Ю. Н. Кульчин, Р. В. Ромашко, О.Т. Каменев, А.А. Камшилин

К настоящему времени фоторефрактивные кристаллы (ФРК) нашли широкое применение при создании интерферометрических измерительных устройств, лазерных систем, систем голографической памяти, пространственно-временных модуляторов света. Это обусловлено наличием в фоторефрактивных средах нелинейных оптических эффектов.

Одним из таких эффектов является эффект фанинга излучения – явление усиления излучения, рассеянного в фоторефрактивном кристалле [1,2]. Использование этого эффекта в ФРК открывает широкие перспективы для создания аналоговых систем обработки оптической информации. Особый интерес представляет применение ФРК для обработки оптических полей, формируемых волоконно-оптическими интерферометрическими датчиками (ВОИД) на основе многомодовых интерферометров при исследованиях динамических процессов в различных физических объектах. В таких исследованиях, возникает необходимость обработки сложных интерференционных полей в реальном масштабе времени. Кроме того высокая чувствительность интерференционных датчиков приводит к необходимости применения дополнительных мер по повышению помехозащищенности измерительного тракта, которые существенно усложняют измерительную схему и замедляют процесс обработки.

Обеспечить обработку интерференционных полей в реальном времени можно путем использования корреляционных пространственных голографических фильтров [3]. Однако изменение условий окружающей среды обуславливает смещение рабочей точки интерферометра, что приводит к необходимости записи нового фильтра. Поэтому корреляционный фильтр должен обладать свойством адаптивности, которое автоматически обеспечит подстройку системы обработки сигналов на новое положение рабочей точки.

Появление фанинга в ФРК связано с рассеянием когерентной световой волны на поверхностных и объемных неоднородностях и дефектах кристалла. Это рассеяние создает когерентный шум, изначально очень малой интенсивности, компоненты которого интерферируют с введенной в ФРК световой волной, образуя хаотически ориентированные динамические дифракционные решетки, являющиеся преимущественно фазовыми [6]. Последующая дифракция основной волны на этих дифракционных решетках приводит к усилению волн рассеяния и, как следствие, к увеличению глубины модуляции показателя преломления динамических решеток. Наблюдающаяся конкуренция волн рассеяния обуславливает создание стационарного набора обычных динамических решеток, которые и определяют пространственно-угловой спектр волн фанинга. Любое изменение пространственного распределения фазы или амплитуды введенной в ФРК волны приведет к нарушению стационарного режима фанинга вследствие отстройки от Брэгговского резонанса, что приведет к уменьшению мощности волны фанинга.

Если в ФРК вводится излучение, направляемое с выхода волоконно-оптического многомодового интерферометра (ВОМИ), то мощность фанинга будет пропорциональна значению функции корреляции распределений амплитуд интерференционных полей на выходе ВОМИ до и после воздействия на чувствительный элемент интерферометра. Если изменение параметров вводимой в ФРК волны прекратится, то в течение некоторого времени t _R (порядка секунды) в кристалле запишется новый набор дифракционных решеток, и снова установится стационарный режим фанинга, что приведет к увеличению мощности фанинга до прежнего значения. В связи с этим, в формировании выходного сигнала АКПФ будут участвовать лишь те изменения в структуре интерференционного поля, которые происходят в течение времени t <t _R. Все другие изменения, происходящие за время t >t _R , никак не повлияют на выходной сигнал фильтра. В этом и состоит адаптивность предлагаемого корреляционного пространственного фильтра на основе ФРК. Подбором типа фоторефрактивного кристалла, параметров приложенного к нему внешнего электрического поля, интенсивности вводимой оптической волны можно устранить влияние медленных изменений положения рабочей точки ВОМИ на выходной сигнал АКПФ и тем самым обеспечить устойчивость измерительной системы к изменению температуры, давления и других параметров окружающей среды. При этом обработка интерференционного поля ВОМИ осуществляется в реальном времени.

