Автомодуляция интенсивности лазерного излучения, взаимодействующего с микрорезонаторными структурами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Г Б ОД

На правах рукописи

Егоров Федор Андреевич

.втомодуляция интенсивности лазерного излучения, взаимодействующего с микрорезонаторными структурами

Специальность: 01.04.21 - лазерная физика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1997

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники РА

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор Потапов Владимир Тимофееви

кандидат физико-математических наук, доцент Бурков Валерий Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Жаботинский Марк Ефремович

Ведущая организация: Институт общей физики Российской академии наук

Защита состоится 30 мая 1997г. в II30 часов на заседании диссертационного совета Д 002.74.04. в Институте радиотехники I электроники РАН по адресу: 103907 г.Москва, ГСП-3, Моховая, 11

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН

Автореферат разослан " " апреля 1997г. Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук, с.н.с. Тулайкова Тамара Викторовна

к.ф-м.н.

Левкин Л.В.

Актуальность работы. В современных функциональных стройствах оптоэлектроники широкое применение находит [астотный способ представления информации, характе-•изующийся повышенной устойчивостью к воздействию маличных дестабилизирующих факторов. Один из эффективных 1етодов осуществления этого способа основан на применении шкрорезонаторных структур (MPC), в которых может фоисходигь преобразование оптического излучения в 1кустические колебания MPC. В оптических и волоконно->птических системах MPC может выполнять роль зеркала, »лемента световода, полупрозрачного отражателя, способных модулировать оптические характеристики системы в процессе солебаний MPC. Это открывает возможность создания >птических автоколебательных систем (ОАС) на основе MPC, в соторых происходит автомодуляция параметров оптического 1злучения. Зависимость частоты автомодуляции от характеристик V1PC, селективно чувствительных к внешним воздействиям, юзволяет рассматривать ОАС в качестве базовых при создании штических (волоконно-оптических) измерительных устройств с истотным способом представления информации.

В существующих физических моделях ОАС условия :амовозбуждения MPC предъявляют весьма жесткие требования к тараметрам MPC (h; 8СТ, где h - толщина MPC, 5С.Т. - глубина (атухания температурной волны) и мощности возбуждающего 1злучения (W>Wn, где пороговая мощность Wn), которые на фактике приводят к ограничению точностных характеристик стройств. В настоящее время исследования ведутся как в

направлении поиска новых физических механизме» самовозбуждения MPC в оптических системах, так и оптимизации параметров существующих ОАС. В известных физических моделж ОАС условия самовозбуждения и параметры стационарной режима автомодуляции получены без учета оптической обратно? связи (ОС) между источником когерентного излучения (лазером) и MPC, в то время как на практике ОС не только возможна, но i некоторых ОАС необходима, как, например, в случае систем на базе волоконных лазеров с авггодинным приемом излучения [1,2]. Учитывая, что лазер представляет собой модель нелинейного осциллятора, можно предположить, что в оптически связанной системе осцилляторов лазер-MPC возможно резонансное взаимодействие, которое может существенно изменить условия самовозбуждения и характеристики установившегося автоколебательного режима в системе. В этой связи представляется актуальным систематическое исследование особенностей свойств ОАС, обусловленных резонансным взаимодействием между лазером и MPC. Интерес к исследованиям в данном направлении объясняется также тем, что в последнее время для управления параметрами излучения лазеров применяются оптические элементы, подобные MPC [3]. Корректное описание динамических свойств таких систем невозможно без учета взаимодействия лазерного излучения с микрорезонансной структурой.

Цель настоящей работы состояла в теоретическом и экспериментальном исследованиях эффектов резонансной автомодуляции интенсивности лазера, оптически связанного с

¡икрорезонаторными структурами и возможностей создания [икрорезонансных волоконно-оптических датчиков физических еличин с частотным кодированием информации.

Научная новизна работы заключается в след^тлцем:

=>Теоретически рассмотрен механизм автомодуляции итенсивности излучения в оптически связанной системе лазер-4 PC, основанный на их резонансном взаимодействии. )пределены условия самовозбуждения системы. Показано, что астота автомодуляции интенсивности лазера определяется обственной частотой связанной системы осцилляторов, которая гри слабой связи совпадает с собственной частотой MPC.

