Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета, 2012, №82
Покупка
Основная коллекция
Издательство:
Кубанский государственный аграрный университет
Наименование: Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета
Год издания: 2012
Кол-во страниц: 1151
Дополнительно
Вид издания:
Журнал
Артикул: 641120.0001.99
ББК:
УДК:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Научный журнал КубГАУ, №82(08), 2012 года http://ej.kubagro.ru/2012/08/pdf/57.pdf 1 УДК: 535:628.373.8 UDC: 535:628.373.8 ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ МЕТОД ПЕРЕДАЧИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПО АТМОСФЕРНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ INTERFEROMETRIC METHOD OF LASER RADIATION TRANSMISSION USING FREE SPACE OPTICS Мышкин Вячеслав Федорович д.ф.-м.н., доцент Mishkin Viacheslav Fedorovich Dr.Sci.Phys.-Math., associate professor Томский национальный исследовательский политехнический университет, Томск, Россия National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia Хан Валерий Алексеевич д.т.н. Khan Valery Alekseevich Dr.Sci.Tech. Институт оптики атмосферы СО РАН, Томск, Россия Institute of Atmospheric Optics SB RAS, Tomsk, Russia Борисов Валентин Александрович Borisov Valentin Alecsandrovich Ленский Владимир Николаевич начальник учебной части военной кафедры Lensky Vladimir Nikolaevich Польченко Валерий Сергеевич аспирант Polchenko Valery Sergeevitch postgraduate student Томский национальный исследовательский политехнический университет, Томск, Россия National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia Кемельбеков Бекен Жасымбаевич Kemelbekov Beken Zasimbaevitch Академия транспорта и коммуникаций им. М. Тынышпаева, Алматы, Казахстан Аcademy of transport and communications named after M. Tinishpaeva, Almati, Kazakhstan Проведен анализ различных условий когерентного сложения двух (четырех) потоков лазерного излучения. Показано, что можно создавать устройства, обеспечивающие непрерывное вычитание волн. В таком потоке излучения непрерывное вычитание на трассе может быть заменено в непрерывное сложение на ФЭУ путем использования дисперсионной линии задержки. Результаты разработки могут быть использованы при создании атмосферных открытых линий связи нового поколения The analysis of the various conditions of the two (four) laser radiation streams coherent addition was realized. It is shown that it is possible to create devices providing continuous subtraction of waves. In such radiation stream a continuous subtraction on the line can be replaced by the continuous addition on the photomultiplier by using a dispersive delay line. The research results can be used for creation of modern open atmospheric connection lines Ключевые слова: ЛАЗЕР, АТМОСФЕРНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ СВЯЗИ (АОЛС), СИГНАЛ, ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ, ЛУЧ, ФОТОПРИЕМНИК, ДИСПЕРСИЯ Keywords: LASER, FREE SPACE OPTICS (FSO), SIGNAL, INTERFERENCE, RAY, PHOTODETECTOR, DISPERSION Основным требованиям к современным системам электросвязи является высокая скорость передачи информации. Оптические системы для передачи по атмосферным открытым линиям связи (АОЛС) характеризуются высокой скоростью передачи и небольшими
Научный журнал КубГАУ, №82(08), 2012 года http://ej.kubagro.ru/2012/08/pdf/57.pdf 2 капитальными затратами [1 - 3]. Известно, что лазерное излучение при прохождении в любой среде ослабляется. АОЛС также подвержена существенным влияниям метеоусловий. Всепогодные системы передачи информации по АОЛС до сих пор не созданы. Поэтому актуальна разработка методов и приборов для оптической связи, не чувствительные к величине ослабления сигнала на трассе АОЛС [3 - 6]. Известно, что из области интерференционного минимума излучение не рассеивается. После прохождения области пересечения, интенсивности лучей восстанавливаются. Совмещение ослабляющего участка АОЛС с минимумом интерференции позволит передавать сигнал с меньшим ослаблением [7 - 10]. Схема устройства для формирования двух когерентных лучей, сходящихся под малым углом, приведена на рис 1. Используется толстое зеркало с задней отражающей поверхностью. Угол наклона отражающих поверхностей определяет угол между интерферирующими лучами. Рис. 1. Схема формирования 2 когерентных лучей на одной длине волны, сходящихся под малым углом. 1 – зеркало, 2 – падающий луч, 3 – отраженные лучи. Рассмотрим интерференцию двух лучей. На рис. 2 (а) приведена β α α α α α
