Interferometry światłowodowe[i.ś.]: [ 22 ]

• dwuwiązkowe: i.ś. Macha-Zehndera, i.ś. Michelsona, i.ś. różnicowy, i.ś. Sagnaca;

• wielowiązkowe: i.ś. Fabry-Perot, Swiatłowodowy rezonator pierścieniowy;

Zaletami interferometrycznych czujników światłowodowych jest ich wysoka czułość oraz możliwość wykorzystania zamkniętego obiegu światła ( odseparowanie od otoczenia ).

Za pomocą interferometru odbywa się w światłowodzie jednomodowym przetwarzanie informacji fazowej (Δφ) na informację natężeniową (ΔI). W systemach interferometrów światłowodowych stosowany jest amplitudowy podział wiązki świetlnej. Jako dzielnik wiązki świetlnej wykorzystuje się sprzęgacz światłowodowy.

Otrzymanie wiązek z jednego źródła pozwala na pewne skorelowanie fluktuacji w tych wiązkach. Spójność wiązki optycznej ( czyli stopień korelacji ) może być zmierzona w poprzek wiązki - spójność przestrzenna i w przedziale czasowym wzdłuż wiązki - spójność czasowa. Ta ostatnia jest efektem dominującym w interferometrach światłowodowych ze względu na podział amplitudowy. Na interferencję w światłowodzie wpływa również polaryzacja składanych wiązek świetlnych.

1.Światłowodowy interferometr typu Macha - Zehndera:

Schemat:

W układzie tym światło ze źródła wprowadzone do jednomodowego światłowodu dzielone jest amplitudowo przez sprzęgacz światłowodowy S₁ na dwie równe części. Jedna z nich propagująca się w gałęzi pomiarowej - wiązka pomiarowa doznaje przesunięcia fazowego(φ₁(t)) przy przejściu przez przesuwnik fazowy, druga nieprzesunięta fazowo (wiązka odniesienia ) propaguje się w gałęzi odniesienia. Obie wiązki są składane przez sprzęgacz S₂ i koherentnie mieszane dając interferencję obserwowaną na dwu detektorach jako natężenia I₁ oraz I_2. W przypadku idealnego sprzęgacza 2×2sprzężona wiązka doznaje dodatkowego opóźnienia fazowego o π/2 radianów. Promieniowanie obserwowane np. na detektorze 1 może być określone jako I₁ = <E₁*E₂>. Sygnały na dwu wyjściach z układu są dokładnie w przeciw fazie co może być wykorzystane do kompensacji szumu natężeniowego źródła. Widzialność (kontrast) interferencyjną określamy jako: V = (I_max-I_min)/( I_max+I_min).

Doskonała widzialność prążków osiągana jest jedynie w przypadku identycznych stanów polaryzacji oddziałujących wiązek. Jeśli wiązki mają ortogonalne stany polaryzacji to interferencja nie może być obserwowana. Wzory określające I₁ oraz I₂ określane są funkcją przenoszenia interferometru. Przyjmując, że przesunięci fazowe w gałęzi odniesienia jest stałe φ_b=const. Otrzymujemy na wyjściu z interferometru (detektor) prąd proporcjonalny do zmian fazy wywołanych przez wielkość mierzalną, gdzie zmiany Δφ=φ_a-φ_b wywołują zmiany prądu na detektorze pomiędzy prądem max i min. pomiar małych zmian fazowych (do czego służy interferometr) wymaga maksymalnej czułości fazowej definiowanej jako S_F=dl/d(Δφ). „Warunek pracy w kwadraturze” jest to celowe wprowadzenie π/2 stałego odchylenia fazowego celem otrzymania max czułości.

Podstawowe zalety tej konfiguracji: idealność dp zastosowania w systemach zawierających pojedynczy czujnik oraz łatwość konstrukcji układu. Podstawowe wady: konieczność stosowania dwu sprzęgaczy oraz trudność użycia go w liniach telemetrycznych.