Для проверки эффективности применения ФРК в качестве АКПФ при обработке интерферометрических полей волоконно-оптических многомодовых интерферометров нами была создана экспериментальная установка, представленная на рис.1. Интерференционная спекловая картина с выхода ВОМИ вводилась в ФРК Bi₁₂TiO₂₀, для которого t _R=5с. Для повышения эффективности работы ФРК к нему в поперечном направлении было приложено переменное электрическое поле напряженностью 20 КВ/см. Интенсивность волны фанинга регистрировалась фотоприемником, выходной сигнал которого подавался на ось Y двухкоординатного самописца.. На ось X подавался сигнал с генератора, приводящего в действие электромеханический модулятор, воздействующий на чувствительный участок ВОМИ. Таким образом, самописец регистрировал зависимость выходного сигнала АКПФ от амплитуды синусоидального напряжения на модуляторе, представляющего собой внешнее воздействие на измерительную систему. На рис.2 линия 1 представляет собой зависимость выходного сигнала АКПФ от амплитуды напряжения на модуляторе для частоты n = 4 кГц, кривая 2 – то же для частоты n =0,1 Гц. Как видно из рисунка, зависимость для сигнала, имеющего период изменения T<t _R, носит линейный характер. Воздействие с периодом T>t _R не оказывало никакого влияния на выходной сигнал АКПФ. Таким образом, простота и высокая эффективность использования ФРК в качестве адаптивного корреляционного пространственного фильтра открывает широкие перспективы для его использования в задачах интерференционного мониторинга динамических процессов в различных физических объектах.

При исследовании процессов, происходящих в различных физических объектах, зачастую возникает задача определения не самой измеряемой величины, а ее градиента. К таким задачам относятся исследование механических напряжений твердых тел, исследование сил внутреннего трения в жидкостях и газах, исследование напряженности электрического поля и т.п. В этом случае для проведения мониторинга следует применять двухволоконные многомодовые интерферометры.

Двухволоконный ВОМИ имеет два чувствительных элемента, которые располагаются параллельно друг другу в области исследования на расстоянии D x. Оптические сигналы на выходах плеч интерферометра будут пропорциональны значениям исследуемой физической величины P(x) и P(x+D x). Если выходные излучения обоих плеч ВОМИ интерферируют между собой, то любое изменение фазы, вызванное внешним воздействием в одном из плеч, приведет к смещению интерференционных полос. Одинаковое же изменение фазы в обоих волокнах не приведет к изменению интерференционной картины. Подсчетом количества смещенных полос можно определить величину изменения D P=P(x+D x)-P(x) и при известном D x получим:Ñ P=D P/D x.

На рис.3. представлена схема измерительной системы для определения градиента физической величины , которая состоит из двухволоконного ВОМИ и АКПФ на основе фоторефрактивного кристалла. Оптическое поле, вводимое в ФРК, является результатом интерференции выходных излучений чувствительных участков ВОМИ, на которые оказывают воздействие пьезокерамические модуляторы. Изменение интенсивности волны фанинга будет пропорционально коэффициенту корреляции между распределением интенсивности входного оптического поля в момент времени t и в момент времени (t+D t).

Для исследования пространственных распределений параметров физических полей применяются распределенные волоконно-оптические измерительные сети (ИС) [7]. ВОМИ имеют значительные перспективы для создания подобных сетей, однако сложность обработки их выходных сигналов, а также низкая помехозащищенность ограничивают применение ВОМИ для создания распределенных ИС. Как показано в данной работе применение ФРК позволяет снять эти ограничения. Однако, для обработки выходных сигналов многомерных ИС, состоящих из сотен ВОМИ, необходимо использовать такое же большое количество ФРК, что существенно усложняет измерительную систему и повышает ее стоимость.

Используя [8], можно показать, что величина контраста интерференционной картины для случая перекрытия областей взаимно некогерентных оптических полей определяется выражением:

где m₀ – первоначальное значение контраста, s (V ) - параметр перекрытия областей в кристалле, k – константа, учитывающая степень оптической неоднородности некогерентного поля.

где V =x/d, x – расстояние между центрами каналов в плоскости кристалла, d – размер канала. Расчетная зависимость величины контраста от параметра V представлена на рис.6. Следует ожидать, что сигналы фанинга в обоих каналах при уменьшении расстояния между ними будут вести себя подобным образом.

