WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |
  1. Рассчитывать пространственные, поляризационные, частотные характеристики планарных кольцевых резонаторов, образованных интерференционными зеркалами.
  2. Оптимизировать параметры ОР (например, радиусы кривизны сферических зеркал, длины плеч и т.д.) с целью получения устойчивых конфигураций.
  3. Рассчитывать влияние разъюстировок оптических элементов на характеристики резонатора и производить учет этого влияния.
  4. Давать наглядное представление о влиянии технологических разъюстировок на смещение осевого контура в виде эпюр, которые показывают смещение оси резонатора относительно идеального положения, двумерной картины смещения и трехмерного изображения, по которому легко видеть излом осевого контура в следствии разъюстировки.
  5. Отображать изменение состояния поляризации в ОР, выводить значения азимута и угла эллиптичности.
  6. Проводить сравнение различных схем ОР по предложенным методам.

На рисунке 2 представлен пример изображения осевого контура четырёхзеркального кольцевого ОР в виде двумерной картины. По рисунку 2 видно, что двумерная картина дает наглядное представление и позволяет оценить смещение осевого контура вследствие разъюстировки, возникающей из-за ошибок изготовления элементов конструкции резонатора.

Рисунок 2 – Осевой контур резонатора до и после разъюстировки

Необходимо отметить, что программный расчет параметров ОР написан в среде «MathCAD», что позволяет представить расчет в виде, удобном для проверки и исправления.

Поскольку каждый ОР характеризуется большим числом параметров, то сделать оптимальный выбор является трудоемкой задачей. В связи с этим были разработаны методы количественной оценки и сравнения ОР, которые позволяют выбрать схему, наиболее подходящую для применения в разрабатываемом приборе:

  1. по самому критичному зеркалу ОР. Чем меньший допуск на постановку зеркал имеет резонатор, тем, соответственно, он хуже;
  2. по величине астигматизма (разница между размерами пятен основной моды в перетяжке по двум ортогональным осям). Чем меньше астигматизм, тем лучше ОР;
  3. по отношению суммарных допусков на положение зеркал резонаторов. Сначала складываются допуски на линейные подвижки всех зеркал (подвижка – это мера разъюстировки) для каждого ОР, потом аналогичные вычисления производятся для угловых подвижек. Затем вычисляется коэффициент сравнения a,b:

, (1)

где a и b – это порядковые номера сравниваемых резонаторов, i – номер разъюстировки, – характеризует линейные подвижки, а – угловые. Если полученная величина больше единицы, то резонатор a лучше b, если меньше, то наоборот. Чем ближе коэффициент сравнения к единице, тем более близки характеристики резонаторов.

Таким образом, применение рассмотренных методов сравнения в совокупности с алгоритмами программного расчета позволяет выбрать оптимальную схему резонатора, исходя из практических соображений, таких как габаритные размеры проектируемого устройства, параметры оптической схемы и др., с целью уменьшения влияние ошибок изготовления элементов конструкции на параметры приборов.

Третья глава посвящена рассмотрению методов компенсации ошибок изготовления кольцевых резонаторов, влияющих на пространственные характеристики.

При сборке резонаторов лазерных приборов возникают проблемы, связанные с двумя основными факторами:

  • ошибки, возникающие при изготовлении посадочного основания, на котором крепятся зеркала и другие элементы, приводят к линейным и угловым разъюстировкам;
  • ошибки изготовления самих зеркал приводят к несовпадению геометрического и физического центров и к появлению наведённой фазовой анизотропии.

Для уменьшения влияния указанных проблем применяется ужесточение допусков на изготавливаемые элементы конструкции, что приводит к серьёзному увеличению себестоимости прибора и не выгодно по экономическим соображениям. Поэтому, для улучшения характеристик можно скомпенсировать влияние возникающих ошибок на положение осевого контура, путём определения таких положений зеркал, при которых в ответственном плече резонатора уход оси был сведен к минимуму. Плечом ОР называется участок между соседними отражательными элементами, ответственное плечо – это такое плечо, куда помещаются активная среда и/или диафрагмы.

В связи с этим были разработаны методы, направленные на компенсацию ошибок изготовления посадочного основания из ситалла и интерференционных зеркал резонатора, у которых в процессе напыления может возникнуть децентрировка, т.е. несовпадение геометрического центра зеркала с физическим или с реальным центром, и проведено исследование этих методов.

