CC BY
15DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-276-277
ИНТЕРФЕРОМЕТР МАХА-ЦАНДЕРА НА ОСНОВЕ УТОНЕННОГО ВОЛОКНА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ
ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ
Симонов В.А. , Терентьев В.С.
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, г. Новосибирск E-mail: simonovva@iae. sbras. ru
Интерферометр Маха-Цандера (ИМЦ), плечи которого образуют разные моды оптического волокна, могут использоваться в качестве датчиков уровня жидкости [1], показателя преломления и/или температуры/деформации/изгиба [2]. Разность длин плеч возникает из-за различия эффективного показателя преломления neff для разных мод. К недостаткам можно отнести образование более чем двух плеч, что приводит к интерференции большего числа лучей, чем в случае классического ИМЦ, и усложняет анализ интерференционной картины. Механизм чувствительности к внешней среде заключается в том, что поле моды вываливается из волокна и частично распространяется по внешней среде. Для мод более высокого порядка доля энергии вне волокна больше - значит и набег фазы больше.
Существует несколько технологически несложных способов создать ИМЦ такого типа: вставка из другого типа волокна [1]; вставка волокна со смещением оси [3]; неадиабатическое изменение диаметра волокна [4]; наклонные и длиннопериодные ВБР. Также, возможны комбинации вышеперечисленных способов. Анализ показаний датчиков различных величин (показателя преломления среды, температуры и деформации) обычно производится по смещению положения минимума или максимума интерференционной картины (одного или нескольких). Также для этого использовалась Фурье-фильтрация [5] и быстрое преобразование Фурье [6].
В данной работе предлагается способ, являющейся комбинацией нескольких из описанных и представленный на Рис.1(а). Преимуществами данного метода являются использование одного вида волокна и возможность тонкой настройки связи основной моды входного волокна с модами вставки за счет подбора степени утонения. Кроме того, предлагается использовать преобразование Фурье для анализа интерференционной картины ИМЦ, что позволит обойти ограничение, связанное со смещением экстремума интерференционной картины на величину, большую чем область свободной дисперсии интерферометра, а также снизить влияние интерференции с возбуждаемыми модами высшего порядка.
Рис. 1. (а) Схема предлагаемого ИМЦ; (б) изображение сварки подводного волокна с утоненной вставкой диаметром 44,5 мкм
Для начала следует посмотреть на то, как перераспределяется входное излучение по модам волокна-вставки в зависимости от степени его утонения. С помощью аналитической модели методом направляемых мод, числено реализованной на языке Fortran [7, 8], проведено моделирование параметров предложенного ИМЦ для поиска оптимальных степеней утонения волокна-вставки.
Во-первых, интересует количество возбуждаемых мод в волокне-вставке (Рис. 2(а)). Видно, что при всех рассматриваемых степенях утонения >95% энергии распределяется по первым четырем модам. Во-вторых, необходимо определить при каких степенях утонения энергия перекачивается преимущественно в одну высшую моду волокна-вставки, так как при этом интерференция будет преимущественно между этой и основной модой. Можно выделить два случая. Первый - при TR«2,8 перекачка в первую моду достигает максимального значения (~0,3), при этом перекачка в основную моду близка к минимуму (~0,6). С одной стороны, при этом видность интерференции между этими модами будет максимальной, но с другой, коэффициент перекачки в третью моду достигает почти 0,1, что будет существенно усложнять интерференционную картину. Второй случай - при TR>3,3
перекачка во вторую моду становится максимальной, а в первую и третью - быстро убывают с увеличением ТЯ. Таким образом, интерференционная картина будет больше похожей на двухлучевую как для классического ИМЦ, но рост коэффициента связи с первой модой и снижение с третьей будут снижать видность интерференции. Можно рассчитать спектры пропускания для степеней утонения (ТЯ) 2,8, 3,3 и 4 в зависимости от длины вставки (Рис. 2(б)).
Рис. 2. (а) Коэффициенты связи основной моды подводного волокна с модами волокна-вставки. (б) Спектры пропускания ИМЦ с различными длинами и степенями утонения
Для указанных выше случаев (ТЯ=2,8, 3,3 и 4, и Ь=50, 100 и 150 мм) рассчитаны спектры для разных п3 в диапазоне 1,3164-1,3305, что соответствует водным растворам глицерина с концентрацией 0-10%. Для анализа используется преобразование Фурье по непрерывному пространству частот и поиск максимальной пространственной частоты. На Рис. 3(а) показаны Фурье спектры для раствора 0%, а на Рис. 3(б) - зависимость положения максимума от показателя преломления для разных степеней утонения и длины вставки.
Рис. 3. (а) Фурье спектры для различных степеней утонения и длин вставок. (б) Зависимость положения максимума пространственной частоты от показателя преломления среды
Работа выполнена в рамках темы госзадания ИАиЭ СО РАН (№ гос. рег. АААА-А17-117062110026-3). Работа выполнена с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Высокоразрешающая спектроскопия газов и конденсированных сред» ИАиЭ СО РАН.
Литература
1. O. V.Ivanov, Opt. Fiber Technol., 55, 102146 (2020)
2. S.Gao et al., Sensors Actuators B Chem., 188, 931-936 (2013)
3. M.S.Avila-Garcia et al., Opt. Lasers Eng., 107, 202-206 (2018)
4. X.Han et al., Sensors, 19, 5440 (2019)
5. H. W.Fu et al., IEEE Photonics Technol. Lett., 27, 658-660 (2015)
6. X.Yu et al., IEEE Photonics J., 8, 6801710 (2016)
7. О.В.Иванов, С.А.Никитов, Ю.В.Гуляев, УФН, 176, 175-202 (2006)
8. В.С.Терентьев, В.А.Симонов, Квантовая электроника, 46, 142-146 (2016)
