CC BY
12ВКВО-2019- ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ
ОДНОРОДНОЕ УШИРЕНИЕ В СПЕКТРЕ СУПЕРЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО ЭРБИЕВОГО ИСТОЧНИКА
12 12 12 19 1
Моршнев С.К. ' , Губин В.П. ' , Старостин Н.И. ' , Пржиялковский Я.В. ' , Сазонов А.И.
Институт радиотехники и электроники им.ВА.Котельникова РАН, г.Фрязино
2АО «Профотек», г.Москва *E-mail: nis229@iгe216msk.su
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16014
В простых оптических схемах регистрации магнитных полей от больших импульсных электрических токов (например, при ударе молнии) может быть использована интерференция между волнами ортогональных поляризаций [1]. В этом случае с помощью анализатора получают проекции электрических векторов этих волн на выделенное направление и следят за тем, чтобы задержка по времени цуга одной поляризации от цуга другой поляризации не превышала длительности этих цугов. В противном случае - интерференция отсутствует. Длина цуга - эквивалент длины когерентности излучения. Возникает задача определения длительности этих цугов или их длины, отсутствующая, например, в схеме отражательного интерферометра [2-5].
Пусть, например, используется широкополосный (полоса АХ~20 нм) суперлюминесцентный эрбиевый источник. Ясно, что ширина его неоднородная: во-первый спектр имеет два пика разной ширины и интенсивности, во-вторых основным состоянием иона Ег3+ является 115/2, расщепленное Штарковским расщеплением на 8 уровней. Кроме этого, ионы Ег3+ помещены в волоконный световод, т.е. матрицей является стекло с большим разбросом электрических полей, инициированных окружением иона Ег3+. Можно представить спектр источника в виде набора однородных линий различной природы (переходы на различные Штарковские уровни), сдвинутых относительно друг друга по длине волны. Все это позволяет предположить существование в спектре источника квазимонохроматических цугов с однородной шириной спектра 5Х << 20 нм. Однородная ширина 5v
спектра связана с длительностью цуга т2 соотношением тх = 1/ 8у , а его длина 1Х = С ■ 3тг = 3Л2 / 5Л. Целью настоящей работы является экспериментальное определение однородной ширины спектра эрбиевого источника в окрестности длины волны X = 1544 нм.
Экспериментальная установка представляла собой последовательно соединенные: эрбиевый источник, волоконный поляризатор, ИьБьволокно длиной Ь = 3,5 м с групповой длиной биений Ьь ё = 3 мм (см. [6]), сварочный аппарат РБи 975 РМ-А, волоконный анализатор и спектроанализатор AQ637OC. Волоконный поляризатор был приварен к ИьБьволокну при взаимном расположении осей под углом 45о. В установке сварочный аппарат использовался как юстировочное устройство при настройке вращением волокон на максимальную видность интерференционной картины.
Спектроанализатор позволяет ступенчато изменять свое разрешение 5Х: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0 и 2,0 нм. В нашем эксперименте разрешение играет роль узкополосного фильтра, выделяющего из спектра источника квазимонохроматические цуги длиной 1Х = 3Л / 8Л как у излучения одной поляризации, так и из излучения ортогональной поляризации, задержанных друг относительно друга на расстояние 1ху = (Ь( / Ьь)■ Л. Теперь цуги перекрываются лишь частично и видность интерференционной картины определяется величиной V:
I -1 1Уу Ьг
V = _щех-шш = 1 -^К = 1--1_ Л (1)
1тах + 1ш1п 4 3ЬЬ ' Л
Когда цуги задерживаются на длину 1ху, превышающую длину цуга 1ху > интерференция становится невозможной. Однако, когда ширина спектра фильтра превышает однородную ширину спектра источника механизм интерференции становится другим.
Рассмотрим экспериментальную зависимость, приведенную на рис.1, функции видности от ширины спектра фильтра (разрешения спектроанализатора) полученную нами на приведенной установке. Видно, что слабые изменения видности (сплошная линия) при 5Х ~ 0,4 нм сменяются более быстро спадающей зависимостью (пунктир).
38 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
ВКВ0-2019 Волоконно-оптические датчики
Поведение функции видности по сплошной линии рис.1 можно объяснить на основе вышеизложенного (формула (1)), поведение же по пунктирной линии требует дополнитеьного рассмотрения.
На качественном уровне это можно понять следующим образом. Когда спектральная ширина фильтра 5Х становится шире однородно уширенной линии источника, интерференция наблюдается на нескольких таких линиях, заполняющих промежуток 5Х . Если пренебречь изменением интенсивности линий на этом промежутке, то уменьшение видности характеризуется множителем вида sin x/x, где
х =n-SÁ-ly/3Á¿
120
При увеличении спектральной ширины 5Х
100
80
60
ч:
s m
40
20
0,5 1
Ширина спектра (нм)
1,5
фильтра множитель sin x/x
уменьшается, обращаясь в
нуль при SÁ = 3Л2 / l.
Значение ширины спектра фильтра, при котором сплошная и пунктирная прямые на рис.1 пересекаются может характеризовать
ширину однородно уширенной линии 5Х ~ 0,4 нм в спектре широкополосного источника. Она соответствует длине когерентности (длине цуга) равной lz = 6 мм.
Рис.1. Функция видности от ширины спектра фильтра. Точки - эксперимент
0
Литература
1. Пржиялковский Я.В, Квант.Электрон, 48, 62, (2018)
2. Enokihara A., Isutsu M., Sueta T, J.Lightwave Tehnol, 5, 1584, (1987)
3. Laming R.I., Payne D.N, J.Lightwave Tehnol, 7(12), 2084, (1989)
4. Bohnert K., et al, J.Lightwave Tehnol, 20, 267, (2002)
5. Губин В.П., и др., Квант .Электрон., 36, 287, (2006)
6. 6.Моршнев С.К. и др., Квант. Электрон, 43, 1143, (2013)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»
