авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Поляризационные и интерференционные эффекты в многомодовых волоконных световодах

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

КИЗЕВЕТТЕР ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ И ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В МНОГОМОДОВЫХ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДАХ

01.04.21 – лазерная физика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург - 2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Матышев Александр Александрович
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Котов Олег Иванович доктор физико-математических наук, профессор Мельников Леонид Аркадьевич доктор технических наук, профессор Мешковский Игорь Касьянович
Ведущая организация Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций

Защита состоится “19” марта 2009 г. в 16-00, на заседании диссертационного совета Д212.229.01 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», 195251, Санкт-Петербург, Политехническая 29, II учебный корпус, аудитория 470.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан “____” ________________ 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

д.т.н., профессор А.С. Коротков

ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ И ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В МНОГОМОДОВЫХ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДАХ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Физико-математическая основа теории распространения излучения в волоконных световодах (ВС) была создана в 60 - 70х годах прошлого века. Однако экспериментальные данные и теоретические представления, полученные за последние 30 лет, а также развитие вычислительной техники привели к необходимости частичного переосмысления полученных ранее результатов и изменению подходов к решению широкого круга задач волоконной оптики. В частности, до настоящего времени фактически не существовало волноводной теории, позволяющей описать поляризационные свойства многомодовых ВС простыми аналитическими выражениями, способов численного моделирования спекл-структур (СПС) излучения световодов, а также физико-математических моделей, позволяющих корректно рассчитать угловую передаточную характеристику (УПХ) световодов со ступенчатым профилем показателя преломления (ППП). Следует также отметить, что такое физическое явление как оптические вихри в волоконных световодах, представляющее интерес для различных прикладных целей, несмотря на хорошее развитие теории, экспериментально изучено недостаточно. В связи с появлением новых технологий и технических применений световодов со ступенчатым ППП, необходимо создание новых физико-математических моделей и теории для адекватного описания процессов распространения, ввода и вывода излучения, пригодных для прикладных расчетов.



Цель работы. На основании новых физико-математических моделей создать теории, методики численного моделирования (ЧМ), получить аналитические выражения для решения актуальных задач волоконной оптики, используя которые появляется возможность выявить ранее неизвестные свойства волоконных световодов, определить области их практического применения, а также рассчитать требуемые характеристики различных волоконно-оптических устройств. Целью работы является также экспериментальное подтверждение теоретических выводов и созданных методик расчетов. В частности, создание волноводной теории деполяризации излучения многомодовых ВС, методики численного моделирования распределений интенсивности когерентного излучения, выходящего из световода, в том числе спекл-структур, сформированных оптическими вихрями, совершенствование теории, описывающей влияние рассеяния излучения торцевыми поверхностями ВС на передаточные характеристики световода.

Научная новизна.

  1. Получены асимптотические формулы для собственных чисел волноводных мод, расчета напряженности электромагнитного поля излучения волноводных мод и оптических вихрей в дальней зоне дифракции и длины распада линейно-поляризованных групп (LP) в световодах со ступенчатым ППП в виде простых арифметических выражений.
  2. Создана волновая теория деполяризации излучения в многомодовых ВС со ступенчатым ППП. Теоретически и экспериментально показано существование угла, названного углом отсечки линейной поляризации выходящего излучения и получены формулы, связывающие угол отсечки с параметрами световода. Выведены аналитические формулы для описания спектрально-поляризационных биений в одномодовом двулучепреломляющем световоде с локальным дефектом. Разработана методика и выполнено численное моделирование спектрально-поляризационных биений для случая большого количества локальных дефектов со случайным расположением по длине.
  3. Разработана методика численного моделирования распределений интенсивности выходящего из ВС когерентного излучения, позволяющая корректно описать как образующуюся спекл-структуру, так и усредненное по фазам интерферирующих волн заданное угловое распределение интенсивности. Выполнено исследование пространственных статистических характеристик спекл-структур излучения волоконных световодов со ступенчатым профилем ППП методом численного моделирования, как для волноводных мод, так и для оптических вихрей, распространяющихся в ВС. Определены корреляционные расстояния спекл-структур при постоянном азимутальном и аксиальном углах. Установлено, что при возникновении в ВС оптических вихрей с одним направлением вращения волнового фронта величина возрастает, а СПС становится анизотропной. Смоделировано пространственное изменение спекл-структур ВС при изменении длины волны излучения. Теоретически и методом ЧМ показано, а также экспериментально подтверждено, что спеклы, сформированные излучением оптических вихрей, в отличие от спеклов, образованных излучением волноводных мод, при изменении длины волны имеют преимущественное азимутальное направление движения, что можно рассматривать как вращение СПС. Определены функции взаимной корреляции спекл-структур при различных длинах волн и различных углах выхода излучения.
  4. Создана методика, позволяющая различать спекл-структуры, сформированные оптическими вихрями с одинаковыми направлениями вращения от СПС, образованных преимущественно волноводными модами со сравнительно малыми значениями азимутальных индексов.
  5. Обнаружена новая разновидность эффекта вращения спекл-структуры выходящего излучения при изгибе световода одновременно в двух плоскостях, пригодная для создания датчиков угла поворота.
  6. Разработана методика измерения угловых передаточных характеристик (УПХ) волоконных световодов, позволяющая оценить влияние неточности юстировки оптической системы на параметры измеряемых зависимостей. Экспериментально определены УПХ различных волоконных световодов. Предложена простая физическая модель, позволяющая получить простые аналитические выражения для описания УПХ.
  7. Разработан квазилучевой подход для решения задач ввода-вывода излучения, сохраняющий простоту классической лучевой модели, но позволяющей формально учесть влияние энергообмена между модами и дифференциальное модовое затухание.
    Создана теоретическая основа для расчета влияния оптических неоднородностей торцевых поверхностей волоконного световода на параметры вводимого и обратно отраженного излучения. Предложен способ равномерного возбуждения волноводных мод при проведении измерений параметров волоконных световодов, заключающийся в последовательном нанесении слоев светорассеивающего лака с одновременным контролем рассеивающих свойств покрытия. Исследовано влияние рассеяния на торцевых поверхностях световодов на характеристики модового шума, в том числе при появлении в ВС оптических вихрей.

