Введение к работе
І. .
Актуальность.-Современные области науки и техники нуждаются в высокочувствительных датчиках. Прецизионные волоконно-оптические датчики (ВОД) достаточно полно удовлетворяют поставленным требованиям. Среди прецизионных ВОД одними из наиболее чувствительных являются ВОД на основе волоконно-оптических интерферометров с взаимным оптическим контуром (ВОИВОК). Эти ВОД выполняются на основе одномодовых волоконных световодов (ОВС). Актуальность работы определяется необходимостью расчета и прогнозирования точности ВОД интерферометрического типа, подвергающихся различного рода воздействиям, соответствующим условиям реальной эксплуатации, определения физических моделей и математического аппарата для Списания оптических явлений в возмущенном волоконно-оптическом контуре, а также выяснения условий создания высокочувст витальных и помехоустойчивых волоконных интерферометров на основе одномодовых волоконных световодов.
Цель геботн. Исследование физических явлений, возникающих в волоконно-оптическом контуре ВОИВОХ при различного рода воздействиях, а также активных процессах в самом волоконно-оптическом контуре. Часть этой проблемы состоит в разработке математических методов описания и физических моделей оптических процессов в ВОИВС теоретическом анализе экспериментов и анализе влияния рассматриваемых физических явлений на чувствительность ВОИВОК при наличии внешних воздействий. Вторая часть этой проблемы состоит в применении полученных результатов для разработки новых управляющих и чувствительных элементов, принципиальных схем и практических вариантов интерферометретеских ВОД с повышенной устойчивостью к внешним воздействиям и их оптических элементов.
Научная новизна. Получена релятивистская формула для ;. эффекта Саньяка в волоконном кольцевом интерферометре (ВКИ) с оптически* контуром произвольной геометрии и распределенными по длине оптическиш параметрами, части оптического контура могут двигаться относительно друг друга произвольным образом. Разработали теоретические методы определения изменений, состояния поляризации оптической волны в возмущенном анизотропном ОВС для случая, когда поляризация оптической волны близка к одному из собственных состояний поляризации анизотропного ОВС и изменяется по его длине. Дан теоретический анализ работы ВКИ в условиях образования в ОБО дискретных и распределенных по длине ОВС центров возмущений, шшциируемых различного рода физическими воздействиями. Разработан теоретический метод определения наиболее устойчивых к поляризационным возмущениям типов ОВС. Дана сравнительная оценка поляризационной помехоустойчивости ОВС с сильной анизотропией, изотропного ОВС, а также ОВС с сильной оптической активностью. Сделан теоретический вывод о наиболее оптимальных (для применения в волоконных интерферометрах)- типах ОВС, обладающих одновременно сильной оптической активностью и средней величиной линейного двулучепреломления. Показано, что наибольшей поляризационной устойчивостью и наименьшим уровнем шумов обладает? оптические сигналы, тлеющие на входе ОВС собственное для данного ОВС состояние поляризации. Определены статистические механизмы преобразования широкополосных поляризационных шумов в низкочастотный дрейф выходного сигнала волоконного интерферометра. Разработана теория сглаживающего волоконного поляризационного модулятора, показавшая невозможность полного устранения
.-5-
остаточных поляризационных шумов в случае применения волоконных поляризационных модуляторов. Рассмотрен и объяснен комплекс физических явлений, связанных с возмущением поляризационной структуры ОВС внешними нестационарными воздействиями. Обнаружено проявление акустической эмиссии в ОВС и сопряженных с волокном элементах конструкции под влиянием внешних нестационарных факторов, дана оценка ее вклада в шумы выходного сигнала ВКИ. Дан теоретический расчет равновесных тепловых шумов поляризации в анизотропном ОВС и показана их практическая значимость. Построена теория невзаимных фазовых шумов в ВКИ с протяженным кольцевым волоконным контуром, возникающих при наличии в катушке с волокном тепловых и акустических золн, а также под действием медленно изменяющихся деформаций и перераспределения микронапряжений в катушке с волокном. Выполнены теоретические оценки для наведоішой фазовой невзаимности в ВКИ в случае акустических ударов по катушке с волокном. Построена корреляционная теория для флуктуации оптического излучения в диспергирующем ОВС и показана взаимосвязь амплитудных и фазовых явлений в ВКИ за счет преобразования фазовой модуляции оптических волн в амплитудную, что приводит в ВКИ к появлению сигнальной подставки. Показано, что оптический сигнал, создаваемый на выходе ВКИ фазомодулированными оптическими волнами, отраженными от концевых участков волоконно-оптического контура ВКИ, создает сигнальную подставку; указаны методы ее уменьшения. Разработан геометрооптический метод сокращенного описания оптических пучков в ОВС, рассмотрен комплекс вопросов, связанных с устойчивостью оптических пучков в возмущенных ОВС и ОВС с периодической по длине модуляцией параметров. Резуль-
