Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Поляризованное оптическое излучение 10
1.1. Полностью и частично-поляризованное излучение 10
1.2. Матричные методы описания поляризованного света 16
1.2.1. Параметры Стокса и метод Мюллера 17
1.2.2. Метод сферы Пуанкаре 20
1.2.3. Вектор и метод Джонса 23
1.2.4. Метод матрицы когерентности 25
1.3. Устройства и методы поляризационных измерений 29
1.3.1. Одноканальные поляриметры (с вращающимся анализато ром, фазовой пластинкой) 30
1.3.2. Многоканальные поляриметры 35
Глава 2. Распространение излучения в оптических волноводах 48
2.1. Распространение излучения в идеальных оптических волново дах 48
2.2. Распространение излучения в реальных оптических волокнах 58
2.3. Влияние изгибов и деформаций оптоволокна на распространение оптического излучения 65
2.4. Волоконные снетоводы с сохранением поляризации оптического излучения 70
Глава 3 . ИК-поляриметрия полноводных оптических элементов 74
3.1. Особенности Ж- поляриметри и волноводных оптических элементов 75
3.2. Деполяризация излучения при его прохождении через фокусирующие элементы, щели и отверстия 77
3.3. Интерференционная волноводная поляриметрия 82
3.4. Точность поляризационных измерений и способы ее увеличения 87
3.4.1. Шумы при фотодетектировании оптических сигналов 87
3.4.2. Дифференциальные (балансные) фотодетекторы 89
3.4.3. Поляризующая способность линейных поляризаторов 92
Глава 4. Поляриметрия эффекта Фарадея в волоконных световодах 98
4.1. Магнитное вращение плоскости поляризации света в оптоволок не 98
4.2. Экспериментальное исследование эффекта Фарадея в протяжен ном волоконном световоде 107
4.2.1. Описание экспериментального стенда 108
4.2.2. Методика и результаты измерений 110
4.2.3. Обсуждение результатов 115
Глава 5. Экспериментальная ИК-поляриметрия волоконных и интеграль но-оптических элементов 121
5.1. Стенд для поляриметрических исследований оптических волноводов 121
5.2. Измерения степени поляризации излучения на выходе онгических волноводов 124
5.2.1. Одно- и многомодовые волоконные световоды 124
5.2.2. Волоконно-оптический катушечный поляризатор (ВКП) 128
5.2.3. Канальные интегрально-оптические волноводы 131
5.3. Точность поляризационных измерений 133
Заключение 135
Литература 138
Приложения 147
- Матричные методы описания поляризованного света
- Распространение излучения в реальных оптических волокнах
- Точность поляризационных измерений и способы ее увеличения
- Экспериментальное исследование эффекта Фарадея в протяжен ном волоконном световоде
Введение к работе
Волоконные и интегрально-оптические волноводы являются важнейшими компонентами современных оптических систем передачи и обработки информации. Развитие и расширение областей практического применения таких систем непосредственно связаны с улучшением физико-технических характеристик используемых в них волноводных оптических элементов. Достижение максимальных скоростей передачи сигналов, высокой помехозащищенности оптических систем передачи, предельных чувствительности и точности волоконно-интегрально-оптических измерителей и датчиков физических полей возможны лишь при строгом контроле и коррекции поляризационных характеристик составляющих их оптических элементов. Так, если несколько лет назад в качестве основных физических параметров волоконных световодов, применяемых в оптической связи, указывались оптические потери, хроматическая и волноводная дисперсии, то сегодня стало обязательным указание величины поляризационной дисперсии таких световодов. Не менее важное значение поляризационные характеристики волоконно-интегрально-оптических элементов приобретают в разработках высокочувствительных оптических измерителей угловой скорости вращения (волоконных и интегрально-оптических гироскопах) и датчиках физических (электрических, магнитных, температурных и др.) полей. Современные требования к уровню развязки ортогонально-поляризованных мод световых волн в таких устройствах нередко превышают значение 35 дБ. При разработках высокоточных измерительных устройств и приборов волоконной и интегральной оптики необходим учет тонких поляризационных искажений, возникающих уже на стадии ввода оптического излучения в волновод.
Обзор публикаций по теме диссертации позволяет выявить две основные тенденции в развитии техники ИК-поляриметрии: во-первых, существенно возрастают показатели и технический уровень электронных, специализированных оптоволоконных и оптических (например, поляризационных фильтров) компонентов и устройств; во-вторых, улучшаются параметры используемых источников и приемников оптического излучения. В целом это способствует увеличению технических характеристик ИК-поляриметров. Применение современных способов компьютерной обработки сигналов, разработка соответствующих аналитических программ обеспечивают удобство восприятия информации и быстродействие поляриметров. При этом стоимость такого оборудования сравнительно высока, что ограничивает его доступность.
