2.1.4 Слабокорреляционная рефлектометрия.

Слабокорреляционная рефлектометрия основана на измерении рэлеевского обратно рассеянного света и френелевского отражения света распространяющегося вдоль волновода. Используя измеренную интенсивность рассеянного или отраженного света, можно идентифицировать неоднородность материала или объект исследования. Основным элементом измерительной системы, основанной на слабокорреляционной рефлектометрии, является интерферометр Майкельсона, работающий со слабокогерентными оптическими источниками. Упрощенная блок-схема слабокорреляционного рефлектометра приведена на рис.2.4 [12].

Л уч слабокогерентного света ответвляется светоделительным элементом в два плеча:

1. опорное плечо со сканирующим зеркалом на конце,

2. сигнальное плечо, содержащее объект исследования.

Отраженное излучение из опорного плеча и рассеянное (или отраженное) излучение из сигнального плеча поступают на фотодетектор, где имеет место конструктивная или деструктивная интерференция. Конструктивная интерференция возникает только в том случае, если оптические пути в обоих плечах равны. Тогда для интенсивности принятого излучения можно записать выражение:

(2.7)

где ν – волновое число, – коэффициент отражения рассеивающего центра, P(ν) – распределение спектральной плотности мощности слабокогерентного оптического источника, α(ν) – коэффициент затухания сигнала, β(ν) – коэффициент пропускания объекта исследования, Φ(ν) – полный фазовый сдвиг, обусловленный светоделительным элементом и поверхностью зеркала, x, y – положения зеркала и рассеивающего центра соответственно, измеряемые от “начальных” положений, соответствующих балансному интерферометру (рис.2.4).

Соотношение для конечного предела пространственной разрешающей способности записывается в виде:

, (2.8)

где Δs – расстояние между двумя рассеивающими неоднородностями, n – коэффициент преломления исследуемого волокна, l_c – длина когерентности оптического источника, λ₀ – центральная длина волны, δλ – ширина спектра оптического источника.

Следовательно, длина когерентности источника света должна быть как можно короче для достижения высокой пространственной разрешающей способности. Тем не менее, пространственная разрешающая способность так же ограничена дисперсией.

2.1.5 Рефлектометрия на основе счета фотонов.

Основная идея данного метода заключается в использовании квантовой природы света и статистики Пуассона, которая приобретает большое значение при сверхнизких уровнях оптической энергии.

Вероятность регистрации k-го фотоэлектрона в момент времени t задана сложной вероятностью, которая является произведением вероятности появления фотоэлектрона в единичном интервале времени, начиная с момента времени t, и вероятности того, что (k–1) фотоэлектронов будут зарегистрированы в интервале времени (0,t). Таким образом, вероятность регистрации k-го фотоэлектрона в момент времени t будет задан формулой

(2.9)

Для k=1 соотношение (2.9) описывает частный случай – вероятность регистрации первого фотоэлектрона в момент времени t:

(2.10)

Если среднее число излученных фотонов в течение одного импульса очень мало

n₀<<1, (2.11)

то R₁ может быть аппроксимировано с допустимой ошибкой следующей формулой

(2.12)

Таким образом, полагая, что n₀<<1, вероятность регистрации первого фотоэлектрона “точно” соответствует функции освещенности. Если временная задержка между началом генерации оптического излучения и регистрацией первого фотоэлектрона измеряется много раз, то относительное число появления отдельных временных задержек будет точно соответствовать временной зависимости исследуемой оптической мощности. Соотношение (2.12) является основной формулой метода распределения временной задержки единичного фотона.

Для случая N-кратного измерения отношение сигнал/шум будет определяться соотношением

(2.13)

Минимально детектируемая мощность может быть получена при условии SNR_N=1:

(2.14)

Серьезным недостатком коррелированного во времени метода счета единичных фотонов, следующим из выражения (2.11), является относительно большое время измерения, которое достигает значений от единиц до десятков или сотен минут, что в большинстве практических случаев не допустимо. Тем не менее, это можно избежать, пренебрегая условием (2.11) и вводя соответствующую коррекцию результатов измерения.

Упрощенная блок-схема экспериментальной установки для регистрации обратно рассеянного света методом распределенной временной задержки единичных фотонов приведена на рис.2.5.

Рис.2.5. Блок-схема экспериментальной установки

Она состоит из двух основных групп блоков. Первая группа (генератор импульсов, лазер, ответвитель оптического излучения), которая присутствует в любом классическом рефлектометре, позволяет получить обратно рассеянный свет из ВС как отклик на возбуждающий импульс оптического излучения. Роль второй группы (SPAD детектор, счетчик, компьютер) заключается в обработке сигнала из оптоволокна.

Обратно рассеянный свет направляется в специальный детектор, основной частью которого является SPAD диод. Корректная работа детектора обеспечивается генератором импульсов, что позволяет избежать проблему френелевского отражения. Счетчик измеряет временную задержку между началом измеряемой обратно рассеянной световой волны и моментом детектирования первого фотоэлектрона. Данные из счетчика поступают в компьютер.

SPAD (Single-Photon Avalanche Diode – лавинный диод, регистрирующий единичный фотон) является лавинным диодом со специальной топологией [13], делающей возможным детектирование единичных фотонов. Свойство детектирования единичных фотонов достигается подачей на диод напряжения, превышающего напряжение пробоя. Для ограниченного периода времени возможно ввести диод в такое состояние, когда в фоточувствительном слое не будет свободных носителей заряда. В этом случае первый принятый фотон запускает процесс лавинного увеличения числа носителей заряда, который формируют импульс тока. Если напряжение смещения диода внезапно уменьшить до значения ниже величины пробоя, что позволит всем свободным носителям заряда релаксировать (срыв лавинного процесса), то после нового установления напряжения смещения выше величины пробоя диод снова становится способным регистрировать следующий фотон.