Волоконная стабилизация разности оптических длин пути в широком частотном диапазоне в течение длительных периодов времени - RU2642124C2
Код документа: RU2642124C2
Чертежи
Описание
Область техники
Настоящее изобретение относится к волоконной стабилизации разности оптических длин пути. В частности, оно относится к волоконной стабилизации разности оптических длин пути в широком частотном диапазоне в течение длительных периодов времени.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение относится к способу, системе и устройству для волоконной стабилизации разности оптических длин пути в широком частотном диапазоне в течение длительных периодов времени. В одном или нескольких вариантах реализации настоящего изобретения описан способ волоконной стабилизации разности оптических длин пути. Согласно описанному способу излучают оптический пучок лазера. Кроме того, согласно способу расщепляют оптический пучок на первый оптический пучок и второй оптический пучок посредством расщепителя пучка. Кроме того, согласно способу выполняют циркуляцию, посредством первого циркулятора, первого оптического пучка через волоконный расширитель к трансляционному столику регулируемого оптического телескопа. Кроме того, согласно способу отражают, посредством первого зеркала на трансляционном столике, первый оптический пучок. Дополнительно, согласно способу выполняют циркуляцию, посредством первого циркулятора, первого циркулирующего пучка, который представляет собой первый оптический пучок и пучок регулируемого оптического телескопа, по направлению к первому дихроичному расщепителю пучка. Кроме того, согласно способу расщепляют, посредством первого дихроичного расщепителя пучка, первый циркулирующий пучок на первый оптический пучок и пучок регулируемого оптического телескопа. Кроме того, согласно способу выполняют циркуляцию второго оптического пучка в эталонный оптический телескоп посредством второго циркулятора. Дополнительно, отражают второй оптический пучок посредством второго зеркала. Кроме того, выполняют циркуляцию, посредством второго циркулятора, первого циркулирующего пучка, который представляет собой второй оптический пучок и пучок эталонного оптического телескопа, по направлению ко второму дихроичному расщепителю пучка. Кроме того, разделяют, посредством второго дихроичного расщепителя пучка, второй циркулирующий пучок на второй оптический пучок и пучок эталонного оптического телескопа.
Дополнительно, способ может включать операцию ввода в интерферометр первого оптического пучка и второго оптического пучка. Кроме того, способ может включать подачу на выход из интерферометра синфазного сигнала и квадратурного сигнала, которые вместе образуют синусоидальный сигнал. Дополнительно, способ может включать операцию фильтрования, посредством по меньшей мере одного процессора, синусоидального сигнала с формированием широкополосного сигнала, содержащего высокочастотный сигнал и низкочастотный сигнал. Способ может также включать операцию управления, посредством регулятора столика, трансляционным столиком при использовании низкочастотного сигнала. Кроме того, способ может включать операцию управления волоконным расширителем посредством регулятора волоконного расширителя посредством использования высокочастотного сигнала.
Кроме того, согласно способу могут вводить в интерферометр, принимающий свет от телескопа, пучок от регулируемого оптического телескопа и пучок от эталонного оптического телескопа с формированием бинокулярного изображения. Интерферометр может быть выполнен в виде интерферометра Майкельсона. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения согласно способу, кроме того, усиливают, посредством первого усилителя, синфазный сигнал и усиливают, посредством второго усилителя, квадратурный сигнал.
Согласно способу, кроме того, осуществляют предварительное фильтрование, посредством карты буфера фильтра, синфазного сигнала и квадратурного сигнала таким образом, чтобы они попадали по меньшей мере в одну заранее определенную полосу частот. Регулятор волоконного расширителя может быть выполнен в виде устройства электропитания волоконного расширителя. Фильтрование синусоидального сигнала с формированием высокочастотного сигнала и низкочастотного сигнала может быть выполнено посредством интегрирования синусоидального сигнала. Регулятор столика может быть выполнен в виде пьезоэлектрического регулятора.
Система для волоконной стабилизации разности оптических длин пути может содержать лазер для излучения оптического пучка. Система может, кроме того, содержать расщепитель пучка для расщепления оптического пучка на первый оптический пучок и второй оптический пучок. Кроме того, система может содержать первый циркулятор для создания циркуляции первого оптического пучка через волоконный расширитель к трансляционному столику регулируемого оптического телескопа и циркуляция первого циркулирующего пучка, который содержит первый оптический пучок и пучок регулируемого оптического телескопа, по направлению к первому дихроичному расщепителю пучка. Кроме того, система может содержать первое зеркало на трансляционном столике для отражения первого оптического пучка. Кроме того, система может содержать первый дихроичный расщепитель пучка для расщепления первого циркулирующего пучка на первый оптический пучок и пучок регулируемого оптического телескопа. Кроме того, система может содержать второй циркулятор для создания циркуляции второго оптического пучка в эталонный оптический телескоп и циркуляции второго циркулирующего пучка, который содержит второй оптический пучок и пучок эталонного оптического телескопа, по направлению ко второму дихроичному расщепителю пучка. Кроме того, система может содержать второе зеркало для отражения второго оптического пучка. Дополнительно, система может содержать второй дихроичный расщепитель пучка для разделения второго циркулирующего пучка на второй оптический пучок и пучок эталонного оптического телескопа.
