miniatura|Làser d'anell El làser circular està compost per dos feixos de llum de la mateixa polarització que viatgen en direccions oposades ("contrarotació") en un bucle tancat.
Els làsers circulars s'utilitzen amb més freqüència com a giroscopis (giroscopi làser circular) en embarcacions en moviment com ara cotxes, vaixells, avions i míssils. Els làsers circulars més grans del món poden detectar detalls de la rotació de la Terra. Aquests anells tan grans també són capaços d'estendre la recerca científica en moltes direccions noves, inclosa la detecció d'ones gravitacionals, l'arrossegament de Fresnel, l'efecte Lense-Thirring i els efectes electrodinàmics quàntics.
En un giroscopi làser d'anell giratori, les dues ones que es propaguen en sentit contrari es desplacen lleugerament en freqüència i s'observa un patró d'interferència, que s'utilitza per determinar la velocitat de rotació. La resposta a una rotació és una diferència de freqüència entre els dos feixos, que és proporcional a la velocitat de rotació del làser d'anell (efecte Sagnac). La diferència es pot mesurar fàcilment. Generalment, però, qualsevol no reciprocitat en la propagació entre els dos feixos condueix a una freqüència de batec.
Aplicacions d'enginyeria Hi ha una transició contínua entre els làsers circulars per a aplicacions d'enginyeria i els làsers circulars per a la recerca. Els anells per a enginyeria han començat a incorporar una gran varietat de materials, així com noves tecnologies. Històricament, la primera extensió va ser l'ús de fibra òptica com a guies d'ones, evitant l'ús de miralls. Tanmateix, fins i tot els anells que utilitzen la fibra més avançada que treballa en el seu rang de longitud d'ona òptim (per exemple, SiO2 a 1,5 μm) tenen pèrdues molt més altes que els anells quadrats amb quatre miralls d'alta qualitat. Per tant, els anells de fibra òptica només són suficients en aplicacions d'alta velocitat de rotació. Per exemple, els anells de fibra òptica ara són habituals en els automòbils.
Es pot construir un anell amb altres materials òpticament actius que siguin capaços de conduir un feix amb pèrdues baixes. Un tipus de disseny de làser d'anell és un disseny de monocristall, on la llum es reflecteix al voltant de l'interior del cristall làser per tal de circular en un anell. Aquest és el disseny de "cristall monolític", i aquests dispositius es coneixen com a "oscil·ladors d'anell no planars" (NPRO) o MISER. També hi ha làsers de fibra d'anell.L. E. Nelson et al., “Ultrashort-pulse fiber ring lasers”, Appl. Phys. B 65, 277 (1997) Com que normalment els factors de qualitat assolibles són baixos, aquests anells no es poden utilitzar per a la investigació on es busquen i són assolibles factors de qualitat superiors a 1012 .
Història anyrms amplada de líniamesura tempsfont19724.5 Hz10 sStowell199368 mHz16 sBilger199431 mHz8 hStedman19968.6 μHz8 dBilger200450 nHz243 dSchreiber Poc després del descobriment del làser, el 1962 va aparèixer un article seminal de Rosenthal, que proposava el que més tard es va anomenar làser d'anell. Tot i que el làser d'anell comparteix amb els làsers regulars (lineals) característiques com la monocromaticitat extrema i l'alta directivitat, es diferencia en la inclusió d'una àrea. Amb el làser d'anell, es podien distingir dos feixos en direccions oposades. Rosenthal va anticipar que les freqüències del feix es podien dividir per efectes que afectaven els dos feixos de maneres diferents. Tot i que alguns poden considerar que Macek et al. van construir el primer làser d'anell gran (1 m × 1 m), l'oficina de patents dels EUA ha decidit que el primer làser d'anell va ser construït sota la direcció del científic de Sperry, Chao Chen Wang (vegeu la patent dels EUA 3.382.758) basant-se en els registres del laboratori de Sperry. Wang va demostrar que simplement girant-lo es podia generar una diferència en les freqüències dels dos feixos (Sagnac). Va sorgir una indústria centrada en giroscopis làser d'anell més petits, amb làsers d'anell de mida decímetra. Més tard es va descobrir que qualsevol efecte que afectés els dos feixos de manera no recíproca produeix una diferència de freqüència, tal com havia previst Rosenthal. Es van adaptar eines per analitzar i construir anells dels làsers normals, incloent-hi mètodes per calcular la relació senyal-soroll i per analitzar les característiques del feix. Van aparèixer nous fenòmens exclusius dels anells, com ara el bloqueig, la tracció, els feixos astigmàtics i les polaritzacions especials. Els miralls tenen un paper molt més important en els làsers d'anell que en els làsers lineals, cosa que va conduir al desenvolupament de miralls d'alta qualitat.
