Введение к работе
Актуальность тематики исследований
Оптические интерферометрические методы измерений давно применяются в науке и технике. Успешное развитие волоконной оптики привело к появлению нового класса интерферометров - волоконно-оптических интерферометров, обладающих целым рядом особенностей и уникальных свойств. Появление волоконных интерферометров стимулировало развитие нового направления оптических измерительных устройств и систем, перспективных для практического внедрения, разработку новых эффективных методов обработки интерференционных сигналов.
Интерес к тематике волоконно-оптических интерферометрических измерений связан с потенциально высокой разрешающей способностью, в сочетании с привлекательными особенностями волоконно-оптических трактов (малые потери, малые габариты и вес, нечувствительность к электромагнитным помехам и повышенной радиации, возможность работы в агрессивных и взрывоопасных средах, отсутствие электромагнитных помех и т.п.). Но несмотря на активные исследования, позволившие уже к 90-м годам прошлого века подробно разработать общие принципы описания и построения волоконно-оптических интерферометрических датчиков, практическое внедрение таких устройств весьма незначительно. Достижение высоких параметров при практической реализации интерферометрических измерителей оказалось не простой задачей, требующей использования сложных и дорогостоящих элементов, а так же решения ряда дополнительных научно-технических вопросов. Одна из ключевых проблем, возникающих при практической реализации таких устройств - влияние
поляризационных эффектов, связанных с рассогласованиями поляризации интерферирующих волн и вызывающих фединг и искажение сигнала интерферометра. Основной метод решения этой проблемы для дистанционных пассивных волоконных интерферометров - применение двулучепреломляющих (ДЛП) световодов и обеспечение линейно-поляризованного излучения на всех участках схемы. Однако использование ДЛП световодов усложняет анализ интерферометра, процесс создания и настройки волоконной интерферометрической схемы. Способность реального анизотропного волокна удерживать линейную поляризацию так же имеет ограничения. Исследования, позволяющие анализировать особенности применения в волоконных измерительных интерферометрах анизотропных световодов, практически отсутствуют (исключение составляет тематика волоконных гироскопов на основе интерферометра Саньяка). Неясным остался вопрос о том, как рассчитывать или оценивать влияние возможных поляризационных рассогласований в схеме на работоспособность дистанционного измерительного интерферометра и его параметры. Актуальными являются поиск оригинальных эффективных волоконных интерференционных схем, использующих возможности современных ДЛП световодов, методов измерений поляризационных параметров волоконных элементов.
Такая ситуация сдерживает возможности разработки эффективных волоконно-оптических интерферометрических измерителей и обуславливает актуальность исследований, приведенных в диссертационной работе.
Цель и задачи исследований
Основная цель диссертации - разработать теорию и методы расчета поляризационных эффектов в волоконных интерферометрах с двулучепреломляющими световодами, методы экспериментального контроля параметров волоконных элементов, позволяющие учитывать влияние
поляризационных рассогласований при создании волоконных интерферометрических измерителей с анизотропными световодами.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
1. Разработать теоретические модели анизотропного световода в схемах с
высококогерентным источником излучения, адекватно учитывающие
интерференционные эффекты связи мод на одной, двух, нескольких или
множестве неоднородностей. Определить возможные амплитудные и
фазовые соотношения прямых и перекрестных компонент поляризационных
мод на выходе волокна (параметры матрицы Джонса световода),
проанализировать возможность их флуктуации при изменении внешних
условий. Для варианта многочисленных случайных неоднородностей
определить статистические параметры коэффициентов матрицы Джонса
световода, разработать способы моделирования флуктуации коэффициентов
матрицы при изменении внешних условий и проанализировать свойства этих
флуктуации.
2. С учетом свойств современных двулучепреломляющих световодов
изучить возможность создания новых, модифицированных волоконных
интерференционных схем, более эффективных для применения в
измерительных устройствах, чем традиционные волоконные
интерферометры.
3. Разработать теоретические модели сигналов волоконных
интерферометров, учитывающие поляризационные эффекты в волоконных
элементах и поляризационные рассогласования в соединениях этих
элементов. Проанализировать влияние поляризационных рассогласований на
параметры интерференционного сигнала.
4. Разработать методы расчета характеристик волоконных измерительных
устройств на основе интерферометров с сильно двулучепреломляющими
световодами, позволяющие учитывать поляризационные эффекты,
вызванные произвольными комбинациями поляризационных
рассогласований в волоконной схеме. Провести анализ возможности практической реализации таких измерителей.
