RU160760U1 - DEVICE FOR MEASURING LIGHT ABSORPTION FACTOR IN MIRRORS OF A RING RESONATOR - Google Patents

Abstract

Устройство измерения коэффициента поглощения света в зеркалах кольцевого резонатора, содержащее последовательно установленные в углах оптического контура и образующие кольцевой резонатор первое рабочее зеркало, оптически соединенное с зондирующим лазером, второе рабочее зеркало, образцовое зеркало и измеряемое зеркало, а также первый и второй фотоприемники, отличающееся тем, что введены третий фотоприемник, установленный перед измерительным зеркалом, за которым на оптической оси между первым рабочим зеркалом и измерительным зеркалом установлен первый фотоприемник, и четвертый фотоприемник, установленный перед образцовым зеркалом, за которым на оптической оси между измерительным зеркалом и образцовым зеркалом установлен второй фотоприемник.A device for measuring the light absorption coefficient in the mirrors of a ring resonator, comprising a first working mirror, optically connected to a probing laser, a second working mirror, a model mirror and a measured mirror, as well as the first and second photodetectors, characterized in that that introduced a third photodetector installed in front of the measuring mirror, behind which on the optical axis between the first working mirror and the measuring mirrors The first photodetector is installed, and the fourth photodetector is installed in front of the model mirror, behind which a second photodetector is installed on the optical axis between the measuring mirror and the model mirror.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в системах контроля параметров зеркал кольцевых резонаторов (КР), в частности, коэффициента поглощения света в зеркалах кольцевого резонатора.The utility model relates to measuring technique and can be used in monitoring systems for parameters of mirrors of ring resonators (CR), in particular, the light absorption coefficient in mirrors of a ring resonator.

В качестве чувствительных элементов лазерных гироскопов (ЛГ) широко используются кольцевые He-Ne лазеры с длиной волны 632.8 нм. В кольцевом лазере (КЛ) генерируют волны во встречных направлениях (по часовой стрелке и против часовой стрелки), разностная частота которых пропорциональна угловой скорости вращения КЛ. Точностные и эксплуатационные характеристики ЛГ определяются, главным образом, качеством зеркал КР. В ЛГ используются зеркала с многослойным диэлектрическим покрытием, обладающие малой величиной потерь световой волны, отраженной от ее поверхности. Перед сборкой и юстировкой кольцевых резонаторов, осуществляется отбор зеркал, который включает в себя измерения коэффициентов пропускания (Т) и интегрального рассеяния света (S), а также величину общих потерь, вносимых зеркалом в кольцевой резонатор (L). Эти измерения позволяют определить величину коэффициента поглощения (А) света многослойным диэлектрическим покрытием зеркала, используя соотношение для общего баланса потерь L=T+S+A.Ring He-Ne lasers with a wavelength of 632.8 nm are widely used as sensitive elements of laser gyroscopes (LG). In a ring laser (CL), waves are generated in opposite directions (clockwise and counterclockwise), the difference frequency of which is proportional to the angular velocity of the CL. The accuracy and operational characteristics of LG are determined mainly by the quality of the mirrors of the Kyrgyz Republic. In LG, mirrors with a multilayer dielectric coating are used, which have a small value of the losses of the light wave reflected from its surface. Before assembling and aligning the ring resonators, a selection of mirrors is carried out, which includes measurements of transmittance (T) and integrated light scattering (S), as well as the total losses introduced by the mirror into the ring resonator (L). These measurements make it possible to determine the value of the absorption coefficient (A) of light by the multilayer dielectric coating of the mirror, using the ratio for the total loss balance L = T + S + A.