Научный журнал КубГАУ, №82(08), 2012 года http://ej.kubagro.ru/2012/08/pdf/57.pdf 3 геометрия лучей и картина в различных поперечных сечениях (б). Интерференционная картина представляет собой периодическую модуляцию интенсивности в направлении, перпендикулярном длинной диагонали виртуального ромба, образованного сходящимися пучками излучения (рис. 2, а). Лишь в одной плоскости происходит полное наложение пучков. При малой пространственной когерентности интерферирующих лучей векторное сложение возможно лишь при значительном наложении лучей. а б Рис. 2. Геометрия пересечения лазерных лучей при интерференции Период интерференции двух сходящихся под углом α лучей равен ( ) 1 5,0 sin 2 − = α λ Т . (1) При уменьшении угла схождения период интерференции может превышать величину короткой диагонали указанного ромба. При этом в некоторой части трассы интерферирующие лучи не взаимодействуют со средой передачи (пространственная область минимума интерференции). Выражение для полудлины длинной диагонали l области пересечения ( ) 1 sin − = α D l , (2) где D – диаметр интерферирующих пучков, α - угол схождения лучей. С учетом выражения (1), при условии D = T, получаем наибольшую длину области перекрытия апертур взаимодействующих лазерных пучков 2 l ( ) 2 5,0 sin sin 2 2 − ≈ = α λ α α λ l . (3) Cразу за зеркальными плоскостями лучи начинают расходиться. При такой схеме формирования лазерного луча до некоторого расстояния вдоль лучей наблюдается интерференционный минимум. Поэтому потери
Научный журнал КубГАУ, №82(08), 2012 года http://ej.kubagro.ru/2012/08/pdf/57.pdf 4 излучения на ослабляющей трассе не происходит. В дальнейшем наблюдаются два слаборасходящихся пучка полной мощности. Обзор различных схем формирования интерференционной картины показывает, что интерферирующие лучи могут быть соосны или ориентированы под малым углом. В первом случае можно использовать интерферометр Майкельсона или плоскопараллельную пластину. Во втором случае светоделительная пластина должна иметь некоторый угол между отражающими поверхностями. В зависимости от разности хода лучей в суммарном пучке интерферометра Майкельсона лучи могут складываться или вычитаться. На рис. 3 приведена схема экспериментальных исследований, в которых изучали закономерностей взаимодействия различных преград с двумя потоками излучений, испытывающих вычитание амплитуд при сдвиге их фаз на полуволну. С помощью двух линз лазерное излучение формируется в пучок диаметром 50 мм. Для формирования двух когерентных пучков, распространяющихся под малым углом, используется стеклянная пластинка толщиной 5 мм, между поверхностями которой имеется небольшой угол. Использовались следующие расстояния: лазер - телескоп 3 м, расстояние телескоп - точка фокусировки – 12,5 м, телескоп – делительная пластина 1,1 м. На расстоянии 0,9 м от делительной пластины из пучка с помощью квадратной диафрагмы вырезалась центральная часть (сечение А-А). В этом же сечении устанавливались различные экраны для ослабления пучка. Cразу за стеклянной пластинкой лучи начинают расходиться. При такой схеме формирования интерференционной картины до некоторого расстояния вдоль лучей наблюдается интерференционный минимум. В дальнейшем наблюдаются два слаборасходящихся пучка полной мощности. Однако, из-за малости угла между пучками расстояние, при