таты применены для теоретического расчета новых акустоопти-ческих управлящих и чувствительных элементов. Выполнены тео-ретическзга оценки предельной чувствительности ВКИ, ограничиваемой равновесными тепловыми флуктуацияии показателя преломления в 0EG; показано, что они создают ограничения на уровне квантовых шумов фотоприемника и в ВКИ с протяженным волоконным контуром могут стать определяющими. Построена статистическая теория и выполнены оценки чувствительности ВКИ, учитывающие флуктуации оптического фэна и усреднение сигнала в регистраторе; показана необходимость применения слабокогереиткых излучателей. Дана теория прохождения оптических волн через многооборотные кольпевне участки анизотропных 0BG, настроенных в частном случае как оптические резонаторы; рассмотрены возможности их применения в ка-іестве чувствительных элементов. Выведена система акустоэптических уравнений, описывающая брзгговс-куга дифракцию в кольцевом волоконном контуро с встречными оптическими волнагя. Дан теоретический вывод о возможности про-явлешш в анизотропном ОВС вынузвденного рассеяния Мандельштама-Брилляэна с рассеянием оптической волны вперед и преобразованием быстрой поляризационной моды в медленную. Сделан вывод о первостепенной роли микроструктуры материала, остаточных механических напряжений в волоконных и сопряженных с волокном элементах в проявлении дрейфов выходного сигнала интерферометри-ческих ВОД, возрастающих при нестационарных внешних воздействиях. Разработаны принципиальные схемы пнтерферометрическнх ВОД вибрати, перемещешй, магнитных полей, обладающие повышенными быстродействием, дашаютескш диапазоном, помехоустойчивостью. Разработан (в составэ измерительной установки) экспо-
рименталышй образец интерферометрического ВОД перемещений с чувствительностью "'І нм и динамическим диапазоном 50 дБ.
Практическая ценность. Полученные результаты могут быть использованы для:
идентификации физических явлений, происходящих в реальных ннтерферометрических ВОД, оказыващих воздействие на их выходной сигнал;
теоретических расчетов чувствительности интерферометри-ческих БОД в условиях внешних воздействий на их волоконный контур;
разработки помехоустойчивых принципиальных схем интерфзро-метрических БОД, выбора режимов их работы;
разработки чувствительных и управлящих волоконно-оптических элементов БОД;
теоретических расчетов поляризационных явлений в анизотропных ОВС с локальными и распределенными неоднородностями, определения передаточных характеристик таких ОБО;
определения типов ОВС, оптимальных для применения в ВОД
о учетом особенностей принципиальной и конструктивной схем ВОД и характеристик внешних воздействий;
статистических расчетов характеристик оптических шумов в ОВС при учете дисперсии ОВС;
исследования резонансных акустооптических явлений в возмущенных ОВС;
релятивистских расчетов кинематических явлений в кольцевом волоконно-оптическом контуре (ВКИ) с нестационарной произвольной геометрией и распределенными оптическими параметрами;
определения областей применения прецизионных интерферомет-рических ВОД.
На защиту выносятся:
-
Комплекс физических исследований наведенной нэвзаим-ности ОЕС и наведенных амплитудно-фазовых шумов ВКЛ.
-
Метода описаїшя передаточных характеристик возцущеп-пшс ОВС.
-
Теория максимальной поляризационной устойчивости оптических волн в возмущенных ОВС и анализ оптимальной регулярной структури ОЗС применительно к волоконным интерферометрам.
-
Теорій невзаимности волоконно-оптического контура ЕИІ, шшщщруеша в многовитковой катушке с волокном распрсстра-шгщ=М2&7 акустическими и тепловыми волнами, акустичеекпми удараія, а также медленными деформациями. Вывод о значительной их величине в условиях реальной эксплуатации ВКИ.
-
Теория возникновения дрейфа нуля сигнала ВКИ, вызываемого интерференцией оптических волн, отраженных на выходе волоконно-оптического контура ВКИ в условиях фазовой модуляция встречных волн. Вывод о значительной величине обусловленной юга невзаимности ВКИ и анализ мер ее ослабления.