Кроме того, система может содержать интерферометр для приема первого оптического пучка и второго оптического пучка и вывода синфазного сигнала и квадратурного сигнала, которые вместе образуют синусоидальный сигнал. Кроме того, система может содержать по меньшей мере один процессор для фильтрования синусоидального сигнала с формированием высокочастотного сигнала и низкочастотного сигнала. Дополнительно, система может содержать регулятор столика для управления трансляционным столиком посредством использования низкочастотного сигнала. Кроме того, система может содержать регулятор волоконного расширителя для управления волоконным расширителем посредством использования высокочастотного сигнала.
Система может, кроме того, содержать интерферометр, принимающий свет от телескопа и предназначенный для приема пучка регулируемого оптического телескопа и пучка эталонного оптического телескопа и формирования бинокулярного изображения. Система может, кроме того, содержать первый усилитель для усиления синфазного сигнала и второй усилитель для усиления квадратурного сигнала. Система может, кроме того, содержать карту буфера фильтра для предварительного фильтрования синфазного сигнала и квадратурного сигнала таким образом, чтобы они попадали по меньшей мере в одну заранее определенную полосу частот. По меньшей мере один процессор для фильтрования синусоидального сигнала с формированием высокочастотного сигнала и низкочастотного сигнала может интегрировать синусоидальный сигнал.
Устройство для волоконной стабилизации разности оптических длин пути может содержать лазер для излучения оптического пучка. Устройство может, кроме того, содержать расщепитель пучка для разделения оптического пучка на первый оптический пучок и второй оптический пучок. Кроме того, устройство может содержать первый циркулятор для создания циркуляции первого оптического пучка через волоконный расширитель к трансляционному столику регулируемого оптического телескопа и для создания циркуляции первого циркулирующего пучка, который содержит первый оптический пучок и пучок регулируемого оптического телескопа, по направлению к первому дихроичному расщепителю пучка. Кроме того, устройство может содержать первое зеркало на трансляционном столике для отражения первого оптического пучка. Кроме того, устройство может содержать первый дихроичный расщепитель пучка для расщепления первого циркулирующего пучка на первый оптический пучок и пучок регулируемого оптического телескопа. Кроме того, устройство может содержать второй циркулятор для создания циркуляции второго оптического пучка в эталонный оптический телескоп и циркуляции второго циркулирующего пучка, который содержит второй оптический пучок и пучок эталонного оптического телескопа, по направлению ко второму дихроичному расщепителю пучка. Кроме того, устройство может содержать второе зеркало для отражения второго оптического пучка. Дополнительно, устройство может содержать второй дихроичный расщепитель пучка для расщепления второго циркулирующего пучка на второй оптический пучок и пучок эталонного оптического телескопа.
Кроме того, устройство может содержать интерферометр для приема первого оптического пучка и второго оптического пучка и вывода синфазного сигнала и квадратурного сигнала, которые вместе образуют синусоидальный сигнал. Кроме того, устройство может содержать по меньшей мере один процессор для фильтрования синусоидального сигнала с формированием высокочастотного сигнала и низкочастотного сигнала. Дополнительно, устройство может содержать регулятор столика для управления трансляционным столиком посредством использования низкочастотного сигнала. Кроме того, устройство может содержать регулятор волоконного расширителя для управления волоконным расширителем посредством использования высокочастотного сигнала.
Устройство может, кроме того, содержать интерферометр, принимающий свет от телескопа для приема пучка регулируемого оптического телескопа и пучка эталонного оптического телескопа и формирования бинокулярного изображения. Устройство может, кроме того, содержать первый усилитель для усиления синфазного сигнала и второй усилитель для усиления квадратурного сигнала. Устройство может, кроме того, содержать карту буфера фильтра для предварительного фильтрования синфазного сигнала и квадратурного сигнала таким образом, чтобы они попадали по меньшей мере в одну заранее определенную полосу частот.