При всей важности и актуальности проблем поляриметрии волноводных оптических элементов ИК-диапазона длин волн, развитие этого научного направления оптической техники до последнего времени носило частный, разрозненный характер. Систематических исследований, посвященных оптической волноводной ИК-поляриметрии в диапазоне длин волн 0.85-1.55 мкм не производилось. Сегодня известны зарубежные промышленные образцы ИК-поляриметров, предназначенные для измерений поляризационных параметров оптоволокна, однако эти измерители обладают сравнительно низкой точностью и не могут в достаточной мере обеспечить требуемый учет и контроль топких поляризационных эффектов в волноводах (например, искажений поляризации излучения при его вводе в оптический волновод). Ряд важных научно-технических проблем, имеющих принципиальное значение для практики ИК-поляриметрии волноводных оптических элементов, изучен недостаточно.
Целью диссертационной работы является улучшение технических показателей оптических систем передачи и обработки информации ИК-диапазона длин волн посредством анализа и коррекции поляризационных характеристик используемых в них волоконно- и интегрально-оптических элементов. Для достижения указанной цели в диссертации решались следующие основные задачи:
анализ современного состояния устройств и методов измерений поляризационных характеристик излучения в ближней ИК-области спектра (0.8 -1.6 мкм);
теоретическое исследование особенностей распространения поляризованного излучения в волоконно- и интегрально-оптических волноводах;
определение физических и технических факторов, влияющих на точность поляриметрических измерений характеристик оптических волноводов;
разработка и изготовление экспериментального стенда для высокоточных поляриметрических исследований волоконно- и интегрально-оптических элементов в ИК-диапазоне длин волн (0.85 и 1.3 мкм);
измерение поляризационных характеристик образцов волоконных и интегрально-оптических элементов в ИК-диапазоне длин волн.
Научная новизна работы:
установлена зависимость величины поляризационной помехи, создаваемой фокусирующим объективом при вводе излучения в волновод, от величины относительного отверстия объектива;
впервые выполнено экспериментальное исследование эффекта Фарадея в маломодово.м волоконном световоде большой (800 м) длины; установлена нелинейная зависимость измеряемой величины фарадеевского угла вращения от напряженности магнитного поля;
разработан и изготовлен специализированный стенд для поляриметрических исследований волоконных и интегрально-оптических волноводов с широким динамическим диапазоном измерений величины степени поляризации в ИК-области спектра; получены новые экспериментальные результаты по поляризационным характеристикам волноводных и интегрально-оптических элементов: неоднородность степени поляризации в поперечном сечении одномодового ВС, особенности влияния упругих деформаций в одно- и многомодовых ВС на поляризацию распространяющегося в нем излучения, периодическая зависимость величины степени поляризации на выходе волоконно-катушечного поляризатора от азимута преимущественной поляризации вводимого излучения;
экспериментально показано, что деполяризация ТМ-моды канальных прямого и изогнутого интегрально-оптических волноводов меньше, чем деполяризация ТЕ-моды этих волноводов.
Научные положения и результаты, выдвигаемые на защиту:
1. Поляризационная помеха в волоконно- и интегрально-оптических волноводах возникает уже на стадии ввода линейно-поляризованного излучения в волноводы, при этом относительная мощность ортогонально поляризованного излучения в волноводе возрастает пропорционально четвертой степени относительного отверстия фокусирующего объектива.
2. Магнитооптический эффект Фарадея в волоконных световодах, находящихся в прямом контакте с электрическим проводником, создающим магнитное поле, сопровождается возникновением двулучепреломления в световодах, обусловленным фотоупругим эффектом при механической деформации оптоволокна.
3. В одномодовом волоконном световоде, возбуждаемым линейно поляризованным светом, степень поляризации излучения в поперечном сечении выходного пучка уменьшается от центра к периферии.
4. Степень поляризации оптического излучения на выходе катушечного поляризатора периодически зависит от азимута преимущественной плоскости поляризации вводимого излучения, при этом ее величина изменяется в среднем на 5-6%. 5. В прямом и изогнутом канальных интегрально-оптических волноводах степень деполяризации излучения ТЕ-моды волновода выше, чем степень деполяризации ТМ-моды волновода.
6. Одномодовые волоконные световоды поляризационно более устойчивы к влиянию локальных механических деформаций, чем многомодовые световоды.