Обычно коэффициент пропускания Т измеряется путем сравнения интенсивностей падающего и прошедшего через зеркало лазерного излучения, коэффициент интегрального рассеяния S измеряется, например, при помощи интегрирующей сферы [H. Nasibov, I. Mamedbeili, D. Riza, E. Balaban, F. Nacizade, "High-precision measurements of reflectance, transmittance, and scattering at 632.8 nm", Proc. of SPIE vol. 8433, 843313-1, 2012]. Эти измерения основаны на сравнении интенсивностей лазерного излучения, рассеянного зеркалом и калиброванным рассеивателем с известными светотехническими характеристиками. При определении величины потерь А используются результаты измерений суммарных потерь кольцевого резонатора, в состав которого включено измеряемое зеркало. При измерении потерь КР в настоящее время широко используется два метода измерения. Один из них основан на измерении времени затухания собственного колебания КР. Другой - на измерении ширины резонанса интенсивности.Typically, the transmittance T is measured by comparing the intensities of the incident and transmitted laser radiation through the mirror, the integral scattering coefficient S is measured, for example, using an integrating sphere [H. Nasibov, I. Mamedbeili, D. Riza, E. Balaban, F. Nacizade, "High-precision measurements of reflectance, transmittance, and scattering at 632.8 nm", Proc. of SPIE vol. 8433, 843313-1, 2012]. These measurements are based on a comparison of the intensities of laser radiation scattered by a mirror and a calibrated diffuser with known lighting characteristics. When determining the magnitude of losses A, the results of measurements of the total losses of the ring resonator, which includes the measured mirror, are used. When measuring Raman losses, two measurement methods are currently widely used. One of them is based on measuring the attenuation time of the Raman intrinsic vibration. The other is on measuring the width of the intensity resonance.

Известно техническое решение [В.В. Азарова, Н.А. Ефремова. Комплексный метод измерения потерь и усиления в активных и пассивных кольцевых лазерных резонаторах. Квантовая электроника. 32, №3 (2002), стр. 241, рис. 2], содержащее последовательно соединенные зондирующий лазер с блоком управления зондирующего лазера и акустооптический модулятор, оптически соединенный с входом кольцевого оптического резонатора, а также последовательно соединенные фотоприемник, вход которого оптически соединен с выходом измеряемого кольцевого оптического резонатора, аналого-цифровой преобразователь и вычислительный блок.A technical solution is known [V.V. Azarova, N.A. Efremova. A comprehensive method for measuring loss and gain in active and passive ring laser resonators. Quantum Electronics. 32, No. 3 (2002), p. 241, Fig. 2], comprising a probe laser connected in series with a probe laser control unit and an acousto-optic modulator optically connected to the input of the ring optical resonator, as well as a series-connected photodetector, the input of which is optically connected to the output of the measured ring optical resonator, an analog-to-digital converter, and a computing unit.

Недостатком этого технического решения является относительно узкие функциональные возможности, обусловленные тем, что, хотя оно и позволяет измерить общие потери в кольцевых лазерных резонаторах, но не позволяет определить коэффициент поглощения света в зеркалах кольцевого резонатора.The disadvantage of this technical solution is the relatively narrow functionality due to the fact that, although it allows you to measure the total loss in ring laser resonators, it does not allow you to determine the light absorption coefficient in the mirrors of the ring resonator.

Известно также устройство [RU 141306, U1, G01C 19/68, 27.05.2014], которое содержит зондирующий лазер с блоком управления зондирующего лазера, вычислительный блок, последовательно соединенные первый фотоприемник, вход которого оптически соединен с выходом кольцевого оптического резонатора, используемого в качестве измеряемого, и первый аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с первым входом вычислительного блока, образцовый кольцевой оптический резонатор, одно зеркало которого оснащено пьезокерамическим двигателем с блоком управления пьезокерамическим двигателем, последовательно соединенные второй фотоприемник, вход которого оптически соединен с выходом образцового кольцевого оптического резонатора, и второй аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен со вторым входом вычислительного блока, а также оптический разделитель, вход которого оптически соединен с выходом зондирующего лазера, а первый и второй выходы оптически соединены, соответственно, со входом образцового кольцевого оптического резонатора и кольцевого оптического резонатора, используемого в качестве измеряемого.A device is also known [RU 141306, U1, G01C 19/68, 05.27.2014], which contains a probe laser with a probe laser control unit, a computing unit, a first photodetector connected in series, the input of which is optically connected to the output of the ring optical resonator used as measured, and the first analog-to-digital converter, the output of which is connected to the first input of the computing unit, an exemplary ring optical resonator, one mirror of which is equipped with a piezoceramic engine with a control unit a piezoceramic motor connected in series to a second photodetector, the input of which is optically connected to the output of a model ring optical resonator, and a second analog-to-digital converter, the output of which is connected to the second input of the computing unit, and an optical splitter, the input of which is optically connected to the output of the probe laser, and the first and second outputs are optically connected, respectively, with the input of a model ring optical resonator and a ring optical resonator, olzuemogo as measured.