Также раскрыт способ волоконной стабилизации разностей оптических длин пути, согласно которому излучают оптический пучок лазером; расщепляют оптический пучок посредством расщепителя пучка на первый оптический пучок и второй оптический пучок; отражают, посредством первого зеркала на трансляционном столике, первый оптический пучок; расщепляют, посредством первого дихроичного расщепителя пучка, первый циркулирующий пучок на первый оптический пучок и пучок регулируемого оптического телескопа; отражают, посредством второго зеркала, второй оптический пучок; расщепляют, посредством второго дихроичного расщепителя пучка, второй циркулирующий пучок на второй оптический пучок и пучок эталонного оптического телескопа; вводят в интерферометр первый оптический пучок и второй оптический пучок; подают на выход из интерферометра синфазный сигнал и квадратурный сигнал, которые вместе образуют синусоидальный сигнал; фильтруют, посредством по меньшей мере одного процессора, синусоидальный сигнал с формированием высокочастотного сигнала и низкочастотного сигнала; управляют, посредством регулятора столика, трансляционным столиком посредством использования низкочастотного сигнала; управляют волоконным расширителем посредством регулятора волоконного расширителя посредством использования высокочастотного сигнала.
Согласно способу, кроме того, вводят в интерферометр, принимающий свет от телескопа, пучок от регулируемого оптического телескопа и пучок от эталонного оптического телескопа с формированием бинокулярного изображения.
Интерферометр может быть выполнен в виде интерферометра Майкельсона.
Согласно способу, кроме того, усиливают, посредством первого усилителя, синфазный сигнал и усиливают, посредством второго усилителя, квадратурный сигнал.
Согласно способу, кроме того, могут предварительно фильтровать, посредством карты буфера фильтра, синфазный сигнал и квадратурный сигнал таким образом, чтобы они попадали по меньшей мере в одну заранее определенную полосу частот.
Регулятор волоконного расширителя может быть выполнен в виде устройства электропитания волоконного расширителя.
Фильтрование синусоидального сигнала с формированием высокочастотного сигнала и низкочастотного сигнала может быть выполнено посредством интегрирования синусоидального сигнала.
Регулятор столика может быть выполнен в виде пьезоэлектрического регулятора.
Также раскрыта система для волоконной стабилизации разностей оптических длин пути, причем система содержит: лазер для излучения оптического пучка; расщепитель пучка для разделения оптического пучка на первый оптический пучок и второй оптический пучок; первое зеркало на трансляционном столике для отражения первого оптического пучка; первый дихроичный расщепитель пучка для разделения первого циркулирующего пучка на первый оптический пучок и пучок регулируемого оптического телескопа; второе зеркало для отражения второго оптического пучка; второй дихроичный расщепитель пучка для разделения второго циркулирующего пучка на второй оптический пучок и пучок эталонного оптического телескопа; интерферометр для приема первого оптического пучка и второго оптического пучка и вывода синфазного сигнала и квадратурного сигнала, которые вместе образуют синусоидальный сигнал; по меньшей мере один процессор для фильтрования синусоидального сигнала с формированием высокочастотного сигнала и низкочастотного сигнала; регулятор столика для управления трансляционным столиком посредством использования низкочастотного сигнала; регулятор волоконного расширителя для управления волоконным расширителем посредством использования высокочастотного сигнала.
Система может, кроме того, содержать интерферометр, принимающий свет от телескопа, для приема пучка регулируемого оптического телескопа и пучка эталонного оптического телескопа и формирования бинокулярного изображения.
Интерферометр может быть выполнен в виде интерферометра Майкельсона.
Система может, кроме того, содержать первый усилитель для усиления синфазного сигнала и второй усилитель для усиления квадратурного сигнала.
Система может, кроме того, содержать карту буфера фильтра для предварительного фильтрования синфазного сигнала и квадратурного сигнала таким образом, чтобы они попадали по меньшей мере в одну заранее определенную полосу частот. Регулятор волоконного расширителя может быть устройством электропитания волоконного расширителя.
По меньшей мере один процессор для фильтрования синусоидального сигнала с формированием высокочастотного сигнала и низкочастотного сигнала может интегрировать синусоидальный сигнал.
Регулятор столика может быть выполнен в виде пьезоэлектрического регулятора.
Также раскрыто устройство для волоконной стабилизации разностей оптических длин пути, причем устройство содержит: лазер для излучения оптического пучка; расщепитель пучка для разделения оптического пучка на первый оптический пучок и второй оптический пучок; первое зеркало на трансляционном столике для отражения первого оптического пучка; первый дихроичный расщепитель пучка для разделения первого циркулирующего пучка на первый оптический пучок и пучок регулируемого оптического телескопа; второе зеркало для отражения второго оптического пучка; второй дихроичный расщепитель пучка для разделения второго циркулирующего пучка на второй оптический пучок и пучок эталонного оптического телескопа; интерферометр для приема первого оптического пучка и второго оптического пучка и вывода синфазного сигнала и квадратурного сигнала, которые вместе образуют синусоидальный сигнал; по меньшей мере один процессор для фильтрования синусоидального сигнала с формированием высокочастотного сигнала и низкочастотного сигнала; регулятор столика для управления трансляционным столиком посредством использования низкочастотного сигнала; регулятор волоконного расширителя для управления волоконным расширителем посредством использования высокочастотного сигнала.