-
Теория и устройства поляризационных сглаживающих модуляторов, уменьшающих поляризационные мерцания оптических сигналов в линиях ОВС и в волоконных интерферометрах.
-
Принципиальные схемы волоконно-оптических интерферометров с взаимным оптическим контуром, обладающие повышенны!* быстродействием и помехозащищенностью, для регистрации вибраций, линейных и угловых перемещений, магнитных полей.
-
Теория и устройства резонансных управляющих оптических элементов, выполненных на,основа ОВС о периодической по длине модуляцией параметров»
_ 9 -
9. Теория оптических воли о возмущенной полевой струк
турой (возмущенных волн)*в нерегулярных ОБС и обусловленной
ими невзаимности BI01.
-
Метод сокращенного описания оптических пучков (гоо-шэтрооптическин метод) в нерегулярных ОВС с параболическим профилем показателя преломления а метод анализа устойчивости оптических пучков в ОВС с периодической модуляцией параметров по длине.
-
Релятивистский доплероЕский метод расчета кинематической невзаимности произвольного замкнутого контура ОВС.
-
Теория преобразования флуктуации оптического фона на фотоприемнике ВКИ в низкочастотные шумы сигнала ВКИ с учетом селективной обработки и усреднения сигнала в регистраторе. Вывод об их уменьшении при увеличении широкополосности оптического излучения и при уменьшении времени корреляции поляри-зациошшх флуктуации в волоконном контуре.
-
Корреляционная теория статистических шумов оптического излучения с учетом дисперсии ОВС.
-
Теоретические расчеты фазовых и поляризационных шумов оптических волн из-за равновесных тепловых флуктуации параметров ОВС. Оценка ограничиваемой равновесными тепловыми флуктуациями волоконного контура чувствительности ВКИ.
-
Теория вынужденного резонансного рассеяния в возмущенном ОВС, в том числе со встречными волнами. Теоретический вывод о возможности возникновения в анизотропном ОВС при повышенном уровне оптической мощности вынувденного рассеяния оптических волн вперед с резонансным акустооптическим взаимодей-.ствием и переходом из быстрой поляризационной моды в медленную.
-
Расчет передаточных характеристик мяогооборотных апиэо-тройных одномодових волоконно-оптических контуров и анализ их чувствительности к внешним воздействиям в зависимости от их параметров и настройки.
-
Ешзод о значительном влиянии мікроструктури материала и остаточных мзхашгчєсюгх напряяеиий на формирование долговременных дрейфов выходного сигнала ВОД.
Дпробагош работ» и публикации, t
Основіше результаты работы докладывались на 3-ей Всесоюзной конференции "Волоконно-оптические линии связи" (Москва -1981), на Республиканской конференции "Волоконно-опгичоскио линии связи" (Киев - 1982), на 8-ом "Японско-советском снмлози-умэ по электронике" (Токио- 1981), на Всесоюзной конференции "Акустоэлектрические и фотоакустические методы исследования полупроводников" (Киев - 1987), на Всесоюзном семинаре "Фотоэлектрические и шгфровь'е преобразователи угловых и лиие&шх перемещений" (Горис, Ар*. ССР - 1988), на отраслевой научно-технической конференции "Применение аналитических методов анализа в производстве и эксплуатации ИЭТ и РЭА" (Чорновцы - 1989), на Всесоюзной конференции "Оптический, радиоволновой и тепловой метода неразрушащего контроля" (Могилев - 1989), на Всесоюзном семинаре "Сенсор - 89" (Уягород - 1989), на 2-ой Всесоюзной конференции "Вибромотряя - 89" (Минск - 1989) , на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Применение оптико-электронных приборов и волоконной оптики в народном хозяйстве" (Моста - 1989), на 2-ом "Рабочем совещании по волоконно-оптическим датчикам в физико-хккической биологии" (Пущине -1989), на 44-ой Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню
- II -
радио (Москва - 1989), на 3-ей Всесоюзной конференции "Проектирование радиоэлектронных"устройств на диэлектрических волноводах и резонаторах" (Тбилиси - 1988), на Всесоюзной конференции "Методы и средства диагностики изделий электронной техники" (Москва - 1989).. Основные материалы диссертации содержатся в 44 работах, большинство из которых опубликовано в центральных научных журналах, а также 17 изобретениях.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, приложения, заключения и списка цитируемой литературы. Общее число страниц в диссертации - 283, список литературы содержит 203 наименования.