^Экспериментально показано, что эффекты резонансной втомодуляции интенсивности излучения в системе эрбиевый ¡олоконно-оптический лазер (ЭВЛ) - MPC реализуется при инейной и кольцевой схемах волоконного резонатора ЭВЛ, »птически связанного с MPC через: 1) интерферометр Фабри-lepo; 2) коллиматор. Установлено, что резонансная втомодуляция в системах наблюдается для разных типов и траметров MPC как при условии h«5cr , так и при h»8CT..

^Экспериментально установлены зависимости частоты и мплитуды резонансной автомодуляции интенсивности в системах 3BJT-MPC от параметров волоконного резонатора, линейных и тловых координат MPC, различных внешний воздействий на 4РС.

Толоження, выносимые на защиту.

1. В приближении скоростных уравнений лазера и юцилляторной модели MPC показана возможность резонансной

автомодуляции интенсивности лазера, оптически связанного MPC, получены условия самовозбуждения системы. Определен! параметры резонансной автомодуляции интенсивности лазера ; стационарном режиме.

2. Экспериментально установлено, что условия резонансно! автомодуляции реализуются в вариантах двухзеркального i трехзеркального волоконно-оптических резонаторов ЭВЛ с MPC имеющих оптическую связь через: 1) коллиматор 2) интерферометр Фабри-Перо.

3. Экспериментально определены зоны возбуждения * параметры стационарного режима автомодуляции в условия) главного резонанса и кратного соотношения частот в система) ЭВЛ-МРС для линейной и кольцевой схем волоконногс резонатора ЭВЛ.

4. Экспериментально показано, что резонансная автомодуляция в системах ЭВЛ-МРС возможна при различных типах и параметрах MPC, независимо от соотношения межд} толщиной MPC и глубиной затухания температурной волны в материале MPC.

Практическая ценность работы.

На базе эрбиевого волоконного лазера и кремниевых микрорезонаторных структур созданы макеты волоконно-оптических датчиков температуры и давления с частотным кодированием информации, обеспечивающие линейность характеристик преобразования в диапазоне температур (0-г80°С) и давления (0,6ч-1,4 атм).

Показано, что режим резонансной автомодуляции п системе 'ВЛ-коллиматор-МРС характеризуется высокой устойчивостью к зменениям линейных координат MPC, что существенно прощает техническую реализацию прецизионных устройств на снове автомодуляции лазерного излучения.

Показана возможность применения рассмотренных систем ля исследования физических свойств пленочных структур.

Апробаиия результатов работы. Основные результаты дис-ертационной работы докладывались на Научно-техническом гминаре по волоконно-оптическим системам и средствам \ Калининград, 1990г.), на Международной конференции по олоконной оптике ISFOC-93 (г. С.-Петербург, 1993г.), на LI аучной сессии Российского научно-технического общества адиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова (г. Москва, 996г.), на научных семинарах ИРЭ РАН и ИОФ РАН.

Публикации. Основные результаты диссертации публикованы в 10 печатных работах. Содержание работы.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, етырех глав, заключения и списка цитируемой литературы; одержит ~f!i страниц текста, '1г! рисунков, список цитируемой итературы включает.-.?. наименовании.

Во введении обоснована актуальность диссертационной аботы, сформулированы основные цели и задачи исследования. фатко изложено содержание диссертации по главам. ? первой главе дан обзор, работ, посвященных исследованию птических автоколебательных систем на основе MPC, приведена

классификация существующих ОАС. Проанализирован! известные на данный момент физические механизм! самовозбуждения MPC в ОАС. Отмечено, что в сущесгвующи физических моделях ОАС положительная обратная связь системе обеспечивается нелинейным интерферометром Фабри Перо (ИФП) на основе MPC, при этом условия самовозбуждени системы приводят к весьма жестким требованиям к параметра» ИФП и возбуждающего оптического излучения.