Устройство может, кроме того, содержать интерферометр, принимающий свет от телескопа, для приема пучка регулируемого оптического телескопа и пучка эталонного оптического телескопа и формирования бинокулярного изображения.
Интерферометр может быть выполнен в виде интерферометра Майкельсона.
Устройство может, кроме того, содержать первый усилитель для усиления синфазного сигнала и второй усилитель для усиления квадратурного сигнала.
Особенности, функции и преимущества могут быть достигнуты независимо в различных вариантах реализации настоящего изобретения или могут быть объединены в других вариантах реализации настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие особенности, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более понятными после изучения последующего описания, приложенных пунктов формулы изобретения и сопровождающих фигур, на которых:
на фиг. 1 схематически показана диаграмма, иллюстрирующая раскрытую систему волоконной стабилизации разностей оптических длин пути в широком частотном диапазоне в течение длительных периодов времени в соответствии с по меньшей мере одним вариантом реализации настоящего изобретения.
На фиг. 2 схематически показана диаграмма, отражающая дополнительные подробности о раскрытой системе по фиг. 1 в соответствии по меньшей мере с одним вариантом реализации настоящего изобретения.
На фиг. 3 показана блок-схема, иллюстрирующая раскрытый способ волоконной стабилизации разностей оптических длин пути в широком частотном диапазоне в течение длительных периодов времени в соответствии с по меньшей мере одним вариантом реализации настоящего изобретения.
На фиг. 4 схематически показана диаграмма, иллюстрирующая конфигурацию телескопа для раскрытой системы по фиг. 1 в соответствии по меньшей мере с одним вариантом реализации настоящего изобретения.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Раскрытые в настоящей заявке способы и устройства предлагают работоспособную систему для волоконной стабилизации разностей оптических длин пути в широком частотном диапазоне в течение длительных периодов времени. Цель настоящего изобретения состоит в сборе света от двух телескопов через оптические волокна при минимальных разностях оптических длин пути и при минимальной оптической дисперсии, посредством использования эталонного лазера, соединенного с этими двумя оптическими волокнами. Пучок света от эталонного лазера излучается по направлению к каждому оптическому волокну и отражается в обратном направлении, а затем направляется в метрологический интерферометр. Происходят сбор выходного сигнала интерферометра и его обработка центральным процессором, где собранный сигнал об ошибке по фазе разделен на две отдельных полосы частот. Управляющая архитектура разделяет полосы частот, так что широкополосный (например, в диапазоне от частоты постоянного тока до частоты ≥5 килогерц) контур управления разностью оптических длин пути обеспечивает согласование длины путей оптического волокна на протяжении нескольких последовательных значений длин волны и синхронизацию по фазе с точностью не меньше 1/25 длины волны.
Для увеличения разрешающей способности изображения в астрономии были разработаны интерферометрические методики с использованием нескольких телескопов, отстоящих друг от друга на несколько метров. Для сбора излучения с минимальными разностями оптических длин пути используют набор подвижных зеркал, размещаемых в вакуумном туннеле (для устранения влияния турбулентности воздуха) для регулировки изменений разности оптических длин пути между двумя телескопами. Собранный свет посылают в интерферометр. Выходной сигнал интерферометра затем используют для регулировки изменений разности оптических длин пути посредством последовательности операций управления. Этот стандартный способ может быть довольно дорогим вследствие установки оборудования в вакуумных туннелях. Кроме того, использование вакуумных туннелей означает отсутствие мобильности или подвижности системы.
В настоящем изобретении применена известная основная технология, необходимая для пассивного синтетического/интерферометрического построения изображения. В качестве примера можно взять два телескопа с диаметром один метр, разнесенных на расстояние в 100 метров. Эти два телескопа способны обеспечить значение пространственного разрешения, в 100 раз превышающее разрешение одиночного телескопа с диаметром один метр. Следует отметить, что в других вариантах реализации диаметр телескопов может быть отличен от одного метра и расстояние между ними может быть отлично от 100 метров. Настоящее изобретение использует эту обычную технологию, но использует оптическое волокно для участков траектории (то есть для путей, по которым свет направляют от телескопа на детектор) вместо традиционного использования вакуумных туннелей для этих участков траектории. Использование оптического волокна для участков траектории обеспечивает возможность значительного уменьшения затрат на инфраструктуру и дает возможность перемещения телескопов или возможность создания мобильной системы построения изображения. Настоящее изобретение, при использовании оптического волокна для участков траектории, создает компактную систему построения изображения, которая может быть размещена на военных платформах (например, самолетах, спутниках, судах и на наземных транспортных средствах). Для использования выгод от использования участков траектории из оптического волокна для этой методики построения изображения необходим надежный устойчивый способ фазовой синхронизации разности оптических длин пути для двух волокон. К сожалению, использование оптических волокон для контроля разности оптических длин пути приводит к большему количеству затруднений и большей чувствительности к условиям окружающей среды по сравнению с традиционными вакуумными туннелями.
