CC BY
28
УДК 53.083
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ АДАПТИВНОГО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА
Р. В. Ромашко1, М.Н. Безрук1, С. А. Ермолаев1, И. Н. Завестовсжая2'3
В настоящей работе предложен метод экспериментального определения, чувствительности и порога детектирования, фазы интерферометра, и на его основе проведена оценка указанных параметров для, адаптивного волоконно-оптического интерферометра на основе динамической голограммы, формируемой в фоторефра,ктив-ном, кристалле CdTe.
Ключевые слова: адаптивный интерферометр, динамическая голограмма, чувствительность. порог детектирования.
Отличие адаптивного интерферометра от классического состоит в том. что светоде-лительньтй куб. который объединяет сигнальный и опорный световые пучки, в адаптивном интерферометре заменен на фоторефрактивньтй кристалл (ФРК) [1]. Сигнальный и опорный световые пучки интерферометра, пересекаясь в фоторефрактивном кристалле. формируют динамическую голограмму, на которой происходит преобразование фазовой модуляции в модуляцию интенсивности. Динамическая голограмма, постоянно перезаписываясь в кристалле, позволяет интерферометру адаптироваться под неконтролируемые воздействия внешних шумовых факторов. Схема адаптивного волоконно-оптического (ВО) интерферометра представлена на рис. 1.
Непрерывное излучение твердотельного лазера 1 (А = 1064 нм) посредством светоделителя 2 разделяется на объектный и опорный световые пучки. Объектный пучок вводится в волоконный многомодовьтй световод 5, использующийся в качестве чувствительного элемента. Затем объектный пучок 3, полученный на выходе волоконного световода. проходит через фоторефрактивньтй кристалл 8, где за счет взаимодействия с опорным пучком 7 формирует динамическую голограмму. Интенсивность ооъектного
1 Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, 690041 Россия, Владивосток, ул. Радио, 5; e-mail: romashko@iacp.dvo.ru.
2 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53.
3 Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", 115409, Москва, Каширское шоссе, 31.
Рис. 1: Схема адаптивного волоконно-оптического интерферометра. I - лазер; 2 - све-тоделительный куб; 3 - объектный пучок; 4 - калибровочный пьезоэлектрический модулятор; 5 - волоконно-оптический чувствительный элемент; 6 - четвертьволновая пластинка; 7 - опорный пучок; 8 - фоторефрактивный кристалл; 9 - фотодетектор.
пучка, прошедшего через ФРК, регистрируется фотодетектором 9. Воздействие измеряемой величины на волоконный световод приводит к фазовой модуляции излучения в нем. В свою очередь в адаптивном интерферометре модуляция фазы Аф преобразуется в изменение интенсивности А/, которое описывается выражением [2]:
А1 = АЗо(Аф) • Л(Аф), (1)
где - функции Бес селя д-го порядка; А - коэффициент, который определяет чувствительность интерферометра и учитывает эффективность взаимодействия объектной и опорной волн в фоторефрактивном кристалле.
В настоящей работе модуляция фазы осуществлялась при помощи пьезоэлектрического модулятора, подача электрического напряжения V на который приводило к изменению длины навитого на него волоконного световода и соответственно фазы: Аф = В^ В - коэффициент пропорциональности между воздействием на ВО чувствительный элемент и модуляцией фазы распространяющегося в нем излучения.
АВ
образом. К волоконному световоду, использующемуся в роли чувствительного элемента, подключался дополнительный световод, намотанный на калиброванный пьезоэлектрический модулятор. На модулятор подавалось переменное синусоидальное напряжение, амплитуда которого Vgen плавно увеличивалась, а затем уменьшалась, при этом за выходной сигнал интерферометра принималась глубина модуляции интенсивности объектной волны М = А///0. На рис. 2 представлена зависимость выходного сигнала
интерферометра М от амплитуды модуляционного сигнала Уёеп. Подобные измерения циклически повторялись в течение двух минут. При этом была проведена серия таких экспериментов (8 измерений по 5 циклов в каждом) общей продолжительностью 40 мин.
Рис. 2: Зависимость выходного сигнала интерферометра от амплитуды модуляционного сигнала, представленная для двух отдельно взятых измерений (1 и 2): 1-1, 2-1 -аппроксимационные кривые для измерений 1 и 2, соответственно.