Практическая ценность диссертации и использование полученных результатов. Научные результаты исследования могут быть использованы для формулировок практических рекомендаций при разработках высокоточных ИК-поляриметров волноводных оптических элементов, волоконно- и интегрально-оптических гироскопов, датчиков физических полей, функциональных устройств при разработках высокоскоростных оптических систем передачи и обработки информации, а также при разработках эффективных методик и способов уменьшения поляризационных помех и повышения точности измерений. Результаты диссертационной работы полезны в учебном процессе технических ВУЗов, при создании современных курсов лекций по специальностям 072300 «Лазерная техника и лазерные технологии», 071700 «Физика и техника оптической связи» и др.
Личный вклад автора. Разработка и изготовление экспериментального стенда для поляриметрических измерений характеристик волноводных оптических элементов в ИК-диапазоне длин волн, полученные экспериментальные результаты и основные теоретические расчеты выполнены лично автором.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждались на XXXIII научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2004), Первой конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2004), Шестой Международной конференции «Прикладная оптика 2004» (Санкт-Петербург, 2004), XXXIV научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2005), XXXV научно-технической конферен 9 ции профессорско-преподавательского состава СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2006).
Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 4 научных, в том числе рецензируемых, журналах и в тезисах докладов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы 150 страницы основного текста, 39 рисунков, 3 таблиц и списка литературы, содержащего 108 наименований.
Матричные методы описания поляризованного света
При использовании матричных методов характеристики излучения могут быть представлены посредством четырехмерного вектора Стокса, двумерного вектора Джонса (Максвелла) или матрицы когерентности (матрицы плотности). Вектор Джонса и соответствующий ему метод расчета Джонса используются при описании полностью поляризованного света, а также суперпозиции когерентных световых пучков. Вектор-параметр Стокса и соответствующий ему метод расчета Мюллера описывают частично поляризованное излучение и применяются для описания преобразований некогерентного излучения. Методы Мюллера и Джонса взаимно дополняют друг друга и их сочетание достигается в квантово-механическом подходе, использующем матрицу когерентности. Область применимости этого метода включает в себя операции с частично когерентным и частично поляризованным излучением. 1.2.1. Параметры Стокса и метод Мюллера
Наиболее общим матричным методом, используемым для описания преобразования поляризационных характеристик излучения, является метод Мюллера. В соответствии с этим методом, действие оптических элементов на излучение приводит к тому, что параметры Стокса пучка света, прошедшего оптическую систему, являются линейными функциями параметров Стокса входящего излучения. Энергетические и поляризационные характеристики излучения описываются параметрами, образующими четырехмерный вектор Стокса. Параметры Стокса образуют вектор-столбец вида
Все параметры Стокса имеют размерность мощности, причем первый из них (So) является полной мощностью излучения. Остальные компоненты вектора - соответственно параметр преимущественной горизонтальной поляризации (Si), параметр преимущественной поляризации под углом 45 (5г) и параметр преимущественной правоциркулярнои поляризации (S3). Все параметры Стокса принимают значения в пределах от -/ до /.
Определение параметров Стокса можно проиллюстрировать следующим образом. Обозначим мощность пучка света, прошедшего через идеальный анализатор с осью пропускания, установленной вдоль осей х, у под углом +45 и -45 к оси , соответственно /Л, 1у, /45, /.45о а мощность света, прошедшего через циркулярно-поляризационный фильтр, соответственно /„ для правой и 1Ч для левой поляризации. Учитывая, что І ІЖ + Іу = І4$+ Ц$ = І„+ІМ параметры Стокса равны представляют собой разности мощностей ортогональных форм поляризации в исследуемом пучке.
Согласно электромагнитной теории, параметры Стокса определяются исходя из проекций электрического вектора на оси координат и разности фаз между компонентами разложения вектора:
Если амплитуды компонент Ех и Еу, равные соответственно А и В, и разность фаз между ними Д постоянны на протяжении времени измерения, то для полностью эллиптически поляризованного излучения получим запись параметров Стокса в виде
Параметры Стокса полностью эллиптически поляризованного излучения выражаются через мощность /, азимутальный угол у и угол эллиптичности с: 19 Для не поляризован но го (естественного) света все параметры вектора Стокса, кроме SQ равны нулю:
Для частично поляризованного излучения с мощностью / = /,,+/л и степенью поляризации Р вектор Стоска запишется в виде
Набор поляризационных характеристик Р, щ с вместе с мощностью / определяют параметры Стокса S0i Si, S2, S3 и наоборот, по известным параметрам Стокса можно рассчитать поляризационные характеристики света.
