23.2. Датчики на основе интерференции Структуры волоконно-оптических интерферометров

В датчиках на основе интерференции используют различные схемы интерферометров. На рис. 23.2 представлены основные виды волоконно-оптических интерферометров. Структуры, представленные на рис. 23.2, а, б, используют в волоконно-оптических гироскопах. Они образуют единую систему. В интерферометрах Маха - Цандера и Майкельсона одни концы двух одномодовых оптических волокон предназначены для чувствительного элемента, другие - для опорного сигнала (рис. 23.2, в, г). В отличие от них интерферометры Фабри - Перо и интерферометры с поляризованными модами (рис. 23.2, д, е) выполнены лишь на одном оптическом волокне и разработаны с учетом использования тех или иных особенностей волокна.

В интерферометрах, за исключением интерферометров Фабри - Перо, интенсивности выходных интерференционных сигналов P₁ и Р₂ при исходной интенсивности двух световых волн I₁ и I₂ (на рис. 23.2, е это световые волны с ортогональной поляризацией) выражается следующим образом:

, (23.1)

. (23.2)

В этих формулах γ - показатель, называемый степенью когерентности интерференции. Он зависит от произведения ширины спектральной линии источника света Δf и разности длин двух оптических путей Δl. При Δf∙Δl = 0 γ получается равным единице. При изменении разности фаз φ между световыми волнами желательно для повышения чувствительности, чтобы Δf∙Δl было близко к нулю.

При разработке волоконно-оптического датчика типа интерферометра требуется компенситовать дрейф нуля, колебания масштабного коэффициента и нелинейность. Для этого применяются методы светового гомодинирования и гетеродинирования. При методе светового гомодинирования частоты двух интерферирующих световых волн равны и интенсивность выходного сигналаопределяется выражениями (23.1), (23.2). При световом гетеродинировании в один из оптических путецй вносится частотный сдвиг, между световыми волнами устанавливается разность фаз Δω и на выходе получается сигнал с фазовой модуляцией:

,

где φ_d и φ_s – фазы входного сигнала и дрейфа соответственно.

Фазовым детектированием выходного сигнала можно получить φ_d + φ_s, что и отвечает сути метода светового гетеродинирования. В первом методе отмеченные три проблемы решаются усовершенствованием оптической системы, а во втором - в основном усовершенствованием электроники с целью более полного использования техники фазового детектирования.

На рис. 23.3, а представлена наиболее общая схема интерферометра с гомодинированием. В этой структуре составляющая дрейфа φ_d компенсируется с помощью волоконно-оптического фазового модулятора. Здесь с помощью дифференциального усилителя из выходного сигнала интерферометра устраняется составляющая I₁+I₂ постоянного тока, а низкочастотная составляющая подается по цепи обратной связи.

Интерферометр Маха - Цандера

Структура с гомодинированием и частотной модуляцией излучения полупроводникового лазера. При получении сигнала методом гомодинирования меры по устранению указанных трех шумовых факторов касаются в основном оптической системы. При этом в один из оптических путей вводится фазовый модулятор света, осуществляющий обратную связь для изменения выходного интерференционного сигнала. В результате выходной сигнал не только не подвергается влиянию колебаний I₁ и I₂, но и улучшается его линейность. Однако для этого требуется хорошая частотная характеристика и линейность самого фазового модулятора.

Рассмотрим структуру, в которой реализован метод гомодинирования с использованием прямой частотной модуляции излучения полупроводникового лазера без применения фазового модулятора (рис. 23.4). Частота излучения одномодового полупроводникового лазера обычно пропорциональна изменению инжекционного тока ΔI. При заданной разности Δl оптической длины пути изменение частоты источника света в приемнике преобразуется в изменение фазы. При этом получается следующая зависимость:

, (23.3)

г де k - постоянная, определяемая типом полупроводникового лазера и равная приблизительно 1 ГГц/мА.

Как видно из формулы (23.3), изменением инжекционного тока можно компенсировать изменение фазы сигнала. На ток, инжектируемый в полупроводниковый лазер (рис. 23.4), накладывается ток частотой ω=1 МГц, большей, чем частоты в полосе сигнала. Обратная связь организуется так, чтобы составляющая этой частоты в выходном сигнале приемника, обнаруживаемая с помощью двойного балансного смесителя, была равной нулю. Это приводит к тому, что составляющая Р_ω в выходной сигнале Р при постоянной η выражается следующей формулой:

.

В этом случае, как видно из рис. 23.3, а, нет необходимости избавляться от постоянной составляющей выходного сигнала интерференционной системы, а следовательно (см. рис. 23.4), требуется только один приемник и тем самым упрощается оптическая система. В схеме на рис. 23.4 сигнал температурного дрейфа, имеющий большую амплитуду по сравнению с выходным сигналом, передается по цепи обратной связи на фазовый модулятор света, выполненный из пьезоэлемента.

На основе интерферометра Маха - Цандера разрабтаны гидрофон, в котором используется зависимость фазы распространяющегося света от звукового давления, спектрофон, измеряющий поглощение света газообразными веществами. При воздействии на газ светом, модулированным по интенсивности, газ, а вместе с ним и ячейка, расширяется. Изменение объема измеряется с помощью высокочувствитеьного интерферометра. Разработан высокочувствительный акселерометр, измеряющий сжатие и расширение стержня из упругого материала с намотанным на него оптическим волокном и прикрепленным грузом, испытывающим ускорение. Он позволяет измерять ускорения порядка 10^-10 g. Кроме того, создан амперметр с использованием джоулева тепла при протекании электрического тока по оптическому волокну с алюминиевым покрытием. Устройство имеет чувствительность ~ 5∙10^-6 А/м при частоте тока 10 Гц. Нанесением на оптическое волокно покрытия из электрострикционного материала можно аналогичным образом создать измеритель электрического поля. При покрытии, например, поливинилиденфторидом удалось достичь чувствительности примерно 4 рад/В на 1 м оптического волокна.