Экспериментальное исследование работы двухканального АКПФ было выполнено на установке, схема которой представлена на рис.5. Излучение He-Ne лазера через Y-разъем вводится в два ВОМИ, разность длин которых D L=L₁-L₂ больше длины когерентности лазера. Таким образом, излучения на их выходах являются взаимно некогерентными. Чувствительный участок каждого ВОМИ плотно уложен вокруг пьезокерамического цилиндра, посредством которого осуществляется модуляция выходного излучения на частоте соответствующего задающего звукового генератора (w ₁=4.3 кГц, w ₂ = 17.9 кГц).

Оптические интерференционные поля с выходов ВОМИ, пройдя поляризатор П, вводятся через объектив О₂ в ФРК. Интенсивность формируемой волны фаннинга, регистрируется фотоприемником ФП. Результирующий выходной сигнал попадает на селективные усилители СУ₁ и СУ₂, настроенные соответственно на частоты 2w ₁ и 2w ₂, где и происходит разделение каналов в выходном сигнале измерительной системы.

Первоначально выходные концы волокон расположены параллельно друг другу на некотором расстоянии D x ₀ по оси x (см.рис.5), при этом их изображения в плоскости кристалла находятся на разных его краях по оси x: x = 3d, где d – диаметр пятна оптического излучения ВОМИ в плоскости кристалла. Экспериментально полученная зависимость величины переменной составляющей фаннинга для обоих каналов от расстояния между ними приведена на рис.6.

Видно, что когда излучения от разных ВОМИ вводятся в кристалл на значительном расстоянии друг от друга (перекрытие областей оптических полей отсутствует или минимально, контраст максимален), интенсивность волны фаннинга в каждом канале остается практически постоянной. Небольшое ее уменьшение объясняется тем, что формируемое в кристалле излучение фаннинга выходит за границы области каждого из каналов и тем самым оказывает влияние на соседний канал. И лишь при значительном сближении оптических полей в плоскости кристалла (x~ d/2) наблюдается существенное уменьшение уровня сигнала фаннинга в обоих каналах (- 3 dB).

Также было проведено экспериментальное исследование перекрестных шумов в обоих каналах. На рис.6 представлена зависимость спектральной компоненты сигнала фаннинга во втором канале, которая соответствует рабочей частоте первого (2w ₁). Было установлено, что уровень этого сигнала не превышает уровня собственных шумов второго канала (-11 dB).

Таким образом, в данной работе доказано, что применение фоторефрактивных кристаллов позволяет создавать высокоэффективные адаптивные корреляционные пространственные фильтры для аналоговой обработки выходных сигналов как отдельных волоконно-оптических многомодовых интерферометров, так и многоканальных распределенных измерительных сетей. При этом обработка осуществляется практически в реальном времени, а адаптивные свойства записываемых в ФРК динамических решеток позволяют полностью исключить влияние дрейфа рабочей точки интерферометра, обусловленного медленными изменениями параметров окружающей среды.

1. V. V. Voronov, I. R. Dorosh, Y. S. Kuzminov, and N. V. Tkachenko // Sov. J. Quantum. Electron. 10, 1346 (1980).
2. J. Feinberg // Opt. Soc. Am. 72, 46 (1982).
3. Y. A. Bykovskii, O. B. Vitrik, Y. N. Kulchin, and A. I. Larkin // Opt. Spectrosc. 68, 677 (1998).
4. Y.N. Kulchin, O.B. Vitrik, O.V. Kirichenko, O.T. Kamenev, Y.S. Petrov, O.V. Maksaev // Opt. Eng., 36, 1494-1499 (1997).
5. A.A. Kamshilin, T. Jaaskelainen, A.V. Khomenko, Garcia-Weidner // Appl.Phys.Lett., 67, N10, P.2585-2587 (1995).
6. M. Cronin-Golomb, A.Yariv, J. Appl. Phys., 57,4906 (1985).
7. Ю.Н. Кульчин, О.Б, Витрик, О.В Кириченко., Ю.С. Петров. // Квантовая электроника, т.20,N5,1993 г., с.513-516.
8. И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев. Спр. по математике.-М.: Наука, 1986.

