Podwójna modulacja

W przypadku wªókien z zawieszonym rdzeniem, oczekiwane sygnaªy fara-dayowskie powinny by¢ okoªo 100 razy sªabsze ni» we wªóknach z fotoniczn¡ przerw¡ wzbronion¡ (wynika to z ograniczonej ilo±ci ±wiatªa w polu zanikaj¡-cym). Oznacza to, »e przy otrzymanej w ukªadzie warto±ci SNR rz¦du okoªo 100, rejestracja sygnaªu we wªóknach SCF mo»e by¢ niemo»liwa.

Aby móc mierzy¢ tak sªabe sygnaªy zbudowany zostaª drugi ukªad po-miarowy, w którym oprócz modulacji pola magnetycznego zastosowana zosta-ªa technika modulacji dªugo±ci fali WMS (ang. Wavelength Modulation Spec-troscopy). Zastosowanie techniki WMS wymagaªo przede wszystkim zmiany lasera, gdy» laser DFB stosowany w eksperymencie uniemo»liwiaª uzyskanie

Długość fali, nm

Sy

gn

ał

p

o

de

m

od

ul

ac

ji

, V

a) x=0μ m b) ^{x=2 μ m} c) x=4 μ m

Rysunek 4.14: Sygnaªy FRS obserwowane przy zmianie sposobu pobudzenia wªókna  odsuni¦ciu ogniska ±wiatªa sprz¦ganego do wªókna wzgl¦dem pozycji optymalnej: a) pozycja optymalna, b) przesuni¦cie o 2 µm, c) przesuni¦cie o 4 µm. Górny wiersz odpowiada sygnaªom przy sprz¦gni¦ciu tylko do jednego modu polaryzacyjnego (sprz¦ganie wzdªu» osi dwójªomno±ci ±wiatªowodu), dolny wiersz  do obu modów jednocze±nie. Wykresy przedstawiaj¡ wyniki do±wiadczalne.

szybkiej modulacji dªugo±ci falip44. Zastosowano wi¦c laser ECDL, w którym modulacj¦ dªugo±ci fali uzyskuje si¦ poprzez modulacj¦ pr¡du diody laserowej z cz¦stotliwo±ci¡ ok. 200 kHz.

Dla dalszego zwi¦kszenia amplitudy sygnaªów zbudowany zostaª dªu»-szy solenoid o dªugo±ci 46,8 cm pracuj¡cy na cz¦sto±ci rezonansowej 1,3 kHz, daj¡cy na swojej dªugo±ci ±rednie pole magnetyczne 16,5 mTRMS(165 GRMS) o maksymalnych odchyleniach od warto±ci ±redniej rz¦du 5%. Podczas pracy

p44Uwaga ta nie dotyczy to wszystkich laserów DFB, a jedynie modelu zastosowanego w eksperymencie.

Rysunek 4.15: Schemat ideowy poª¡cze« elementów elektronicznych przy pomia-rach z modulacj¡ dªugo±ci fali. Kolory odpowiadaj¡ harmonicznym wyst¦puj¡cym w sygnaªach: czerwony  80 mHz, zielony - 1,3 kHz oraz niebieski 200 kHz.

solenoidu, ukªad rozgrzewaª si¦ do okoªo 70-80◦C. Kapilara zostaªa przygo-towana do pracy z wªóknami o dªugo±ci 58,9 cm, co dla wªókien AIR-6-800 oznacza caªkowit¡ obj¦to±¢ gazu rz¦du 13,2 nL.

W stosunku do poprzedniego ukªadu pomiarowego zmieniono tak»e po-ª¡czenia przyrz¡dów elektronicznych (rysunek 4.15). W celu zastosowania techniki WMS z modulacj¡ dªugo±ci fali, dodano generator wytwarzaj¡cy sygnaª o cz¦sto±ci 200 kHz (dobór cz¦stotliwo±ci przedyskutowany jest w na-st¦pnych akapitach). Sygnaª ten modulowaª pr¡d diody laserowej w laserze ECDL. W celu przeprowadzenia dodatkowego skanowania dªugo±ci fali do-okoªa przej±cia w tlenie, niezb¦dne byªo zsumowanie go z piªoksztaªtnym sygnaªem rampy, powtarzanej z cz¦stotliwo±ci¡ 80 mHz. Sygnaªy 200 kHz i 80 mHz zostaªy ze sob¡ zª¡czone na mikserze cz¦stotliwo±ci (tzw. bias-T ), a wypadkowy sygnaª traaª do sterownika lasera ECDL.