Приведен анализ экспериментальных работ подтверждающих возможность автомодуляции интенсивносп излучения в ОАС с резонансной частотой MPC. Подробш изложены экспериментальные результаты исследования ОАС н; базе волоконных лазеров. Проведенный анализ возможны: причин нестабильности частоты автомодуляции в реальных ОАС показывает, что ряд причин является следствием жестких условш самовозбуждения системы. Отмечены недостатки существующи: методов стабилизации частоты автоколебаний в ОАС.

Показано, что в реальных ОАС возможно влияние обратной отражения от ИФП на параметры возбуждающего излучения которое в существующих физических моделях ОАС н< принималось во внимание. Учет такого влияния может изменит) условия самовозбуждения и характеристики установившего« режима автоколебаний в ОАС. Сделан вывод о необходимое^ систематического исследования эффектов взаимодействие лазерного излучения с микрорезонаторными структурами различающихся материалами MPC, топологией, геометрическими размерами, оптическими и акустическими характеристиками.

Втопая глава посвящена теоретическому исследованию войств системы лазер-MPC с оптической связью через ИФП. •ассмотрение проводится п "квазистационарном" приближении, гредполагающем, что Т[_.Тф«Т; tl«tm; где т^ - время пол .чего [рохода фотоном резонатора лазера (PJI); тф - время жизни ютона в PJ1; тм - время жизни метастабильного уровня активной реды (АС); Т - период колебании MPC. Кроме того, гренебрегается допплеровским смещением частоты света ДУд, гсраженного от движущейся поверхности MPC: Ауд.^ «1. В гамках принятых приближений задача сводится и исследованию войств лазера с трехзеркальным резонатором (рис.2.2).

ИФП

М1,П

М2,п мз.гзтэ сэ

Рис. 2.2. Физическая модель лазера, взаимодействующего с MPC.

АС - активная среда лазера; ИФП - интерферометр Фабри-Перо на основе MPC; г^.з - амплитудные значения коэффициентов отражения зеркал М] 2,з-

MPC представлен в воде отражателя М3, находящегося на ттругом линейном осцилляторе с массой шэ и жесткостью Сэ, 1спытывающим действие фотоиндуцированой силы де коэффициент Кф зависит от механизма оптического

возбуждения MPC, ее геометрических размеров и физически параметров. Обоснована правомерность модели MPC представляющей собой распределенную колебательную систему эквивалентным линейным гармоническим осциллятором с одно] степенью свободы.

Для представленной физической модели системь предложено ее математическое описание на основе систем! скоростных уравнений лазера и уравнения линейноп гармонического осциллятора. При этом предполагаете) однородность накачки А .С. и поляризационная изотропность PJI Рассматриваемой системе присущи нелинейные свойства как ] силу нелинейности самих скоростных уравнений лазера, так i характера оптической обратной связи. Показано, что i практически важном случае малых коэффициентов связи а резонаторов (М1М2) и (М2М3) эе=гз/г2-(1-Гз )«1, приближенно» описание свойств рассматриваемой системы можно проводить н: основе следующих уравнений:

а., Ты

4пс A.L

х

Sinq>0

¿Cos^ + ^Sin^ ï к 4п т„ к

Cosq>o • [ySin^-^ - Cos

4rey к

(1)

(û

— » " - •кф W„ • z

m3 y+ m, —• y+ m,- cûp • y =

Qp 1 + гi

(2)

Где г - относительное изменение концентрации фотонов в РЛ; сол, %/а - соответственно частота и время затухания релаксационны*

2

олебаний лазера (параметр а определяется относительным ровней накачки лазера); «л, Qp - собственная частота и кустическая добротность MPC; у - смещение MPC из положения 1авновесия; X длина волны излучения; 8о - начальная база ИФП cpo=47i8oA);wo - средняя мощность излучения лазера. Таким |бразом, проблема анализа свойств системы сводится к гсследованию поведения системы, состоящей из двух нелинейно вязанных осцилляторов.

