Волоконно-оптические устройства технологического назначения.-1

101

волноводной моды. Фазовая чувствительность моды ВС к изменению DF входного воздействия определяется коэффициентом

Пусть ВС длиной L с диаметром D=2r0 испытывает аксиальное воздействие в направлении его оси z. Набег фазы при распространении данной моды на участке ВС длиной L составляет jmn = bmn L . Аксиальная деформация приводит к

удлинению ВС DL = el L , где el — относительная деформация.

Наличие деформации обусловливает изменение постоянной распространения моды. При этом изменение фазы

Постоянная распространения моды bmn изменяется вследствие

изменения показателя преломления n1 материала сердцевины ВС, обусловленного упругооптическим эффектом, а также из-за изменения диаметра сердцевины D. Тогда

С другой стороны, изменение показателя преломления среды при наличии упругих деформаций может интерпретироваться через возмущения оптической индикатрисы среды [3]:

pij — компоненты упругооптического тензора; индексы i и j принимают значения 1, 2, 3. Вектор относительной деформации ВС при аксиальной деформации имеет вид

102

где m — коэффициент Пуассона. В приближении изотропности характеристик ВС для упругооптического тензора можно записать [3]:

Тогда

в выбранном световоде. Соответственно

Количественная оценка коэффициента фазовой чувствительности дает следующий результат. Для стеклянных ВС n= 1,5; m= 0,25; l= 633 нм; p11 = p12= 0,3. Полагая D = 2 мкм,

Гомодинный интерферометр Маха — Цендера

В интерферометре Маха — Цендера (см. рис. 5.5, а) на дискретных элементах когерентный световой пучок от источника излучения (ИИ) с помощью полупрозрачного зеркала (ППЗ) или светоделительного кубика расщепляется на два пучка (опорный и сигнальный), распространяющихся по разным путям. С помощью полностью отражающих зеркал (З) и второго полупрозрачного зеркала эти пучки вновь объединяются и результат их интерференции регистрируется фотодетекторами (Ф). В измерительном плече внешнее воздействие (В) модулирует характеристики среды, что приводит к фазовой модуляции светового поля в этом плече. Такой интерферометр называют гомодинным, поскольку частота светового поля в опорном и измерительном плечах одинакова.

Полагая, что поле опорного и сигнального световых пучков на выходе интерферометра описывается соотношениями

104

Вычисляя отдельно эти интегралы, получим:

представлена для случая равных амплитуд интерферирующих пучков

на рис. 5.6. Особенностями характеристики I(ϕ) являются ее

нелинейность и очень малая крутизна при малых значениях разности фаз ϕ . Максимальная крутизна и линейность

характеристики достигаются при ϕ=р/2±mр . На практике при использовании таких интерферометров в качестве датчиков

106

из пьезокерамики, на которых ВС закреплен с помощью клея. Пьезокерамический элемент включается в контур обратной связи и управляется через электронную цепь.

Другой способ улучшения характеристик интерферометра Маха — Цендера — это переход к гетеродинной схеме, в которой реализуется интерференция двух световых волн с разными частотами. При различии этих частот на величину Дщ выходной сигнал фотодетектора представляется в виде

где jd и js — фазовые сдвиги, обусловленные дрейфовой

и сигнальной составляющими. Выходной сигнал фотоприемника обрабатывается путем фазового детектирования, и в результате электронной обработки удается достичь улучшения характеристик в гетеродинных схемах.

Схема гетеродинного интерферометра отличается от базовой схемы гомодинного интерферометра Маха — Цендера лишь элементом сдвига частоты света, введенным в одно из плеч.

В качестве элементов сдвига, как правило, используются акустооптические либо электрооптические модуляторы. В акустооптическом модуляторе дифрагированный световой пучок сдвинут по частоте относительно исходного падающего на величину, равную частоте акустической волны, вследствие эффекта Доплера. В фазовых электрооптических модуляторах это достигается за счет управляющего напряжения пилообразной

формы (см. подразд. 3.7).

Необходимо отметить существенное влияние когерентности светового излучения на характеристики интерферометров. Очевидно, что снижение когерентности ведет к размыванию интерференционной картины, поэтому в таких приборах в качестве источников излучения используются лазеры.

Гидрофон на основе интерферометра Маха — Цендера

107

На основе интерферометров Маха — Цендера реализовано и апробировано большое число ВОД для измерения акустических сигналов, линейных ускорений, характеристик электрического

имагнитного полей и т.д. На рис. 5.7 приведена схема датчика акустических полей — гидрофона. Здесь два плеча интерферометра представляют собой две цилиндрические катушки диаметром несколько сантиметров с навитым одномодовым ВС. Одна из них (опорное плечо) изолируется от воздействий, а вторая находится в среде, где проводятся измерения. Длина

ВС в каждом из плеч — несколько метров. В полностью волоконных интерферометрах деление светового луча на опорный

иизмерительный осуществляется с помощью волоконных Y-разветвителей. Технология формирования элементов датчика отработана достаточно хорошо, так что заданный коэффициент

деления световой мощности обеспечивается с точностью до единиц процентов.

