Адаптивные волоконно-оптические измерительные системы

Вестник ДВО РАН. 2006. № 4

Р.В.РОМАШКО, Ю.Н.КУЛЬЧИН

Адаптивные волоконно-оптические измерительные системы

Представлен краткий обзор результатов исследований в области создания адаптивных волоконно-оптических измерительных систем интерферометрического типа на основе использования динамических голограмм, формируемых в фоторефрактивных кристаллах. Рассмотрены различные схемы построения таких измерительных систем. Показано, что при определенных условиях применение динамических голограмм не приводит к увеличению энергопотребления измерительной системы, что делает ее способной работать в автономном режиме в течение длительного времени в реальных условиях.

Adaptive fiber-optical measuring systems. R.V.ROMASHKO, Yu.N.KULCHIN (Institute of Automation and Control Processes, FEB RAS, Vladivostok).

A brief review of the research results, obtained in the course of development of adaptive fiber-optical interferometer measuring systems, based on dynamic holograms, recorded in photorefractive crystals, is presented. Different schemes of organization of such systems are considered. It is shown that on certain conditions the use of dynamic hologram does not lead to the increase of energy consumption. As a result, the measuring system becomes capable of operating in autonomous mode during long periods of time in real environment.

Использование волоконно-оптической элементной базы для создания интерфе-рометрических измерительных систем делает их перспективными в различных практических приложениях в силу возможности направлять свет по волокнам в любом необходимом направлении по достаточно сложной траектории в места, недоступные прямому лучу, с малыми потерями оптической мощности. Кроме того, у волоконных световодов малы удельный вес и поперечные размеры, высокая прочностью и гибкость, они нечувствительны к влиянию электромагнитных помех, пожаро- и взрывобезопасны. Вместе с тем высокая чувствительность любого интерферометра делает его в значительной степени подверженным влиянию внешних факторов (изменению температуры, давления, деформации, вибрации и пр.), и волоконные интерферометры не являются исключением.

Одним из распространенных способов демодуляции фазы световой волны в интерферометре является применение голограммы. Использование перезаписываемых голографических материалов для формирования динамических голограмм (ДГ), способных подстраиваться под неконтролируемые случайные воздействия на измерительную систему, позволяет решить задачу адаптивной обработки сигналов волоконно-оптических интерферометров. Впервые эта идея была высказана Т.Холлом с соавторами в 1980 г. [6]. Было отмечено, что в качестве таких материалов могут быть использованы фоторефрактивные среды (LiNbO3, BaTiO3, Bi12TiO20, Bi12SiO20, Bi12GeO20, GaP, CdTe и др). Голограмма формируется в фоторефрактивном кристалле (ФРК) непосредственно при попадании на него оптического

РОМАШКО Роман Владимирович - кандидат физико-математических наук, КУЛЬЧИН Юрий Николаевич - член-корреспондент РАН (Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Владивосток).

Работы выполнены при частичной финансовой поддержке РФФИ (грант № 05-02-16589) и гранта Президента Российской Федерации для поддержки молодых российских ученых (грант № МК-1400.2006.2).

излучения. Дополнительная обработка (проявление, фиксация и т.п.) не требуется. Таким же образом при помощи света голограмма может быть стерта [3]. Свет вызывает перераспределение зарядов внутри кристалла, и в течение характерного времени (времени записи) устанавливается динамическое равновесие между распределениями интенсивности записывающего света и электрического заряда. Вследствие неоднородного распределения заряда возникает электрическое поле, которое посредством электрооптического эффекта изменяет показатель преломления кристалла, формируя тем самым объемную фазовую голограмму. Если распределение интенсивности оптического излучения меняется и период этих изменений превышает характерное время записи, новое распределение заряда (а соответственно и новая голограмма) сформируется в кристалле. Следовательно, динамическая голограмма, сформированная в ФРК, может адаптироваться к изменяющимся внешним условиям, таким как дрейф температуры окружающей среды, случайные механические воздействия и др. В результате измерительная система, построенная на основе динамических фоторефрактивных голограмм, приобретает адаптивные свойства.

Предлагаем краткий обзор методов адаптивной обработки сигналов волоконно-оптических интерферометров с использованием динамических фоторефрактивных голограмм.

