Interferometry światłowodowe

Interferometry światłowodowe

• Wprowadzenie

• Podstawowe prawa

• Przetwarzanie sygnału

• obróbka optyczna

• obróbka elektroniczna

Układy te stanowią nową klasę czujników, gdzie podstawowy mechanizm działania polega na zmianie przez czynnik mierzalny drogi optycznej lub polaryzacyjnych własności włókna. Czujniki te noszą też nazwę czujników wewnętrznych lub fazowych.

Dla włókna optycznego, technika obróbki optycznej, która przetwarza informację fazową na informację natężeniową (DI), nazwana jest interferometrem światłowodowym. Jest to prosty układ światłowodowy pozwalający na obserwowanie interferencji pomiędzy dwiema lub większą liczbą wiązek optycznych.

Interferometry światłowodowe stanowią odpowiedniki wszystkich znanych interferometrów objętościowych, gdzie droga wiązki świetlnej zamknięta jest w

Podstawowe prawa

Czujnik optyczny może być formalnie zdefiniowany jako urządzenie w którym sygnał optyczny jest zmodulowany w odpowiedzi na mierzalne pole. Zakładając że źródło ma dobrze zdefiniowane widmo oraz, że jego pole elektryczne dla jednostkowej szerokości pasma dla długości fali l jest E(l), to odpowiadające mu pole elektryczne na wyjściu czujnika będzie:

Gdzie T(X, l) jest macierzą propagacji opisująca element czujnikowy, zaś X wektorem opisującym czynnik mierzalny (pole fizyczne), włączając wyrażenia reprezentujące temperaturę, naprężenie i pola elektromagnetyczne. Zadaniem przetwarzania sygnału systemu czujnika jest przekształcenie tego wzoru celem wyznaczenia T ponownego jego przekształcenia dla określenia X i na tej podstawie obliczenia jego względnych składowych celem określenia mierzonego czynnika .

Macierz T wygodnie jest zapisać jako iloczyn wyrażeń opisujących fizycznie obserwowalne oddziaływanie na przechodzącą wiązkę:

gdzie: a – skalarna transmitancja, f1 – średnie opóźnienie fazowe, zaś B

macierz dwójłomności danego elementu; wszystkie te wielkości są zarówno dyspersyjne jak i czułe na zmiany środowiskowe.

W systemach jednommodowych, mechanizmy czujnikowe bazują na modulacji jednego lub kombinacji powyższych trzech parametrów. W praktyce jednak transmitacja włókna jest słabo zależna od środowiskowych zmian, stąd wewnętrzne czujniki fazowe bazują głównie na fazowej lub polaryzacyjnej modulacji.

Zastosowanie formalizmu Jonesa daje funkcje przenoszenia:

Jeżeli włókno posiada idealna symetrię cylindryczną: B = I, dwójłomnościowych własności włókna. Na przykład, dla włókna o liniowej dwójłomności:

Włókno to posiada dwa liniowo spolaryzowane mody własne, takie że

f

określa indukowane względne fazowe opóźnienie pomiędzy modami własnymi wywołane przejściem wiązki przez włókno. Dla włókna o kołowej dwójłomności:

gdzie: 2

f

własnymi, które są w tym wypadku kołowymi lewo- i prowo- skrętnymi polaryzacjami.

Czułość włókna może być określona w wyrażeniach zależności fazy

f

na zewnętrzne wymuszenia takie jak temperatura (T), ciśnienie (P), odkształcenie (Dl/l):

l – długość włókna w przetworniku, ni - względny współczynnik załamania

włókna.

Funkcja przenoszenia:

układ objętościowy układ światłowodowy

Optyczne przetwarzanie sygnału

Fazowa lub polaryzacyjna

de-modulacja nośnej optycznej

jest otrzymywana poprzez

za-stosowanie interferometru,

zaś dalsze przetworzenie syg-nału na użyteczną postać

re-alizuje układ przetwarzania

elektronicznego.