Настоящее изобретение описывает систему и способ для управления и фазовой синхронизации разности оптических длин пути на участках траектории из оптического волокна, обеспечивая тем самым существенную выгоду от использования оптических волокон. В частности, в настоящем изобретении использован эталонный лазер, связанный с этими двумя оптическими волокнами. Образованный лазером оптический пучок излучается по направлению к каждому оптическому волокну и отражается в обратном направлении, а затем направляется в метрологический интерферометр. Выполняется сбор выходного сигнала интерферометра и его обработка центральным процессором, где собранный сигнал об ошибке по фазе разделен на две отдельных полосы частот. Такое устройство управления использует отдельные полосы частот для управления разностью оптических длин пути. Одна полоса частот использована для управления низкочастотной компонентой (в диапазоне от частоты постоянного тока до частоты 1-5 Гц). Другая полоса частот использована для управления высокочастотной компонентой (от 1-5 Гц до 10 кГц). Разность оптических длин пути в оптических волокнах может быть очень чувствительна к внешним возмущениям. Определенные возмущения, подавляемые раскрытой конструкцией системы, представляют собой тепловые возмущения (в диапазоне от частоты постоянного тока до частоты 1-5 Гц), механические колебания (от 1-5 Гц до 1 кГц) и акустические колебания (от 2 Гц до 20 кГц). Посредством тщательного выбора типа используемого оптического волокна некоторые из этих возмущений могут быть минимизированы, но не полностью устранены. Настоящее изобретение предлагает схему, обеспечивающую возможность минимизации влияния этих возмущений посредством выполнения системы, устраняющей эти эффекты в указанных полосах частот. Это выполнено посредством тщательного управления приводами для разности оптических длин пути, которые предназначены для устранения эффектов, специфических для каждой полосы частот. При этом осуществляется независимое сервоуправление этими приводами посредством использования выходного сигнала интерферометра в качестве сигнала обратной связи. Индивидуальные контуры управления обеспечивают также возможность стабилизации изменений разности оптических длин пути до долей длины волны в течение очень долгих промежутков времени с минимальными дисперсионными эффектами.
В настоящее время стабилизацию разности оптических длин пути в оптических волокнах традиционно осуществляют посредством введения пучка от метрологического лазера в волокно и отражения пучка от вибрирующего световозвращающего отражателя, вырабатывая, таким образом, модулированный по времени управляющий сигнал. Эта модуляция способна создавать дополнительный шум в волокне, однако она может быть ограничена посредством частотной модуляции. Кроме того, для управления разностью оптических длин пути обычно используют волоконные расширители (в диапазоне от частоты постоянного тока до частоты 5 кГц). Когда ширина волокна превышает 50 микрометров, дисперсионные эффекты начинают воздействовать на качество света, проходящего через волокно. Регулятор волоконного расширителя используют для компенсации влияния расширения волокна.
Следует отметить, что настоящее изобретение избавляет от необходимости модуляции и демодуляции источника света или световозвращающего отражателя, не добавляя, таким образом, шума к существующему сигналу. Эта схема также минимизирует дисперсионные эффекты посредством ограничения расширения волокна менее чем одной длиной волны эталонного лазера. Управление долговременным дрейфом осуществляется посредством низкочастотного каскада.
В последующем описании сформулированы многочисленные подробности, предназначенные для более полного описания системы. Однако специалисту в данной области техники очевидно, что раскрытая система может быть осуществлена и без этих специфических подробностей. В других случаях известные особенности не были описаны подробно, чтобы не вносить в систему излишнюю неопределенность.
На фиг. 1 схематически показана диаграмма, иллюстрирующая раскрытую систему 100 волоконной стабилизации разностей оптических длин пути в широком частотном диапазоне в течение длительных периодов времени в соответствии по меньшей мере с одним вариантом реализации настоящего изобретения. На этой фигуре лазер 105 излучает оптический пучок в первое оптическое волокно 110. Первое оптическое волокно 110 вместе со вторым оптическим волокном 115 соединены с расщепителем 120 пучка на 3 децибела. Расщепитель 120 пучка на 3 децибела расщепляет излученный оптический пучок пополам и выводит половину оптического пучка (называемую первым оптическим пучком) на первое оптическое волокно 110, а другую половину оптического пучка (называемую вторым оптическим пучком) на второе оптическое волокно 115.
В качестве опции первый циркулятор 125 выполняет циркуляцию первого оптического пучка через связку 130 волокон (например, ххх метров волокна) и через волоконный расширитель 135 к трансляционному столику 140 регулируемого оптического телескопа 145. Первый оптический пучок отражен назад от первого зеркала 150 на трансляционном столике 140. Первый циркулятор 125 выполняет циркуляцию первого циркулирующего пучка, который содержит отраженный первый оптический пучок и пучок регулируемого оптического телескопа, к первому дихроичному расщепителю 155 пучка. Первый дихроичный расщепитель 155 пучка расщепляет первый циркулирующий пучок на первый оптический пучок и пучок регулируемого телескопа.
