяженность канала передачи и высокая точность при контроле измерения резонансной частоты делают этот тип автогенераторов перспективным при его использовании в волоконно-оптических датчиках физических величин.Structurally, the self-oscillator is a device containing, as a radiation source, a fiber-optic laser (VOL), a single-mode fiber, one end of which is coupled to the MR, and the other is the output. In this case, the reflecting surface of the MR forms with the output end of the fiber a two-mirror optical resonator of the fiber-optic laser. In addition, the device contains an autocollimator located between the optical fiber and the MR. A quarter-period gradient rod lens is used as an autocollimator, which forms Gaussian beams with the following parameters: beam waist diameter 2WO = 780 μm, divergence angle 2 2 = 2.6 · 10 -3 rad. The optical axis of the beam forms a given angle Θ and with the reflective surface of the MR.
The direct connection of the oscillator with digital measuring devices without the need for analog-to-digital conversion, the large length of the transmission channel and high accuracy in monitoring the measurement of the resonant frequency make this type of oscillator promising when used in fiber-optic sensors of physical quantities.
Недостатком данного аналога является то, что под действием таких переменных факторов, как температура, давление, ускорение и др., резко изменяются характеристики коллимированного пучка вследствие деформации структуры клеевых соединений, определяющих жесткость крепления стержневых линз. В результате изменяются параметры коллимированного пучка, смещается его оптическая ось относительно МР, что в целом приводит к уменьшению надежности устройства, снижению временной стабильности целевой функции, т.е. (Т, Р, g), и, следовательно, - снижению точности измерений и сокращению диапазона измерений. The disadvantage of this analogue is that under the influence of such variables as temperature, pressure, acceleration, etc., the characteristics of the collimated beam change sharply due to the deformation of the structure of adhesive joints, which determine the stiffness of the attachment of rod lenses. As a result, the parameters of the collimated beam change, its optical axis shifts relative to the MR, which generally leads to a decrease in the reliability of the device and a decrease in the temporal stability of the objective function, i.e. (T, P, g), and, therefore, reduce the accuracy of measurements and reduce the range of measurements.
Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке волоконно-оптического автогенератора на основе волоконно-оптического лазера, взаимодействующего с МР через волоконный автоколлиматор. The problem solved by this invention is to develop a fiber optic oscillator based on a fiber optic laser that interacts with MR through a fiber autocollimator.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в волоконно-оптическом автогенераторе, включающем источник оптического излучения, выполненный в виде волоконно-оптического лазера, автоколлиматор, микрорезонатор, в качестве автоколлиматора используют волоконный автоколлиматор, выполненный в виде участка одномодового кварцевого световода со сферической микролинзой, сформированной на торце этого световода, при этом кварцевый световод с микролинзой из кварцевого стекла соединяют с помощью сварки в электрической дуге. The solution to this problem is ensured by the fact that in a fiber-optic oscillator including an optical radiation source made in the form of a fiber-optic laser, an autocollimator, a microcavity, an autocollimator is used as an autocollimator made in the form of a section of a single-mode quartz fiber with a spherical microlens formed on the end of this fiber, while a quartz fiber with a micro lens of quartz glass is connected by welding in an electric arc.
Суть предлагаемого технического решения заключается в разработке волоконно-оптического автогенератора, в котором коллимирование луча, взаимодействующего с МР, осуществляется с помощью волоконного автоколлиматора. The essence of the proposed technical solution lies in the development of a fiber-optic self-oscillator, in which the collimating of a beam interacting with MR is carried out using a fiber autocollimator.
Волоконный автоколлиматор выполнен в виде участка одномодового кварцевого световода со сферической микролинзой, сформированной непосредственно на торце этого световода. The fiber autocollimator is made in the form of a section of a single-mode quartz fiber with a spherical microlens formed directly at the end of this fiber.
В Гауссовом приближении зависимость параметров коллимированного пучка d, Θ0 от геометрических размеров микролинзы и характеристик световода описывается выражениями
где d - диаметр коллимированного пучка, формируемого микролинзой на ее выходе;
Θ0 - угол расходимости коллимированного пучка;
dc - диаметр световедущей сердцевины световода;
NA - числовая апертура одномодового световода;
l - длина микролинзы;
n - показатель преломления материала микролинзы.In the Gaussian approximation, the dependence of the parameters of the collimated beam d, Θ 0 on the geometric dimensions of the microlens and the characteristics of the fiber is described by the expressions
where d is the diameter of the collimated beam formed by the microlens at its output;
Θ 0 is the divergence angle of the collimated beam;
d c is the diameter of the light guide core of the fiber;
NA is the numerical aperture of a single-mode fiber;
l is the length of the microlens;
n is the refractive index of the microlens material.