Dodatkowa, szybka modulacja dªugo±ci fali musiaªa zosta¢ zdemodulo-wana jako pierwsza. Mierzony sygnaª zostaª podany na wzmacniacz lock-in, który demodulowaª go na cz¦stotliwo±ci 200 kHz uzyskanej z genera-tora. Po tej operacji, sygnaª byª gotowy do kolejnego kroku demodulacji i traaª do drugiego wzmacniacza lock-in, demoduluj¡cego na 1,3 kHz. Sy-gnaª 1,3 kHz, podobnie jak poprzednio, pochodziª z wewn¦trznego oscylato-ra we wzmacniaczu. Sygnaª otrzymywany po tej demodulacji woscylato-raz z oscylato-ramp¡ 80 mHz mierzony byª na karcie DAQ obsªugiwanej w programie LabView. Pozwoliªo to na rejestracj¦ widm FRS.

Aby mo»liwa byªa podwójna demodulacja sygnaªu, niezb¦dne jest za-pewnienie odpowiednich staªych czasowych na wzmacniaczach lock-in, tak aby cz¦stotliwo±ci modulacji byªy od siebie odpowiednio odseparowane. Do-bór cz¦sto±ci 1,3 kHz zostaª wymuszony parametrami solenoidu. Dlatego te» pozostaªe cz¦stotliwo±ci zostaªy podporz¡dkowane tej warto±ci. Stosowany lock-in mógª pracowa¢ w zakresie do 200 kHz. Dla cz¦stotliwo±ci 200 kHz, jedyn¡ dost¦pn¡ staª¡ caªkowania na wzmacniaczu jest 10 µs. Przy okresie oscylacji rz¦du 5 µs dost¦pne s¡ zaledwie dwa okresy na staª¡ caªkowania. Jest to akceptowalne, cho¢ lepsze byªyby wi¦ksze staªe caªkowania. W prak-tyce, pozwala to uzyska¢ jeden punkt pomiarowy na 40 µs. Oznacza to, »e na jeden okres oscylacji na cz¦sto±ci 1,3 kHz, który wynosi okoªo 770 µs, zmierzonych zostaje prawie 20 punktów. Jest to warto±¢ umo»liwiaj¡ca po-miary. Amplituda modulacji dªugo±ci fali zostaªa tak dobrana, aby otrzyma¢ maksymalny sygnaª.

Dobór cz¦stotliwo±ci wolnozmiennej rampy czyli szybko±ci skanowania widma wykorzystuje analogiczne rozumowanie. Staªa czasowa demodulacji 1,3 kHz wynosiªa 100 ms. Cz¦stotliwo±¢ rampy dobrana zostaªa tak, aby po-miar wykonywany byª mo»liwie szybko, a mimo to nie ograniczaª amplitudy

sygnaªu. Empirycznie dobrana zostaªa warto±¢ 80 mHz, co odpowiada okre-sowi rampy 12,5 s. W praktyce stosowany byª jeden dwukanaªowy lock-in (model 7270 rmy Signal Recovery), który dokonywaª podwójnej demodula-cji.

Wzmacniacz typu lock-in daje dwa sygnaªy: amplitud¦ i faz¦, albo te» sygnaª w fazie X i w kwadraturze Y . Sygnaªy X i Y odnosz¡ si¦ do skªado-wej mierzonego sygnaªu, która posiadaj¡ dokªadnie t¦ sam¡ faz¦ co oscylator referencyjny (X) i faz¡ przesuni¦t¡ o 90◦ (Y ). Dla mierzenia maksymalnej amplitudy niezb¦dne jest wi¦c takie ustawienie wewn¦trznej fazy wzmacnia-cza, aby sygnaª widoczny byª tylko na jednym kanale (X lub Y ). Kanaª ten jest dalej przekazywany do drugiej demodulacji lub przekazywany do karty DAQ. Przy takim ustawieniu drugi kanaª zawiera wyª¡cznie szum.

Sygnaªy uzyskiwane z zastosowaniem techniki WMS s¡ analogiczne do sygnaªów mierzonych w poprzednim ukªadzie. Jedyn¡ ró»nic¡ jest wspo-mniana ju» zmiana ksztaªtu, gdy» mierzone s¡ pochodne poprzednio uzyska-nych sygnaªów. Ewolucja sygnaªów jest jednak analogiczna: przy pobudzeniu obu modów widoczny jest przyczynek wyª¡cznie od MCD, a przy pobudze-niu jednego modu obserwowane jest MCB. Zaprezentowany jest wi¦c tylko jeden przykªadowy sygnaª otrzymany przy pobudzeniu obu modów polary-zacyjnych jednocze±nie, zmierzony we wªóknie HC-PBF (rysunek 4.16).

W porównaniu do pomiarów z pojedyncz¡ modulacj¡, uzyskano oko-ªo 10-krotny wzrost stosunku sygnaªu do szumu w ±wiatoko-ªowodzie AIR-6-800 (SNR= 1192,3). Przekªada si¦ to na zwi¦kszon¡ czuªo±¢ metody. Minimalna mierzona absorbancja wynosi MDA = 2,3 × 10−7cm−1Hz^−1/2. Jest to wpraw-dzie mniejszy wzrost ni» oczekiwany, ale mo»e on ju» pozwoli¢ na rejestracj¦ sygnaªów mierzonych we wªóknach SCF.

Długość fali, nm