Адаптивный корреляционный фильтр на основе эффекта самодифракции. Появление эффекта самодифракции, или фаннинга (fanning - раскрытие, веерность), в фо-торефрактивном кристалле [2] связано с рассеянием когерентной световой волны на поверхностных и объемных неоднородностях и дефектах кристалла. Это рассеяние создает когерентный шум изначально очень малой интенсивности, компоненты которого интерферируют с введенной в ФРК световой волной, образуя хаотически ориентированные динамические дифракционные решетки. Последующая дифракция основной волны на этих дифракционных решетках приводит к усилению волн рассеяния и, как следствие, к увеличению глубины модуляции показателя преломления динамических решеток. Конкуренция волн рассеяния обусловливает создание стационарного набора динамических решеток, которые и определяют пространственно-угловой спектр волн фаннинга (см. фотовставку на рис. 1а). Любое изменение пространственного распределения фазы или амплитуды введенной в ФРК волны вследствие отстройки от брэгговского резонанса приводит к уменьшению мощности волны фаннинга, т.е. к возникновению сигнала демодуляции. В случае малых модуляционных воздействий на вводимую в ФРК волну величина изменения мощности волн фаннинга определяется функцией пространственной корреляции между стационарным и модулированным распределениями интенсивности волны, вводимой в кристалл [9]. Как следствие, если модуляционное воздействие носит гармонический характер, то демодуляционный сигнал возникает на частоте второй гармоники (рис. 1б).

Рис. 1. а - схема адаптивной волоконно-оптической измерительной системы на основе эффекта фаннинга: ОМИ - одноволоконный многомодовый интерферометр, М - модулятор фазы, П - поляризатор, ФД - фотодетектор. На фотовставке: Т - прошедшая сквозь кристалл волна, Б - волны фаннинга. б - осциллограммы модуляционного сигнала

Преимущества данного метода обработки сигналов волоконных интерферометров заключаются в том, что для формирования голограмм не нужно вводить в кристалл внешнюю опорную волну: ее роль играют волны первоначального рассеяния основной волны. Как следствие, такой метод демодуляции очень подходит для обработки сигналов одноволоконных многомодовых интерферометров (ОМИ), распределение интенсивности оптического поля на выходе которых носит спекловый характер (рис. 2). Воздействие измеряемой величины на ОМИ приводит к перестройке спекловой картины, что и преобразуется в фоторефрактивном кристалле в модулированный по мощности оптический сигнал.

Рис. 2. Спекловое поле излучения ОМИ Основным же недостатком такого метода об-

работки является квадратичный режим демодуляции, при котором выходной сигнал регистрируется на частоте второй гармоники. Удвоение частоты отрицательно сказывается на метрологических способностях измерительной системы, как минимум, сужая область ее возможных приложений. Кроме того, изначально эффект самодифракции проявляется слабо, и для увеличения эффективности перекачки мощности из основной волны в волны рассеяния к кристаллу необходимо прикладывать внешнее достаточно сильное знакопеременное электрическое поле (E до 20 кВ/см), что усложняет измерительную систему в целом и увеличивает ее энергопотребление.

Адаптивный корреляционный фильтр на основе эффекта поляризационной са-момодуляции. Если в фоторефрактивный кристалл попадает оптическое излучение, имеющее неоднородное распределение интенсивности (например, гауссово), то внутри ФРК в течение времени записи сформируется электрическое поле пространственного заряда. Благодаря линейному электрооптическому эффекту состояние поляризации прошедшего луча теперь также является функцией пространственных координат. Изменение распределения интенсивности входной волны приведет к изменению поляризационного состава волны на выходе, которое можно преобразовать в изменение мощности, поместив за кристаллом анализатор. Сигнал демодуляции здесь будет определяться функцией корреляции между текущим распределением и интенсивностью входной волны и функцией пропускания пары кристалл-анализатор. При этом, если к кристаллу приложено внешнее знакопеременное электрическое поле, сигнал демодуляции возникает на частоте первой гармоники [7, 9], что является существенным преимуществом по сравнению с адаптивным корреляционным фильтром на основе эффекта самодифракции. Однако при спекловом характере распределения интенсивности входного поля каждый отдельный спекл будет формировать в кристалле свое «индивидуальное» поле пространственного заряда. Если все спеклы движутся скорре-лированно, то вклады каждого из них в изменение мощности выходного сигнала будут суммироваться. Если же изменение спекловой картины носит хаотический, кипящий характер, движение одних спеклов будет приводить к увеличению выходного сигнала, других - к его уменьшению. Усреднение вкладов отдельных спеклов в случае большого их числа приведет к исчезновению модуляции в выходном сигнале. Эта ситуация полностью реализуется на практике, если спекловая картина получена на выходе ОМИ. Для того чтобы ввести направленность в пространственные изменения оптического поля, необходимо использовать внешнюю опорную волну (рис. 3а). В этом случае возникает переменный сигнал на частоте первой гармоники (рис. 3б), а кроме того, повышается чувствительность измерительной системы, так как перестройка спекловой картины происходит при гораздо

Рис. 3. а - схема адаптивной волоконно-оптической измерительной системы на основе эффекта поляризационной самомодуляции: СВС и ОпВС - сигнальный и опорный волоконные световоды, А - анализатор; б - осциллограммы модуляционного сигнала

больших воздействиях на ОМИ, чем смещение интерференционной картины двух световых пучков, фаза одного из которых модулируется [9].

