Деполяризатор монохроматического излучения и устройство для измерения угловой скорости Советский патент 1992 года по МПК G02F2/00 G01P3/36 

Изобретение относнтся к :запокоп- нон оптике и может быть испсигизова- ио в различных датчиках па оскогзе волоконных световодов (ВС) j в аолоко.и-- ных линиях связи и т.п.

Цель изобретения - повьшгеиие чупсТВИТеЛЬНОСТИ и точности 1;;ОЛОКОН ГОоптических устройств..

На фиг,1 показан пред-ггагае шй де- ip, поляризатор моиохрог атическогс чепия () ; па фиг „2 - устройство для измерения угловой скорости,

№Ш (фиг,1) со.цер;кит вслокониь;й световод 1, первый о симатсль 2 евего- ,,; вода, второй сжнматель 3 светово/дЯ;, генератор А возбуждения первого сжя- матс .ля, генератор 5 возбуждения зто- рого слсимателя,, причем генераторь i.

и 5 возбуждения мог /т быть выпо,ны в виде генераторов пил,ооораз1 ог 3

Нстряже1 ия 5 г а иератороБ треугольной генератор:.)В гармонических колебаний Участок волокон пого световода 1, перекрытый периьк-г сжимателеы jr, 2j образует первый линеймый фазосдви гающий элемент (ЛФЭ), а участок волоконного световода 1 гЕерскрыть й вторым сжр мателем 3 образует в-горой ли- нейный фазосд|зигаюш,ий зламенто Сжима- ,,, тели 2 и 3 развер-путы один относительно другого на угол 45° . Генераторы и 5 возбуждения-подсоединены к мателям через систему электродов.,

работает следу 011 иг-; образом, -зг Момохромя г-ическое иэ.тгучение от источника попадает а волстсонный {;пе о- вод 1 и проходит через уггастки свегс- вода- деформируемые сжкнателями 2 и 3. Эти участки предг:тап1 чот собой цпа 4п последовате1 :ько установлелгньп; Л П«;й- цьи фазосдвигаюоьчх злемергга п быстрь а оси которых развернуты на 45 .,, с от-- нрсительньн-iK фазовыми зас,ержкам и ю-- меняющимися по тому же закону, то л5 и сигналы ret-iepa -opOD -i к 5 возбу -- дения Слшмателей Излучение прошедшее участки между сгшмат8ля;.и 2 и 3, становится пеполяризоваЕПчын в среднем за период колебаний коэбуж1х 1ищего ср генератора Это излучение гшоходит через оставшийся свободнь п волоконного снетозода 1 ii постулаат на фотоиркемнигс; время усра.цнесзин которого вьгбрано значлтел ы с QOiibii-i& у. периода колебаний нозбулУлающего га-- нератрра - При BbiSope EpeMa isi .усреднения излучение пр1:;Аодя1Г5,ее ;а фотоприемник ока.зывает -:я неполя гэцаи

21

занггьи мезанисимо от вида и степени гголяризации электромагнитного излучения от источника.

ЛМИ по второму варианту (с генератором возбуждения в виде генератора треугольной пилы) более долговечен так как обеспечивает меньшие сдвиговые напряжения вследствие более плавного изменения вьфабатываемого возбуждающего напряжения. Генератор гармонических напряжений обладает (помимо долговечности) еще и тем преимуществом,, что позволяет работать с нели- иейнь. (резонансным) сжямателем, например с пьезокерамикой.

При поперечном сжатии участка ВС длиной i на этом участке вследствие фотоупругости йо:шикает двулучепрелом ление величина которого «/определяется: из сортношени;

cf-:. .K-... -(p., -р,, ).(H)v

...,Вй„5 1Гг1

2 К

Х

Р.

п

- волновое числ о,

-дошна волны излучения

-показатель преломле1та материала световода;

-модуль Юнга;

-фотоупругие постоянны М - коэффициент Пуассона;

g - с;шмающая сила приходящаяся на единицу длиньц

d диаметр .световода. 5 стройство () будет pa6oTatb как деполяризатор при условиИэ что фггзовые з щершси между поляризациями пзмЕпяюгск по пилообразному з акону, причем существуют две возможности.

Если периоды п илообразньгх измене- ипй у обоих ЛФЭ совпадают, тогда амплитуды ик различаются вдвое. Если совпадают амплитуды ггал тогда вдвое должны различаться периоды. При этом для гюлучения неполяризационного монокроматического излучения используетсн линейное двулучепрелом- леиие, возникалощее при сжатии участков ВС в поперечном направлении. Воз- How.Hbi другие режимы изменения во вре мени линей Юго двулучепреломления на сягимаемых участках ВС чем пилообразного. Длины сжимае -1ьпс участков и расстояние меж,цу догшны быть значительно меньше дшины поляризацион- ны А биений в ВС.