La resolució dels làsers d'anell grans ha millorat dràsticament, com a resultat d'una millora de 1000 vegades en el factor de qualitat (vegeu la Taula 1). Aquesta millora és en gran part el resultat de l'eliminació de les interfícies que els feixos han de travessar, així com de les millores en la tecnologia que van permetre un augment espectacular del temps de mesura (vegeu la secció sobre l'amplada de la línia). L'anell 1 m × 1m construït a Christchurch, Nova Zelanda, el 1992 era prou sensible per mesurar la rotació de la Terra, i un anell 4 m × 4 m construït a Wetzell, Alemanya, va millorar la precisió d'aquesta mesura a sis dígits.
Construcció En els làsers d'anell, els miralls s'utilitzen per enfocar i redirigir els feixos làser a les cantonades. Mentre viatgen entre miralls, els feixos passen a través de tubs plens de gas. Els feixos generalment es generen mitjançant l'excitació local del gas per radiofreqüències.
Les variables crítiques en la construcció d'un làser circular inclouen:
Mida: Els làsers circulars més grans poden mesurar freqüències més baixes. La sensibilitat dels anells grans augmenta quadràticament amb la mida. Miralls: una alta reflectivitat és important. Estabilitat: El conjunt ha d'estar unit o construït dins d'una substància que canviï mínimament en resposta a les fluctuacions de temperatura (per exemple, Zerodur o roca mare per a anells extremadament grans). Gas: L'HeNe genera feixos amb les característiques més desitjables per a làsers d'anell grans. Per als giroscopis, en principi, qualsevol material que es pugui utilitzar per generar feixos de llum monocromàtica és aplicable.
Feix làser: eines teòriques Per a un anell com a eina de mesura, la relació senyal/soroll i l'amplada de les línies són fonamentals. S'utilitza el senyal de l'anell com a detector de rotació, mentre que el soroll blanc quàntic omnipresent és el soroll fonamental de l'anell. Els anells amb un factor de qualitat baix generen soroll addicional de baixa freqüència. Es donen els mètodes matricials estàndard per a les característiques del feix (curvatura i amplada), així com el càlcul de Jones per a la polarització.
Relació senyal-soroll Els làsers d'anell serveixen com a dispositius de mesura de freqüència. Com a tals, els components individuals de Fourier, o línies a l'espai de freqüència, són de gran importància en les sortides de l'anell. Les seves amplades estan determinades pels espectres de soroll predominants. La principal contribució del soroll és típicament el soroll quàntic blanc Si aquest soroll és l'únic present, l'amplada de línia rms sigma s'obté corrompent el senyal (representat per una funció δ) amb aquest soroll en l'interval 0-T. El resultat és:
S'ha de maximitzar P però mantenir-lo per sota del nivell que genera modes addicionals. Q es pot augmentar en gran manera evitant pèrdues (per exemple, millorant la qualitat dels miralls). T només està limitada per l'estabilitat del dispositiu. T redueix l'amplada de línia en el clàssic T −1/2 per al soroll blanc.
Per a anells de baixa Q, s'ha determinat una relació empírica per al soroll 1/f, amb la densitat espectral de potència de freqüència unilateral donada per , amb A ≃ 4. És notòriament difícil reduir l'amplada de línia en presència d'aquest soroll.
