Поляризационные эффекты в волоконных интерферометрах на основе двулучепреломляющих световодов

• Автор: Лиокумович, Леонид Борисович
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 333 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Раздел 1. Обзор литературы
1.1. Распространение света в двулучепреломляющих (ДЛП) световодах
1.2. Волоконные интерферометры и измерители на их основе
1.3. Модуляция разности фаз поляризационных мод в ДЛП волокнах
1.4. Элементная база с ДЛП световодами
Заключение
Раздел 2. Свойства ДЛП световодов с учетом связи мод при когерентном возбуждении
2.1. Общие положения и постановка проблемы
2.2. ДЛП световод с одним локальным участком со связью мод
2.3. ДЛП световод с двумя локальными участками со связью мод
2.4. Световод с многочисленными случайными неоднородностями
2.5. Световод с одной, двумя и несколькими случайными локальными
неоднородностями
Заключение
Раздел 3. Дистанционный интерферометр Маха-Цендера на основе
ДЛП световодов
Введение
3.1. Дистанционная волоконно-интерферометрическая схема Маха-Цендера
3.2. Дистанционная интерферометрическая схема Маха-Цендера на
основе ДЛП световодов
3.3. Учет рассогласований ориентации поляризационных осей световодов
3.4. Учет поляризационных рассогласований вследствие
конечной поляризационной экстинкции световодов
3.5. Учет сложных поляризационных рассогласований в разветвителях
3.6. Дополнительные факторы работы схемы
3.7. Анализ общего случая поляризационных рассогласований
в дистанционном волоконном интерферометре Маха-Цендера на
основе ДЛП световодов
Заключение
Раздел 4. Дистанционный измерительный интерферометр с
поляризационным разделением каналов
Введение
4.1. Оптическая схема интерферометра с поляризационным разделением каналов (ИПРК)

4.2. Схема ИПРК на основе ДЛП световодов. Режим полного поляризационного согласования элементов
4.3. Сигнал ИПРК с учетом поляризационных рассогласований
в отдельных элементах схемы
4.4. Дополнительные факторы работы схемы
4.5. Анализ общего случая поляризационных рассогласований в дистанционном волоконном интерферометре Маха-Цендера на основе ДЛП
световодов
Заключение
Раздел 5. Применение интерференционных эффектов для измерения поляризационных параметров волоконных элементов
интерферометрических схем
Введение
5.1. Традиционный подход к контролю поляризационных параметров оптических световодов
5.2. Контроль поляризационных параметров ДЛП световода
с использованием интерференционных явлений
5.3. Разрешающая способность интерференционного метода измерения поляризационных параметров ДЛП световода и проблемы реализации
измерительных устройств на базе данного метода
5.4 Эксперименты
Заключение
Раздел 6. Создание и тестирование экспериментальных дистанционных
интерферометрических измерителей на основе ДЛП световодов
Введение
6.1. Создание и тестирование практических конструкций волоконных преобразователей для чувствительных элементов волоконных интерферометрических датчиков
6.2. Экспериментальные макеты волоконных интерферометрических
датчиков
Заключение
Заключение
Приложения
Литература