Научный журнал КубГАУ, №82(08), 2012 года http://ej.kubagro.ru/2012/08/pdf/57.pdf 5 котором пучки пространственно расходятся, превышают несколько сот метров. Поэтому с помощью формирующих линз когерентные пучки фокусировали на расстоянии 10-15 метров от светоделителя в пятно диаметром около двух миллиметров. В используемой схеме, за счет задержки по фазе в стекле, луч, формируемый от задней стенки светоделительной пластины, фокусируется на значительно меньшем расстоянии от пластины, чем луч, отраженный от передней плоскости. В точках их фокусировки можно выделять по отдельности практически весь пучок или преобразовать его в фотосигнал. При этом вклад второго луча в плоскости фокусировки первого луча в формируемый фотосигнал незначителен из-за его распределения по значительной площади. Рис. 3. Схема изучения интерференционных явлений. 1 – лазер, 2 – коллиматор, 3 – плоскопараллельная платина, 4, 5 – отраженные от пластины лучи, 6 – световоды, 7, 8 – фотоприемники, 9 – возмущающий предмет. А А А - А 1 2 3 4 5 6 6 7 8 9
Научный журнал КубГАУ, №82(08), 2012 года http://ej.kubagro.ru/2012/08/pdf/57.pdf 6 Рис. 4. Интерференционная картина в сечении А-А На рис. 4 приведена фотография экрана, вносимого в область интерференции. В центральной области можно сформировать как минимум, так и максимум интерференции за счет юстировки светоделительной пластины. В область минимума интерференционной картины вносили различные непрозрачные экраны прямоугольной формы, имеющей размеры, сравнимые с периодом интерференционной картины. Область интерференции перекрывали с помощью закрепленного сверху маятника, на нижнем конце которого размещали ослабляющие экраны. Для увеличения чувствительности измерений лазерный пучок, в плоскости ослабляющих экранов, пропускали через прямоугольную диафрагму сечением 1,6 см2. При этом сигнал фотодиода ФД-256 регистрировали в одном из интерферирующих пучков с помощью электронного осциллографа Tektronix TDS2024В. Результаты приведены на рис. 5. Из сравнительного анализа осциллограмм следует, что при превышении размера экрана размера центрального минимума, имеющего форму овала, зависимость ослабления лазерного излучения зависит от площади экрана. Если площадь экрана меньше, чем площадь области минимума интерференции, то на осциллограмме наблюдается импульс с двумя вершинами. При этом ослабление незначительно и практически не зависит от площади экрана. Из рис. 5 видно, что при прохождении непрозрачного экрана через область интерференционного минимума ослабления не происходит (периферийные области пика). Провал интенсивности в середине пика обусловлен нахождением там интерференционного максимума.
Научный журнал КубГАУ, №82(08), 2012 года http://ej.kubagro.ru/2012/08/pdf/57.pdf 7 а б в г д е Рис. 5. Осциллограммы, регистрируемые в фокальном пятне, при внесении в интерференционное поле прямоугольных экранов (в мм2): а - 44 (в виде перекрестия), б – 27, в – 23, г – 23, д – 14, е – 27 (полупрозрачный) Чередование вершин импульсов с меньшей и большей значениями амплитуд на переднем или заднем фронтах, в последовательности электрических импульсов фотодиода на рис. 5 (в, г, д, е), обусловлено асимметрией интенсивности в изучаемом пучке с интерферирующими лучами.
Научный журнал КубГАУ, №82(08), 2012 года http://ej.kubagro.ru/2012/08/pdf/57.pdf 8 При использовании светоделительной пластины без напыления формируются два когерентных пучка разных интенсивностей. Так как для оптического стекла (n = 1,46) отражение от передней поверхности 0,04, а от задней поверхности 0,96 х 0,04 х 0,96 = 0,037. Для увеличения и выравнивания интенсивностей интерферирующих пучков необходимо повышать отражение от поверхностей, например, путем напыления отражающего слоя. За счет нанесения отражающего покрытия на обе поверхности пластины можно добиться полного использования лазерного излучения в интерферирующих пучках. Для передачи по ослабляющим трассам можно использовать несколько схем, например, приведенных на рис. 6. а б Рис. 6. Схема формирования 4 когерентных лучей на 2 длинах волн. Где: 1 – зеркало, 2 – падающий луч, 3 – отраженные лучи. В схеме с интерферометром Майкельсона (рис. 6, б) за счет подвижного зеркала происходит смещение частоты лазерного излучения. При этом изменение положения зеркала приводит к дополнительному смещению фазы волны отраженной от подвижного зеркала. Расчеты показывают, что путем синхронизации фазы исходной волны с пространственным положением подвижного зеркала можно поддерживать суммарную интенсивность выходного пучка на заданном (низком или высоком) уровне. β λ1 λ2 λ2 ϕ=π λ1 ϕ=0 λ1 ϕ=π λ2 ϕ=0 ∆L λ1 υ λ2 λ1 λ2 λ1 λ1