Применение вектора Стокса при расчетах по методу Мюллера дает возможность рассчитать изменения мощности и поляризации излучения при его прохождении через поляризаторы, фазовые пластинки и рассеивающие среды. В методе расчета Мюллера характеристики излучения описываются вектором Стокса, а характеристики оптического устройства - матрицей Мюллера. Матрица Мюллера характеризует оптическое устройство и его пространственную ориентацию. Элементы матрицы одного и того же устройства неодинаковы для его разных положений.где 5 - вектор Стокса входящего луча, 5 - вектор Стокса прошедшего луча, М- матрица Мюллера, характеризующая оптическую систему при заданной ориентации. Представляя параметры входного излучения вектором Стокса S и свойства оптического прибора матрицей Мюллера М, характеристики излучения, прошедшего через прибор, находят посредством матричного перемножения матрицы Мюллера и вектора Стокса входящего пучка (порядок записи осуществляется справа налево). Если излучение проходит через ряд оптических элементов, свойства которых описываются матрицами М\, М2, Л/з, ..., Мп, то их действие характеризуется последовательным умножением матриц
Действие ряда оптических элементов может быть представлено как действие одного оптического устройства с матрицей вида М = MnMlt_l...M2Ml. Использование матрицы совокупности М позволяет получить представление о влиянии системы элементов в целом; при этом информацией о промежуточных преобразованиях характеристик излучения можно пренебречь.
Метод Пуанкаре для описания преобразования поляризации световых волн позволяет кратчайшим путем решать проблемы, возникающие при использовании комбинаций нескольких анализаторов и фазовых пластинок. В этом случае вектор Стокса представляется в нормированном виде, S I{\,s\, s2,sj}, где і = S\/I, si = S2ll, Si = &//-нормированные параметры Стокса, при этом21 В методе сферы Пуанкаре вектору поляризации s сопоставлена точка на сфере радиусом Р = s , характеризующая поляризационные свойства излучения. Изображение сферы Пуанкаре и применение этого метода имеют различные варианты, отличающиеся выбором направления осей и отсчетов углов. Например, рассматривается сферическая поверхность радиуса Р (рис. 1.4).
Использованы декартова система координат с осями X, Y,Zn сферическая система с азимутальным углом 2 , отсчитываемым в экваториальном сечении сферы по плоскости JtToT оси Xt и полярным углом 2с, отсчитываемым от экваториальной плоскости. Декартовы координаты точки М на поверхности сферы определяются выражениями [4]то есть представляют собой поляризационные параметры нормированного вектора Стокса (параметры вектора поляризации s).Точка на поверхности сферы Пуанкаре с радиусом Р соответствует определенному поляризационному состоянию излучения со степенью поляризации
Распространение излучения в реальных оптических волок нах
В предыдущем разделе основные особенности процесса распространения волн в оптических волокнах были описаны на примере мод, распространяющихся при фиксированной частоте в идеальных диэлектрических волноводах. На практике поле, представляющее собой суперпозицию различных мод и имеющее конечную полосу частот, распространяется в волокне, профиль показателя преломления которого неизбежно отклоняется от идеального, что приводит к изменению связи между различными модами. Одновременное возбуждение многих мод и зависимость постоянной распространения от частоты приводит к искажению формы передаваемого сигнала и ухудшению характеристик оптического волокна.
Обозначим пространственную конфигурацию произвольной моды, определяемой индексом т через Ет(/ ;со), а постоянную распространения этой моды (вещественную для направляемых мод и комплексную для мод утечки) через /Цсо). При этом аналитический сигнал, соответствующий монохроматическому электрическому полю, распространяющемуся в идеальном волокне, можно записать в виде следующего разложения:где ст - коэффициенты разложения. Если поле имеет конечную ширину полосы 5со, то выражение (2.32) заменяется на
Поле в волокне не является строго поперечным, причем отношение его продольной компоненты к поперечной составляет величину порядка Дш. Обычно в качестве значимой величины рассматривают мощность Р \ переносимую через элемент поперечного сечения а волокна и определяемую как
Здесь z - единичный вектор в положительном направлении оси z, a S - комплексный вектор Пойнтинга, определяемый выражением60 Для вычисления вектора Пойнтинга необходимо знать только попереч л л.ную составляющую электромагнитного поля. Произведя замену Е -» И и Ет - Нт можно записать выражения, аналогичные (2.32) и (2.33), для поперечной составляющей магнитного поля. Коэффициенты разложения ст направляемых мод можно определить по известным граничным условиям E{p z-Q,t) используя соотношение ортогональности:где Р - положительный нормировочный коэффициент, а 5Ш - символ Кронеке-ра. Соотношение ортогональности, аналогичное (2.36), приближенно справедливо и для просачивающихся туннелирующих мод, соответствующих туннели-рующим лучам, которые могут вносить заметный вклад в суммарное поле на значительных расстояниях вдоль оси.