Радиус микролинзы R рассчитывается по формуле
которая получена из условия, что торец световода располагается в фокальной плоскости микролизны, а показатель преломления среды (воздуха), в которой распространяется коллимированный пучок, принят равным 1. Оптимальное значение расстояния L между микролинзой и МР определяется экспериментально из условия максимального значения отношения сигнал-шум.The radius of the microlens R is calculated by the formula
which is obtained from the condition that the end of the fiber is located in the focal plane of microlens, and the refractive index of the medium (air) in which the collimated beam propagates is taken to be 1. The optimal value of the distance L between the microlens and the MR is determined experimentally from the condition of the maximum signal-to-noise ratio .
Стабильность параметров коллимированного пучка обеспечивается, во-первых, конструкцией волоконного автоколлиматора, представляющей собой монолитную структуру из одномодового материала, в которой соединение кварцевого световода с микролинзой из кварцевого стекла осуществляется с помощью сварки в электрической дуге, позволяющей получить высокую механическую прочность и эффективное оптическое сопряжение элементов, во-вторых, слабым влиянием дестабилизирующих факторов (изменений температуры, давления, электромагнитных полей и др.) на показатель преломления и геометрические размеры микролинзы. The stability of the collimated beam parameters is ensured, firstly, by the design of a fiber autocollimator, which is a monolithic structure of a single-mode material, in which the connection of a quartz fiber with a micro lens of quartz glass is carried out by welding in an electric arc, which allows to obtain high mechanical strength and effective optical conjugation of elements secondly, the weak influence of destabilizing factors (changes in temperature, pressure, electromagnetic fields, etc.) the refractive index and the geometrical dimensions of the microlenses.
Так, в соответствии с формулой (1) исходя из известных значений термооптических и фотоупругих характеристик для кварцевого стекла (световода) получим оценки
Это значит, что в диапазоне температур 0-800oC изменения параметров коллимированного пучка не превышают соответственно 5 и 3%.So, in accordance with formula (1), based on the known values of thermooptical and photoelastic characteristics for quartz glass (fiber), we obtain estimates
This means that in the temperature range 0-800 o C changes in the parameters of the collimated beam do not exceed 5 and 3%, respectively.
Далее отметим, что при данном способе возбуждения автоколебаний в системе ВОЛ-МР, суть которого заключается в модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора ВОЛ за счет модуляции угла отклонения оптического пучка от МР, параметры оптического пучка и геометрические размеры МР тесно взаимосвязаны. Так, основным фактором, определяющим эффективность взаимодействия ВОЛ и МР является угол расходимости пучка Θ0, определяющий ширину интервала ΔΘи = Θ2-Θ1, а именно, чем меньше угол расходимости Θo. тем больше ширина интервала ΔΘи и наоборот.Further, we note that with this method of exciting self-oscillations in the VOL-MR system, the essence of which is the Q-factor of the VOL two-mirror optical resonator due to modulation of the angle of deviation of the optical beam from the MR, the optical beam parameters and the geometric dimensions of the MR are closely interconnected. So, the main factor determining the efficiency of the interaction between the optical fiber and the MR is the beam divergence angle Θ 0 , which determines the interval width ΔΘ and = Θ 2 -Θ 1 , namely, the smaller the divergence angle Θ o . the greater width ΔΘ interval and vice versa.
Что касается геометрических размеров МР, то они должны быть соизмеримы с диаметром коллимированного пучка: увеличение линейных размеров МР приводит к значительным изменениям коэффициента преобразования, а уменьшение - к потере полезной мощности излучения лазера. As for the geometric dimensions of MR, they should be commensurate with the diameter of the collimated beam: an increase in the linear dimensions of the MR leads to significant changes in the conversion coefficient, and a decrease in the loss of the useful laser radiation power.
В предлагаемой конструкции волоконного автоколлиматора АК обеспечивается возможность вариации значений Θ0 в широких пределах, что увеличивает ширину зоны существования устойчивых автоколебаний и, следовательно, повышает эффективность взаимодействия ВОЛ и МР.In the proposed design of the AK fiber autocollimator, it is possible to vary the values of Θ 0 over a wide range, which increases the width of the zone of existence of stable self-oscillations and, therefore, increases the efficiency of the interaction of the optical fiber and MR.
Для иллюстрации возможностей волоконного автоколлиматора ниже приводятся оценки параметров коллимированных пучков d, Θ0 при типичных значениях геометрических размеров волоконных автоколлиматоров и характеристик одномодового световода.To illustrate the capabilities of a fiber autocollimator, estimates of the parameters of collimated beams d, Θ 0 are given below for typical values of the geometric dimensions of fiber autocollimators and characteristics of a single-mode fiber.