Принимая во внимание слабую связь осцилляторов

4якф\У0 с-ж.а

--—-—5—и применяя методы эквивалентной

X ■ тм- ш эсол • юр

[инеаризации а также изображающих функций, получены фиближенные решения уравнений (1) и (2), которые юказывают, что в условиях резонанса юл ¡» сор в системе юзможен автоколебательный режим с автомодуляцией штенсивности лазера, при этом частота автомодуляции равна ;обственной частоте связанной системы осцилляторов, которая три условии 11 «1 практически совпадает с парциальными юстотами осцилляторов. Показано, что автоколебания возможны шшь на определенных ветвях интерферограммы ИФП, териодичных с периодом ИФП к/2. Получены уравнения, определяющие зону существования резонансной автомодуляции штенсивности лазера. Определено условие резонансного :амовозбуждения системы :

\1/2

s 1

(3)

4яС • к- кф W0 - (l - r22)

ф "о

Проведенный анализ показывает существенное отличш рассматриваемого механизма автоколебаний от известных: 1) i данном случае условие самовозбуждения системы зависят Ht только от спектральных свойств и мощности лазера, но и от параметров, характеризующих релаксационные колебания и оптический резонатор лазера; 2) рассматриваемая системг допускает существование автоколебаний при различны? механизмах оптического возбуждения колебаний MPC; 3) данный механизм автоколебаний не накладывает ограничений нг соотношение между геометрическими размерами MPC и глубиной затухания температурной волны.

В данной главе определены параметры установившегося режима автоколебаний в системе: частота автомодуляции, амплитуда колебаний MPC, глубина резонансной автомодуляции интенсивности лазерного излучения.

Отмечено, что режим резонансного возбуждения автоколебаний в системе обусловлен модуляцией добротности оптического резонатора лазера, при этом модуляция фазы излучения в PJI, в рассматриваемом приближении, существенной роли не играет.

Показано, что в случае волоконных лазеров на основе редкоземельных элементов, благодаря значительной длине PJI и времени жизни метастабильного уровня АС (например, для Е,3, тм«10"2сек) возможно удовлетворить условия резонансной

втомодуляции интенсивности лазера, взаимодействующего с ЛРС.

В третьей маве диссертации изложены результаты кс пе р и м е нта л ьн о го исследования свойств системы эрбиевый юлоконный лазер (ЭВЛ)-МРС при различных видах ОС между шми. В начале главы приведено краткое описание технологии [зготовления MPC, основанной на методе анизотропного равления монокристаллического кремния, позволяющего ¡оздавать кремниевые MPC с разной топологией с заданными >птическими и акустическими характеристиками. В жепериментах применялись также MPC разных типов из лагнитострикционных материалов METLGLASS, различающихся >азмерами и акустическими параметрами. Исследовались MPC из пирокозонных диэлектриков (Si02, Ti02) в виде многослойных ггруктур, характеризующихся практически полным отсутствием юглощения излучения (<0,3%) в спектральном диапазоне 0,6-г1,6 лкм. Приведен метод измерения основных параметров MPC, основанный на исследовании амплитудно-частотных сарактеристик MPC при различных способах возбуждения 1кустических колебаний MPC. Рассмотрена эффективность механизма оптического возбуждения MPC, основанного на эффекте давления света. При малых толщинах MPC (Ь<1мкм) и зысоком коэффициенте оптического отражения (RmsI) эффект давления света может играть доминирующую роль при эптическом возбуждении колебаний MPC. Приведены результаты измерения основных характеристик MPC.