 

 

датчики деформационных воздействий на основе волоконных световодов со специально измененной формой

Ю.Н. Кульчин, О.Б. Витрик, В.Г. Перфильев

Дальневосточный государственный технический университет

Волоконно-оптические датчики (ВОД) с амплитудной модуляцией излучения наиболее привлекательны для практического применения в измерительных системах, поскольку имеют простую оптическую схему, включающую, как правило, недорогие некогерентные источники излучения, стандартные фотоприемники и многомодовые волоконные световоды (ВС). Однако, производители волоконных световодов стремятся снизить до минимума амплитудную чувствительность ВС к деформирующим воздействиям, чтобы улучшить их эксплуатационные характеристики в линиях связи [1]. Поэтому для повышения чувствительности амплитудных ВОД их обычно дополняют промежуточными оптико-механическими устройствами усиливающими влияние деформирующих воздействий на интенсивность направляемого излучения [2]. Такие устройства значительно усложняет конструкцию и снижают эксплуатационную надежность датчиков. Поэтому принципиальное значение имеет повышение амплитудной чувствительности ВС к деформирующим воздействиям без использования внешних конструкционных элементов, а посредством изменения формы световода. С этой целью в настоящей работе изучается возможности создания чувствительных элементов за счет создания в ВС перетяжек специальной формы, рассматриваются вопросы мультиплексирования сигналов таких чувствительных элементов и исследуются возможность построения на их основе датчиков сейсмических воздействий.



Предлагаемый чувствительный элемент представляет участок световода с локальным уменьшением диаметра, который формируется в результате вытягивания разогретого отрезка ВС (рис 1а). Амплитудная чувствительность данного элемента к изгибу объясняется внесением дополнительных потерь излучения в перетяжке световода при рассогласовании распределений световых полей в недеформированном световоде и в перетяжке.

Для количественного описания процессов распространения излучения в данном устройстве в случае использования одномодовых ВС, принимается следующая модель: перетяжка представляет собой однородный цилиндрический участок малого диаметра ограниченный с обеих сторон недеформированным световодом (на рис 1а показано штриховыми линиями). Используя гауссово приближение для распределений полей мод, мощность прошедшего через перетяжку излучения можно приближенно описать выражением [3]

, (1)

где Р₀ - мощность световой волны, направляемой по световоду на перетяжку; - радиус гауссова пучка, распространяющегося по ВС, r_0i, радиус сердцевины и приведенная частота световода, соответственно (i=1 на недеформированном участке ВС, i=2 - в области перетяжки); n₁,n₂ - показатели преломления сердцевины и оболочки световода соответственно; l - длина волны используемого излучения; d=L × q /L- величина сдвига гауссова пучка на изогнутом участке ВС; q - угол изгиба, L - длина изогнутого участка; ; . На рис.2 представлены результаты расчетов для мощности проходящего через перетяжку излучения от угла изгиба. Параметры используемого ВС предполагаются следующими V₁=2,5, r₀₁=10 m m, длина перетяжки - 3 мм, длина волны излучения - 1,3 m m. Кривая 1 получена для случая r₀₂=0,8r₀₁; кривая 2 получена в случае r₀₂=0,5r₀₁. Из представленных рисунков видно, что изгибаемые перетяжки способны эффективно модулировать амплитуду направляемого по ВС излучения. Из рисунка также видно, что при малой кривизне изгибаемого участка зависимость Р(q /L) носит нелинейный характер. Это может вызвать затруднения при измерении малых угловых перемещений. Для того чтобы преодолеть этот недостаток в работе предлагается выполнять перетяжку со смещением в радиальном направлении так, как это показано на рис.1 б. В этом случае гауссовы пучки в основном световоде и в перетяжке изначально смещены друг относительно друга на некоторое расстояние d₀ так, что в случае изгиба перетяжки суммарный сдвиг становиться равным d=d₀+L × q /L. С учетом данной поправки зависимость мощности прошедшего излучения от угла изгиба становиться линейной для малых углов, что иллюстрируется результатами расчетов (кривая 3 на рис.2), произведенных для случая r₀₂=0,5r₀₁, d₀=0,3r₀₂.