Если ширина полосы ба удовлетворяет неравенствугде й о - характерная частота ноля, то в (2.33) Ет{р\со) Ет{р;о)0). В результатемонохроматическое электрическое поле, распространяющееся в волокне, примет вид:
Выражения (2.33) и (2.38) можно обобщить на случай реального волокна, у которого профиль показателя преломления незначительно отличается от идеального. Для этого необходимо ввести зависимость коэффициентов cm(w) от Z. Такая зависимость учитывает связь между различными модами, образующимися вследствие искажения профиля показателя преломления. Следовательно, в общем случа
Используя выражения (2.36) и (2.38), можно вычислить коэффициенты cjm, z = 0) при известных граничных условиях:В идеальном случае cm(co,z) = cm(co,Q) = cm(a)). Выделяя в виде отдельного множителя быстро меняющиеся (как в пространстве, так и во времени) члены, выражение (2.39) можно переписать в видегде Ет{р)= Ет(р ,щ) иФт- медленно меняющаяся амплитуда, описываемая выражением
Подставляя формулы (2.35) и (2.41), а также аналогичные выражения для магнитного поля в (2.34), имеемздесь
Если элемент площади а совпадает со всем сечением волокна, топричем недиагональные члены, представляющие интерференцию различных мод, обращаются в нуль согласно соотношению ортогональности (2.36). Ненулевые диагональные члены Pm(z, t) можно интерпретировать как суммарную мощность, переносимую ш-й модой через полное сечение волокна при данном z.
При распространении излучения по ВС неизбежны энергетические потери, которые возникают вследствие взаимодействия излучения с веществом. Затухание излучения внутри оптического волокна обусловлено как поглощением в материале волокна (включая рассеяние, вызванное флуктуациями плотности на микроскопическом и атомном уровнях), так и самим процессом распространения света в волноводе. Первый механизм затухания определяется материалом и может быть исследован на любом образце этого материала, тогда как второй определяется геометрической формой волновода. Потери, обусловленные поглощением в стекле, можно подразделить на три части: поглощение материала, поглощение на примесях, неизбежно присутствующих в материале, и поглощение на атомных дефектах. Эти потери описываются феноменологически через коэффициент потерь а - характеристику рассматриваемого материала, который определяет относительное затухание на единицу длины полной энергии, переносимой электромагнитным полем. Рассматривают два коэффициента потерь а\ и а2, первый из которых относится к материалу сердцевины, а второй - к оболочке. При этом относительный декремент затухания на единицу длины полной энергии Im(z), переносимой m-й модой и определяемой выражением
Точность поляризационных измерений и способы ее увеличения
Термином «шум» называют случайные (беспорядочные) изменения сигнала, занимающие тот же спектральный диапазон, что и полезный сигнал. Наличие шума приводит к флуктуациям фототока фотоприемника, ограничивая нижний предел чувствительности измерений.
В полупроводниковых фотоприемниках обычно рассматриваются два источника шумов. Во-первых, скорость каждого носителя (электронов и дырок) может флуктуировать вследствие рассеяния или теплового движения. При этом генерируется тепловой шум (шум Джонсона). Во-вторых, общее число этих носителей может флуктуировать либо из-за генерационно-рекомбинационных процессов (генерационно-рекомбинационный шум) или вследствие вероятностного характера фотоэффекта (дробовой шум). Указанные механизмы возникновения шумов различны по своей физической природе и могут рассматриваться как независимые и некоррелированные источники шума.
Тепловой шум в полосе частот А/ регистрируемого сигнала может быть оценен по формуле Найквиста [66, 67]88 Т.е. тепловая мощность Л/J, рассеиваемая на резисторе Rit в полосе частот А/, эквивалентна средней тепловой энергии АкьТ0, рассеиваемой в течение времени А/1.