IWB – interferometry

współ-bieżne

IPB – interferometry

przeciw-bieżne ANALIZA:

1. Wpływ sprzęgaczy

2. Wpływ położenia PF

Idealna konstrukcja (bez polaryzacji)

Opis sprzęgacza: Interferencja:

Stopień koherencji źródła:

Widzialność (kontrast) interferencyjny: Natężenie na detektorze:

Idealna konstrukcja (bez polaryzacji)

Natężenia:

Idealna konstrukcja – twierdzenie o ekwiwalentności Kaprona:

Wektor Jonesa dla źródła:

Macierz układu:

Funkcja przenoszenia:

Współczynnik skali Konfiguracja Bias

Interferometr różnicowy (polarymetr liniowy):

Funkcja przenoszenia:

dla d==p/4

Zmiana własności polaryzacyjnych wpływa jedynie na zakres dynamiki

Interferometr Macha-Zehndera:

a. Tylko skręt:

b. Tylko dwójłomność

MZ (RP) są bardzo wrażliwe na zmiany wejściowego SOP oraz własności

Interferometr Michelsona (Fabry-Perota): Wejściowa wiązka o liniowym SOP (b=p/4) IM (FP) są bardziej stabilne polaryza-cyjnie.

Brak wpływu skrętu

włókna, zaś dwój-łomność wpływ pod-wójny.

Interferometr Sagnaca:

a. Tylko skręt:

b. Tylko dwójłomność

Redukcja wpływu polaryzacji:

• zastosowanie włókien Hi-Bi (wzrost kosztów 3 USD/m, konieczność dopasowywania wejściowego SOP do elementów)

• korekcja poprzez nastawnik polaryzacji • redukcja „stopni swobody” (F−d−W):

• różnicowy – filtracja polaryzacyjna (pokazano)

• konfiguracje MZ i RP niestabilne – aktywna kontrola polaryzacji • wybór odpowiedniej konfiguracji optycznej:

- IPB zamiast IWB (bardziej stabilne)

- pomiar SOP w czasie rzeczywistym (detekcja polaryzacyjno-fazowa) - interferometr Sagnaca w układzie odwracalnym

Interferometr DW dwufalowy (l1 i l2) - rozszerzenie obszaru dynamiki Funkcja przenoszenia:

Wzrost dynamiki o czynnik

Interferometr światła białego

Alternatywna metoda zwiększenia dynamiki poprzez zastosowanie źródła o krótkiej drodze koherencji pozwalająca mierzyć zarówno fazę jak widzialność obrazu interferencyjnego celem zwiększenia dynamiki pomiaru.

Wyjściowe pole elektryczne:

Określają różnicę w czasie propagacji pomiędzy drogą 1 i 2 dla odbiorczego i czujnikowego interferometru => funkcja przenoszenia:

Elektroniczne przetwarzanie sygnału

Funkcja przenoszenia:

Zatem interferometr nie mierzy absolutnego opóźnienia fazowego a jedynie względne opóźnienie fazowe pomiędzy dwoma ramionami.

Zasadniczy problem przetwarzania sygnału to rozpoznanie tej części zmian fazy która pochodzi od czynnika mierzalnego przy występowaniu różnych źródeł szumu.

Zasadniczo dogodnie jest podzielić fazę mierzoną na całkowity wkład od źródeł szumu (fd) i wkład od sygnału (fssinwst).

Prąd fotodektora:

Widmo sygnału elektrycznego: ponieważ czułość jest zależna od

czynnika szumowego fd konieczne

jest zastosowanie bardziej wyuz-danej techniki detekcyjnej

Aktywna homodyna

Schemat ten używa servo mechanizmu celem utrzymania interferometru w stałym punkcie pracy tzn. (fd) = const. np. p/2

(praca w kwadraturze)

Pasywna homodyna

Technika ta wymaga takiej konfiguracji by dwa wyjścia z układu były przesunięte o stała wartość fazową najlepiej p/2 radiana. Np.. poprzez zastosowanie sprzęgacza 3x3 lub dla polarymetru poprzez dołożenie płytki ćwierćfalowej, wówczas:

po zastosowaniu filtra wąskoprzepustowego

Techniki heterodynowe

Przetwarzanie heterodynowe pozwala na otrzymanie linowej odpowiedzi układu w

szerokim zakresie pomiarowym. Heterodyna oznacza, że optyczne częstotliwości w

ramieniach interferometru są niezrównoważone, co osiąga się poprzez zastosowanie

w ramieniu odniesienia modulatora takiego jak komórka Bragga. Wówczas na wyjściu

Zatem sygnał wyjściowy ma postać fazowo-zmodulowanej nośnej heterodynowej, której obróbka elektroniczna jest świetnie rozwinięta przez technikę radiową.