Интерферометр Маха - Цандера

Структура с гомодинированием и частотной модуляцией излучения полупроводникового лазера. При получении сигнала методом гомодинирования меры по устранению указанных трех шумовых факторов касаются в основном оптической системы. При этом в один из оптических путей вводится фазовый модулятор света, осуществляющий обратную связь для изменения выходного интерференционного сигнала. В результате выходной сигнал не только не подвергается влиянию колебаний I₁и I₂, но и улучшается его линейность. Однако для этого требуется хорошая частотная характеристика и линейность самого фазового модулятора.

Рассмотрим структуру, в которой реализован метод гомодинирования с использованием прямой частотной модуляции излучения полупроводникового лазера без применения фазового модулятора (рис. 23.4). Частота излучения одномодового полупроводникового лазера обычно пропорциональна изменению инжекционного тока ΔI. При заданной разности Δl оптической длины пути изменение частоты источника света в приемнике преобразуется в изменение фазы. При этом получается следующая зависимость:

, (23.3)

где k - постоянная, определяемая типом полупроводникового лазера и равная приблизительно 1ГГц/мА.

Как видно из формулы (23.3), изменением инжекционного тока можно компенсировать изменение фазы сигнала. На ток, инжектируемый в полупроводниковый лазер (рис. 23.4), накладывается ток частотой ω=1 МГц, большей, чем частоты в полосе сигнала. Обратная связь организуется так, чтобы составляющая этой частоты в выходном сигнале приемника, обнаруживаемая с помощью двойного балансного смесителя, была равной нулю. Это приводит к тому, что составляющая Р_ω в выходной сигнале Р при постоянной η выражается следующей формулой:

.

В этом случае, как видно из рис. 23.3, а, нет необходимости избавляться от постоянной составляющей выходного сигнала интерференционной системы, а следовательно (см. рис. 23.4), требуется только один приемник и тем самым упрощается оптическая система. В схеме на рис. 23.4 сигнал температурного дрейфа, имеющий большую амплитуду по сравнению с выходным сигналом, передается по цепи обратной связи на фазовый модулятор света, выполненный из пьезоэлемента.

На основе интерферометра Маха - Цандера разрабтаны гидрофон, в котором используется зависимость фазы распространяющегося света от звукового давления, спектрофон, измеряющий поглощение света газообразными веществами. При воздействии на газ светом, модулированным по интенсивности, газ, а вместе с ним и ячейка, расширяется. Изменение объема измеряется с помощью высокочувствитеьного интерферометра. Разработан высокочувствительный акселерометр, измеряющий сжатие и расширение стержня из упругого материала с намотанным на него оптическим волокном и прикрепленным грузом, испытывающим ускорение. Он позволяет измерять ускорения порядка 10^{-10 g}. Кроме того, создан амперметр с использованием джоулева тепла при протекании электрического тока по оптическому волокну с алюминиевым покрытием. Устройство имеет чувствительность ~ 5∙10^-6 А/м при частоте тока 10 Гц. Нанесением на оптическое волокно покрытия из электрострикционного материала можно аналогичным образом создать измеритель электрического поля. При покрытии, например, поливинилиденфторидом удалось достичь чувствительности примерно 4 рад/В на 1 м оптического волокна.

Интерферометр Майкельсона.

Волоконно-оптический интерферометр Майкельсона также широко используется для измерений. В частности, лазерный доплеровский измеритель скорости может рассматриваться как датчик на интерферометре Майкельсона.

Датчик на интерферометре Майкельсона используется в схеме измерителя магнитного поля постоянного тока с зеркалами, напыленными на торцы одномодового оптического волокна. Пьезоэлектрический преобразователь, как и в интерферометре Маха - Цандера, предназначен для компенсации температурного дрейфа. Оптическое волокно чувствительной части датчика введено в никелевый цилиндр. Никель - магнитострикционный 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 структуры интерферометров Майкельсона, например, с намоткой волокна на цилиндр из магнитострикционного материала, с нанесением на поверхность волокна магнитострикционного покрытия.

Обычно магнитострикционный материал обладает нелинейными свойствами, поэтому при подаче калибровочного сигнала переменного тока реакция материала, а вернее, изменение амплитуды этого сигнала зависит от магнитного поля постоянного смещения. Следовательно, можно определить напряженность магнитного поля постоянного тока или тока низкой частоты по изменению амплитуды калибровочного сигнала переменного тока. В качестве калибровочного подается сигнал с частотой 285 Гц. 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.

Интерферометр Фабри - Перо.

Как показано на рис. 23.5,установив друг против друга полупрозрачные зеркала, можно создать резонатор света с фазовой характеристикой, которая резко изменяется при прохождении света между зеркалами А и В туда и об ратно.

При изменении фазы, кратном 2π, наступает резонанс. Тогда при частоте источника света ω диапазон фазового вращения θ = 2ωl/с, поэтому одну и ту же резонансную характеристику можно получить, изменяя как l, так и ω. Частотный интервал f_r называется свободной областью спектра, Δf_r - половинной шириной резонансной кривой:

,

где R - коэффициент отражения полупрозрачного зеркала интенсивности света.

Показатель качества резонатора F 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 θ и, следовательно, чувствительность структуры к колебаниям l (например, под воздействием температуры или давления). При этом значение Δf_r уменьшится и тем самым повысится разрешающая способность по частоте. Однако, создавая интерферометр со структурой по рис. 23.5 из отдельных оптических деталей, необходимо придать определенную кривизну полупрозрачным зеркалам ввиду дифракции световой волны, поэтому удлинение резонатора затруднительно и удорожает интерферометр. Для устранения этих недостатков разработан волоконно-оптический интерферометр Фабри - Перо с непосредственным напылением на торцы одномодового оптического волокна полупрозрачного зеркального покрытия с высоким коэффициентом отражения.

Принцип действия волоконно-оптического интерферометра как температурного датчика заключается в зависимости длины или коэффициента преломления оптического волокна от температуры.

На рис. 23.6представлена структура волоконно-оптического интерферометра Фабри - Перо для измерения скорости потока. 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 колебаний можно использовать многомодовое оптическое волокно (интерференцию между модами).