Для определения величины децентрировки сферического зеркала использовался интерферометр ИТ-100, цена деления шкалы которого составляет 10 мкм. Сначала зеркало устанавливается так, что его плоская поверхность подложки параллельна пробному стеклу интерферометра. В этом случае на плоской поверхности помещается менее четверти интерференционной полосы, что соответствует ошибке установки угла:

, (2)

где D – диаметр подложки зеркала.

При диаметре подложки зеркала 2 см и длине волны 0,555 мкм ошибка установки угла будет составлять менее 0,7 угл.сек, что при радиусе кривизны сферического зеркала 3,61 м соответствует ошибке определения центра, равной 12 мкм.

Фотография изображения зеркала в интерферометре показана на рисунке 3, где 1 – плоская поверхность подложки, по которой контролируется правильность установки зеркала в интерферометре, 2 – поверхность с диэлектрическим напылением, по которой определяется величина децентрировки.

После правильной постановки зеркала в интерферометр, т.е. когда плоская поверхность зеркала параллельна поверхности пробного стекла, определяется центр сферической поверхности путем определения центра интерференционных колец по области 2 на рисунке 3. Фотография интерференционной картины для определения децентрировки изображена на рисунке 4, где перекрестие обозначает геометрический центр зеркала, а 1 – центр интерференционной картины, т.е. реальный или физический центр зеркала.

Рисунок 3 – Фотография изображения Рисунок 4 – Фотография

зеркала в интерферометре интерференционной картины

Таким образом, по интерференционной картине можно определить несовпадение геометрического центра зеркала с реальным центром.

Для определения искажений осевого контура относительно идеального положения, которые вызваны ошибками изготовления посадочного основания, проводится измерение необходимых геометрических параметров:

  • линейные величины измеряются на ДИПе (дистанционный измерительный прибор) с погрешностью 1 мкм,
  • угловые – на гониометре с погрешностью 2 сек.

Зная рассчитанные идеальные параметры съюстированного резонатора, получаем линейные и угловые ошибки, которые переводим в значения подвижек.

Изобразим на рисунках измеряемые геометрические параметры и те подвижки, к которым они приводят. На рисунке 5 приведён вид посадочного основания сверху, где 1, 2 – измеряемые значения диагоналей; 3 – измеряемый угол. Необходимо отметить, что измерения угла 3 проводятся для всех посадочных плоскостей. Ошибка возникает, если угол посадочной поверхности по отношению к соседним поверхностям отличается от расчетного, – если расстояние между посадочными поверхностями отличается от расчетного. Кроме того, может возникнуть так называемая пирамидальность основания (), когда через посадочные места нельзя провести плоскость, перпендикулярную всем поверхностям. Все ошибки отсчитываются относительно идеального резонатора.

На рисунке 6 изображена боковая поверхность основания, где (1) и (2) – места для крепления сферических зеркал, ds – измеряемое расстояние от базовой поверхности до центра канала с активной средой, dm – измеряемое расстояние от торца до центра канала.

Рисунок 5 – Вид посадочного Рисунок 6 – Боковая поверхность

основания сверху посадочного основания

По полученным значениям подвижек зеркал программа рассчитывает возмущенный осевой контур, который дает представление об ошибках, возникающих в критичном сечении.

Для того чтобы в критичном сечении искажения осевого контура были равны нулю, необходимо чтобы выполнялось следующее условие:

, (3)

где – вектор ошибок в критичном сечении с учетом погрешности изготовления основания, – добавочный вектор ошибок, связанный с поправками сферических зеркал.

Поскольку изменять положения зеркал можно только путем линейных подвижек по поверхности, то для компенсации ошибок изготовления посадочного основания могут использоваться только сферические зеркала.

Продемонстрируем применение указанного алгоритма. На рисунке 7 приведено изображение исходного осевого контура, осевого контура с учетом ошибки изготовления посадочного основания и с учетом поправок на положения зеркал для компенсации технологических ошибок.

Рисунок 7 – Изображение осевого контура в трех случаях

Как видно из рисунка 7, применение поправки может вызывать еще большие искажения в других плечах резонатора, так как фактически при компенсации специально вводится дополнительное смещение сферических зеркал. Но эту проблему можно решить, если, диаметры каналов в других плечах изготавливать предельно большими.

Таким образом, разработанные методы позволяют скомпенсировать ошибки изготовления посадочного основания и зеркал, образующих резонатор. Эта компенсация производится путем линейных подвижек сферических зеркал. При этом уход осевого контура, возникающий из-за погрешности изготовления элементов конструкции резонатора, можно скомпенсировать только в одном ответственном сечении, например, где помещается активная среда.