Далее в главе исследуются свойства ЭВЛ на основ« активированного (Е,3) одномодового световода, накачка которогс осуществляется излучением полупроводникового лазерного диод; Хр«980 нм. Исследованы ватг-амперные характеристики, зависимости выходной мощности излучения от параметров волоконного резонатора, спектральные и поляризационные свойства излучения ЭВЛ. Анализ спектра излучения позволяет сделать вывод о многомодовом режиме генерации ЭВЛ с типичной шириной спектра излучения l,5-i-2,5 нм. Излучение ЭВЛ является частично поляризованным, при этом степень поляризации для различных образцов волоконных лазеров находится в интервале 0,05+0,20. Исследована динамика ЭВЛ в режиме активной модуляции добротности волоконного резонатора, позволившая установить зависимость частоты релаксационных колебаний от уровня накачки и параметров волоконного резонатора ЭВЛ. Отмечена сложная структура амплитудно-частотной характеристики выходной интенсивности ЭВЛ вблизи частоты релаксационных колебаний. Экспериментально установлено существование ультра и субгармонического резонансного отклика интенсивности ЭВЛ при модуляции добротности волоконного резонатора.

Приведены результаты исследований свойств системы ЭВЛ-МРС с оптической связью через ИФП. Исследование статических свойств рассматриваемой системы показывает, что эффект фотоиндуцированной деформации составного MPC приводит к возможности бистабильного характера зависимости выходной мощности ЭВЛ от начальной базы ИФП. Отмечено, что это

¡войство может применяться при разработке высоко 1увствительных датчиков перемещений. Были отмечены также 1вления оптической бистабильности и гистерезиса, шидетельствующие о нелинейном характере взаимодействия ЭВЛ-МРС в условиях оптической связи.

Экспериментальные данные показывают, что для гсследуемых MPC существуют области значений (8о, I), где ôo -тачальная база ИФП, I - ток накачки полупроводникового тзера; в пределах которой в системе устанавливается 1втоколебательный режим. Для этого необходимо выполнение :ледующих условий: 1) частота релаксационных колебаний ЭВЛ или ее гармоник) близка к резонансной частоте MPC: fp « nfpeJI, де n= 1,2,3..., 2) рабочая точка ИФП расположена на шределенных ветвях интерферограммы, периодичных с периодом ЛФП Я/2; 3) оптическая мощность, падающая на ИФП, 1ревышает пороговое значение Wn. Доказательством тринципиально важной роли оптической связи для ¡уществования автоколебательного режима в рассматриваемых :истемах служат следующие факты: 1) при введении в юлоконный резонатор ЭВЛ оптического изолятора с развязкой гЗО дБ автоколебания не удается наблюдать даже при значениях )птаческой мощности, существенно (более чем в 2 раза) февышающих Wn; 2) при малых коэффициентах оптической :вязи резонаторов эе< 10 (в схеме без изолятора) автоколебания -акже не возбуждаются.

Соотношение fp « nfpeJI показывает, что в рассматриваемых :истемах автоколебания возбуждаются в условиях резонансного

взаимодействия ЭВЛ и MPC. При этом в условиях главног резонанса (fp~ fpejl) частота автомодуляции интенсивности ЭВЛ ] практически совпадает с fp«F, в то время как при fp « nfpejl (n*l

выполняется соотношение F»-fD, что является отражение!

n v

проявления существенной нелинейности рассматриваемы систем. В экспериментах наблюдались значения П вплоть до 4.

Показано, что для различных значений п, соответствующи зоны существования резонансной автомодуляции Оп пространстве параметров (5о, I), вообще говоря, могут н пересекаться, следовательно, область существования режим; резонансного возбуждения автоколебаний MPC представляе собой объединение дискретных зон Оп.

Экспериментально подтверждено, что существо вам и-режима автоколебаний в условиях резонансного взаимодействи) ЭВЛ-МРС не зависит от соотношения между размерами MPC i глубиной затухания температурной волны. Отмечены факторы определяющие изменение частоты автомодуляции в пределах 3oi существования автоколебаний. Экспериментально показано, чтс различия в конфигурации волоконного резонатора ЭВ1 (линейная, кольцевая схемы) не приводят к качественном; изменению основных характеристик исследуемых систем Отмечено, что полученные экспериментальные результать находятся в качественном согласии с теоретическим! представлениями, установленными в гл. 2.