Имеем при
диаметре микролинзы, D (мкм), 200-300
длине микролинзы, l (мкм), 700-900
радиусе микролинзы, R (мкм), 200-300
параметрах одномодового световода (λ = 1,55 мкм, NA = 0,15, dc = 5,5 мкм)
следующие параметры коллимированных пучков:
- диаметр коллимированного пучка, формируемого микролинзой на ее выходе (мкм), d = 50-150
- угол расходимости коллимированного пучка (рад) Θ0 = 8·10-3 - 2·10-2.We have for
the diameter of the microlens, D (microns), 200-300
the length of the microlens, l (microns), 700-900
the radius of the microlens, R (microns), 200-300
single-mode fiber parameters (λ = 1.55 μm, NA = 0.15, d c = 5.5 μm)
the following parameters of collimated beams:
- diameter of the collimated beam formed by the microlens at its output (μm), d = 50-150
- the divergence angle of the collimated beam (rad) Θ 0 = 8 · 10 -3 - 2 · 10 -2 .
На фиг. 1 представлена схема волоконно-оптического автогенератора по данному изобретению, где 1 - волоконно-оптический лазер, активированный эрбием, накачка которого осуществляется на длине волны λн = 0,98 мкм, 2 - одномодовый световод, 3 - волоконный автоколлиматор, выполненный в виде участка одномодового кварцевого световода со сферической микролинзой, сформированной непосредственно на торце световода, 4 - зеркало M1 оптического резонатора, в качестве которого служит граница раздела световод-воздух, 5 - микрорезонатор, представляющий собой кремниевую мембрану (микромостик, микроконсоль), полученную методом анизотропного травления, Θи - угол между нормалью к отражающей поверхности МР и оптической осью пучка, сформированного автоколлиматором 3, 6 - зеркало M2, в качестве которого служит отражающая поверхность МР, l - длина микролинзы, D - диаметр микролинзы, d - диаметр коллимированного пучка, H - расстояние между микролинзой и МР, 7 - микролинза, R - радиус микролинзы 7.In FIG. 1 is a diagram of a fiber optic oscillator according to this invention, where 1 is an erbium-activated fiber optic laser pumped at a wavelength of λ n = 0.98 μm, 2 is a single-mode fiber, 3 is a fiber autocollimator made in the form of a section a single-mode quartz fiber with a spherical microlens formed directly at the end of the fiber, 4 — mirror M 1 of the optical resonator, which serves as the fiber-air interface, 5 — microcavity, which is silicon the membrane (microbridge, microconsole) obtained by anisotropic etching, Θ and is the angle between the normal to the reflective surface of the MR and the optical axis of the beam formed by the autocollimator 3, 6 is the mirror M 2 , which is the reflective surface of the MR, l is the length of the microlens , D is the diameter of the microlens, d is the diameter of the collimated beam, H is the distance between the microlens and MP, 7 is the microlens, R is the radius of the microlens 7.
Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.
Часть мощности ζ оптического пучка, сформированного автоколлиматором 3, отражается от поверхности 6 микрорезонатора 5, нормаль к которой в исходном положении составляет угол Θи с осью пучка света, и возвращается обратно в резонатор волоконно-оптического лазера 1.Part of the power of the optical beam ζ formed autocollimator 3 is reflected from surface 6 microresonator 5 whose normal in the initial position forms an angle Θ with the beam axis and falls back into the resonator fiber optic laser 1.
Изменение мощности излучения волоконно-оптического лазера 1 W1, падающей на МР 5, приводит вследствие эффекта фотоиндуцированной деформации к модуляции угла отклонения отраженного пучка Θ(t), т.е. к модуляции ζ[Θ(t)].A change in the radiation power of a fiber-optic laser 1 W 1 incident on MP 5, due to the photoinduced deformation effect, modulates the deflection angle of the reflected beam Θ (t), i.e. to modulation ζ [Θ (t)].
На фиг. 2 приведена экспериментальная зависимость ζ(Θ). Экспериментальные результаты показали, что независимо от топологии и конструкции МР при выполнении заданных требований в рассматриваемом устройстве устанавливается автоколебательный режим с частотой f, равной частоте МР: f≈ F. In FIG. Figure 2 shows the experimental dependence ζ (Θ). Experimental results showed that, regardless of the topology and design of the MR, when fulfilling the specified requirements, the self-oscillating mode with the frequency f equal to the MR frequency is set in the device in question: f≈ F.
Как видно из фиг. 2, область существования автоколебаний (Θ1,Θ2) для основной моды колебаний расположена целиком на одной ветви кривой ζ(Θ).
