Эффект Фарадея в волоконном световоде в ближней ИК-области спектра

ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ В ВОЛОКОННОМ СВЕТОВОДЕ В БЛИЖНЕЙ

ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА М.С. Казакевич (Ерофеева), А.Л. Дмитриев

Описана экспериментальная установка для исследования фарадеевского вращения плоскости поляризации ИК-излучения на длине волны 0.85 мкм в двулучепреломляющем волоконном световоде длиной 800 м. Угол вращения плоскости поляризации измеряется посредством поляризационного балансного фотодетектора. Установлена нелинейная зависимость азимута плоскости поляризации света на выходе оптического волокна от величины и направления магнитного поля. Предложено объяснение наблюдаемой нелинейности как следствие изменения эллиптичности ИК-излучения в световоде.

В настоящее время известно сравнительно мало работ, посвященных анализу магнитооптического эффекта Фарадея в одно- и многомодовых волоконных световодах. Так, в [1] исследовался поворот спекл-картины в маломодовом оптическом волокне на длине волны 0,633 мкм в продольном магнитном поле. В [2, 4, 6] рассмотрены возможности использования эффекта Фарадея в волоконных световодах при разработках оптических датчиков электрического тока и измерителей сильных магнитных полей. Экспериментальные и теоретические работы по исследованиям эффекта Фарадея в протяженных (длиной сотни метров) маломодовых волоконных световодах при относительно небольших напряженностях магнитного поля практически отсутствуют. Эффект Фарадея в оптическом волокне представляет большой практический интерес для разработок оптических датчиков магнитных полей, а также волоконно-оптических гироскопов, при определении условий достижения их предельной чувствительности.

В настоящей работе исследовался эффект Фарадея в маломодовом (до 20 мод) двулучепреломляющем оптическом волокне длиной 800 м на длине волны 0.85 мкм. Схема экспериментальной установки показана на рис. 1.

10

Рис. 1. Схема эксперимента: 1 - генератор импульсов Г5-54, 2 - блок питания лазера, 3 - полупроводниковый лазер, 4 - волоконный кабель, 5, 7, 9 - микрообъективы, 6 -линейный поляризатор (призма Глана), 8 - катушка оптического волокна с тороидальной электрической обмоткой, 10 - балансный фотосмеситель (включает расщепитель поляризации 11 и полупроводниковые фотоприемники 12, 13 марки ФД9-К), 14 - сопротивление нагрузки, 15 - селективный усилитель У2-8, 16 - осциллограф С1-49

Амплитудно-модулированное излучение инжекционного лазера (полупроводниковый модуль типа МПД-1-1А, длина волны 0.85 мкм, мощность излучения 1 мВт, частота модуляции 20 кГц) коллимируется, проходит через линейный поляризатор 6 и посредством микрообъектива 7 вводится в исследуемое оптическое волокно 8. Входной и выходной торцы волоконных световодов (ВС) закреплены на трехкоординатных микропозиционерах с вращающимися держателями, позволяющими изменять азимуты поляризации вводимого оптического излучения относительно осей большой и малой скорости двулучепреломляющего оптоволокна. Внешний и внутренний диаметр катушки оптического волокна равны соответственно 180 и 90 мм, высота катушки 45 мм. Диаметр сердцевины волокна 9 мкм, диаметр оболочки ВС 125 мкм. Тороидальная электрическая катушка для создания магнитного поля, ориентированного вдоль оси световода, содержит 2000 витков провода диаметром 0,35 мм, сопротивление обмотки 85 Ом. Выходное излучение коллимируется и направляется на входную грань расщепителя поляризации 11 (призмы Рошона), разделяющего падающий луч света на компоненты с ортогональными (0° и 90°) плоскостями линейной поляризации. Оптические сигналы фотодетектируются, регистрируемые электрические сигналы вычитаются на сопротивлении нагрузки 14. Выходной сигнал поляризационного балансного фотодетектора (ПБФ) прямо пропорционален величине угла ориентации плоскости поляризации падающего света относительно поперечной оси (45°) призмы Рошона 11 (принцип действия ПБФ с предельной чувствительностью описан в [5]). Выходной сигнал фотодетектора на частоте следования импульсов усиливается избирательным усилителем 15 типа У2-8 и контролируется на экране осциллографа 16. Уровень сигнала определяется по шкале индикатора прибора У2-8.

Калибровка выходного сигнала (Вольт/градус) производилась при отсчетах углов вращения призмы 11 по лимбу угломерного устройства, связанного с призмой. При этом на балансный фотодетектор направлялся линейно-поляризованный свет. Погрешность отсчетов изменений углов азимута поляризации света по шкале индикатора У2-8 не превышала 0,3°.

