Схет смещения постоянного тш J Генератор

шкочастотного тестового сигнала

Никелевый иилиндр{длина15см) Соленоид

Генератор переменного тока Зля коррекции

Зеркало

Опорное напряжение

и 2 6 8 Ю

Магнитная индукция поля постоянного смещения, 10 Тл

i 11

i II-Р 1

Частотна! полоса сигнала Г,бГц

При входном сигнале частотой ВОГц

J I „ I .J l L.

Частота, 10Гц/дел

UerL Mul? напряжениостн магнитного поля на основе интерфе-для н™1б,1пк» РРтика магнитострикционного эффекта для никеля (б), результаты измерений магнитного поля постоянного и низкочастотного toKa (в) Частотная полоса сигнала 1,45 Гц

дований, с зеркалами, напыленными на торцы одномодового оптического волокна. Пьезоэлектрический преобразователь, как и в интерферометре Маха - Цендера, предназначен для компен-196

сации температурного дрейфа. Оптическое волокно чувствительной части датчика введено в никелевый цилиндр. Никель - маг-нитострикционный материал. В магнитном поле цилиндр претерпевает деформацию, в результате чего изменяется длина оптического волокна и его коэффициент преломления, что, в свою очередь, приводит к модуляции фазы. Известны и другие подобные структуры интерферометров Майкельсона, например с намоткой волокна на цилиндр из магнитострикционного материала, с нанесением на поверхность волокна магнитострикционного покрытия. Достигнутая в этих интерферометрах чувствительность составляет 410~ А/м (5"10~ Э) на 1 м длины оптического волокна.

Обычно магнитострикционный материал обладает нелинейными свойствами, поэтому при подаче калибровочного сигнала переменного тока (см. рис. 6.14, а) реакция материала, а вернее, изменение амплитуды этого сигнала, как видно из рис. 6.14,6, зависит от магнитного поля постоянного смещения. Следовательно, если, например, установить постоянное смещение в точке А (рис. 6.14, б), то можно определить напряженность магнитного поля постоянного тока или тока низкой частоты по изменению амплитуды калибровочного сигнала переменного тока. На рис. 6.14, в поясняется детектирование напряженности низкочастотного магнитного поля. В качестве калибровочного подается сигнал с частотой 285 Гц. Как уже отмечалось, измерение постоянного тока с помощью обычного волоконно-оптического интерферометрического датчика затруднено из-за температурного дрейфа, но в интерферометре Майкельсона удачно используется нелинейность магнитострикционного материала, и эта проблема здесь решена.

Сообщений о подобных измерителях магнитного поля и об амперметрах с использованием магнитострикционных материалов достаточно много. Судя по ним, ведутся исследования метода компенсации гистерезиса, связи между методом нанесения покрытия и чувствительностью, по изготовлению длинных (например, 2 км и более) оптических волокон с никелевым покрытием.

6.3.4. Интерферометр Фабрн - Перо. Структура и принцип работы. Как показано на рис. 6.15, а, установив друг против друга полупрозрачные зеркала, можно создать резонатор света с фазовой характеристикой, которая резко изменяется при прохождении света между зеркалами А н В туда и обратно (рис. 6.15, б). При изменении фазы, кратном 2п, наступает резонанс. Тогда при частоте источника света со диапазон фазового вращения 6 = 2(о с, поэтому одну и ту же резонансную характеристику можно получить, изменяя как /, так и со. Частотный интервал fr называется свободной областью спектра, Afr - половинной шириной резонансной кривой:

2{т+1)к Изменение (разы между зеркалами АиВ

а I --f--------1------

С оысоким коэ(р(рии,иентом отражения

Рис. 6.15. Основная структура (а) и выходная характеристика (б) интерферометра Фабри -Перо

fr = cl{2l)-

(6.8) (6.9)

где R - коэффициент отражения полупрозрачного зеркала по интенсивности света.

Показатель качества (finesse) резонатора

как видно из формулы, тоже определяется коэффициентом отражения R.

Как правило, чувствительность выходного сигнала к изменению фазы входного света у интерферометра Фабри - Перо в F раз больше, чем у обычного.

Если каким-либо образом удлинить резонаторы, то увеличится диапазон 0 и, следовательно, чувствительность структуры к колебаниям / (например, под воздействием температуры или давления). При этом значение Л/г уменьшится и тем самым повысится разрешающая способность по частоте. Однако, создавая интерферометр со структурой по рис. 6.15 из отдельных оптических деталей, необходимо придать определенную кривизну полупрозрачным зеркалам ввиду дифракции световой волны, поэтому удлинение резонатора затруднительно и удорожает интерферометр. С целью устранения этих недостатков разработан волоконно-оптический интерферометр Фабри - Перо с непосредственным напылением на торцы одномодового оптического волокна полупрозрачного зеркального покрытия с высоким коэффициентом отражения.