Общее выражение для генерационно-рекомбинационного шума имеет вид где g - усиление фототока, г - среднее время жизни электрона. Этот шум присутствует при ненулевом среднем токе. Выражение для оценки генерационно-рекомбинационного шума в случае использования фотодиода без рекомбинации упрощается. Инжектированный электрон мгновенно рекомбинирует после прохода через р-я-переход полупроводникового фотоприемника. Поэтому g = 1и (г2) = (г) . Такой процесс представляет собой генерационный шум [66,67],
Важной характеристикой фотоприемного устройства является отношение сигнал-шум на его выходе [69, 70]:где m - глубина модуляции оптического излучения, R0 - номинальная фоточувствительность приемника излучения, /"-средняя мощность падающего излучения, 1Т - темповой ток фотодиода, кц - константа Больцмана, Го - абсолютная температура, F}C - коэффициент шума предварительного усилителя, RH - сопротивление нагрузки, RIN - относительный шум интенсивности источника излучения, Д/ - эффективное значение полосы пропускания фотоприемного устройства (ФПУ). В (3.18) числитель представляет собой квадрат величины фототока при падении регистрируемого светового потока излучения на приемную пло щадку фотодиода, а знаменатель определяет вклад дробовых, тепловых шумов фотодиода и вклад шумов интенсивности источника излучения.
Задача детектирования полезного сигнала заключается в достижении максимально возможного отношения S/N, непосредственно определяющего минимальную регистрируемую мощность Ртт входного сигнала. Величина Ртт нередко рассчитывается, согласно (3.18), при S/N = 1. В ФПУ аналоговых волоконно-оптических систем, работающих в режиме преобладания тепловых шумов, для повышения отношения S/N важно увеличивать чувствительность pin-фотодиодов до значений, близких к единице.
Минимизация шумов при измерениях степени поляризации ИК-излучения на выходе волноводных оптических элементов является также важнейшей задачей в связи с необходимостью учета тонких поляризационных эффектов, например, поляризационных искажений, вносимых фокусирующими объективами.
Уменьшение оптических шумов при фоторегистрации достигается при использовании дифференциальных схем регистрации оптических сигналов (балансных схем). Главным преимуществом таких схем является эффективное подавление избыточных шумов интенсивности источника излучения [5, 71-74]. В работе [71] показано, что чувствительность поляризационных измерений при использовании балансной схемы достигает порядка 10 3 угловых секунд при времени измерения 10 с. Дифференциальные методы успешно применяются для регистрации малых углов поворотов плоскости поляризации света [73, 74]. Экспериментально продемонстрирована перспективность их применения для измерения линейной анизотропии с чувствительностью на уровне дробовых шумов [75]. Теоретически доказана принципиальная применимость дифференциальных методов при использовании сильной модуляции лазерного излучения для регистрации линейной анизотропии с субдробовой чувствительностью [76].
В [72] экспериментально и теоретически исследованы процессы формирования полезных и шумовых сигналов при измерениях двулучепрелом-ления прозрачных объектов с помощью модуляции поляризации и дифференциального подавления избыточных шумов лазерного излучения. Рассмотрены обобщения двух, традиционно используемых при таких измерениях конфигураций построения поляризационного анализатора (см. рис. 3.5).Рис. 3.5. Блок-схема экспериментальной установки (а) и ориентации главных оптических осей элементов установки (б); модулятора (М\ и Л/г), поляризатора (Р), поляризационного делителя (PD\ и PDi), компенсатора (С] и Сі), образца (.S i и Hi). Угол ориентации осей компенсатора у выбирается из условия равенства нулю выходного сигнала в отсутствие образца
На рис. 3.5. изображена схема измерений двулучепр ело мления (ДЛП) с модуляцией состояния поляризации зондирующего исследуемый объект оптического излучения [75]. Свет от лазера L проходит поляризатор Р и модулятор М, создающий периодически изменяющуюся разность фаз между ортогональными линейно поляризованными компонентами поля, что приводит к периодическому изменению состояния поляризации. Модулированное по поляризации пробное излучение проходит через компенсатор С, исследуемый образец S и попадает на поляризационный делитель PD. Компенсатор - плоскопараллельная пластинка с известным двулучепреломлением (рс, позволяющая скомпенсировать всегда присутствующее остаточное двулучепреломление оптических элементов установки. Сигнал с выхода дифференциального преобразователя DP, пропорциональный разности фототоков фотодиодов D\ и /. подается на анализатор спектра SA (в ряде случаев вместо спектроанализатора удобнее применять синхронный детектор). Основная особенность шумов в схеме II по сравнению со схемой I заключается в том, что в отсутствие исследуемого образца, т.е. при ср = О, избыточные шумы при точной балансировке оказываются полностью подавленными независимо от глубины модуляции. При наличии образца шумы оказываются пропорциональными величине sin2# , которая для образцов с малой анизотропией является малой. В то же время этот малый фактор входит в окончательное выражение для шума умноженным на сумму, определяемую также флуктуация ми интенсивности лазера (и, в общем случае, параметров оптоэлек-тронного тракта) на низких частотах [72]. Таким образом, модуляция поляризации излучения и дифференциальная регистрация не снимают полностью проблемы низкочастотных шумов и в конфигурации II.