Типичная экспериментальная зависимость изменения азимута поляризации излучения на выходе ВС от величины и направления магнитного поля в волокне приведена на рис. 2.

Р, °

Видно, что в области положительных значений магнитного поля Н выполняется почти линейная зависимость ф <х Н, однако при отрицательных значениях Н величина угла вращения заметно уменьшается.

Угол ф фарадеевского вращения плоскости поляризации света в среде равен

Р = УНЬ,

где Н - напряженность магнитного поля, Ь - длина образца, V - постоянная Верде. Постоянная Верде для плавленого кварца на длине волны X = 0,63 мкм равна V « 2,7 • 10-4 град/А [2], с учетом спектральной зависимости ее значение на длине волны 0.85 мкм примерно в 1.35 раза меньше. Согласно (1), при напряженности магнитного поля 300 А/м величина угла поворота плоскости поляризации излучения, прошедшего через оптическое волокно длиной 800 м, равна 48°. Экспериментальное значение угла вращения при тех же условиях равно 10°.

Столь значительное расхождение расчетных и экспериментальных данных, по-видимому, объясняется неточностями оценки величины постоянной Верде и особенностями действия балансного фотодетектора при регистрации эллиптически-поляризо-ванного света. Известно, что выходной сигнал ПБФ прямо пропорционален мощности полностью линейно-поляризованной составляющей падающего пучка света. Если на ПБФ падает эллиптически-поляризованное излучение, его можно представить суперпозицией линейно-поляризованного и циркулярно-поляризованного световых пучков. Отношение У мощности линейно поляризованной компоненты к полной мощности света равно

У =

где в - эллиптичность (отношение малой и большой полуосей эллипса поляризации). При увеличении эллиптичности величина У уменьшается, что и приводит к уменьшению амплитуды регистрируемого ПБФ электрического сигнала. Циркулярно-поляризованная компонента излучения влияет лишь на уровень дробовых шумов фотодетектора. Кажущееся уменьшение угла фарадеевского вращения в области отрицательных значений магнитного поля на рис. 2, по-видимому, является следствием указанного увеличения эллиптичности регистрируемого света при отрицательных значениях магнитного поля.

Вместе с тем необходимо принимать во внимание, вообще говоря, сложный характер векторной структуры электромагнитного поля в сечении двулучепреломляюще-го маломодового волоконного световода, которое лишь в грубом приближении может быть представлено, например, суперпозицией неполяризованной и полностью эллипти-чески-поляризованной компонент. Кроме этого, существенное влияние на преобразование поляризации света в волоконном световоде оказывают его изгибы и скрутки. Изгиб световода вследствие явления фотоупругости приводит к двулучепреломлению в волокне, при этом у кварцевых световодов величина двулучепреломления Ап = пх - пу

равна Ап « -0,133(г/Я)2 [2], где г - радиус световода, Я - радиус изгиба волокна. В условиях описываемого эксперимента (радиус сердцевины световода около 5 мкм, радиус катушки 50 мм) величина двулучепреломления, вызванная изгибом волокна, равна 1,33-10"9. При длине световода 800 м разность фаз ортогонально поляризованных световых волн, обусловленная наведенным двулучепреломлением, на длине волны 0,85 мкм равна около 7,4 рад. Полная картина преобразования поляризации излучения в изогнутом двулучепреломляющем световоде под влиянием эффекта Фарадея носит сложный характер даже в одномодовом режиме распространения света. Эта картина существенно усложняется в мало- и многомодовых режимах распространения излучения в волокне. В связи с отмеченным окончательное объяснение экспериментально найденных в данной работе зависимостей составит предмет последующих исследований.

Литература

1. Ардашева Л. И. и др. Поворот спекл-картины в маломодовом оптическом волокне в продольном магнитном поле // Оптический журнал. 2002. Т. 69. № 7.

2. Гуляев Ю. В. и др. Модуляционные эффекты в волоконных световодах и их применение. М.: Радио и связь, 1991. 152 с.

3. Снайдер А., Лав Дж. Теория оптических волноводов. М.: Радио и связь, 1987. 656 с.

4. Papp A. and Harms H. Magnitooptical current transformer 1: Principles// Appl. Opt. 1980. Vol. 19. № 22. P. 3729-3734.

5. Александров Е. Б., Запасский В. С. Миллисекундная чувствительность поляриметрических измерений // Оптика и спектроскопия. 1976. Т. 41. В. 5. С. 855-858.

6. Smith A. M. Polarization and magnetooptic properties of single-mode optical fiber // Appl. Opt. 1978. Vol. 17. P. 2301-2307