Это указывает на то, что модуляция добротности оптического резонатора обусловлена модуляцией угла отклонения пучка, а не дополнительной его фокусировкой (дефокусировкой) вследствие искривления поверхности МР при автоколебаниях. Кроме того, эксперимент показал, что при изменении расстояния H между микролинзой 7 и МР 5 в значительных пределах (±1,5 мм) срыва автоколебаний не наблюдалось, при этом относительное изменение частоты ΔF/F составляло 3·10-4.As can be seen from FIG. 2, the region of existence of self-oscillations (Θ 1 , Θ 2 ) for the main vibration mode is located entirely on one branch of the curve ζ (Θ).
This indicates that the Q-switching of the optical resonator is due to the modulation of the beam deflection angle, and not its additional focusing (defocusing) due to the curvature of the MR surface during self-oscillations. In addition, the experiment showed that with a change in the distance H between the microlens 7 and MP 5 within a significant range (± 1.5 mm), self-oscillation disruption was not observed, while the relative change in the frequency ΔF / F was 3 · 10 -4 .
Таким образом, предложен новый принцип построения волоконно-оптического автогенератора, содержащего волоконный автоколлиматор, обеспечивающий высокую стабильность параметров коллимированного пучка в широком диапазоне воздействия дестабилизирующих факторов. Thus, a new principle is proposed for constructing a fiber-optic self-oscillator containing a fiber autocollimator, which provides high stability of the collimated beam parameters in a wide range of destabilizing factors.
Изобретение позволяет получить следующие положительные свойства:
- снижение массы и габаритов автогенератора;
- повышение надежности, точности, стабильности, быстродействия;
- увеличение эффективности взаимодействия волоконно-оптического лазера и микрорезонатора.The invention allows to obtain the following positive properties:
- reduction in the mass and dimensions of the oscillator;
- improving the reliability, accuracy, stability, speed;
- an increase in the efficiency of interaction between a fiber-optic laser and a microresonator.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99127769/28A RU2163354C1 (en) | 1999-12-28 | 1999-12-28 | Fiber-optical self-sustained oscillator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99127769/28A RU2163354C1 (en) | 1999-12-28 | 1999-12-28 | Fiber-optical self-sustained oscillator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2163354C1 true RU2163354C1 (en) | 2001-02-20 |
Family
ID=20228839
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU99127769/28A RU2163354C1 (en) | 1999-12-28 | 1999-12-28 | Fiber-optical self-sustained oscillator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2163354C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2490109C2 (en) * | 2008-02-11 | 2013-08-20 | ХХ Патент А/С | Coupling between drive shaft or spindle with drive external boss |
-
1999
- 1999-12-28 RU RU99127769/28A patent/RU2163354C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2490109C2 (en) * | 2008-02-11 | 2013-08-20 | ХХ Патент А/С | Coupling between drive shaft or spindle with drive external boss |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5096858B2 (en) | Optical resonator gyroscope and method for reducing resonance asymmetry error | |
| US4120587A (en) | Double optical fiber waveguide ring laser gyroscope | |
| US8711363B2 (en) | Gyroscope utilizing torsional springs and optical sensing | |
| KR0173434B1 (en) | Interferometric Laser Sensor | |
| US7746475B2 (en) | Microgyroscope | |
| US4444503A (en) | Ring interferometer with a mode diaphragm | |
| RU2163354C1 (en) | Fiber-optical self-sustained oscillator | |
| CN110553713A (en) | Optical fiber ultrasonic sensor | |
| US4717240A (en) | Interferometeric beamsplitter | |
| RU2169904C2 (en) | Fiber-optical self-excited oscillator | |
| RU2135958C1 (en) | Fiber-optical active oscillator | |
| RU2135957C1 (en) | Microresonator fiber-optical converter of physical quantities | |
| RU2161783C2 (en) | Fiberoptical temperature-sensitive element based on microresonator | |
| RU2157512C1 (en) | Microresonator fiber-optical sensor of magnetic field | |
| JPH06331314A (en) | Method and apparatus for measuring displacement | |
| CN112067843A (en) | Optical fiber acceleration measuring device based on fiber core mismatch | |
| RU2142117C1 (en) | Microresonator fiber-optical transmitter of angular displacements | |
| Kumagai et al. | Development of open-loop fiber optic gyroscopes for industrial and consumer use | |
| RU2170439C1 (en) | Microresonator fiber-optical electric current pickup | |
| RU2202115C2 (en) | Microresonator-type fiber-optic magnetic-field sensor | |
| RU2226674C1 (en) | Fiber-optical self-excited oscillator | |
| Filatov et al. | Microoptical gyros on the base of passive ring cavities | |
| RU2117934C1 (en) | Fiber-optic self-excited oscillator | |
| RU2142116C1 (en) | Microresonator fiber-optical transmitter of linear translations | |
| Kumagai et al. | Development of open-loop fiber optic gyroscopes for industrial and consumer use |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20031229 |