Недостатком этого технического решения также является относительно узкие функциональные возможности, обусловленные тем, что, оно не позволяет определить коэффициент поглощения света в зеркалах кольцевого резонатора.The disadvantage of this technical solution is the relatively narrow functionality, due to the fact that it does not allow to determine the light absorption coefficient in the mirrors of a ring resonator.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство [С.Е. Коршунов, Н.В. Тихменев. Измерение потерь прецизионных зеркал кольцевых лазеров. Мир Авионики. №6, 2012, стр. 31], содержащее последовательно установленные в углах оптического контура и образующие кольцевой резонатор первое рабочее зеркало, оптически соединенное с зондирующим лазером, второе рабочее зеркало, образцовое зеркало и измеряемое зеркало, а также первый фотоприемник, установленный за вторым рабочим зеркалом на оптической оси между первым и вторым рабочими зеркалами, и второй фотоприемник, установленный за образцовым зеркалом на оптической оси между вторым рабочим и образцовым зеркалами.Closest to the proposed utility model is the device [S.E. Korshunov, N.V. Tikhmenev. Measurement of loss of precision mirrors of ring lasers. World of Avionics. No. 6, 2012, p. 31], comprising a first working mirror, optically connected to a probing laser, a second working mirror, a model mirror and a measured mirror, as well as a first photodetector installed behind the second working one, sequentially installed in the corners of the optical circuit and forming a ring resonator a mirror on the optical axis between the first and second working mirrors, and a second photodetector mounted behind the model mirror on the optical axis between the second working and model mirrors.

Это устройство позволяет определять не только парциальный вклад измеряемого зеркала в величину общих потерь L, но и, используя результаты измерений величин Т и S, определять значение его коэффициента поглощения А. При этом, при измерении потерь используется кольцевой резонатор, в котором внутренние апертуры не вносят заметных дифракционных потерь.This device allows you to determine not only the partial contribution of the measured mirror to the total loss L, but also, using the results of measurements of the values of T and S, to determine the value of its absorption coefficient A. Moreover, when measuring losses, a ring resonator is used in which internal apertures do not introduce noticeable diffraction loss.

Основным недостатком наиболее близкого технического решения является относительно невысокая точность измерения коэффициента поглощения, что обусловлено тем, что используемые зеркала имеют отдельные точечные дефекты. Неоднородности зеркал слабо влияют на величину их коэффициента пропускания Т, однако величина S не остается неизменной при перемещении лазерного пучка по поверхности зеркала. Относительное изменение величины S определяется плотностью и размерами точечных дефектов и может достигать десятков процентов. В связи с тем, что потери и коэффициент интегрального рассеяния измеряются на различных участках поверхности зеркала, появляются существенные погрешности в определении величины поглощения А измеряемого зеркала.The main disadvantage of the closest technical solution is the relatively low accuracy of measuring the absorption coefficient, which is due to the fact that the mirrors used have individual point defects. The inhomogeneities of the mirrors have a weak effect on the magnitude of their transmittance T, however, the value of S does not remain unchanged when the laser beam moves along the mirror surface. The relative change in the value of S is determined by the density and size of point defects and can reach tens of percent. Due to the fact that the losses and the integral scattering coefficient are measured on different parts of the mirror surface, significant errors appear in determining the absorption value A of the measured mirror.

Задача, которая решается в предложенной полезной модели, заключается в повышении точности путем уменьшения влияния на погрешность измерений неоднородности поверхности измерительного зеркала.The problem that is solved in the proposed utility model is to increase the accuracy by reducing the influence on the measurement error of the inhomogeneity of the surface of the measuring mirror.

Требуемый технический результат заключается в повышении точности.The required technical result is to increase accuracy.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее последовательно установленные в углах оптического контура и образующие кольцевой резонатор первое рабочее зеркало, оптически соединенное с зондирующим лазером, второе рабочее зеркало, образцовое зеркало и измеряемое зеркало, а также первый и второй фотоприемники, согласно полезной модели, введены третий фотоприемник, установленный перед измерительным зеркалом, за которым на оптической оси между первым рабочим зеркалом и измерительным зеркалом установлен первый фотоприемник, и четвертый фотоприемник, установленный перед образцовым зеркалом, за которым на оптической оси между измерительным зеркалом и образцовым зеркалом установлен второй фотоприемник.The problem is solved, and the required technical result is achieved by the fact that, in a device containing a first working mirror, optically connected to a probing laser, a second working mirror, a model mirror and a measured mirror, as well as the first and the second photodetector, according to the utility model, a third photodetector is installed, installed in front of the measuring mirror, behind which on the optical axis between the first working mirror and ritelnym mirror installed first photodetector and fourth photodetector placed in front of an exemplary mirror, behind which on the optical axis between the mirror and the measurement mirror has a second exemplary photodetector.