Режим с пилообразным изменением сжимающих усилий (относительных фазовых задержек) аналогичен режиму работы ячеек Поккельса. С точки зрения надежности работы волоконного деполяризатора он имеет тот недостаток, что в момент скачкообразного измен ;- ния сжимающих усилий волоконный световод испытывает ударные нагрузки, что нежелательно по соображениям обеспечения механической прочности световода, уровню шумов, связанных с работой деполяризатора, и т.п.

Устройство будет работать как деполяризатор и в том случае, когда фазовая задержка на калдом из сжимаемых участков ВС изменяется в виде треугольных импульсов с одной и той же частотой и одинаковой амплитудой, кратной 2Т , Такой режим упрощает и конструкцию деполяризатора, так как при этом требуется только один . генератор треугольных импульсов.

Режим работы волоконного деполяризатора с треугольным законом изменения относительно фазовых задержек не всегда является оптимальным по простоте его реализации и зффектив- носТй достижения требующихся фазовых задержек. С практической точки зрения предпочтительнее работ ать при гармоническом изменении фазовых заержек (сжимающих УСИЛИЙ в ВС). При этом,если, например, сжиматели приводятся в действие пьезокерамически- и преобразователями, можно работать вблизи (или на) собственных резонан- сах этих преобразователей, так что, ля их возбуждения требуются меньшие напряжения. Кроме того, частота возбуждения пьезопреобразователей может выбираться в значительно более широком диапазоне, .чем в случае треугольньпс импульсов возбуждения. В результа- g. деформациях этих цилиндров. Величину те выбор времени усреднения оказывает- наведенного двулуЧ1епрелонления можно

ся возможным в более широком диапазоне,, что является дополнительным преимуществом при использовакии предлагаемого деполяризатора в различных волоконно-оптических устройствах.

.Устройство будет работать как деполяризатор и при гармоническом Возбуждении сжимателей при условии, что относительные фазовые задержки на сжимаемых участках световода (в радианах) равны значениям, при которых обращаются в нуль функция Вессе- ля первого рода нулевого порядка

0

5

(,( f- , )i : lo ( |Л)-;); и что частоты возбуждения перпогсз и второго сжмма- TCJteA U , и и , выбираются так, что периоды комбинаниогшых тонов 1 /р (., + +g u j) (р и g - црлые числа) оказываются меньше времени усреднения фотоприемного ycTpoiiCTBa.

Возможен и TaKoii режим работы предлагаемого деполяризатор при гармоническом возбуждении сж...-1ателей световода, при котором относительные фазовые задержки / и (У, не совпадают в точности с нулями функции Бесселя I,, (t i) , О выбраны настолько

больмими, что сами значения- 1д(с,)и 1р( с ,) оказываются достаточно малыми. Из асимптотики функции (,((/) следует, что величины d, и t/j при этом

Q должны быть порядка 100 радиан.

При работе пьезопреобразователей в сжимателях ВС в режиме резонанса такие значения фазовых задержек возможно получить даже при длинах сжи5 маемых участков световода Порядка 1 - 2 см. Однако при этом увеличивается вероятность разрушения световода и сокращается срок службы деполяризатора.

0 Для устранения этой трудности можно использов ать конструкцию -волокон--- ного деполяризатора, в которой световод подвергается не двустороннему, а одностороннему поперечному сжатию. Необходимые для деполяризатора волоконные ЛФЭ получаются намоткой свето- , вода с натяжением на два цилиндрических пьезокерамических пьезопреобра- зователя, оси которого повернуты одQ,Ha относительно другой на 45. При . этом линейное двулучепреломление наводится на участках световода, уложенных с натяжением по боковым поверхностям пьезоцилиндров, при радиальных

5

0

5

оценить по вышеприведенной формуле. Длина участков световода, намотанных на пьезоцилиндры, может быть значительно больше, чем в деполяризаторе с двусторонним сжатием ВС (фиг.1), вследствие чего необходимые значения относительных фазовых задержек получить существенно проще даже при малых напряжениях возбуждения пьезоцилиндров и без опасности разрушения световода. Для реализации такого деполяризатора необходимо jicnojjbsoBaTb световод с большим периодом поляризационных биений Если таког о световода яет, естественную оптическую активность ВС можно скомпенсировать раскручиванием ВС вдоль его продольной оси перед намоткой на пьезо11илиндр ,,;: подавить ее достаточно сильным двулучепреломлением, создаваемьм п-редварительным напряжением волокна при намотке на пьезоцилиндр.