2.Światłowodowy interferometr Michelsona:

W układzie tym zakończenia gałęzi pomiarowej i odniesienia zawierają lustra odbijające dzięki czemu układ może zawierać pojedynczy sprzęgacz. Konieczność zastosowania pojedynczego sprzęgacza oraz dwukrotnie większa czułość przetwornika fazowego (światło przechodzi przez niego dwukrotnie-tam i z powrotem) to dwie podstawowe korzyści tej konfiguracji. Cecha niekorzystna - trudności w jego wykonaniu.

Opóźnienia fazowe φ_a oraz φ_b oraz czasy τ_a oraz τ_b określane są dla całej drogi ( propagacja wiązki od sprzęgacza do odbijającego końca i z powrotem do sprzęgacza). Pole elektryczne E₁ mierzone jest na detektorze natomiast E₂ jest skierowane z powrotem do źródła. Dwukrotnie większa czułość niż interferometru Macha-Zehndera. Efekt odbicia mocy do źródła laserowego jest źródłem poważnego szumu (zabezpieczenie poprzez zastosowanie izolatora Faradaya).

[w 1. i w 2. wiązki prowadzone są różnymi drogami ale muszą mieć dopasowane stany polaryzacji]

3. Światłowodowy interfarometr różnicowy(polarymetryczny) - przykładem jest polarymetr światłowodowy:

Tutaj dwie wiązki propagują w jednym włóknie optycznym, ale są rozdzielone przez posiadanie ortogonalnych stanów polaryzacyjnych. Światło o danym stanie polaryzacji wprowadzane jest do liniowo dwójłomnego światłowodu celem pobudzenia obu modów własnych włókna. Umieszczony na wyjściu liniowy analizator o azymucie pod kątem α do szybkiej osi włókna pozwala na rozdzielenie obu ortogonalnych stanów polaryzacyjnych. Postać sygnału wyjściowego uzależniona jest od stanu polaryzacji (SOP) światła wejściowego. Główna zaleta - prosta budowa bez sprzęgaczy światłowodowych.

Czułość jest o dwa rzędy mniejsza niż w układzie klasycznego interferometru dwuwiązkowego.

4.Światłowodowy interferometr Sagnaca:

Zwany jest interferometrem pierścieniowym. Interferometr odwracalny. φ_a oraz φ_b odpowiadają wiązkom biegnącym w dwu przeciwnych kierunkach w jednym światłowodzie.

Interferometr czuły tylko na zakłócenia powodujące załamanie symetrii np. prędkość kątowa obrotu. Zalety: możliwość zastosowania niekoherentnego źródła światła (faktyczny brak różnicy dróg optycznych), mała czułość układu na straty sprzęgacza, brak konieczności dopasowywania długości obu gałęzi. Wykorzystanie m.in. jako żyroskop światłowodowy.

5. Światłowodowy interferometr Fabry-Perot:

źródło jest spójne

Tutaj widzialność dąży do jedności jeśli współczynnik odbicia luster „R” maleje, jednakże następuje wówczas redukcja amplitudy sygnału.

6. Światłowodowy rezonator pierścieniowy:

Rezonator pierścieniowy jest to odcinek światłowodu jednomodowego o długości L zamknięty w pętlę za pomocą sprzęgacza kierunkowego. Wejściowe promieniowanie o amplitudzie E₀ poprzez sprzęgacz kierunkowy dzielone jest na dwie części E₃ wchodzące do pętli i E₄ kierowane bezpośrednio do detektora. Krążąca w pętli rezonansowej fala optyczna przy każdym przejściu przez sprzęgacz jest częściowo odsprzęgana do detektora. Gdy długość światłowodu w pętli zapewnia warunek rezonansu tzn., gdy całkowite przesunięcie fazowe wzdłóż pętli rezonansowej jest wielokrotnością 2π radianów, zachodzi efekt interferencji konstruktywnej powodujące „uwięzienie” fali w pętli - natężenie detektoeane gwałtownie maleje.

2

4

źródło

3dB sprzęgacz

detektor

Pętla rezonansowa

---