На чертеже представлены:The drawing shows:

на фиг. 1 - оптическая функциональная схема устройства измерения коэффициента поглощения света в зеркалах кольцевого резонатора;in FIG. 1 is an optical functional diagram of a device for measuring light absorption coefficient in mirrors of a ring resonator;

на фиг. 2 - пример блок-схемы установки для измерения коэффициента поглощения света в зеркалах кольцевого резонатора;in FIG. 2 is an example of a block diagram of an apparatus for measuring light absorption coefficient in mirrors of a ring resonator;

на фиг. 3 - графики, поясняющие работу устройства измерения коэффициента поглощения света в зеркалах кольцевого резонатора.in FIG. 3 are graphs explaining the operation of the device for measuring the light absorption coefficient in the mirrors of a ring resonator.

Устройство измерения коэффициента поглощения света в зеркалах кольцевого резонатора содержит последовательно установленные в углах оптического контура 1 и образующие кольцевой резонатор первое рабочее зеркало 2, оптически соединенное с зондирующим лазером (на фиг. 1 не показан), второе рабочее зеркало 3, образцовое зеркало 4 и измеряемое зеркало 5.The device for measuring the light absorption coefficient in the mirrors of a ring resonator comprises a first working mirror 2 optically connected to a probing laser (not shown in Fig. 1), a second working mirror 3, an exemplary mirror 4, and a measured mirror mirror 5.

Кроме того устройство измерения коэффициента поглощения света в зеркалах кольцевого резонатора содержит первый 6 и второй 7 фотоприемники, а также третий фотоприемник 8, установленный перед измерительным зеркалом 5, за которым на оптической оси между первым рабочим зеркалом 2 и измерительным зеркалом 5 установлен первый фотоприемник 6, и четвертый фотоприемник 9, установленный перед образцовым зеркалом 4, за которым на оптической оси меду измерительным зеркалом 5 и образцовым зеркалом 4 установлен второй фотоприемник 7.In addition, the device for measuring the light absorption coefficient in the mirrors of the ring resonator includes a first 6 and a second 7 photodetectors, as well as a third photodetector 8, mounted in front of the measuring mirror 5, behind which on the optical axis between the first working mirror 2 and the measuring mirror 5 is installed the first photodetector 6, and a fourth photodetector 9, mounted in front of the model mirror 4, behind which a second photodetector 7 is mounted on the optical axis between the measuring mirror 5 and the model mirror 4.

На фиг. 2 на блок-схеме установки для измерения коэффициента поглощения света в зеркалах кольцевого резонатора дополнительно обозначены: 10 - зондирующий лазер (ЗЛ), например, He-Ne лазер с длиной волны 632.8 нм, 11 - пьезоэлектрический корректор, 12 - блок управления, 13 - блок измерения параметров сигналов фотоприемников.In FIG. 2 on the block diagram of the installation for measuring the light absorption coefficient in the mirrors of a ring resonator are additionally indicated: 10 — probing laser (ZL), for example, a He-Ne laser with a wavelength of 632.8 nm, 11 — a piezoelectric corrector, 12 — a control unit, 13 — unit for measuring parameters of signals of photodetectors.

На фиг. 3 указаны максимумы интенсивностей на выходах первого I₆, второго I₇, третьего I₉ и четвертого I₉ фотоприемников, соответственно.In FIG. Figure 3 shows the intensity maxima at the outputs of the first I ₆ , second I ₇ , third I ₉ and fourth I ₉ photodetectors, respectively.

Работает устройство измерения коэффициента поглощения света в зеркалах кольцевого резонатора следующим образом.A device for measuring the absorption coefficient of light in the mirrors of a ring resonator operates as follows.