В качестве опции второй циркулятор 160 выполняет циркуляцию второго оптического пучка через связку волокон 165 (например, ххх метров волокна) и по выбору через волоконный расширитель 170 к эталонному оптическому телескопу 175. Второй оптический пучок отражается назад от второго зеркала 180 эталонного оптического телескопа 175. Второй циркулятор 160 выполняет циркуляцию второго циркулирующего пучка, который содержит отраженный второй оптический пучок и пучок эталонного оптического телескопа, ко второму дихроичному расщепителю 185 пучка. Второй дихроичный расщепитель 185 пучка разделяет второй циркулирующий пучок на второй оптический пучок и пучок эталонного телескопа.
Пучок регулируемого телескопа и пучок эталонного телескопа поступают в принимающий свет от телескопа интерферометр 190, используемый для формирования бинокулярного изображения. Первый оптический пучок отражается от зеркала 190 и вводится в оптическую скамью 195 интерферометра, определяющего разность оптических длин пути (например, интерферометра Майкельсона). В оптической скамье 195 интерферометра первый оптический пучок проходит через пластинку толщиной в половину длины волны (λ/2) с поляризацией в 22,5 градусов, в результате чего компоненты круговой поляризации (S1 и Р1) первого оптического пучка находятся в фазе друг с другом. Второй оптический пучок вводится в оптическую скамью 195 интерферометра. В оптической скамье 195 интерферометра второй оптический пучок проходит через пластинку толщиной в четверть длины волны (λ/4), в результате чего компоненты круговой поляризации (S2 и Р2) второго оптического пучка оказываются сдвинуты по фазе на 90 градусов друг от друга.
Первый оптический пучок и второй оптический пучок затем проходят через поляризационный расщепитель 107 пучка. Пучок с компонентами S1 и S2, где компоненты совпадают по фазе (то есть S1+S1=I (синфазный сигнал)), выводятся из оптической скамьи 195 интерферометра. Пучок с компонентами Р1 и Р2, где компоненты квадратурны (то есть Р1 (90 градусов)+Р2=Q (квадратурный сигнал)), выводится из оптической скамьи 195 интерферометра.
Широкополосный детектор 117 (в диапазоне от частоты постоянного тока до частоты 1,5 МГц) обнаруживает синфазный пучок (то есть пучок с компонентами S1 и S2) и вырабатывает усиленный синфазный сигнал. Другой широкополосный детектор 122 (в диапазоне от частоты постоянного тока до частоты 1,5 МГц) обнаруживает квадратурный пучок (то есть пучок с компонентами Р1 и Р2) и вырабатывает усиленный квадратурный сигнал. Следует отметить, что синфазный сигнал и квадратурный сигнал вместе образуют синусоидальный сигнал. Усиленный синфазный сигнал фильтруют фильтром 132 (с усилением, равным единице (G=1)) на карте 127 буфера фильтра, а усиленный квадратурный сигнал фильтруют фильтром 137 (с усилением, равным единице (G=1)) на карте 127 буфера фильтра. Отфильтрованный синфазный сигнал и отфильтрованный квадратурный сигнал поступают для обработки в программируемую пользователем вентильную матрицу (FPGA) на шасси 142 процессора для цифровой обработки сигналов.
В программируемой пользователем вентильной матрице на шасси 142 процессора для цифровой обработки сигналов аналоговый отфильтрованный синфазный сигнал вводится в аналого-цифровой преобразователь 152 для формирования цифрового синфазного сигнала, а отфильтрованный аналоговый квадратурный сигнал вводят в аналого-цифровой преобразователь 147 для формирования цифрового квадратурного сигнала. Цифровой синфазный сигнал и цифровой квадратурный сигнал поступают для обработки в процессор 157 для цифровой обработки сигналов (или в качестве альтернативы в аналоговый контур управления с частотой больше 1,0 кГц с частотой выборки больше 20 кГц). После обработки процессор 157 для цифровой обработки сигналов подает на выход цифровой командный сигнал низкочастотного устройства и цифровой командный сигнал высокочастотного устройства. Цифровой командный сигнал низкочастотного устройства поступает в цифро-аналоговый преобразователь 162 для формирования аналогового командного сигнала низкочастотного устройства (в диапазоне от частоты постоянного тока до частоты 5 Гц), а командный сигнал высокочастотного устройства поступает в цифро-аналоговый преобразователь 167 для формирования аналогового командного сигнала высокочастотного устройства (в диапазоне частот от 5 Гц к 10 кГц).