Применение дифференциальной методики регистрации в схемах с модуляцией поляризации не всегда обеспечивает существенное уменьшение влияния избыточных шумов источника пробного излучения. Наибольшее подавление избыточных шумов следует ожидать в измерительных конфигурациях, для которых в спектрах фототоков на гармониках частоты модуляции поляризации отсутствуют обусловленные модуляцией сильные регулярные компоненты, пропорциональные cosp, а постоянные составляющие фототоков не зависят от измеряемого двулучепреломления. Несмотря на то, что конфигурация II обладает заметными преимуществами в смысле подавления избыточных шумов, модифицированную конфигурацию I и ее разновидности не всегда следует исключать из рассмотрения как неперспективные для высокочувствительных измерений [76].
Экспериментальное исследование эффекта Фарадея в протяжен ном волоконном световоде
Известно сравнительно мало экспериментальных работ, посвященных анализу магнитооптического эффекта Фарадея в одно- и многомодовых волоконных световодах. В [96] исследовался поворот спекл-картины в маломодовом оптическом волокне на длине волны 0.63 мкм в продольном магнитном поле. Разрабатываются волоконно-оптические датчики магнитных полей в ближнем ИК-диапазоне [97, 98]. В [89-95] рассмотрены возможности использования эффекта Фарадея в волоконных световодах при создании оптических датчиков электрического тока и измерителей сильных магнитных полей. Экспериментальные и теоретические работы, посвященные изучению эффекта Фарадея в протяжённых {длиной сотни метров) маломодовых волоконных световодах при относительно небольших напряженностях магнитного поля, практически отсутствуют. Между тем, эффект Фарадея в таких световодах представляет большой практический интерес для разработок оптических датчиков магнитных полей, а также волоконно-оптических гироскопов, при определении условий достижения их предельной чувствительности.
Фарадея в волоконных световодах использовались отрезки волокон длиной от 5 до 500 м [89-95] и длина волны источника излучения находилась, как правило, в видимой области спектра. В описываемом эксперименте длина оптоволокна составляет 800 м и измерения выполнены в ИК-диапазоне длин волн (Я = 0.85 мкм) [99, 100]. Схема экспериментальной установки для измерений эффекта Фарадея в волоконном световоде показана на рис. 4.4. оптоволокне на длине волны 0.85 мкм: 1 - генератор импульсов Г5-54, 2 - блок питания лазера, 3 - полупроводниковый лазер, 4 -волоконный кабель, 5, 7, 9 - микрообъективы, 6 - линейный поляризатор (призма Томпсона), 8 - катушка оптического волокна с тороидальной электрической обмоткой, 10- балансный фотосмеситель (содержит расщепитель поляризации 11 и полупроводниковые фотоприемники 12, 13 марки ФД9-К), 14 - сумматор, 15 - селективный усилитель У2-8, 16 - осциллограф С1-49
Амплитудно-модулированное излучение инжекционного лазера (полупроводниковый модуль типа МПД-1-1 А, длина волны 0.85 мкм, мощность излучения 1 мВт, частота модуляции - 20 кГц) колли миру ется, проходит линейный поляризатор 6 и посредством микрообъектива 7 вводится в исследуемое оптическое волокно 8. Входной и выходной торцы ВС закреплены на трех-координатных микропозиционерах с вращающимися вокруг оси волокна держателями, что позволяет устанавливать требуемый азимут поляризации вводимого оптического излучения. Внешний и внутренний диаметр катушки оптического волокна равны соответственно 180 и 90 мм, высота катушки 45 мм. Диаметр сердцевины волокна 9 мкм, диаметр оболочки ВС 125 мкм. Тороидальная электрическая катушка для создания магнитного поля, ориентированного вдоль оси световодов, содержит 2000 витков медного провода диаметром 0.35 мм, сопротивление обмотки 85 Ом. Выходное оптическое излучение коллимируется и направляется на входную грань расщепителя поляризации 11 (призмы Томпсона), разделяющего падающий луч света на компоненты с ортогональными (0 и 90) плоскостями линейной поляризации. В балансном фотоприемнике оптические сигналы детектируются и регистрируемые электрические сигналы вычитаются на сумматоре 14, При постоянной мощности линейно поляризованного света, падающего на призму Томпсона, выходной сигнал поляризационного балансного фотодетектора (ПБФ) прямо пропорционален величине угла ориентации плоскости поляризации падающего света относительно поперечной (45) оси пропускания призмы Томпсона 11 (принцип действия ПБФ с предельной чувствительностью описан в [71]). Выходной сигнал фотодетектора на частоте следования импульсов 20 кГц усиливался избирательным усилителем 15 типа У2-8 и контролировался на экране осциллографа 16. Уровень выходного сигнала ПБФ определяется непосредственно по шкале индикатора прибора У2-8.
