Содержание к диссертации
Введение
2. ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ НА БАЗЕ КВАЗИОПТИЧЕСКИХ ТРАКТОВ 49
2.1. Устройство подземных квазиоптических трактов 50
2.2. Факторы, дестабилизирующие электрическую длину лучеводного тракта 53
2.3. Равноплечие интерферометры для исследования взаимной нестабильности электрической длины участков линзового лучевода 59
2.3.1. Способ регистрации нестабильности электрической длины участков лучевода... 60
2.3.2. Изменение формы лучевода 63
2.3.3. Флюктуации коэффициента преломления воздуха в лучевое 66
2.4. Исследование лучеводных трактов с помощью неравноплечих интерферометров 69
2.4.1. Способ регистрации нестабильности электрической длины лучеводов 69
2.4.2. Обсуждение экспериментальных результатов 74
2.5. Интерференционный квазиоптический наклономер... 80
2.5.1. Принцип построения многопучковой диаграммы 81
2.5.2. Устройство интерференционного наклономера 86
2.5.3. Чувствительность интерференционного наклономера 89
2.5.4. Источники погрешностей 95
2.6. Выводы 98
3, ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ НА МН0Г0М0Д0ВЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКНАХ 100
3.1. Исследование когерентности поля излучения многомодового волокна 101
3.1.1. Методика исследования пространственной когерентности 102
3.1.2. Методика исследования временной когерентности 109
3.2. Корреляционный метод исследования дисперсионных параметров многомодовых волокон 113
3.2.1. Принцип корреляционного исследования межмодовой дисперсии в многомодовом ВС. 114
3.2.2. Обоснование корреляционного метода 118
3.2.3. Обсуждение экспериментальных результатов 126
3.3. Кольцевой интерферометр на многомодовом световоде 134
3.3.1. Принцип работы многомодового кольцевого интерферометра... 135
3.3.2. Экспериментальный макет многомодового кольцевого интерферометра * 137
3.3.3. Обсуждение экспериментальных результатов 142
3.4. Выводы 146
4. ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ БА СВЧ-ПОДНЕСУЩЕЙ 149
4.1. Энергетические соотношения в ЛДИС на поднесущей 151
4.1.1. Принцип работы ЛДИС на СВЧ-поднесущей 151
4.1.2. Экспериментальный макет ЛДИС на СВЧ-поднесущей 154
4.1.3. Обсуждение результатов 160
4.2. Волоконно-оптический интерферометр на СВЧ-поднесущей 161
4.2.1. Экспериментальная установка и анализ измеряемых величин 163
4.2.2. Обсуждение экспериментальных результатов 170
4.3. Лучеводный интерферометр на СВЧ- поднесущей 176
4.3.1. Лучеводный тракт в системе передачи опорного сигнала 178
4.3.2. Принцип передачи опорного сигнала 181
4.3.3. Точность фазирования местных генераторов по опорному сигналу 187
4.3.4. Обсуждение экспериментальных результатов 194
4.4. Волоконно-оптический интерферометр на СВЧ-под несущей в системе передачи опорного сигнала... 202
4.4.1. Способ двухкратной амплитудной модуляции света СВЧ-поднесущей 203
4.4.2. Точность фазирования местных генераторов по опорному сигналу 207
4.4.3. Возможность реализации системы фазовой синхронизации на оптическом световоде... 211
4.5. Выводы 213
5. ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ИССЛВДШАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОПТИЧЕСКИХ ТРАКТОВ ПЕРВДАЧИ 216
5.1. Двухканальный фотометр для измерения параметров турбулентности воздуха в лучеводном тракте 217
5.1.1. Устройство двухканального фотометра 219
5.1.2. Оценка коэффициента корреляции смещений двух пучков в лучеводе 226
5.1.3. Результаты экспериментальных исследований 230
5.2. Фотометрия структуры оптического изображения, формируемого лучеводным трактом 235
5.2.1. Формирование изображения в лучеводном тракте 235
5.2.2. Способ определения качества передачи изображения по лучеводу 241
5.2.3. Экспериментальное исследование структуры изображения на выходе лучевода 245
5.3. Способ определения АЧХ регулярных многомодовых ВС 252
5.3.1. Принцип измерения АЧХ световодов переменной длины 254
5.3.2. Эксперимент 258
5.4. Выводы 260
6. ПРИЛОЖЕНИЕ 265
6.1. Исследование температурного режима в под земном лучеводном тракте 265
6.1.1. Долговременные измерения температуры в почве 266
6.1.2. Измерение температуры лучеводного тракта, усредненной по его длине 271
6.2. Температурные деформации контура лучеводного тракта 279
6.2.1. Метод измерения температурных деформаций. 280
6.2.2. Обсуждение экспериментальных результатов 283
6.3. Особенности возбуждения и некоторые поляризационные эффекты в градиентных световодах с М-образным профилем 288