Далее приведены экспериментальные результать исследования резонансной автомодуляции в системе ЭВЛ-

:оллиматор-МРС, представляющей собой лазер с двухзеркальным олоконно-оптическим резонатором, где одним из зеркал вляется отражающая поверхность MPC. Оптическая связь в осматриваемой системе осуществляется через связь ;оллимированного Гауссова пучка с MPC, при этом модуляция юбротности волоконного резонатора происходит в следствие тловых перемещений MPC, обусловленных фотоиндуцирован-1ыми деформациями.

Установлено, что в данной системе также существует режим 1втомодуляции интенсивности ЭВЛ, при этом условия зозникноЕения автомодуляции сводятся к следующим: I) исходный угол между осью пучка и нормалью к поверхности MPC 6П находится в интервале (9^ 62), границы которой расположены в пределах дифракционной расходимости пучка и зависят от характеристик MPC и параметров волоконного резонатора ЭВЛ. 2) резонансная частота MPC близка к частоте релаксационных колебаний ЭВЛ или ее гармоникам: fp«nfpej„ 3) падающая на MPC мощность излучения превышает пороговый уровень Wn, зависящий от характеристик MPC волоконного резонатора.

Соотношение fp~nfpeJi подчеркивает, что возбуждение автоколебаний в исследуемых системах происходит в условиях резонансного взаимодействия ЭВЛ-МРС. При п*1 частота

автомодуляции интенсивности ЭВЛ составляет F«-fD, при этом в

п *

экспериментах наблюдались значения п £ 3. Отношение сигнал/шум для выходной мощности ЭВЛ составлял 30-5-70 дБ в

полосе 10 кГц. Исследование зон резонансной автомодуляции ] пространстве параметров (0n, I) показало, чго обласл существования резонансной автомодуляции может иредставляп собой как односвязную область, так и объединение дискретны: пересекающихся зон, соответствующих разным значениям п Установлено, что в пределах зоны существования автоколебание наблюдается слабая зависимость частоты автомодуляции от параметров (8n, I), проанализированы механизмы, приводящие ъ указанным зависимостям.

Отмечено, что для одной и той же MPC возможно резонансное возбуждение автоколебаний при различных видах оптической связи в системе ЭВЛ-МРС. Показано, что резонансная автомодуляция имеет место как на частоте основной моды, так и на частоте обертона MPC.

Установлено, что изменения положения MPC вдоль оси пучка как в субмикронном диапазоне, так и при значительных перемещениях (± 3 мм) не приводят к срыву автоколебаний. При этом устойчивость автоколебаний сохраняется также в процессе перемещения, по крайней мере, при скоростях движения MPC s 50 мкм/сек.

Относительная флуктуация частоты автомодуляции при временах выборки 5 сек составляла £ ЗЛО*4. Установлено, что при

ш

изменении fp в следствие внешних воздействий на MPC —«1)

'р

приращение частоты автомодуляции AF определяется из соотношения AF/F « Afp/fp, которое показывает принципиальную

озможность построения волоконно-оптических датчиков физических величин автогенераторного типа.

Четвертая глава диссертации посвяп'ена разработке [втогенераторных микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков физических величин (АМВОД). На основе эрбиевого юлоконного лазера и составных кремниевых MPC были созданы i исследованы различные макеты АМВОД температуры и гавления. При создании АМВОД в качестве базовой выбирались зазные системы: 1) ЭВЛ-коллиматор-МРС, 2) ЭВЛ-МРС с обратной оптической связью через ИФП. Сравнение экспериментальных данных, полученных при их исследовании доказывает, что АМВОД на основе систем первого типа обладают повышенной устойчивостью к воздействию различных ^стабилизирующих факторов и с практической точки зрения представляются боле перспективными. Экспериментальные значения коэффициентов преобразования рассматриваемых

АМВОД составляли кт = ^^»-0,08% К"1 (в диапазоне

1 dF

температур 0-г70°С) и кР = ——«20% а™-1 (в диапазоне давлений

F иР

0,8-г1,2атм). При этом относительные флуктуации частоты автомодуляции при временах выборки 5 сек не превышали

2.I0"4. Отношение сигнал/шум для выходной интенсивности излучения ЭВЛ в полосе частот 10 кГц составлял не менее 50 дБ. Установлено, что при резонансных частотах MPC fp й 100 кГц длина волоконного резонатора в АМВОД может достигать 100м.