После введения компенсации технологических ошибок резонатора необходимо оценить её влияние на пространственные и поляризационные характеристики резонатора. Для этого дополнительно были рассчитаны чувствительности излома осевого контура и относительного частотного сдвига между встречными волнами кольцевого резонатора к разъюстировкам. Поскольку для резонатора, образованного четырьмя и более зеркалами, разъюстировки могут приводить к излому осевого контура, а, следовательно, и к эллиптичности генерируемого излучения, для оценки влияния разъюстировок на эти параметры было предложено использовать следующие величины чувствительностей:

  1. Чувствительность излома осевого контура к разъюстировкам:

, (4)

где – излом осевого контура, – произвольная разъюстировка.

  1. Чувствительность угла эллиптичности излучения к разъюстировкам:

, (5)

где – угол эллиптичности генерируемого излучения.

  1. Чувствительность относительного частотного сдвига между встречными волнами кольцевого резонатора к разъюстировкам:

, (6)

где – относительный частотный сдвиг,

– угол поворота поляризации для фарадеевского вращателя (оптического устройства, поворачивающего плоскость поляризации из-за эффекта Фарадея), которым является активная среда лазера.

Третий параметр позволяет оценить чувствительность относительного частотного сдвига между встречными волнами кольцевого резонатора в зависимости от величины магнитного поля. Для этого в зависимости от типа активной среды и величины накачки определяется постоянная Верде. Исходя из полученного значения постоянной Верде и зная длину активной среды, можно вычислить угол поворота эквивалентного вращателя и по формуле (6) определить чувствительность относительного частотного сдвига между встречными волнами.

Для проведения анализа влияния компенсации технологических ошибок на характеристики резонатора рассчитываются чувствительности к разъюстировкам для всех зеркал до введения компенсации и после. Проведённое исследование показало, что после компенсации чувствительность осевого контура к разъюстировкам для ответственного плеча была сведена к минимуму.

Поскольку величина напылённого отражающего покрытия, а также размер каналов являются конечными, то существует предел компенсации, связанный с выходом излучения за границы, образуемые этими элементами. Для оценки величины смещения зеркал при компенсации была введена величина чувствительности требуемых для компенсации смещений зеркал от величины разъюстировок. Данные величины определяются следующим образом:

  1. Чувствительность поправки сферического зеркала в сагиттальной плоскости к разъюстировкам:

, (7)

где – величина смещения зеркала в сагиттальной плоскости.

  1. Чувствительность поправки сферического зеркала в меридиональной плоскости к разъюстировкам:

, (8)

– величина смещения зеркала в меридиональной плоскости.

Так как компенсация технологических разъюстировок производится с помощью двух сферических зеркал, то чувствительности поправок необходимо рассчитывать для каждого из них.

Компенсация разъюстировок требует значительного смещения зеркала по сравнению с величинами самих разъюстировок. В связи с этим, существует возможность компенсировать влияние разъюстировок с меньшей погрешностью, чем погрешность постановки зеркал на посадочное основание с учетом компенсации. Однако при этом происходит дополнительное ограничение на величину допусков. Следует учитывать, что корректирующая подвижка не должна превышать следующие величины:

, (9)

,

где dн – диаметр напыления, wx, wy – радиусы пучков в сагиттальной и меридиональной плоскостях соответственно, и – смещения сферических зеркал в меридиональной и сагиттальной плоскостях соответственно.

В результате можно рассчитать максимально возможную разъюстировку, которую можно было бы скомпенсировать без выхода излучения за пределы напыления:

, (10)

где n – количество разъюстировок.

Кроме того, для резонатора рассчитываются допуски с учетом компенсации. Следует отметить, что в результате компенсации количество разъюстировок, влияющих на резонатор, существенно уменьшилось, что позволяет, не ухудшая резонатор, увеличить допуски на разъюстировки, которые не удается скомпенсировать.

Таким образом, введение компенсации ошибок изготовления элементов конструкции резонатора позволяет существенно уменьшить чувствительность осевого контура к угловым разъюстировкам. Следует отметить, что компенсируются только ошибки изготовления элементов конструкции резонатора, а не ошибки, возникающие из-за изменения внешних условий. Рассмотренные методы были использованы при сборке зеркального резонатора для малогабаритного лазерного гироскопа.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»