6.3.1. Особенности возбуждения градиентных световодов 289
6.3.2. Поляризационные эффекты в многомодовом световоде 296
7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 304
8. ЛИТЕРАТУРА 309
- Устройство подземных квазиоптических трактов
- Исследование когерентности поля излучения многомодового волокна
- Энергетические соотношения в ЛДИС на поднесущей
- Двухканальный фотометр для измерения параметров турбулентности воздуха в лучеводном тракте
- Исследование температурного режима в под земном лучеводном тракте
Устройство подземных квазиоптических трактов
В дальнейшем мы неоднократно будем обращаться к различным интерферометрическим и фотометрическим устройствам на базе квазиоптических трактов передачи. В связи с этим кратко рассмотрим устройство и специфические особенности двух лучево-дов созданных на полигоне ИРЭ АН СССР. Лучеводные тракты как линии передачи р 3, 145,14б] представляют собой периодическую последовательность оптических элементов, осуществляющих коррекцию фазового фронта волнового пучка. Эти элементы называются фазокорректорами, они могут быть выполнены либо в виде диэлектрических линз, либо зеркал. По своему принципу действия квазиоптические лучеводы занимают промежуточное место между волноводами и трактами открытого распространения. В них, как и в волноводах, излучение распространяется в виде собственных волн, и, в то же время, оно проходит весь путь по тракту в свободном пространстве .
По сравнению с другими типами трактов передачи лучеводы обладают рядом достоинств: малые погонные потери, практически неограниченная информационная полоса частот, а также отсутствие дисперсионных искажений и попутного потока. Диапазон несущих для линзовых лучеводов занимает весь видимый диапазон, а для зеркального он простирается вплоть до дальнего инфракрасного.
Исторически первые исследования были проведены с т.н. филь трующими лучеводами.В них апертура фазокорректоров опре-х) Амплитуда поля в поперечном сечении волнового пучка убывает при удалении от его оси столь быстро, что можно не учитывать взаимодействия поля с краями апертуры фазокорректоров. деленным образом ограничивает волновой пучок. Введение фильтрации, с одной стороны, в среднем стабилизирует положение и амплитудно-фазовое распределение волнового пучка, а с другой -приводит к увеличению суммарных потерь мощности. Задача стабилизации волнового пучка возникла не только в связи с влиянием турбулентности воздуха, но и в связи с возмущениями его амплитудно-фазового распределения на неоднородностях фазокорректоров и поворотных устройств.
Проведенные впоследствии экспериментальные исследования таких трактов показали, что опасения по поводу искажений волнового пучка были преувеличены. Благодаря этому появилась возможность не только отказаться от фильтрации, но и передавать по лучеводу с достаточно большой апертурой одновременно большое число волновых пучков [5, 20,14 .
Расстояние между соседними фазокорректорами в лучеводном тракте может достигать нескольких сотен метров. При этом турбулентность воздуха может привести к значительным флюктуациям траектории волновых пучков, образующих оптический ствол луче-вода. Как показал опыт, [148,149] даже усиленная экранировка тракта (труба с двойной стенкой) не спасает положения, если лучевод расположен на поверхности земли. Существенного ослабления турбулентности удается достичь при размещении всего лу-чевода (в экранирующем трубопроводе) под землей.
Исследование когерентности поля излучения многомодового волокна
Распределение интенсивности света на выходе многомодового ВС имеет вид случайно расположенных светлых пятен. Такое распределение принято называть авантюриновым [62] или спекл-струк-турой [бб] . Мы в дальнейшем будем использовать последний термин, как наиболее употребительный. Говоря о "спекловости" выходного поля ВС, нельзя не сказать о его поляризационной структуре. Известно, что при возбуждении ВС даже линейно-поляризованным светом, он может быть практически полностью деполяризован на длине ВС порядка нескольких сантиметров. Под деполяризацией здесь подразумевается возникновение в выходном поле четырех Стоксовых компонент [151,167,168]. В этом состоит основное различие выходного излучения ВС с полем, рассеянным матовой поверхностью. Различие это обусловлено тем, что поле ВС распространяется в виде большого числа собственных мод. Каждая из них характеризуется определенным амплитудно-фазовым распределением по сечению ВС и своей постоянной распространения.