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность тематики исследований
Оптические интерферометрические методы измерений давно применяются в науке и технике. Успешное развитие волоконной оптики привело к появлению особого 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 приема и обработки интерференционных сигналов.
Резкий всплеск интереса к тематике волоконно-оптических интерферо-метрических измерений в 80-е годы прошлого столетия был связан с высокими, часто даже рекордными, предсказываемыми уровнями, разрешающей способности, в сочетании с привлекательными особенностями волоконно-оптических технологий. Волоконные тракты имеют малые потери, малые габариты и вес, чувствительные световоды при большой длине могут быть выполнены как в распределенном, так и в сосредоточенном виде. Волоконные устройства практически нечувствительны к электромагнитным помехам и повышенной радиации, могут работать в агрессивных и взрывоопасных средах. Волоконные схемы не создают электромагнитных помех, что делает их привлекательными для различных специальных применений или специфических научных экспериментов.
Несмотря на активные исследования, позволившие уже к 90-м годам прошлого века подробно разработать общие принципы описания и построения волоконно-оптических интерферометрических датчиков (принципы создания чувствительных элементов, методы обработки интерференционного сигнала, принципы реализации дистанционных и пассивных интерференционных схем и даже основы мультиплексирования интерферометрических датчиков), практическое внедрение таких устройств весьма незначительно. Достижение высоких потенциальных возможностей при практической реализации интерферометрических измерителей оказалось не простой задачей, требующей использования сложных и дорогостоящих элементов. Кроме того, реализация надежно функционирующих интерферометрических устройств, особенно полностью волоконных, пассивных и дистанционных интерферометров требует решения ряда дополнительных научно-технических вопросов, не учитывающихся на этапе экспериментов показывающих возможности таких измерителей. Одна из ключевых проблем, возникающих при практической реализации и внедрения таких устройств - влияние поляризационных эффектов, связанных с рассогласованиями поляризации интерферирующих волн и вызывающие фединг и искажение сигнала интерферометра. Основной метод решения этой проблемы для дистанционных пассивных волоконных интерферометров - применение ДЛП световодов для обеспечения линейно-поляризованного излучения на всех участках схемы. Но применение ДЛП световодов усложняет процесс создания и настройки волоконной интерфе-

Понятно, что реализовать на практике волоконный интерферометр с ДЛП световодами, обеспечивающими режим распространения линейно-поляризованного излучения и полного согласования интерферирующих лучей по поляризации можно с ограниченной точностью. В реальной схеме неизбежно присутствие поляризационных рассогласований разного типа и величины. Такими поляризационными рассогласованиями, прежде всего, следует отнести угловые рассогласования в ориентации поляризационных осей волокон при соединении друг с другом, с линейно поляризованным источником и в разветвителях. Так же поляризационные рассогласования вносит конечная поляризационная экстинкция световодов вследствие внутренней или наведенной внешними возмущениями связи поляризационных мод. Ну и наконец могут быть важны такие факторы, как эллиптичности СП источника, трансформация СП излучения в разветвителях и т. п. Как следствие, в связи с практической разработкой волоконных интерферометров на основе ДЛП световодов возникает актуальная задача: анализ влияния поляризационных рассогласований в схеме на интерференционный сигнал и работу интерферометрического измерителя.
Следует отметить, что подобные вопросы достаточно подробно рассматривались для разнообразных вариантов волоконного интерферометра Саньяка и гироскопов на его основе. Для схем с применением слабо и сильнодввулучепреломляющих световодов рассматривалось влияние поляризационных рассогласований как в световоде, так и при стыковке с разветвителей на паразитный сдвиг показаний гироскопа [34, 136-138]. К сожалению, в силу специфики интерференционной схемы Саньяка, а так же отсутствию в указанных публикациях отдельного анализа свойств экстинкции самих световодов в случае когерентного излучения, трудно, использовать результаты полученные для волоконных гироскопов к анализу измерителей тепловых и механических воздействий измерителей на основе интерферометра Маха-цендера, Майкельсона и т.п. схем.
При использовании ДЛП световодов в типовых интерферометрических схемах для преодоления проблемы связанных с флуктуацией СП в световодах подразумевается работа световодов в режиме передачи одной поляризационной моды, т. е. передачи линейно-поляризованного излучения. Однако ДЛП световод сочетает в себе два независимых канала передачи ортогонально линейно-поляризованных волн. Этот режим работы ДЛП световодов используется при разработке специфического направления волоконных датчиков - волоконных поляриметров, близких по принципу действия к интерферометрическим [83, 85, 139,140]. В подобных схемах роль лучей прошедших через разные плечи интерферометра выполняют излучения поляризационных моды световода, приобретающие разность фаз, несущую информацию о воздействии. Однако указанная ДЛП волокна сочетать два канала, которые можно затем разделить поляризационным делителем, может применяться для создания модифицированных двухплечевых интерферометрических схем, как это будет рассмотрено в диссертации.