Per reduir encara més l'amplada de la línia, calen temps de mesura llargs. Un temps de mesura de 243 dies va reduir la σ a 50 nHz al Grossring.
Característiques del feix El feix dels làsers en anell s'excita normalment mitjançant l'excitació d'alta freqüència d'un gas làser. Tot i que s'ha demostrat que els làsers en anell es poden excitar en tot tipus de modes, inclosos els modes relacionats amb les microones, un mode làser en anell típic té una forma gaussiana i tancada, donat un ajust adequat de la posició del mirallJ. T. Verdeyen, "Laser Electronics", Third Edition, Prentice Hall Series in Solid State Electronics, 1981. L'anàlisi de les propietats del feix (radi de curvatura, amplada, posició de les cintures, polarització) es fa amb mètodes matricials, on els elements del circuit de feix tancat, els miralls i les distàncies entremig, reben matrius de 2 × 2. Els resultats són diferents per a circuits amb n miralls. Normalment, hi ha n cintures. Per a l'estabilitat, hi ha d'haver almenys un mirall corbat al circuit. Els anells fora del pla tenen polarització circular. L'elecció dels radis del mirall i la separació dels miralls no és arbitrària.
Radi i amplada de curvatura El feix té una mida de punt w :
,
on és el camp màxim del feix, E és la distribució del camp i r és la distància al centre del feix.
Propagació de la curvatura complexa Les curvatures complexes q d'entrada i q de sortida en una secció d'un circuit de biga amb la matriu de secció és
. In particular, if the matrix above is the round-trip matrix, the q at that point is
,
o
Tingueu en compte que cal que
tenir una mida de punt real (criteri d'estabilitat). L'amplada és generalment inferior a 1 mm per a làsers petits, però augmenta aproximadament amb Per al càlcul de les posicions dels feixos per a miralls desalineats, vegeu
Polarització La polarització dels anells presenta característiques particulars: els anells planars estan polaritzats s, és a dir, perpendiculars al pla de l'anell, o polaritzats p, en el pla; els anells no planars estan polaritzats circularment. El càlcul de JonesJ. T. Verdeyen, "Laser Electronics", Third Edition, Prentice Hall Series in Solid State Electronics, 1981. s'utilitza per calcular la polarització. Aquí, la matriu de columna
significa els components del camp elèctric dins del pla i fora del pla. Per estudiar més a fons la transició d'anells planars a anells no planars, les amplituds reflectides r p i r s, així com els canvis de fase en la reflexió en un mirall χ p i χ s, s'introdueixen en una matriu de miralls estesa.
A més, si els plans de referència canvien, cal referir el vector E després de la reflexió als nous plans amb la matriu de rotació.
L'anàlisi d'un anell antiquadrat mitjançant el càlcul de Jones proporciona la polarització en un anell. (Un anell antiquadrat és un anell quadrat pla on un mirall s'aixeca del pla dels altres miralls per un angle (dièdric) θ i s'inclina en conseqüència.) Seguint el vector de Jones al voltant del circuit tancat, s'obté
Bloqueig i estirada Aquests són fenòmens nous en els anells. La freqüència de bloqueig fL és la freqüència a la qual la diferència entre les freqüències del feix esdevé tan petita que col·lapsa, sincronitzant els dos feixos en contrarotació. Generalment, si la diferència de freqüència teòrica és ft, la freqüència real del senyal f és
Aquesta equació diu que fins i tot lleugerament per sobre del bloqueig, ja hi ha una reducció de freqüència (és a dir, tracció) en relació amb la freqüència teòrica. En presència de diversos satèl·lits, només s'atrau el senyal principal. Els altres satèl·lits tenen la seva separació de freqüència adequada, no atraïda, del senyal principal. Això obre el camí a l'espectroscòpia de banda lateral de precisió clàssica, tal com es coneix a les microones, excepte que el làser d'anell té bandes laterals de fins a nHz.
Cavitat