Рис. 5.7. Схема ВО гидрофона на основе интерферометра Маха — Цендера: ОК — опорный канал; ИК — измерительный канал;

Л — линза; З — зеркало; ФП — фотоприемник

При использовании в качестве источника света ионного аргонового лазера (λ=514,5 нм) и длине световодов в каждом плече 4 метра (диаметр сердцевины ВС 2,5 мкм) достигнута чувствительность гидрофона 40÷180 дБ/В/мкПА. Это значительно превышает чувствительность обычных пьезоэлектрических гидрофонов.

108

При измерении акустических сигналов подобными датчиками необходимо учитывать различие механизмов взаимодействия акустических волн и ВС на разных частотах (длинах волн). На низких частотах, когда длина акустической

средних

частотах (Λ≈D, но Λ>>d, где d — диаметр ВС) проявляется градиент давления в направлении распространения колебаний. На высоких частотах (Λ≈d) распределение упругих напряжений в ВС неоднородно и необходимо принимать во внимание анизотропию свойств ВС, индуцированную акустической волной.

Волоконно-оптические датчики магнитного поля на основе интерферометра Маха — Цендера

Интерес к разработке ВОД магнитного поля обусловлен их потенциально очень высокой чувствительностью. Согласно оценкам, она достигает ~10–13 Э, что можно сравнить с чувствительностью сверхпроводящих квантовых интерферометрических детекторов (СКВИД). Однако датчики на основе СКВИД работают при температурах жидкого гелия (~4 К), в то время как ВОД способны обеспечивать почти такую же чувствительность, работая при комнатных температурах. ВОД могут использоваться как непосредственно для измерения слабых магнитных полей, так и для обнаружения металлических предметов, содержащих детали из ферромагнитных материалов. Такие предметы искажают однородное магнитное поле Земли и для их обнаружения используется не прямое измерение магнитного поля, а измерение его пространственного градиента.

ВОД магнитного поля интерферометрического типа используют эффект магнитострикции. Магнитострикция — это изменение размеров ферромагнитных материалов при воздействии магнитного поля. В кристаллах ферромагнетиков

109

магнитострикция носит анизотропный характер. Как правило, она проявляется

в изменении формы кристалла при незначительном изменении его объема. Величина эффекта магнитострикции оценивается величиной относительной деформации размеров образца l / l , где l — длина намагничиваемого образца, а l — ее изменение при намагничивании. Эту величину называют коэффициентом магнитострикции. Под коэффициентом продольной магнитострикции понимается относительное удлинение образца в направлении магнитного поля, а под коэффициентом поперечной магнитострикции — в ортогональном ему направлении. Для

большинства ферромагнитных металлов и сплавов продольная и поперечная магнитострикция имеет разные знаки.

Магнитострикционные материалы. Наиболее перспективными магнитострикционными материалами для использования

вВОД являются:

–ферромагнитные металлы (железо, никель, кобальт);

–некоторые сплавы на основе указанных металлов;

–металлические стекла — сплавы на основе ферромагнитных элементов, имеющие аморфную структуру

(например, Fe-B-Si).

Величина коэффициента магнитострикции существенно зависит от материала и его структуры. Структура может быть поликристаллической, иметь резко выраженную текстуру, но может быть и практически аморфной. Некоторое представление о различии коэффициентов продольной магнитострикции для разных материалов и разных направлений относительно их кристаллофизических осей дает табл. 5.1.

Конфигурации магнитострикционных чувствительных элементов для ВОД магнитного поля. Общая идея конструкции магнитострикционного чувствительного элемента для ВОД предполагает размещение и фиксацию ВС на основе из магнитострикционного материала, чтобы деформации этого

110

элемента преобразовать в деформации световода. На рис. 5.8 схематично представлены некоторые из подобных конструкций.

Таблица 5.1 Коэффициенты магнитострикции некоторых материалов

ВС

МС

Рис. 5.8. Некоторые конструкции магнитострикционных элементов

Простейший магнитострикционный элемент (МС) представляет собой пластину из ферро-магнитного материала (например, из никеля или металлического стекла), на поверхности которой закреплен (приклеен) ВС. В следующей конструкции магнитостриктор выполнен в виде полого цилиндра, на который намотан ВС. В этом случае деформируемый участок ВС может иметь значительно большую длину. В третьем элементе на оболочку световода наносится магнитострикционный материал, например, методом распыления в вакууме (при толщине покрытия менее 10 мкм) или методом