При возбуждении с помощью зондирующего лазера собственного колебания в кольцевом резонаторе (частотой генерации зондирующего лазера 10 управляют при помощи пьезоэлектрического корректора 11), образованного последовательно установленными в углах оптического контура 1 первым рабочим зеркалом 2, вторым рабочим зеркалом 3, образцовым зеркалом 4 и измеряемым зеркалом 5, наблюдается четыре резонанса интенсивности I (фиг. 3), амплитуды которых описываются следующими соотношениями:When a self-oscillation in a ring resonator is excited by means of a probe laser (the generation frequency of the probe laser 10 is controlled by a piezoelectric corrector 11) formed by the first working mirror 2, the second working mirror 3, the reference mirror 4 and the measured mirror 5, which are sequentially installed in the corners of the optical circuit 1 , there are four resonances of intensity I (Fig. 3), the amplitudes of which are described by the following relationships:

I₇=TI₆/T₀, I₉=SI₈/S₀,I ₇ = TI ₆ / T ₀ , I ₉ = SI ₈ / S ₀ ,

где: I₇ - амплитуда интенсивности волны, выходящей из измеряемого зеркала, I₆ - амплитуда интенсивности волны, выходящей из образцового зеркала, I₉ - амплитуда интенсивности рассеянного излучения измеряемого зеркала, I₈ - амплитуда интенсивности рассеянного излучения образцового зеркала, Т₀ - коэффициент пропускания образцового зеркала, Т - коэффициент пропускания измеряемого зеркала, S₀ - коэффициент интегрального рассеяния образцового зеркала, S - коэффициент интегрального рассеяния измеряемого зеркала.where: I ₇ is the amplitude of the intensity of the wave emerging from the measured mirror, I ₆ is the amplitude of the intensity of the wave emerging from the reference mirror, I ₉ is the amplitude of the scattered radiation intensity of the measured mirror, I ₈ is the amplitude of the scattered radiation of the reference mirror, T ₀ is the coefficient the transmittance of the reference mirror, T is the transmittance of the measured mirror, S ₀ is the integral scattering coefficient of the reference mirror, S is the integral scattering coefficient of the measured mirror.

При выводе последнего соотношения предполагалось, что третий 8 и четвертый 9 фотоприемники имеют одинаковые апертуры и чувствительности при регистрации резонансов интегрального рассеяния.When deriving the last relation, it was assumed that the third 8 and fourth 9 photodetectors have the same apertures and sensitivities when recording integrated scattering resonances.

Как следует из представленных соотношений, измерения амплитуд четырех резонансов интенсивности (первого I₆, второго I₇, третьего I₈ и четвертого I₉ фотоприемников), позволяют контролировать величины пропускания и интегрального рассеяния измеряемого зеркала 5 в одной и той же области поверхности. Значения параметров Т₀ и S₀ можно рассматривать в качестве калибровочных, реперных значений при определении параметров Т и S. Кроме того, измеренные значения потерь Т кольцевого резонатора можно использовать при определении величины поглощения А измеряемого зеркала 5. При таком подходе удается избежать погрешностей, связанных с неоднородностью его поверхности, что позволяет достичь требуемый технический результат, заключающийся в повышении точности.As follows from the presented relationships, the measurements of the amplitudes of four intensity resonances (first I ₆ , second I ₇ , third I ₈ and fourth I ₉ photodetectors) allow us to control the transmission and integral scattering of the measured mirror 5 in the same surface area. The values of the parameters T ₀ and S ₀ can be considered as calibration, reference values when determining the parameters T and S. In addition, the measured values of the losses T of the ring resonator can be used to determine the absorption value A of the measured mirror 5. With this approach, errors associated with with the heterogeneity of its surface, which allows to achieve the required technical result, which consists in increasing accuracy.

Claims (1)

Устройство измерения коэффициента поглощения света в зеркалах кольцевого резонатора, содержащее последовательно установленные в углах оптического контура и образующие кольцевой резонатор первое рабочее зеркало, оптически соединенное с зондирующим лазером, второе рабочее зеркало, образцовое зеркало и измеряемое зеркало, а также первый и второй фотоприемники, отличающееся тем, что введены третий фотоприемник, установленный перед измерительным зеркалом, за которым на оптической оси между первым рабочим зеркалом и измерительным зеркалом установлен первый фотоприемник, и четвертый фотоприемник, установленный перед образцовым зеркалом, за которым на оптической оси между измерительным зеркалом и образцовым зеркалом установлен второй фотоприемник.

A device for measuring the light absorption coefficient in the mirrors of a ring resonator, comprising a first working mirror, optically connected to a probing laser, a second working mirror, a model mirror and a measured mirror, as well as the first and second photodetectors, characterized in that that introduced a third photodetector installed in front of the measuring mirror, behind which on the optical axis between the first working mirror and the measuring mirrors The first photodetector is installed, and the fourth photodetector is installed in front of the model mirror, behind which a second photodetector is installed on the optical axis between the measuring mirror and the model mirror.

Images