Экспериментальные зависимости прошедшей мощности от угла изгиба несмещенной перетяжки представлены на рис.2 (кривые 4 и 5). Кривая 4 получена для перетяжки с r₀₂=0,8r₀₁, кривая 5 для: r₀₂=0,5r₀₁.



Результаты измерений зависимости мощности оптического сигнала от кривизны изгиба ВС в области смещенной перетяжки (с параметрами: r₀₂=0,5r₀₁, d₀=0,3r₀₂) представлены на рис.2 (кривая 6). Как и предполагалось, полученная кривая практически линейна при малой кривизне изгиба. Различие в количественных результатах расчетов и экспериментов может быть объяснено дополнительными потерями излучения из-за неоднородностей возникающих в процессе изготовления перетяжки и недостаточной точностью модели, используемой при выводе выражения (1).

В ходе экспериментов выяснилось, что в случае малого диаметра перетяжки (r₀₂<0,6r₀₁) изгиб нагружаемого ВС наблюдается именно в области перетяжки. В случае перетяжки большего диаметра (r₀₂>0,6r₀₁) изгиб стремится распределиться по всей длине световода, что приводит к резкому уменьшению кривизны изгибаемого участка ВС. Кроме того выяснилось, что перетяжки большего диаметра разрушаются при значительно больших радиусах кривизны (R), по сравнению с перетяжками малого диаметра. Так в случае r₀₂=0,8r₀₁ разрушение световода наступает при R~ 10 мм, а в случае r₀₂=0,5r₀₁ разрушение наступает при R~ 1,5 мм. Таким образом, перетяжки малого диаметра предпочтительнее, поскольку обеспечивают большую чувствительность ВС к деформационным воздействиям и большую устойчивость к механическому разрушению. Однако чрезмерное уменьшение диаметра перетяжки приводит к резкому снижению мощности проходящего через нее светового потока, что может затруднить проведение измерений. Таким образом, для работы в проходящем свете можно считать оптимальным диаметр перетяжки, изменяющийся в пределах от 0,5 до 0,6 диаметра основного световода. Для измерительных преобразователей, выполняемых на основе таких перетяжек в настоящей работе достигнута наибольшая пороговая чувствительность к углу изгиба, составляющая 0,03⁰.

Проведенные нами измерения показали, что при центральном возбуждении многомодовых световодов некогерентными источниками излучения, распределение интенсивности света в поперечном сечении ВС оказывается близким к распределению гауссова пучка. Поэтому все выводы, полученные выше в рамках гауссова приближения для одномодовых ВС, оказываются справедливы и для случая многомодовых волоконных световодов. На рис. 3 представлены экспериментальные зависимости Р(q /L), полученные для многомодового световода с параметрами V₁=20, r₀₁=50m m. Кривая 1 измерена в случае несмещенной, кривая 2 - в случае смещенной перетяжек. Как видно, данные результаты аналогичны результатам, полученным для одномодового световода, что открывает возможность использования более дешевых и широкоапертурных многомодовых световодов и недорогих некогерентных источников в датчиках.

Следует отметить, что перетяжка, как и всякая другая неоднородность в ВС, способна не только вносить возмущения в проходящий световой поток, но и формировать отраженный сигнал. Однако, из-за непериодического характера рассматриваемой неоднородности и ее сравнительно больших размеров (L>>l ), связь вперед и назад распространяющейся моды в области перетяжки оказывается чрезвычайно слабой. Интенсивность отраженного назад от перетяжки излучения, оцененная в рамках приближения связанных мод [3] не превышает 10^-8% от интенсивности проходящего излучения. Однако изгибаемая перетяжка способна вносить потери в поток рассеянного назад света, сформированного в результате Реллеевского рассеяния направляемого по волокну излучения. Это открывает возможность регистрации изгиба перетяжек не только в проходящем, но и в “отраженном” свете методами рефлектометрии.

На рис.4 представлены результаты тестирования стандартным рефлектометром световода, снабженного перетяжкой с радиусом r₀₂=0,7r₀₁ , длиной 3 мм (кривая 1 получена для перетяжки без изгиба; кривые 2, 3 - при изгибе перетяжки на 2⁰ и 3⁰ соответственно). Видно, что отклик перетяжки легко выделяется на кривой интенсивности обратного рассеяния, как область резкого перепада кривой.