Приведены результаты исследования погрет ноете измерения, обусловленных потерями в волоконном тракт АМВОД, изменениями линейных и угловых координат MPC, также уровня накачки ЭВЛ. Экспериментально установлено, чт оптимальный выбор параметров волоконного резонатор позволяет устранить уход частоты автомодуляцин, обусловленньи нестабильностью уровня накачки ЭВЛ. Также было установлен! влияние поляризационных эффектов в волоконном резонаторе н; частоту автомодуляции. Отмечено, что для повышения точносп АМВОД целесообразно применение оптически анизотропны: компонентов волоконного резонатора. Экспериментальш исследовано влияние внешней модуляции фазового набега i волоконном резонаторе на частоту автомодуляции.

Показано, что для АМВОД с резонансными частотам! fpâ50 кГц, модуляция фазового набега в волоконном резонаторе i диапазоне частот ¿5кГц с амплитудой ¿100 рад не приводит *

AF

существенному изменению частоты автомодуляции (—¿ЗЛО*4).

■ г

хотя вызывает возрастание шумов в системе, в результате чегс отношение сигнал/шум уменьшается с 50дБ до ЗОдБ. Проведенные экспериментальные исследования позволяют заключить, что в исследованных АМВОД основным источником флуктуации частоты автомодуляции является нестабильность средней мощности излучения ЭВЛ, стабилизация которой с точностью до 1% позволит уменьшить флуктуации частоты до

AF F

и тем самым существенно повысить точность

МВОД.

; заключении приведены основные результаты работы.

1. В приближении скоростных уравнений лазера и сцилляторной модели MPC теоретически рассмотрен механизм втомодуляции интенсивности излучения в связанной системе сцилляторов лазер-MPC, основанный на их резонансном заимодействии. Определены условия самовозбуждения системы. 1оказано, что частота резонансной автомодуляции штенсивности лазера определяется собственной частотой вязанной системы осцилляторов, которая при слабой связи ювпадает с собственной частотой MPC.

2. Экспериментально показано, что эффекты резонаторной (втомодуляции интенсивности излучения в системе эрбиевый юлоконно-оптический лазер (ЭВЛ)-МРС реализуются при «шейной и кольцевой схемах волоконного резонатора ЭВЛ, эптически связанного с MPC через: 1) интерферометр Фабри-Перо; 2) коллиматор. Установлено, что резонансная 1втомодуляция в системах наблюдается для разных типов и параметров MPC как при условии h«5c.T>, так и при h»5c.T..

3. Экспериментально установлены зависимости частоты и амплитуды резонансной автомодуляции интенсивности в системах ЭВЛ-МРС от параметров волоконного резонатора, а также линейных и угловых координат MPC при различных внешних воздействиях на MPC.

4. Теоретически и экспериментально определен эффективность механизма оптического возбуждения, основанног на эффекте давления света для различных типов MPC. Показанс что для MPC с высоким коэффициентом отражения (RM«1) это механизм является доминирующим в случае тонких (h«SCT MPC, не поглощающих оптическое излучение (<0,3%).

5. Экспериментально установлены основные факторы влияющие на стабильность частоты резонансной автомодуляции j системах ЭВЛ-МРС. Показано, что при стабилизации средне!

AW

выходной мощности ЭВЛ с точностью

slO"2 и длительносп

выборки «30 сек, относительные флуктуации частоть автомодуляции можно уменьшить до Также

установлено, что MPC типа микроконсоль характеризуется высокой устойчивостью частоты автомодуляции к вариациям средней мощности ЭВЛ: для MPC с параметрами Гр>30кГц, Qp>50

^ «0,05 относительные флуктуации составляют

W

при значениях

6. Экспериментально реализованы макеты

микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков температуры и давления с частотным кодированием информации на основе систем ЭВЛ-коллиматор-МРС, обладающих линейными характеристиками в диапазонах измерений (0-г80°С) и

0,8-=-1,2 атм) с соответствующими коэффициентами

теобразований кт=^-^«0,08%К"1; kP=Jr^«20% атм-1.