Научный журнал КубГАУ, №82(08), 2012 года http://ej.kubagro.ru/2012/08/pdf/57.pdf 9 На фотоприемнике, за счет дисперсионной пластины, можно изменить условия взаимодействия потоков на разных длинах волн. Для перевода интерференции из противофазы (минимум) в одинаковой фазе (максимум) необходимо (достаточно), чтобы разность хода волн в оптической линии задержки составляла половину длины волны (для 1,06 мкм – 0,53 мкм). Материальная дисперсия (зависимость показателя преломления от частоты) для кварца приводит к сдвигу волн в одномодовом оптическом волокне на (0,1-0,3) нс/км. Разность хода составляет 0,53 10 6: 3 108 = 0,26 10-14 с. Необходимая толщина кварцевого стекла составляет 0,26 10-14 : 0,1 10-9 = 2,6 10-5 км = 2,6 см. Сложность формирования заданного уровня мощности на трассе является необходимость непрерывного поддерживания заданных условий интерференции - синхронизация с высоким временным разрешением. Такое устройство является достаточно громоздким. Компьютерное моделирование показывает, что путем синхронизации фазы луча (на светоделительной пластине), отражающегося от неподвижного зеркала и положения подвижного зеркала (при различных значениях разности длин плеч интерферометра Майкельсона) можно поддерживать заданную разность хода лучей. При этом суммарный луч может иметь как минимум, так и максимум интенсивности. Лучи, находящиеся в минимуме при интерференции могут быть использованы для передачи по ослабляющим трассам. При произвольном соотношении фаз интерферирующих лучей может быть использовано устройство, схема которого приведена на рис. 6, а. Используется плокопараллельная светоделительная пластина. Если отраженные от передней и задней граней пластины волны находятся в противофазе (с учетом материальной дисперсии), то получаем малую амплитуду по всей трассе (векторное вычитание интенсивностей на обеих длинах волн).
Научный журнал КубГАУ, №82(08), 2012 года http://ej.kubagro.ru/2012/08/pdf/57.pdf 10 С помощью плоскопараллельной светоделительной пластины, которая сдвигает излучения на полуволну, из двух потоков с разными длинами волн с произвольным соотношением фаз можно сформировать на входе в АОЛС четыре лазерных луча, имеющих фазы [λ1(ϕ1) + λ2(ϕ2)] + [λ1(ϕ1+π) + λ2(ϕ2 + ≈π)]. (4) При использовании импульса излучения на четырех длинах волн с сдвигом частоты (первая пара из которых имеют нулевые начальные фазы, а другая - ≈π), можно получить два сигнала биений на одинаковых разностных частотах. При этом взаимодействие сигналов биений со сдвигом на полуволну формирует общий сигнал с малой амплитудой. Такое соотношение фаз обеспечивает близкую к “нулевой” суммарную интенсивность на атмосферной трассе за счет векторного сложения интенсивностей всех четырех волн. Ослабление такого луча незначительно, что следует из закона Бугера. Если на выходе АОЛС перед фотоприемником использовать дисперсионную линию, обеспечивающую сдвиг в полуволну между входной и выходной компонентами с длинами волн λ1 и λ2 [λ1(ϕ/ 1) + λ2(ϕ/ 2)] + [λ1(ϕ/ 1+2π) + λ2(ϕ/ 2 + ≈2π)], (5) то волны складываются и энергия излучения проявляться в полной мере. На выходе из дисперсионной линии, формирующей дополнительный сдвиг фаз равный, π между λ1 и λ3 (а также λ2 и λ4) формируется суммарный поток излучения, содержащий компоненты с фазами, обеспечивающий условия сложения интенсивностей. Такой сигнал также может быть достаточным для регистрации фотоприемником. Поток излучения, с необходимым соотношением фаз, удовлетворяющем условию (4), может быть получено с помощью интерферометра Майкельсона с подвижным зеркалом и плоскопараллельной светоделительной платины.