Голографический фильтр на основе двухволнового смешения. В методе, описанном в предыдущем разделе, все излучение, прошедшее сквозь кристалл, пропускается через анализатор и собирается на фотоприемник. Однако фактически в схеме с внешней опорной волной мы имеет ситуацию, когда в кристалле распространяются две когерентные волны. Их интерференция в силу фоторефрактивного эффекта сформирует внутри кристалла динамическую голограмму. Дифракция записывающих волн на этой голограмме приведет к перекачке мощности из одной волны в другую, а модуляция фазы одной из волн - к модуляции мощностей волн на выходе. Режим фазовой демодуляции зависит от разности фазового сдвига, который приобретает волна, дифрагирующая на динамической голограмме. Если фазовый сдвиг равен 0 или п, то будет реализован квадратичный режим - демодуля-ционный сигнал возникнет на частоте второй гармоники. Линейный же режим фазовой демодуляции (при котором модуляция мощности на выходе ФРК возникает на той же частоте, что и модуляция фазы) будет достигнут, когда фазовый сдвиг при дифракции будет равен п/2.

Величина фазового сдвига в свою очередь определяется механизмом записи динамической голограммы в фоторефрактивном кристалле. При диффузионной записи (в отсутствие внешнего электрического поля или в знакопеременном поле, период переключения которого меньше времени записи голограммы) фазовый сдвиг равен 0 или п, что соответствует квадратичному режиму фазовой демодуляции. В случае же дрейфовой записи (когда к кристаллу приложено постоянное электрическое поле) достигается линейный режим фазовой демодуляции за счет обеспечения фазового сдвига в п/2 [3, 5, 6].

Во всех описанных выше случаях к фоторефрактивному кристаллу прикладывалось внешнее электрическое поле для увеличения дифракционной эффективности динамической голограммы или для реализации линейного режима. Однако усложнение измерительной системы в целом в случае использования высоковольтных источников напряжения зачастую сводит к минимуму те достоинства, которые она приобретает за счет адаптивных свойств динамических голограмм. В частности, сильное постоянное электрическое поле, прикладываемое к кристаллу, приводит к его перегреву (вплоть до разрушения), и, как следствие, возникает необходимость проводить измерение в течение коротких интервалов времени, чередуя их с периодами «молчания» [5]. Кроме того, повышенное энергопотребление такой измерительной системы не позволяет использовать ее в задачах длительного мониторинга в автономном режиме.

В следующем разделе приведено описание метода адаптивной демодуляции фазы, в котором удалось найти решение указанных проблем.

Векторное смешение волн на отражательной голограмме в условиях анизотропной дифракции. Во всех рассмотренных случаях для формирования динамической

Рис. 4. а - схема адаптивной волоконно-оптической измерительной системы на основе отражательной голограммы: ЧВП - четвертьволновая пластинка; б - осциллограммы модуляционного сигнала

голограммы использовалась так называемая пропускающая геометрия, в рамках которой взаимодействующие лучи распространяются в кристалле под малым углом друг к другу в одном направлении. Однако для быстрой и эффективной записи такой голограммы, как было отмечено, необходимо прикладывать к кристаллу сильное электрическое поле. Вместе с тем эффективность голограммы может быть существенно повышена в случае ее записи в отражательной геометрии (схема Денисюка), когда лучи распространяются в кристалле навстречу друг другу [1]. При этом могут быть достигнуты высокие коэффициенты двухволнового взаимодействия без приложения к кристаллу внешнего электрического поля за счет достижения высоких пространственных частот в профиле поля пространственного заряда [8]. Однако в этом случае будет реализован диффузионный механизм записи голограммы и, как следствие, - квадратичный режим демодуляции фазы. Вместе с тем, если дифракция световой волны на динамической голограмме носит анизотропный характер, возможно достижение линейного режима преобразования модуляции фазы сигнальной волны в изменение интенсивности даже в случае диффузионной записи. Анизотропная дифракция световой волны сопровождается поворотом плоскости ее поляризации на 90°. Необходимым же условием линейной демодуляции фазы в изменение интенсивности при этом является смешение двух волн с различным типом поляризации - линейной и эллиптической. Линейная демодуляция тогда будет достигнута за счет того, что внутренняя разность фаз в п/2 между ортогональными компонентами эллиптически поляризованной волны переносится в интерференцию прошедшей сигнальной и дифрагировавшей опорной волн, обеспечивая тем самым необходимый дополнительный фазовый сдвиг [4, 10]. Было показано, что дифракция световых волн на динамической голограмме в геометрии, представленной на рис. 4а, носит анизотропный характер. Здесь сигнальная волна имеет линейную поляризацию, а опорная - эллиптическую. Осциллограммы сигналов модуляции фазы и изменения оптической мощности, напрямую регистрируемой фотоприемником (рис. 4б), подтверждают достижение линейного режима фазовой демодуляции. Теоретическое и экспериментальное исследования зависимостей амплитуды сигнала демодуляции от параметров взаимодействующих световых волн и кристалла позволили найти оптимальный набор параметров, определяющий максимальную чувствительность адаптивного демодулятора на основе отражательной фоторефрактивной голограммы.