Для измерения волоконно-оптическим интерферометром Фабри - Перо акустических или механических колебаний необходимо устанавливать рабочую точку, оптимизирующую чувствительность к сигналу переменного тока, айалогично тому как и 198

Рис. 6.16. Выходной сигнал интерферометра Фабри -- Перо g в зависимости от температуры

Охлаждение

Нагреб

для других структур интерферометров, - методом постоянного тока (см. рис. 6.5, а) либо методом переменного тока (см. рис. 6.6). Однако, как следует из рис. 6.15, при повышении чувствительности интерферометра ограничивается его динамический диапазон и для определенных случаев необходим нулевой метод. Волоконно-оптический интерферометр Фабри - Перо, в сущности, может быть выполнен на одном оптическом волокне и пригоден для измерения температуры без опорного волокна. Выходной сигнал (рис. 6.16) позволяет путем подсчета импульсов представить изменение температуры в цифровой форме. В данном примере получается 100 имп/(м-К).

Обычно принцип действия волоконно-оптического интерферометра как температурного датчика заключается в зависимости длины или коэффициента преломления оптического волокна от температуры, и в этом направлении ведутся теоретические и экспериментальные исследования. Уже известно, что для кварцевого оптического волокна без покрытия достигнута чувствительность около 100 рад/(м-К), а покрытие из кремния или некоторых других материалов заметно повышает эту чувствительность. Изучаются такие материалы - способы нанесения покрытия из них на оптическое волокно, которые бы делали интерферометр нечувствительным к колебаниям температуры. Волоконно-оптический интерферометр Фабри-Перо исследуется и как температурный датчик для медицины. Изучаются методы повышения чувствительности гидрофона на этом «нтерферо-метре, проводятся теоретические исследования характеристик интерферометра с учетом ширины спектра источника питания. При источнике света с щириной спектра А/ общая ширина резонансной кривой всей системы по половинному уровню будет

С учетом потерь в оптическом волокне показатель качества резонатора F является функцией длины волокна. Известно, что из-за толщины многослойных электрических пленок, наносимых на торцы оптического волокна (полупрозрачные зеркала), отраженные от них лучи не полностью совпадают по фазе в волокне, что снижает качество резонатора. Снижение можно несколько уменьшить, придав торцам волокна форму линзы перед нанесением покрытия.

блок. Обработки согнала

Обьектй

-. Сйетоприемное <Л> устройство

Трубка.

Луч лазера

Одномодовое волокно

/ Объектив Расщепитель луча

70"

Фиксатор Волокна

-j Земало

Поток

i §

>=3

таа гооо дооо woo

Шло Рейлольвса I I 1

5 10 15 го

Скорость потока, м/с

Рис. 6.17. Измерение скорости потока на основе интерферометра Фабри-

Перо

На рис. 6.17, а представлена структура волоконно-оптического интерферометра Фабри - Перо для измерения скорости потока. Обычно помещенный в поток предмет типа шнура колеблется, причем с частотой, пропорциональной скорости потока (это объясняется попеременным возникновением вихрей по обе стороны предмета). Эту частоту можно обнаружить по выходному сигналу интерферометра. На рис. 6.17, б приведены результаты измерений. В представленной структуре на одном конце оптического волокна зеркало, а на другом--полупрозрачное зеркало. Таким образом, интерферометр Фабри-Перо здесь является интерферометром отражательного типа. В соответствии с этим для обнаружения K0J]e6aHHfl можно использо-200

•кало Фаври-Перо

Волокно Полупрозрачное Интерферометр возвцжвент XoZm /Изолятор I k03(pipumeiimaM

Лазерный диод

"Попирштор \

светоприемное

устройстбо - о

Усилитель

Фазовый модулятор

Двойной балансный смеситель

Рис. 6.18. Прямое измерение формы спектра излучения лазерного диода с помощью интерферометра Фабри -Перо

вать многомодовое оптическое волокно (интерференцию между модами).

Прямое измерение формы спектра излучения полупроводникового лазера. На рис. 6.18 представлена система, разработанная для прямого измерения формы спектра излучения лазерного диода, необходимой при его использовании в качестве источника света. Здесь волоконно-оптический интерферометр Фабри - Перо работает как частотный фильтр с очень узкой полосой пропускания. За счет использования в нем оптического волокна с сохранением поляризации (длиной 1,1 м) получена половинная ширина резонансной кривой Afr=l,5 МГц. Резонансная частота интерферометра модулируется частотой ю с помощью фазового модулятора (путем удлинения оптического волокна), и на экране осциллографа индицируется форма спектра лазерного диода. Здесь температурный дрейф компенсируется путем извлечения с помощью двойного балансного смесителя составляющей со, подачи ее как сигнала обратной связи на фазовый модулятор и обращения в нуль низкочастотной составляющей. Это аналогично установке рабочей точки по методу переменного тока, используемому в структуре на рис. 6.6. При обычном одномодовом волокне в силу некоторой степени двойного лучепреломления на резонасной кривой появляются два резонансных пика, различающихся по частоте. Эту проблему можно решить, возбуждая только одну поляризованную моду посредством оптического волокна с сохранением поляризации.

На рис. 6.19, а показан спектр излучения полупроводникового лазера, работающего без нагрузки, а на рис. 6.19, б -суженный спектр при наличии обратного луча. Ширина спектра в каждом из этих случаев соответственно 17 и 2 МГц. Сообщается также об аналогичной системе, в которой используется ин-