Калибровка выходного сигнала балансного фотодетектора в [В/град] производилась при отсчетах углов поворота призмы 11 по шкале угломерного устройства, при этом на балансный фотодетектор направлялся линейно поляризо ванный свет. Погрешность отчетов изменений углов азимута поляризации света по шкале индикатора селективного усилителя У2-8 не превышала 0.3 [99,100].
При измерениях углов фарадеевского вращения с использованием балансного фотодетектора последовательно и многократно выполнялись: калибровка измерительной схемы; определение области линейной зависимости мощности сигнала, регистрируемого ПБФ, от угла поворота призмы; установка начального положения призмы в центре рабочей области измеряемых углов; включение электрического тока заданной величины через тороидальную электрическую катушку в прямом направлении; отсчеты показаний индикатора; размыкание электрической цепи катушки; включение тока заданной величины в обратном направлении; отсчеты показаний индикатора; размыкание электрической цепи катушки.
Установка начального положения призмы в центре рабочей области (линейного участка зависимости мощности света, регистрируемого ПБФ, от угла вращения призмы) обеспечивает наилучшую чувствительность схемы регистрации при малых углах поворота плоскости поляризации, а также возможность измерения зависимости угла вращения ці плоскости поляризации от напряженности магнитного поля Н при одинаковых разнополярных значениях Я.
В момент включения электрического тока происходил небольшой выброс показаний измерительного прибора вследствие электрической помехи, возникающей при включении, после чего наблюдался медленный дрейф постоянной составляющей выходного сигнала. Такой дрейф объясняется тем, что вследст виє омических потерь при прохождении тока электрическая обмотка нагревалась, что приводило к изменению температуры внешних участков катушки оптоволокна. Поляризационные характеристики волоконных световодов, вообще говоря, чувствительны к изменениям температуры среды, влияющим на состояние механических напряжений в световоде [101-103]. В описываемом эксперименте нагревание световода сопровождалось изменениями поляризационных параметров распространяющегося оптического излучения, что обусловливало медленное непрерывное изменение величины регистрируемого сигнала. Регистрация мгновенного значения полезного сигнала (ПБФ), обусловленного действием именно магнитного поля, производилась с учетом отмеченного дрейфа сигнала. По результатам нескольких серии измерений построена зависимость величины угла поворота у/ плоскости поляризации выходного излучения в оптоволокне от напряженности // магнитного поля, создаваемого тороидальной электрической катушкой (рис. 4.5) [99,100].значениях Н измеренная величина фарадеевского угла вращения заметно меньше и здесь зависимость ці(Н) нелинейна [99, 100].
Угол ці фарадеевского вращения плоскости поляризации света в среде определяется выражением (4.1). Постоянная Верде для плавленого кварца на длине волны X = 0.63 мкм оценивается как К- 2.7 10"4 град/А [87], а с учетом спектральной зависимости К(Я) ее значение на длине волны 0.85 мкм примерно в 2 раза меньше. Согласно (4.1), при напряженности магнитного поля 300 А/м расчетная величина угла поворота азимута поляризации излучения, прошедшего через оптическое волокно длиной 800 м, равна 32. Экспериментальное значение угла вращения при тех же условиях составляло 11.5. Указанное расхождение экспериментального и расчетного значений может быть вызвано неоднородным характером распределения напряженности магнитного поля в поперечном сечении катушки оптоволокна, а также несоответствием приведенного значения постоянной Верде рассматриваемому образцу световода.
При измерениях угла поворота плоскости поляризации в оптоволокне под действием магнитного поля установлено, что форма поляризации излучения на выходе волоконного световода при прохождении электрического тока через катушку, строго говоря, изменялась, при этом эллиптичность выходного оптического излучения флуктуировала в зависимости от внешних условий.
На второй стадии работы запись выходных сигналов фотодетектора осуществлялась посредством электронного запоминающего осциллографа марки PCS-500 фирмы «Velleman». Здесь использовалась оптическая схема с одним фотоприемным каналом. Отчеты показаний выполнялись в режиме временной записи сигналов («Recoder»). На полученных диафаммах (рис. 4.6, 4.7) хорошо видны температурные изменения (дрейф) регистрируемого сигнала.