Таким образом, выполненные к настоящему времени исследования позволяют сделать вывод о перспективности применения динамических фоторефрактивных голограмм в волоконно-оптических измерительных системах. Такие измерительные системы могут успешно применяться в реальных условиях в силу способности подстраиваться под неконтролируемые изменения окружающей среды. Кроме того, найдены решения, которые позволили полностью отказаться от использования сильного электрического поля, обычно прикладываемого к кристаллу не только для повышения эффективности динамической

голограммы, но и для перехода в линейный режим фазовой демодуляции. Отсутствие необходимости использовать в измерительной системе высоковольтные источники напряжения делает ее энергонезависимой, что вместе с большей надежностью, безопасностью и простотой повышает ее автономность.

ЛИТЕРАТУРА

1. Агеев Е.Ю., Шандаров С.М., Веретенников С.Ю., Мартьянов А.Г., Карташов В.А., Камшилин А.А., Прокофьев В.В., Шепелевич В.В. Двухволновое взаимодействие на отражательной решетке в кристалле Bi12TiO20 // Квантовая электрон. 2001. Т. 31. С. 343-345.

2. Воронов В.В., Дорош И.Р., Кузьминов Ю.С., Ткаченко Н.В. Фотоиндуцированное рассеяние света в кристаллах ниобата бария-стронция, допированных церием // Квантовая электрон. 1980. Т. 7, № 11. С. 2313-2318.

3. Петров М.П., Степанов С.И., Хоменко А.В. Фоточувствительные электрооптические среды в голографии и оптической обработке информации. Л.: Наука, 1983. 269 с.

4. Ромашко Р.В., Кульчин Ю.Н., Камшилин А.А. Адаптивный интерферометр на основе анизотропной дифракции на фоторефрактивной отражательной голограмме // Изв. РАН. Сер. физ. 2006. Т. 70 (В печати).

5. Delaye P., Blouin A., Drolet D., de Montmorillon L.-A., Roosen G., Monchalin J.-P. Detection of ultrasonic motion of a scattering surface by photorefractive In:Fe under an applied dc field // J. of Optical Soc. of America B. 1997. Vol. 14. P. 1723-1734.

6. Hall T.J., Fiddy M.A., Ner M.S. Detector for an optical-fiber acoustic sensor using dynamic holographic interferometry // Optics Lett. 1980. Vol. 5, N 11. P. 485^87.

7. Kamshilin A.A., Paivasaari K., Nazhestkina N.I., Prokofiev V.V., Ashihara S., Iida Y., Shimura T., Kuroda K. Adaptive correlation filters for speckle patterns in photorefractive crystals // Applied Physics B. 1999. Vol. 68. P. 1031-1038.

8. Kukhtarev N.V., Chen B.S., Venkateswarlu P., Salamo G.J., Klein M.B. Reflection holographic gratings in (111) cut Bi^TiO20 crystal for real-time interferometry // Optics Communications. 1993. Vol. 104. P. 23-28.

9. Kulchin Yu.N., Romashko R.V., Kamenev O.T. Using photorefractive crystals for adaptive processing of signals of fiber-optical measuring systems // Proc. SPIE. 2003. Vol. 5129. P. 168-175.

10. Romashko R.V., Kulchin Yu.N., Kamshilin A.A. Linear phase demodulation via reflection photorefractive holograms // OSA Trends in Optics and Photonics Series (TOPS). 2005. Vol. 99. P. 675-680.