Важно подчеркнуть, что для реальных многомодовых ВС свойственны не LP - моды, а ЕН и НЕ - моды [169] . Поэтому поляризационная структура поля многомодового ВС локально-неоднородна по его апертуре.
Следует заметить, что описанные особенности поляризационной структуры поля ВС сами по себе еще не говорят об ухудшении его пространственной когерентности. Однако, если допустить, что в ВС имеет место неупругое рассеянье, или если в нем присутствуют быстро меняющиеся во времени неоднородности, то это должно привести к падению степени пространственной когерентности, по сравнению с исходным полем [62] . Ниже мы приведем результаты экспериментальных исследований пространственной и временной когерентности в протяженных многомодовых ВС.
Для исследования когерентности поля излучения протяженного ВС целесообразно использовать т.н. спектрально-чистые источники света [l39,I70] . Эти источники характеризуются важным свойством, обусловливающим связь комплексной степени когерентности У ГИ с пространственной У (0)и временной Y ( L)степенями когерентности, в виде.
Существо этого свойства состоит в том, что эффекты временной и пространственной когерентности для излучения спектрально-чистых источников могут быть разделены, т.е. измерены независимо друг от друга.
103 Известно, что излучениеНр-Л/еОКГ в режиме генерации одной поперечной моды можно с достаточной для наших исследований степенью точности считать спектрально-чистым. При этом его пространственная степень когерентности близка к I, а степень временной когерентности в режиме генерации нескольких продольных мод является периодической функцией і с периодом, равным времени пробега удвоенной длины to резонатора ОКГ (рис. 3.I.I). Величина -)( ) = ( ) в точках кратности указан-ному периоду близка к I. Степень близости jf [%) к I определяется, как известно, т.н. технической шириной линии излучения ОКГ. Для использованного в описываемых экспериментах ОКГ с дли-ной..резонатора Ьо = 174см, значения \ц[%) для v (I - 5)х хЮ 6с было не хуже 0,9. Эти данные были получены при исследовании лучеводных интерферометров с разностью :: хода 1км. Приведенные данные позволяют оценить ширину линии излучения проведены непосредственные измерения ширины линии излучения ОКГ, использованного в описываемых экспериментах. На уровне -ЗдБ ширина спектральной линии (одной продольной моды) составила 230кГц.
Энергетические соотношения в ЛДИС на поднесущей
В последнее время в исследовательской практике нашли применение т.н. лазерные доплеровские измерители скорости (ЛДИС). Их использование позволяет изучать характерные особенности турбулентных потоков в жидкостях и газах, распределение скоростей в сверхзвуковых газовых потоках, кинетику пограничных слоев жидкости и т.д.[Ї76-І80] . Они позволяют находить среднестатистические характеристики микрообъектов. Характерными особенностями таких устройств являются: высокая точность юстировки сигнального светового пучка с опорным, а также высокая степень когерентности источника или малая разность хода между сигнальным и опорным пучками.
Здесь мы рассмотрим одну из разновидностей ЛДИС, обладающую рядом достоинств по сравнению с указанными выше устройствами. Для ее реализации не требуется,источников с высокой степенью когерентности, она позволяет измерять скорости объектов, удаленных на сотни и тысячи метров. При этом существенно смягчаются требования к оптическим элементам устройства и их юстировке. Кроме того, она сохраняет важное достоинство традиционных ЛДИС,а .именно- высокую направленность, а значит и высокую избирательность по объекту исследования.