-
Найти эффективные методы измерения параметров анизотропных световодов, использующие поляризационные и интерференционные эффекты в двулучепреломляющих световодах. Проанализировать особенности и преимущества интерференционных принципов измерений поляризационных параметров двулучепреломляющих световодов по сравнению с традиционными методами.
-
Экспериментально подтвердить выводы теоретического анализа, реализовав дистанционные волоконно-оптические интерферометрические измерители с анизотропными световодами, провести тестирование, подтверждающее их эффективность и надежность.
Новизна
Теоретические и экспериментальные исследования, представленные в работе обладают научной новизной, поскольку впервые получены результаты:
- Определены статистические свойства параметров, описывающих связь
мод в ДЛП световодах с распределенной системой неоднородностей и их
флуктуации при изменении внешних условий (температура, давление),
дрейфе частоты оптического излучения когерентного источника.
- Разработана математическая модель интерференционного сигнала
дистанционного интерферометра Маха-Цендера с ДЛП световодами,
учитывающая влияние возможных поляризационных рассогласований в
схеме, и способ расчета выходного сигнала измерителя на основе такого
интерферометра.
- Предложена модифицированная волоконная схема с ДЛП световодами -
схема интерферометра с поляризационным разделением каналов (ИПРК),
обладающая преимуществами по сравнению с традиционным
дистанционным измерительным интерферометром Маха-Цендера.
Разработана математическая модель интерференционного сигнала ИПРК, учитывающая влияние поляризационных рассогласований в схеме, и способ расчета выходного сигнала измерителя на основе такого интерферометра.
- Предложен, подробно теоретически проанализирован и
экспериментально апробирован оригинальный интерференционный метод
измерения поляризационных параметров ДЛП световода.
- С применением ДЛП световодов реализованы макеты датчиков
микроперемещений, на основе дистанционных пассивных интерферометров
Маха-Цендера и ИПРК, продемонстрировавшие высокую эффективность и
надежность.
Достоверность
Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, базируется на том, что:
При проведении исследований применялись известные общепринятые способы теоретического анализа явлений в волоконно-оптических устройствах и методы экспериментальных измерений.
Результаты исследований согласуются с известными данными во всех случаях, когда возможно такое сопоставление.
- Основные выводы теоретических исследований о влиянии
поляризационных рассогласований в волоконной схеме с ДЛП световодами
на работу интерферометрического измерителя подтверждены в ходе создания
и испытаний нескольких макетов волоконных интерферометрических
датчиков.
- Основные результаты теоретического анализа интерференционного
метода измерения параметров ДЛП световодов полностью подтверждены
при экспериментальной апробации данного метода.
Научная и практическая ценность
Практическая ценность результатов исследований диссертационной работы состоит, прежде всего, в следующем:
Результаты анализа флуктуации амплитуд и фаз перекрестных компонент поляризационных мод на выходе ДЛП световода с системой неоднородностей могут использоваться не только для рассмотрения волоконных интерферометров, но и представляют самостоятельный научный интерес для описания поляризационных явлений в ДЛП волокнах.
Разработанные физико-математические модели и способы расчета влияния поляризационных рассогласований на параметры волоконных измерительных интерферометров могут непосредственно применяться при разработке и создании практических измерительных устройств.
- Предложенный интерференционный метод измерения параметров ДЛП
световодов, получил подробное теоретическое обоснование, учитывающее
все основные факторы, влияющие на характеристики измерителя подобного
типа, а так же экспериментально апробирован. Применение метода позволяет
тестировать и настраивать волоконные элементы в процессе разработки и
изготовления волоконных интерферометрических измерителей на основе
ДЛП волокон. Метод может быть положен в основу приборов для измерения
параметров ДЛП световодов, актуальных для производителей анизотропных
волокон и научных исследований свойств двулучепреломляющих волокон.
- Рассмотренные теоретически и практически реализованные в виде макетов
схемы волоконных измерительных интерферометров обладают высокой
эффективностью и надежностью и могут найти широкое применение в
разных областях науки и техники.
Внедрение результатов работы
Диссертационная работа выполнялась в СПбПТУ в течение многих лет. Результаты, полученные в материалах диссертации, использованы при выполнении хоз. договорных НИР «Бикварц-БНП-РВО», «Бикварц-БНП-РВО-2», «Бикварц-БНП-РВО-3», «Белизна», НИОКР «ВОСПГИС», и др.
