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一分钟了解光纤干涉仪和法拉第旋转镜FRM
一分钟了解光纤干涉仪和法拉第旋转镜FRM
易百纳技术社区 亿源通科技 2022-11-15 09:00:36

导读:
光纤传感的基本原理
光纤水听器是什么?
了解光纤干涉仪的原理及类型
迈克尔逊干涉仪的结构组成
法拉第旋转镜FRM
光纤水听器的应用

光纤传感的基本原理
在光通信系统中,光纤被用作为远距离传输光波信号的媒质。在实际的光传输过程中,当光在光纤中传播时,容易受到外界环境因素影响,如外界温度、压力、位移、磁场、电场和转动等外界条件的变化,产生光的折射、反射和吸收效应,导致光纤光强、相位、频率、偏振、波长等的变化。如果可以测出光波参数的变化,就可以知道导致光波参数发生变化的物理量大小。这种利用光纤敏感特性来进行测量的信号的技术就是光纤传感技术。

简单地说,光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器,使待测参数与进入调制区的光相互作用后,导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化,称为被调制的信号光,再利用被测量对光的传输特性施加的影响,完成测量。整个过程中,光纤及其传感器件起到信号传输和外界物理量感知的作用,是光纤传感的关键组成部分。

传感器的核心功能是实现对外界被测参数的“传”和“感”。感知外界信号的变化,外界信号对光纤中传播的光波实施调制;所谓传输,是指光纤将受外界信号调制的光波传输到光探测器进行检测,将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处理,也就是解调。

光纤传感器的原理基本结构图

光纤水听器是什么?
光纤水听器技术是一种以光纤为信息传输和传感媒介的新型传感器,它通过高灵敏度的光学相干检测, 将水声振动转换成光信号,通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息,可实现对水声信号的高精度测量。

光纤水听器有很多类型,从声传感基本原理来分,光纤水听器可分为调幅型(强度型)、偏振(光纤光栅)和调相型(干涉型)三种类型,其中干涉型光纤水听器技术最为成熟。干涉型光纤传感器是高精度光纤传感与测量技术的理想选择。

干涉型光纤水听器阵列是一套建立在光纤传感和光电子技术基础上的水下声信号探测器设备。主要通过高灵敏度的光纤相干检测技术,把水声信号变换成光信号,并通过光纤传输至信号处理系统。

了解光纤干涉仪的原理及类型
干涉型光纤水听器是基于光学干涉仪的原理构造的。光纤干涉仪(英文名称:Fiber interferometer)利用了光纤来实现光的干涉,被大量的用在传感领域,是重要的光纤传感器件。光纤干涉仪通过构造传感臂和参考臂,使经过传感臂的激光接受声波调制,经过参考臂的激光提供参考相位,两束激光行成相位差,经后端反射镜反射返回耦合器或在干涉仪的第二个耦合器相遇时发生干涉,光电转换器将干涉光幸好转换为电信号,进而通过信号解调得到声信息。

具有代表性的光纤干涉仪可以分为光纤法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot,FPI)、马赫-泽德干涉仪(Mach-Zehnder,MZI)、迈克尔逊干涉仪(Michelson,MI)、萨格纳克干涉仪(Sagnac,SI)四种类型。

Mach-Zehnder光纤干涉仪的原理示意图,激光经3dB光纤耦合器分为两路,分别经过传感臂与参考臂,由另一个耦合器合束发生干涉,经光电探测器转换后得到声信号。

Fabry-Perot干涉仪,由两个反射镜或一个光纤布拉格光栅等形式构成,激光经该干涉仪时形成多光束干涉,通过解调干涉的信号得到声信号。

Michelson干涉仪,由激光器发出的激光经过光纤耦合器分为两路:一路构成光纤干涉仪的传感臂,接受声波的调制,另一路则构成参考臂,提供参考相位。两束波经后端反射镜反射后返回光纤耦合器,发生干涉,干涉的光信号经光电探测器转换为电信号,经过信号处理就可以拾取声波的信息。

Sagnac干涉仪,激光经分束器分为反射和透射两部分。这两束光均由反射镜反射形成传播方向相反的闭合光路,并在分束器上会合,送入光探测器,同时也有一部分返回到激光器。在这种干涉仪中,两光束的光程长度相等。根据双束光干涉原理,在光电探测器上探测不到干涉光强的变化。

迈克尔逊干涉仪的结构组成
经典的迈克尔逊干涉仪由两个反射镜FRM(Faraday rotating mirror)(一个形成参考臂,另一个形成探测臂)和一个 45 度分束器组成,以FRM相对于输入偏振态 (SOP) 的 90°正交偏振返回光,它们是多年在磁光学和尺寸封装专业知识方面丰富经验的结晶。

法拉第旋转镜FRM
光纤法拉第旋转镜(FRM,Faraday rotating mirror)用来改变输入光的偏振态,使得经过法拉第旋转器和反射镜后的偏振光的方向旋转90度角,和输入偏振光正交垂直,偏振方向相反。

法拉第旋转镜的工作原理:输入光从光纤发出,通过准直器将光转化为平行光,通过法拉第旋转器,将光的偏振方向旋转45°后,经过镜面的反射,再次通过法拉第旋转器旋转45°,这样偏振方向就旋转了90°,最后经过准直器耦合输出到光纤中。

在使用普通单模光纤制作干涉型光纤传感器时,这类光纤易受环境影响(光纤芯的微小瑕疵、永久压力、弯曲、扭转以及温度的变化等)而使传输光的偏振态发生变化,从而会引起干涉信号的反衬度变化(干涉场中最大光强值与最小光强值的差与它们的和之比定义为反衬度,用来定量描述干涉条纹的清晰程度),尤其当干涉仪两臂中光的偏振态正交时,干涉现象就会完全消失,这种现象就是偏振诱导的信号衰落。

法拉第旋镜法是抑制干涉型光纤传感系统偏振诱导信号衰落的一种重要方案,它在理论上可以完全消除偏振衰落。Michelson光纤干涉仪中将两臂的反射镜各加一个旋转角度为45°的法拉第旋转镜,入射光的偏振变化刚好抵消反射光的偏振变化,从而输出可见度稳定保持为1的干涉信号。因此,法拉第旋转镜是光纤迈克尔逊干涉仪的重要组成部分。

法拉第旋转镜的用法比较广泛,不单单仅限于应用于迈克尔逊干涉仪中。

光纤水听器的应用
光纤水听器主要用于海洋声学环境中的声传播、噪声、混响、海底声学特性、目标声学特性等的监测。它既可用于海洋、陆地石油天然气勘探,也可用于海洋、陆地地震波检测以及海洋环境检测,它又是现代海军反潜作战、水下兵器试验、海洋石油勘探和海洋地质调查的先进探测手段。

随着国家海洋战略的逐步推进,光纤水听器的深海应用已越发广泛,可靠性要求也越来越高,为顺应市场和客户需求,亿源通基于搭建的六大基础技术平台,近日推出可用于深海水听器的迈克尔逊干涉仪产品线,其产品线子类包括FRM(法拉第旋转镜)器件以及Coupler(耦合器), 其产品特点为超小型化封装、超高可靠性以及超高稳定性,可用于深海5000m信号探测,是光纤干涉传感器系统的理想选择。



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