В классическом варианте доплеровский измеритель регистрирует отклонение частоты ( Av ) сигнала, рассеянного (отражен 152 ного)подвижным объектом, от значения частоты ( vo ) источника где С - скорость света, V - составляющая скорости объекта вдоль направления источник-объект. При этом предполагается, что все перечисленные выше условия относительно когерентности источника и юстировки пучков,выполнены. Из (4.I.I) легко найти, что при я/ 5 - 50м/с и \ —5хКг4Гц, диапазон значений ЛV составит 16 - 160МГц. Следует отметить, что с технической точки зрения регистрация сигнала в указанном диапазоне частот далеко не простая задача. Одним из путей, позволяющих облегчить регистрацию скоростей объекта в указанном диапазоне, является сужение спектра доплеровских частот. Этого можно достичь двумя способами: I) перейти на более низкие час-тоты, 2) использовать поднесущую [102] . Не останавливаясь на подробном анализе „указанных возможностей, отметим, что в ряде случаев второй из указанных способов оказывается наиболее предпочтительным. Рассмотрим его.
Двухканальный фотометр для измерения параметров турбулентности воздуха в лучеводном тракте
Как было отмечено выше, большой практический интерес представляет возможность одновременной передачи по лучеводу многих волновых пучков. Расчеты показывают [20] , что по лучеводу, описанному в 2.1, принципиально возможна одновременная передача до I04 волновых пучков. Вид многопучковой диаграммы (85 пучков) на линзовом фазокорректоре лучевода показан на рис. 5,1,1. Одним из основных условий передачи подобного оптического ствола по лучеводу является требование где X , Y » г " система координат, связанная с лучеводом ( z? - направлено вдоль оси лучевода), L - длина итерации, A - расстояние между осями двух соседних пучков в оптическом стволе.
Таким образом, допустимое число пучков в оптическом стволе определяется распределением не однородное тей QSdd П&("Ь) в поперечном сечении лучевода. Рациональный способ измерения характера этих неоднородноетей подсказан видом выражения (5.1.2). Действительно, чтобы определить различие распределений CjSGCl П& вдоль траекторий ( Oflyz ) и (О, А,2) , достаточно направить по ним световые пучки и на длине лучевода 2 от исходной точки измерить расстояние между осями пучков (А ). Ясно, что в этом случае А-Л Рд(2у"Ь)# Сразу оговоримся, что приведенные соображения справедливы, если т.н. характерный поперечный размер неоднородностей OfiQU П& превышает поперечный размер волнового пучка. Ниже будет показано, что в лучеводах имеет место именно эта ситуация.
Блок-схема двухканального фотометра показана на рис.5.1.2. Он включает две основные части: устройство формирования двух идентичных волновых пучков и измерительный фотоприемник. Устройство формирования состоит из комбинированного светоделителя (I) и набора ромбических призм (2). Это устройство формирует два параллельных волновых пучка. Расстояние между пучками Г 5 ) и (с) определяется размерами элементов (I) и (2) ив рассматриваемом фотометре составляло 22, 32 и 80мм. После прохода двух сформированных пучков вдоль исследуемого лучевода, состоящего из фазокорректоров (3), они совмещаются с помощью призмы (4) и светоделителя (5).
Исследование температурного режима в под земном лучеводном тракте
Мы уже неоднократно отмечали, что изменения коэффициента преломления воздуха ( П& ) и его градиента ( QSQcL hj ) в поперечном сечении экранирующего трубопровода подземного лучевода являются основными факторами, дестабилизирующими пространственное положение волновых пучков в нем и ЭД. Одной из основных причин вариаций Щ и П(Х(1 Л 5 оказывается колебание температуры почвы, окружающей лучевод. Мы не будем подробно обсуждать механизм воздействия ШОЛУ ТП на pad Tg#T ( Tn - температура почвы, Т. температура воздуха в трубопроводе лучевода) [з] , от-метим лишь следующее. Отношение Quad Т т к G acl Тп определяется соотношением между толщиной стенок и диаметром экранирующего трубопровода, а также коэффициентом теплопроводности воздуха, почвы и материала экранирующего трубопровода. Для рассматриваемого нами лучеводного тракта это отношение близко к I. Можно показать, что максимальное пространственное смещение волнового пучка в лучеводе при возникновении в нем QClci Т&.т. определяется выражением где X - длина итерации лучевода. Тогда при ( 5 _ О = = 0,28x10 и нормальных метеоусловиях.
Влияние вариаций на нестабильность ЭД лучевода подробно рассмотрено в 2.2. Там, в частности,показано, что приращение 1 б.т. на IC, приводит к относительному удлинению ЭД лучевода на 10 . В связи с этим становится вполне понятной важность исследования реального терморежима лучеводного тракта для выработки требований к параметрам систем, обеспечивающих его эксплуатационную надежность.