Практическая ценность диссертации заключается, прежде всего, в создании новых физико-математических моделей и теоретических представлений, позволяющих применить полученные результаты для решения широкого круга прикладных задач волоконной оптики. В частности, для создания, проектирования и оптимизации параметров волоконно-оптических систем. Выявленные поляризационные свойства многомодовых волоконных световодов со ступенчатым ППП и разновидность эффекта вращения спекл-структур, могут быть использованы при разработке волоконно-оптических датчиков, устройств доставки поляризованного излучения к измерительным приборам, для расчетов полей оптических ловушек микрочастиц и других целей. Созданные физико-математические модели, а также результаты исследований методом численного моделирования создают основу для разработки и внедрения новых методов диагностики качества ВС на основе анализа поляризационных, угловых передаточных характеристик и статистических характеристик спекл-структур выходящего излучения, а также для совершенствования существующих и создания новых стандартов в метрике волоконных световодов. Результаты исследований открывают новые возможности для практического использования волоконных световодов в качестве генератора оптических вихрей для манипуляций микрочастицами, диагностики винтовых внутренних напряжений и дислокаций твердых тел, оптических кристаллов, наноструктур и биологических объектов.

На защиту выносятся:

  1. Волновая теория деполяризации излучения при распространении по многомодовому ВС со ступенчатым ППП, основанная на полученных асимптотических формулах для собственных чисел волноводных мод. Выявленные и теоретически обоснованные поляризационные свойства ВС, в частности, формулы, связывающие, угол, названный углом отсечки линейной поляризации выходящего излучения, с параметрами световода, открывающие новые возможности использования ВС для передачи поляризованного излучения. Аналитические формулы для описания спектрально-поляризационных биений в одномодовом двулучепреломляющем световоде с локальным дефектом, методика и результаты численного моделирования спектрально-поляризационных биений для случая большого количества локальных дефектов со случайным расположением по длине.
  2. Методика численного моделирования распределений интенсивности выходящего из ВС когерентного излучения. Условия возникновения в ВС группы оптических вихрей и их влияние на пространственные и спектральные характеристики СПС. Предложенная методика, позволяющая отличать спекл-структуры, сформированные оптическими вихрями с одинаковыми направлениями вращения от СПС, образованных преимущественно волноводными модами со сравнительно малыми значениями азимутальных индексов.
  3. Эффект вращения спекл-структуры выходящего излучения при изгибе световода одновременно в двух плоскостях, на основе которого возможно создание датчика угла поворота.
  4. Физическая модель, позволяющая корректно описать угловые передаточные характеристики (УПХ) волоконных световодов со ступенчатым профилем показателя преломления, результаты экспериментальных измерений и полученные аналитические выражения.
  5. Методика расчета, теоретические оценки и результаты экспериментальных исследований влияния оптических неоднородностей торцевых поверхностей ВС на параметры вводимого, выходящего и обратно отраженного излучения, в частности, эффективности ввода, модовый состав, диаграмму направленности излучения и шумовые характеристики при пространственной фильтрации, необходимые при проектировании волоконно-оптических систем в реальных условиях эксплуатации. Способ равномерного возбуждения волноводных мод световода с использованием светорассеивающего лака для стандартизации измерений параметров ВС.

Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов подтверждается совпадением теоретических и экспериментальных зависимостей, а также зависимостей, полученных методом численного моделирования. Созданные физико-математические модели и численно-аналитические методы позволили выявить и объяснить ряд эффектов, ранее не имевших научного объяснения, что также подтверждает достоверность полученных результатов. На основании одного из выявленных эффектов был создан, протестирован и запатентован лабораторный макет датчика угла поворота.





Личный вклад автора. Автором получены математические формулы для расчетов собственных чисел (гл. 2), описания поляризационных эффектов в многомодовых ВС (гл. 3), моделирования спекл-структур (гл. 4), оценки эффективности ввода (ЭВ) в ВС, величины обратного отражения и диаграмм направленности ВС с рассеивающими торцевыми поверхностями. Автором предложена физическая модель для описания УПХ световодов (гл. 5), объяснены физические эффекты, связанные с возникновением оптических вихрей в ВС (гл. 4, 6), обнаружен эффект вращения СПС в световодах (гл. 4). Лично автором произведены экспериментальные и теоретические исследования, описанные в гл. 3-5, исключая измерения спектрально-поляризационных характеристик (гл. 3), выполненных совместно с Малюгиным В.И. Также совместно с Малюгиным В.И. произведены экспериментальные измерения ЭВ и модового состава в ВС с рассеивающими торцевыми поверхностями.

Структура и объем работы. Материал диссертации, состоящий из введения, 6 глав, заключения и списка литературы изложен на 227 страницах, включая 85 рисунков на 72 листах и 3 таблицы. Список цитируемой литературы включает 160 наименований.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на 21 научной конференции в период с 1983 г. по 2007 г. В частности, на 4-й и 6-й международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование», г. Санкт-Петербург, 2003, 2005 гг., на международной научной конференции «Лазеры. Измерения. Информация», г. Санкт-Петербург, 2003 - 2007 гг., на международной научной конференции «Лазеры для медицины, биологии и экологии», г. Санкт-Петербург, 2004, 2006 гг., на 61-й научной сессии, посвященной Дню Радио, г. Москва, 2006 г.

Материалы диссертации докладывались также на научно-технических семинарах радиофизического и электромеханического факультетов СПбГПУ.

По материалам диссертации опубликовано 49 работ, в том числе 5 авторских свидетельств и 1 патент РФ.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована и обоснована цель и актуальность работы, приведены положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Обзор литературы. В гл. 1 рассмотрены основные работы, относящиеся к теме диссертации.

Глава 2. Асимптотические формулы для решений дисперсионного уравнения и задачи ввода-вывода излучения.

2.1. Асимптотические формулы для собственных чисел волноводных мод световода со ступенчатым профилем показателя преломления. В п. 2.1 приводится математический вывод асимптотических формул для собственных чисел волноводных мод световодов со ступенчатым ППП. Методом линеаризации характеристического (дисперсионного) уравнения вблизи точек , являющихся -ым нулем производной функции Бесселя -го порядка (), при >>1, где – нормированная частота, – радиус сердцевины ВС, , – длина волны излучения, , – показатели преломления сердцевины и оболочки, для собственных чисел мод – и мод – получено:

(1)

где - азимутальный индекс моды, , , – величина постоянной распространения при .

Для поперечных волн TE0j и TM0j имеем:

, , (2)

где , а – корни уравнения . Аппроксимация отношения функцией тангенса дает более точные выражения для собственных чисел:

(3)

где:

, , .

В частности, при >>1, справедливо:

, , .

Определены точности полученных выражений. Показано, что для практических расчетов представленные формулы можно использовать при 10..20.

Таким образом, расчет собственных чисел, соответственно и постоянных распространения, можно выполнить без численного решения трансцендентных уравнений, используя полученные арифметические выражения. Основным преимуществом формул (1)-(3) по сравнению с известными асимптотическими формулами является возможность получения корректных аналитических выражений для производных по любому параметру, в частности, по длине волны. В п. 2.1 рассмотрена также разность собственных чисел и постоянных распространения между различными волноводными модами и проанализированы основные закономерности.

2.2. Асимптотические формулы для расчета длины волны поляризационных и спектрально-поляризационных биений. П.2.2 посвящен рассмотрению разности собственных чисел и постоянных распространения волноводных мод, образующих линейно-поляризованные (LPi,j) модовые группы. Показано, что известная формула, полученная в приближении слабонаправляемых мод с использование теории возмущений:

, (4)



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.