Аналоговый командный сигнал низкочастотного устройства поступает в регулятор 172 столика. Регулятор 172 столика посылает сигнал (например, сигнал напряжения) для управления (то есть для выполнения скольжения назад и/или вперед) трансляционным столиком 140 согласно аналоговому сигналу низкочастотного устройства с целью введения поправки на разность оптических длин пути. Аналоговый сигнал высокочастотного устройства поступает в фильтр 182 (с усилением, равным единице (G=1)) на карте 192 буфера фильтра. Отфильтрованный аналоговый сигнал высокочастотного устройства поступает в устройство 197 электропитания волоконного расширителя. Устройство 197 электропитания волоконного расширителя посылает сигнал (например, сигнал напряжения) для управления волоконным расширителем 135 с целью введения поправки на разность оптических длин пути.
На фиг. 2 схематически показана диаграмма 200, отражающая дополнительные подробности раскрытой системы 100 по фиг. 1 в соответствии по меньшей мере с одним вариантом реализации настоящего изобретения. Следует отметить, что для выполнения более упрощенного представления подробностей системы 100, эта фигура показывает только один из пучков/сигналов (то есть синфазный пучок/сигнал или квадратурный пучок/сигнал), проходящий через детектор 117, 122 и фильтр 137, 132. На этой фигуре пучок как таковой (то есть или синфазный пучок, или квадратурный пучок) поступает в детектор 117, 122. Детектор 117, 122 обнаруживает пучок и вырабатывает усиленный сигнал. Усиленный сигнал поступает в карту 127 буфера фильтра. Карта 127 буфера фильтра отфильтровывает усиленный сигнал с формированием отфильтрованного усиленного сигнала. Отфильтрованный аналоговый усиленный сигнал затем поступает в аналого-цифровой преобразователь 147, 152 для формирования цифрового сигнала.
Затем происходит масштабирование цифрового синусоидального сигнала устройством 205 масштабирования, путем сдвига на половину волну 210, и отсылка через узкополосный режекторный фильтр 215. В зависимости от положения нескольких переключателей 220 получаемый в результате сигнал посылают через низкочастотный канал или высокочастотный канал. Регулятор 225 низкочастотного устройства/высокочастотного устройства управляет положением переключателей 220. Следует отметить, что на фиг. 2 переключатели 220 изображены в положениях, приводящих к отсылке сигнала через низкочастотный канал. Для отсылки сигнала и по высокочастотному каналу, и по низкочастотному каналу переключатели 220 должны быть помещены в положения, противоположные тем, что показаны на фиг. 2. На выходе узкополосного режекторного фильтра 215 и на входе к переключателям 220 имеет место широкополосный сигнал ошибки, отсылаемый и в регулятор низкочастотного устройства и в регулятор высокочастотного устройства. Регулятор низкочастотного устройства сначала закрыт с обеспечением возможности успокоения, как в данный момент показано переключателями 220. Конструкция низкочастотного контура откликается на частоты в диапазоне от частоты постоянного тока до частоты 5 Гц. Как только ошибка низкочастотного устройства приблизительно равна нулю, происходит реверсирование переключателей таким образом, чтобы и низкочастотное устройство и высокочастотное устройство были заняты.
При прохождении сигнала через высокочастотный канал происходит интегрирование широкополосного сигнала ошибки устройством 225 интегрирования (wtbw/s, где wtbw=2*n*ftbw и ftbw=от 5 Гц до 20 кГц). Интегрированный сигнал затем подают через контур 230 управления. Контур 230 управления вырабатывает цифровой командный сигнал высокочастотного устройства. Цифровой командный сигнал высокочастотного устройства поступает в цифро-аналоговый преобразователь 167 для формирования аналогового командного сигнала высокочастотного устройства. Аналоговый командный сигнал высокочастотного устройства поступает в пьезоусилитель для усиления и фильтрования. Усиленный аналоговый командный сигнал высокочастотного устройства затем поступает в устройство 197 электропитания волоконного расширителя, содержащее управляющий контур обратной связи. Устройство 197 электропитания волоконного расширителя посылает сигнал (например, сигнал напряжения), предназначенный для управления волоконным расширителем 135 для внесения поправки на разность оптических длин пути.
При прохождении сигнала через низкочастотный канал цифровой сигнал поступает в цифро-аналоговый преобразователь 162 для формирования аналогового сигнала. Аналоговый сигнал затем поступает в регулятор 172 столика. Внутри регулятора 172 столика аналоговый сигнал поступает в аналого-цифровой преобразователь 240 для формирования цифрового сигнала. Затем происходит интегрирование этого цифрового сигнала устройством интегрирования 245 (wo/s, где wo=2*n*fo и fo~1-5 Гц). Получившийся в результате сигнал посылают через контур управления 250 обратной связью для формирования управляющего сигнала. Регулятор 172 столика посылает управляющий сигнал (например, сигнал напряжения) для управления (то есть для выполнения скольжения назад и/или вперед) трансляционным столиком 140 согласно аналоговому сигналу низкочастотного устройства с целью введения поправки на разность оптических длин пути.