Устройство для измерения угловой ff скорости состоит из источника 1 монохроматического излучения,, развет- вителя 2, волоконного деполяризатора 3 монохроматического излучения, волоконного световода, уложенного в много : витковое кольцо 4, фазового модулятора 5, фотдприемника 6 и схемы электронной обработки сигнала фотоприемии

KSif включающей генератор / возбуждения фазового модулятора и усилитель 20 с синхронным детектором 8 Источник 1 монохроматического излучения свйзан чвйёз разветвитель 2, обрг1зованный оптически связанными началь1-1ыг.1 и ко- не-чным участками волоконного световода и служаитй устройством ввода (вывода) излучения монохроматического источника 1, с оставшейся частью волоконного световода, уложенной в многовитковое кольца 4. Деполяриза-- тор 3 монохроматического излучения расположен в середине волоконного световодаэ а фазовьй модулятор 5 ус-- тановлен перед разветвителем 2,, причем к его электрическому , подключен вьгход генератора 7 возбужде- ння фазового модулятора и одновре-мен- но выход этого генератора подключен к опорному входу синхронного детектора в схеме 8 электронной отработки 40 сигнал:а, к сигнальному входу которой подключен выход фотоприемника 6, установленного у одного из концов ВОЛОКО

Него световода (после, разветвителя 2)„

2

.,„

J.

Устройство работает следующим образом,

Излучение от источника монохроматического излучения 1 поступает на вход волоконного раэветвит ля 2 а котором интенсизность излучения делится поровну между вькодкьми плечами разветвителяS, а затем распростра- няетс по волоконному световоду 4 в противоположных каправленкяк, проходя через волоконный фазовьп модулятор 5 и волоконный деполярр-гзатор 3

,,;:

ff :

94216

Проигедшее по кольцу в противоположных направлениях излучение через раэ- нетвитель 2 попадает на фотоприемник f)5 вызывая в электрической цепи последнего ток 5 который поступает в схему электронной обработки сигнала, где выделяется первая гармоника фазовой модуляции. При этом поступающее на фотоприемник 6 излучение после про- хоадения (в обоих направлениях) волоконного деполяризатора становится неполяризованным в среднем по времени,, при выполнении условия дЕ

- выходной сигнал не будет

испытывать поляризационных флуктуации.

Формула изобретения

1. Деполяризатор монохроматического излучения 5 содержаний два линей- кык фазосдвигаюиа-tx элемента; к каждому из которых подключен генератор возбуждающего напряжени, о т л и - ч а 10 щ и и с я тем, чтод с целью повышения чувствительности и точности волоконно-оптических устройств,

лкгзейтгые фазосдвигающие элементы вы- полненБ в виде световода, на двух участках которого установлены сжима- rejni световода, развернутые друг ot- косительно друга на 45 , причем дли

20 40

45

вы сжимателей к расстояние между ни- ми выбраны много меньшими длины по- ляриза11;ионнык биений в световоде.

2. Уст ройство для измерения угловой скорости содержа11з;ее волоконный саетовоДэ свернутьй в многовитковое кольцо 5 с устройством ввода вывода излучения.в световод, источник излучения на входеS фотоприемник на выходе,, фазовый модулятор и волоконньй р азветвитель, установленные по длине световода; и деполяризатор, установленный в середине световода, о т- л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения чувствительности и Е очности устройства;, Источник налу- .чения выполнен в виде источника мо- иохроматическог-о излучения, деполя ризатор - в виде деполяризатора монохроматического излучения с времен- J. ной постоянной деполяризатора t (10U4f ) 5где &f - ширина полосы пропускания фотоприемника.

50

Фиг.1

Изобретение относится к волоконной оптике и может быть использовано 8 датчиках на основе волоконных световодов, волоконно-оптических линиях связи и др. Цель изобретения - повышение чувствительности и точности волоконно-оптических устройств. Деполяризатор монохроматического излучения содержит волоконный световод, на котором установлены два сжимателя, образующие линейные фазосдвигаюв1ие элементы. Сжиматели развернуты друг относительно друга на угол 45. К каждому из сжимателей подключены , генераторы возбузадающего напряжения. Излучение, прошедшее через сжатые участки волоконного световода,становится неполяризованным в среднем за период колебаний возбуждающего генератора, если длина сжимателей и расстояние между ними выбраны много меньшими длины поляризационных биений в световоде. Деполяризатор используется в устройстве для измерения угловой скорости. 2 с.п. , 2. ил. (Л 00 ьо QD .4 tsD

Составитель В.Рандошкин Редактор Л.Курасова Техред д Кравчук Корректор С.Шекмар

. - ---- - --- - ---«- --.«-.-«,,-.-

.Заказ 1423Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

.по делам изобретений и открытий 113035, Москва Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4

Фиг. 2