Из представленных результатов следует, что в “отраженном” свете чувствительность измерительного преобразователя на основе перетяжки может достигать 2 дБ/градус. Для сравнения, изгибу подвергался участок световода длиной 3 мм не содержащий перетяжки. Чувствительность получаемого преобразователя к углу изгиба оказалась на три порядка ниже, чем для преобразователя на основе перетяжки световода.

Из полученных рефлектограмм также видно, что метод временной рефлектометрии позволяет определить местоположение перетяжки в ВС с точностью до 10 м. Поэтому, можно сформировать квазираспределенный датчик деформаций изгиба, если расположить перетяжки вдоль волокна с шагом превосходящим указанную длину. На рис.4 представлены результаты тестирования ВС, снабженного тремя последовательно расположенными перетяжками радиуса r₀₂=0,8r₀₁., расположенными на расстоянии 30 м друг от друга. Кривая 1 получена в отсутствие изгибов, кривая 2 получена, когда третья перетяжка изогнута на угол 3⁰, кривая 3 - когда изогнута вторая на такой же угол. Как видно, сигналы об изгибе трех перетяжек уверенно разделяются. Однако, для того чтобы надежно мультиплексировать сигналы от большего числа измерительных преобразователей рассматриваемого типа, следует использовать рефлектометр с более широким динамическим диапазоном.



В ходе экспериментов выяснилось, что для работы в режиме модуляции рассеянного назад излучения оптимальный диаметр перетяжки несколько больше, чем в режиме “на просвет”: около 0,7¸ 0,8 диаметра основного световода. Это связано с дополнительными потерями излучения вследствие его двойного прохождения через область перетяжки: при распространении по волокну вперед и после рассеяния назад. Для того, чтобы избежать преждевременного разрушения изгибаемого ВС, которое, как отмечается выше, возможно при увеличенных диаметрах перетяжки, было предложено использовать полиакриловое лаковое покрытие для деформируемой области световода. Это позволило обеспечивать радиус кривизны ВС в области перетяжки до 4 мм без разрушения последнего.

В настоящей работе проводились исследования возможности применения разработанного чувствительного элемента (ЧЭ), изготовленного на основе смещенной перетяжки многомодового ВС, для построения датчика сейсмических колебаний. Датчик содержит закрепленный на пружине груз к которому также прикреплен отрезок световода с перетяжкой (рис. 5). Колебания груза вызывают изгибы перетяжки ВС и, соответственно, модуляцию светового потока, направляемого по световоду.



На рис. 6 показана временная развертка выходного сигнала сейсмодатчика, при возбуждении собственных затухающих колебаний виброплатформы на которой он установлен. Рис. 7 (внизу) демонстрирует выходной сигнал датчика при возбуждении виброплатформы кратковременным толчком. Для сравнения на этом же рисунке (вверху) представлены показания магнитодинамического приемника СМ-3в. Как видно сигналы разработанного и стандартного измерительных устройств хорошо коррелируют.

Из представленных результатов следует, что сеймодатчик на основе смещенной перетяжки световода линейно преобразует сейсмические колебания в оптический сигнал. Динамический диапазон датчика достигает 59 дБ, пороговая чувствительность - 10^-6 g.

Таким образом, в настоящей работе разработан метод значительного повышения амплитудной, чувствительности волоконных световодов к деформации изгиба и продемонстрирована, возможность формирования на основе таких ВС чувствительных элементов квазираспределенного типа и измерительных преобразователей сейсмических колебаний. Предложенный метод, может стать основой для разработки широкого круга малогабаритных и высокочувствительных измерительных устройств для регистрации параметров полей деформации различной природы.

 

Литература.

1. Гауэр Дж. Оптические системы связи. М.: Радио и связь, 1989 с.
2. Бусурин Б.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики. М.: Энергоатомиздат, 1990 с.
3. Снайдер А., Лав Дж. Теория оптических волноводов. М.: Радио и связь, 1987.