На фиг. 3 показана блок-схема 300, иллюстрирующая раскрытый способ волоконной стабилизации разности оптических длин пути в широком частотном диапазоне в течение длительных периодов времени в соответствии по меньшей мере с одним вариантом реализации настоящего изобретения. После начала (операция 305) последовательности операций способа 100 лазер излучает оптический пучок (операция 310). Затем расщепитель пучка разделяет оптический пучок на первый оптический пучок и второй оптический пучок (операция 315).
Первый циркулятор выполняет циркуляцию первого оптического пучка через волоконный расширитель к трансляционному столику регулируемого оптического телескопа (операция 320). Затем первое зеркало на трансляционном столике отражает первый оптический пучок (операция 325). Первый циркулятор затем выполняет циркуляцию первого циркулирующего пучка, который содержит первый оптический пучок и пучок регулируемого оптического телескопа, к первому дихроичному расщепителю пучка (операция 330). Первый дихроичный расщепитель пучка расщепляет первый циркулирующий пучок на первый оптический пучок и пучок регулируемого оптического телескопа (операция 335).
Второй циркулятор выполняет циркуляцию второго оптического пучка к эталонному оптическому телескопу (операция 340). Затем второе зеркало отражает второй оптический пучок (операция 345). Второй циркулятор затем выполняет циркуляцию второго циркулирующего пучка, который содержит второй оптический пучок и пучок эталонного оптического телескопа, ко второму дихроичному расщепителю пучка (операция 350). Второй дихроичный расщепитель пучка расщепляет второй циркулирующий пучок на второй оптический пучок и пучок эталонного оптического телескопа (операция 355).
Первый оптический пучок и второй оптический пучок поступают в интерферометр (операция 360). Интерферометр подает на выход синфазный сигнал и квадратурный сигнал, которые вместе образуют синусоидальный сигнал (операция 365). Затем по меньшей мере один процессор фильтрует синусоидальный сигнал с формированием высокочастотного сигнала и низкочастотного сигнала (операция 370). Регулятор столика управляет трансляционным столиком посредством использовании низкочастотного сигнала (операция 375). Регулятор волоконного расширителя управляет волоконным расширителем посредством использования высокочастотного сигнала (операция 380). Способ 300 оканчивается операцией 385.
На фиг. 4 схематически показана диаграмма, иллюстрирующая конфигурацию телескопа 400 для раскрытой системы 100 по фиг. 1 в соответствии по меньшей мере с одним вариантом реализации настоящего изобретения. В частности, эти данные показывают основную геометрию телескопа, где управляют разностью оптических длин пути между отдельными телескопами 410, 420 для поддержания оптической фазовой когерентности между двумя телескопами 410, 420. Телескоп 410 представляет собой эталонный оптический телескоп, а телескоп 420 представляет собой регулируемый оптический телескоп. Во время работы разность оптических длин пути определяют посредством интерферометра на скамье 430 для определения разности оптических длин пути, и регулятор определяет, что необходимы коррекции. Подвижная оптическая скамья 440 выполняет коррекцию низкочастотной разности оптических длин пути. Коррекция высокочастотной разности оптических длин пути выполнена посредством волоконного расширителя 450, расширяющего оптико-волоконный кабель 460.
Хотя здесь были раскрыты определенные иллюстративные варианты реализации и способы, для специалистов в данной области техники может быть очевидно из предшествующего раскрытия, что вариации и модификации таких воплощений и способов могут быть выполнены без отступления от истинной сути и объема настоящего раскрытого изобретения. Существует много других примеров реализации раскрытого изобретения, каждый из которых отличен от других лишь незначительными подробностями. В соответствии с этим мы заявляем, что раскрытое изобретение должно быть ограничено только до степени, требуемой приложенными пунктами формулы изобретения и правилами и принципами применяемого законодательства.
Реферат
Способ волоконной стабилизации разностей оптических длин пути включает операцию расщепления пучка, излученного лазером, на первый оптический пучок и второй оптический пучок. Также направляют первый оптический пучок к регулируемому оптическому телескопу и второй оптический пучок к эталонному оптическому телескопу. Разделяют первый направленный пучок на первый оптический пучок и пучок регулируемого оптического телескопа и разделяют второй направленный пучок на второй оптический пучок и пучок эталонного оптического телескопа. При помощи интерферометра получают на основании первого и второго оптических пучков синусоидальный сигнал. Фильтруют синусоидальный сигнал для формирования высокочастотного сигнала для управления волоконным расширителем и низкочастотного сигнала для управления трансляционным столиком. Технический результат заключается в сборе света от двух телескопов через оптические волокна при минимальных разностях оптических длин пути и при минимальной оптической дисперсии посредством использования эталонного лазера, соединённого с этими двумя оптическими волокнами. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 4 ил.