Кроме того, ряд научных результатов использован в лекционных курсах, упражнениях и курсовом проектировании на старших курсах соответствующих специальностей.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Разработанные теоретическое описание и методы расчетов позволяют на основе информации о количестве, характере и величине возмущений сильнодвулучепреломлющего световода, оценить флуктуации амплитуды и фазы перекрестных компонент поляризационных мод на выходе волокна (флуктуации не диагональных параметров матрицы Джонса световода).
-
Разработанные физико-математические модели волоконно-оптических интерферометров на основе анизотропных световодов (интерферометра Маха-Цендера и интерферометра с поляризационным разделением каналов), позволяют рассчитать снижение амплитуды и искажение интерференционного сигнала, вызванные поляризационными рассогласованиями в схеме.
-
Устройства на базе интерферометров с анизотропными световодами со стабильными характеристиками интерференционного сигнала (уровень флуктуации амплитуды и искажений, связанных с анизотропной частью аргумента, не превышает 10%) могут быть реализованы при коэффициентах поляризационной экстинкции волоконных элементов более 15 дБ, и согласовании поляризационных осей световодов в соединениях менее 10 , что подтверждает практическую реализуемость таких устройств.
-
Разработанный интерференционный метод измерения коэффициента поляризационной экстинкции л двулучепреломляющих световодов, отличается от известных способов тем, что позволяет измерять значения Г) много большие, чем поляризационная экстинкция элементов измерительной схемы (прежде всего, входного поляризатора и анализатора), а так же тем, что при измерении больших значений л снижаются требования к динамическому диапазону системы регистрации света (для традиционных
методов необходим динамический диапазон > л, для интерференционного метода > д/л).
5. Предложенный принцип построения на основе двулучепреломляющих
световодов дистанционного пассивного волоконного интерферометра с
поляризационным разделением каналов, позволяет устранить влияние
флуктуации частоты лазера.
6. Созданные при использовании разработанных методов расчета и
экспериментального контроля поляризационных рассогласований
измерительные устройства с дистанционными интерферометрами на
анизотропных световодах продемонстрировали высокую эффективность
(регистрация акустических воздействий с разрешающей способностью до 2
мкПа/Гц ) и стабильную работоспособность при тепловых (нагрев на
десятки градусов) и механических (вибрации) возмущениях волоконных
элементов.
Апробация работы
Основные положения и результаты материалов диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах и конференциях:
- НТК «Инновационные и наукоемкие технологии для России».
С.-Петербург, 1995.
- III Межведомственная НТК «Проблемные вопросы сбора и обработки
информации в сложных радиотехнических системах». С.-Петербург, 1997.
НТК «Фундаментальные исследования в технических университетах». С-Петербург, июнь 1998.
V международная НТК «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 1999.
НТ семинар «Современные методы и средства воспроизведения и передачи размеров единиц длины и плоского угла», С.-Петербург, ГУП ВНИИМ им. Д.И.Менделеева, 2000.
- III всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные
проблемы защиты и безопасности», С.-Петербург, 2000.
- VI региональная конференция по распространению радиоволн,
С.-Петербург, октябрь 2000.
- V всероссийская НТК «Фундаментальные исследования в технических
университета, С.-Петербург, июнь 2001.
- VII региональная конференция по распространению радиоволн,
С.-Петербург, октябрь-ноябрь 2001.
Межвузовская НТК "Военная радиоэлектроника: опыт использования и проблемы, подготовка специалистов", Петродворец, С.-Петербург, февраль 2001.
12-ая межвузовская НТК "Военная радиоэлектроника: опыт использования и проблемы, подготовка специалистов", С.-Петербург, 2001.
в том числе, на международных конференциях и симпозиумах:
Int. Workshop NDTCS-1997, St.-Petersburg, Russia.
Int. Workshop NDTCS-2000, St.-Petersburg, Russia.
Int. Conference on Lasers for Measurements and Information Transfer, June 2000, St.-Petersburg, Russia.
Int. Conference on Lasers for Measurements and Information Transfer, June
2004, St.-Petersburg, Russia.
- Int. Conference on Lasers for Measurements and Information Transfer, June
2005, St.-Petersburg, Russia.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 28 работ. Полный список научных и научно-методических публикаций автора включает 62 наименования (в том числе 1 патент на изобретение и 2 монографии).
Объем работы
Диссертация изложена на 331 странице, основной текст содержит 246 стр., включая 108 рисунков, 8 таблиц. Список литературы на 77 страницах содержит 767 наименование.