Кривые зависимостей выходного сигнала, представленные на рис. 2, были аппроксимированы с помощью выражения (1), в результате чего были получены значения калибровочных коэффициентов А и Б. На рис. 3 представлена динамика изменения коэффициентов А и Б за весь период измерений.
АБ
адаптивного интерферометра. На основе данных, представленных на рис. 3, были получены среднеквадратичные отклонения указанных коэффициентов: АА и АБ. Крат-
АБ
соответственно, а за время проведения всей серии экспериментов - 10% для коэффици-
АБ такого времени наблюдения.
Критерием чувствительности адаптивного интерферометра является относительный порог детектирования, определяемый с помощью выражения [3]:
Рл
Рс
Рис. 3: Динамика изменения калибровочных коэффициентов А (а) и В (б) за время проведения эксперимента.
где фА и фс ~ минимальные значения модуляции фазы, которые способны теоретически зарегистрировать адаптивный и классический гомодинный интерферометр, соответственно. Величина фс известна и составляет 1.5 • 10"9 рад(Вт/Гц)1/2 [4]. Таким образом, минимальная модуляция фазы, теоретически детектируемая адаптивным интерферометром, может быть найдена как фА = 6яфс- В свою очередь относительный порог детектирования 6я может быть определен экспериментально [3]:
6 я =
ф
л/Тв
М
1
(3)
ф
Т - коэффициент, учитывающий потери объектной волны, а С - коэффициент усиления объектной волны за счет ее взаимодействия с опорной волной в ФРК. Экспериментально полученное в настоящей работе значение 6я • уТв составило 2.0.
Следует отметить, что величина фА получена в условиях, когда в адаптивном интерферометре устранены все шумы, за исключением дробового шума фотоприемника, имеющего квантовую природу. На практике в измерительной системе присутствуют различные шумы, а также нестабильности параметров, которые повышают порог детектирования. В этом случае минимальная фазовая модуляция, которая может быть зарегистрирована адаптивным интерферометром, может быть найдена из выражения (3):
ФГ = 6ге1 • ^Тв • АМпЫ8е, (4)
где АМпЫ8е - уровень шумов в выходном сигнале адаптивного интерферометра, включающих шумы электронных цепей измерительной аппаратуры, АМЕ, и шумы, свя-
занные с флуктуациями уровня выходного сигнала, вызванными изменениями параметров кристалла (например, температуры) и формируемой в нем динамической голограммы, АMfl. Последний фактор проявляется в стохастическом изменении калибровочных коэффициентов А и Б, представленных на рис. 3, и может быть найден как АMfl = [АА2 + АБ2]1/2. В свою очередь общий уровень шума может быть найден как АМпо18е = [АМ2 + АМ* ]1/2.
Используя полученные выше значения для АА и АБ, а также для ¿ге1 -\/ТС, и учитывая. что уровень шумов электроники не превышал 1%. получим с помощью выражения (4) значение минимально детектируемой модуляции фазы. В адаптивном интерферометре на основе динамической голограммы, формируемой в кристалле Сс1Те. фазовая модуляция Ф™1п составила 0.2 рад.
Таким образом. в настоящей работе предложена и экспериментально опробована методика определения чувствительности адаптивного интерферометра на основе дина~ мической голограммы, формируемой в фоторефрактивном кристалле. Данный п од ход позволит определить пути снижения порога детектирования и повышения чувствительности адаптивного интерферометра.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект Л"2 1412-01122).
ЛИТЕРАТУРА
[1] S. I. Stepanov. in International Trends in Optics, Ed. by J. W. Goodman (Academic Press. Inc.. New York. London. 1991), Chap. 9.
[2] А. А. Колегов. С. M. Шандаров. К). Ф. Каргин. Доклады ТУСУРа 22(2). 66 (2010).
[3] A. A. Ivamshilin, R. V. Romashko, Y. X. Kulchin, J. Appl. Phys. 105, 031101 (2009).
[4] J. W. Wagner, J. Spicer, J. Opt. Soc. Am. В 4(8), 1316 (1987).
Поступила в редакцию 17 ноября 2014 г.