Т dT Р dP

1 о казан а возможность применения рассмотренных систем для 1сследования термоупругих и магнитострикционных свойств шеночных структур.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бурков В.Д., Егоров Ф.А., Потапов В.Т. Эффект автомодуляции в системе лазер-микрорезонатор //Письма в Журнал технической физики. - 1996. - Т. 20. - вып. 19. - С. 19-23.

2. Бурков В.Д., Егоров Ф.А., Потапов В.Т. Взаимодействие эрбиевого волоконно-оптического лазера с микрорезонатором через нелинейный интерферометр Фабри-Перо //Письма в Журнал технической физики. - 1996. - Т. 22. - вып. 18. - С. 16-21.

3. Бурков В.Д., Егоров Ф.А., Потапов В.Т. Автоколебания в системе волоконный лазер-коллиматор-микрорезонатор //Письма в Журнал технической физики. - 1997. - Т. 23. - вып. 6. - С. 33-39.

4. Бурков В.Д., Егоров Ф.А., Шаталин C.B. О механизмах возбуждения микрорезонаторов оптическим излучением //Письма в Журнал технической физики. - 1990. - Т. 16. - вып. 8. - С. 33-39.

5. Бурков В.Д., Гориш A.B., Егоров Ф.А., Коптев Ю.Н. Автоколебания в системе волоконный лазер - микрорезонатор //Электромагнитные волны и электронные системы. - 1997. - № 1. - С. 31-38.

6. Бурков В.Д., Егоров ФА., Потапов В.Т., Шаталин C.B. Волоконно-оптические микрорезонаторные датчики, возбуждаемые световым давлением //Тезисы докладов "Волоконно-оптические системы связи" (ВОСС). Калининград, - 1990. - С. 89-90.

7. Burkov V.D., Egorov F.A., Potapov V.T., Tregub D.P.

Microresonator fiber optic sensors of pressure and temperature //Труда конференции ISFOC'93, 1993, April 26-30, St. Peterburg - P.

8. Бурков В.Д., Егоров ФА., Малков Я.В., Потапов В.Т Физическая модель системы волоконно-оптический лазер-микро резонатор //LI Научная сессия, посвященная дню радио. Тезись докладов. Часть И. Москва, - 1996. - С. 38.

9. Бурков ВД., Егоров ФА., Малков Я.В., Потапов В.Т Автоколебания в системе волоконно-оптический лазер - микрорезонатор /ДЛ Научная сессия, посвященная дню радио. Тезись докладов. Часть II. Москва, - 1996. - С. 39.

10. Бурков ВД., Егоров ФА., Малков Я.В., Потапов В.Т Волоконно-оптические микрорезонаторные датчики автогенераторного типа, их мультиплексирование //LI Научная сессия, посвященная дню радио. Тезисы докладов. Часть II. Москва, - 1996.

- С. 37.

Цитируемая литература:

1. Бурков ВД., Гориш А.В., Коптев Ю.Н., Малков Я.В., Трегуб Д.П., Потапов В.Т. и др. Микрорезонаторные волоконно-оптические датчики физических величин. - Отчет по НИР шифр: "Сенсор" 053-5032/94, МГУЛ, 1994г.

2. Бурков ВД., Гориш А.В., Коптев Ю.Н., Трегуб Д.П Возбуждение автоколебаний составных микрорезонаторов, включенных в цепь оптической обратной связи волоконного лазера //Электромагнитные волны и электронные системы. - 1997. - №2.-С. 109-112.

3. Larson М.С. and Harris I.S. Wide and continuous wavelength tuning in a vertical-cavity surface-emitting laser using a micromachined deformable-membrane mirror. //Appl. Phys. Lett. - 1996. - 68,7.

- P. 891-893.

Подписано в печать 17.04.1997 г. Формат 60x84/16. Объем 1.39 усл.п.л. Ротапринт НРЭ РАН. Тираж 100 экз. 3ак.13.