Оптоволоконные приёмники звука. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Оптоволоконные приёмники звука - приёмники, действие к-рых основано на изменении параметров световода (показателя преломления, длины, формы и т. п.) под действием звуковой волны и возникающей в результате этого модуляции характеристик световой волны (фазы, поляризации, амплитуды), распространяющейся в световоде. В состав О. п. з. входят источник света (лазер, светодиод), чувствит. элемент - световод и фотоприёмник, регистрирующий изменения мощности света на выходе световода, либо оптич. система обработки выходного сигнала. В большинстве конструкций О. п. з. применяется также акустомеханич. преобразователь, обеспечивающий заданный характер деформаций световода под действием звуковой волны. В соответствии с тем, какой из параметров света используется для определения характеристик звуковой волны, О. п. з. подразделяют на интерферометрич., поляризац. и амплитудные.
В приёмниках на основе фазовой модуляции света приём звука осуществляется с помощью интерферометрич. схем (Маха - Цендера, Майкельсона, Фабри - Перо и др.) благодаря интерференции световых волн, по-разному промодулированных звуком. Изменение фазы световой волны

происходит в результате изменения эфф. показателя преломления n_эф и длины световода L под действием звукового давления р:

где

- длина волны света. Простейший приёмник на основе фазовой модуляции света (рис. 1) представляет собой двухплечевой оптоволоконный интерферометр, в одном плече к-рого расположен сигнальный световод 4, помещённый в акустич. поле, в другом - опорный световод 5, изолированный от звука либо обладающий меньшей чувствительностью к звуковому давлению, что достигается соответствующим выбором упругих свойств покрытий световода, его длины и др. Световые волны, выходящие из опорного и сигнального световодов, интерферируют на фотокатоде, в результате чего мощность света, попадающего на фотоприёмник 6, модулируется в соответствии с изменяющейся разностью фаз между волнами. На выходе фотоприёмника при этом наблюдается электрич. сигнал звуковой частоты.
В О. п. з. на основе одноплечевого интерферометра Фабри - Перо модуляция фазы света в световоде преобразуется в модуляцию интенсивности благодаря многолучевой интерференции лучей разл. порядков отражения от торцов световода.
В интерферометрич. О. п. з. применяются как одномо-довые, так и многомодовые световоды. В приёмниках с многомодовыми световодами может использоваться также межмодовая интерференция. Оптим. режим работы приёмника определяется условием

где

- пост. разность фаз интерферирующих волн. Сигнал на выходе приёмника линейно зависит от звукового давления при условии

1.
Поляризац. модуляция в О. п. з. (рис. 2) имеет место при наличии анизотропных напряжений и деформаций в световоде 4 (закручивание, сжатие, изгиб), к-рые обусловливают двулучепреломление в одномодовых волоконных световодах. В таком анизотропном оптич. волокне оказывается возможным распространение двух ортогонально поляризов. световых волн с разл. фазовыми скоростями. Воздействие акустич. волны на двулучепреломляющий световод вызывает изменение разности фаз между ортогонально поляризов. модами, к-рое преобразуется с помощью поляризац. анализатора 6 в модуляцию интенсивности света на фотоприёмнике 7. Оптим. режим работы и условие линейности определяются теми же соотношениями, что и для интерферомет-рпч. приёмников. В поляризац. приёмниках широко применяются акустомеханич. преобразователи в виде цилиндра 5 из упругого материала (резины, пластмасс и т. п.), на к-рый навит чувствит. элемент - одномодовый световод 4.

Рис. 1. Приёмник звука с интерферометром Маха - Цендера: 1 - лазер, 2 - микрообъективы; 3 - ответвители; 4 - сигнальный световод на катушке; 5 - опорный световод; 6 - фотоприёмник.

Рис. 2. Поляризационный приёмник звука: 1 - лазер; 2 - четвертьволновая пластина; 3 - микрообъективы; 4 - световод; 5 - упругий цилиндр; S - поляризационный анализатор; 7 - фотоприёмники.

Модуляция спета в амплитудных приёмниках связана, как правило, с появлением под действием звука дополнит. потерь оптич. мощности (на изгибах и микроизгибах световода, вследствие изменения числовой апертуры световода, в результате дифракции света на звуке достаточно высоких частот и др.). В приёмниках этого типа применяются как одномодовые, так и многомодовые световоды. Наиб. типичный акустомеханич. преобразователь 4 амплитудного приёмника (рис. 3) представляет собой две зубчатые пластины, между к-рыми помещён волоконный световод. Воздействие звукового давления на пластины вызывает изменение расстояния между ними и соответственно изменение профиля изгиба световода, что приводит к модуляции потерь оптич. мощности в световоде. Чувствительность приёмника зависит от профиля показателя преломления световода, формы изгиба и распределения энергии по модам. Использование пространственных фильтров позволяет возбуждать и детектировать заданные моды и перестраивать таким образом чувствительность приёмника.

Рис. 3. Амплитудный приёмник звука: 1 - лазер; 2 - объективы; 3 - световод; 4 - акустомеханический преобразователь - зубчатые пластины; 5 - фотоприёмник.

Акустич. преобразование в чувствит. элементе О. п. з. удобно характеризовать параметром

представляющим относит. изменение мощности света I на выходе световода под действием звукового давления, приведённое к единице длины световода и единице давления:

Этот параметр определяет чувствительность О. п. з. М [мкВ/Па], к-рая обычно пропорц. длине световода L и мощности источника света. Наиб. высоким значением

характеризуются, как правило, интерферометрич. приёмники. Напр., для приёмника на основе интерферометра Маха - Цендера с чувствит. элементом в виде кварцевого световода с полиамидным покрытием, навитого на цилиндр из полиуретана, значение

= 10^-1 - 10^-2 рад/м х Па. Соответствующий параметр О. п. з. на основе поляризац. модуляции в том же чувствпт. элементе прибл. на два порядка меньше.
Достоинствами О. п. з. являются слабая подверженность влиянию эл--магн. помех, относительно высокая чувствительность и большой динамич. диапазон, возможность стыковки с системами оптич. обработки информации и относит. простота способов построения приёмников с распределёнными параметрами. О. п. з. находят применение в качестве гидрофонов, микрофонов, виброметров. Порог чувствительности, т. е. мин. звуковое давление, обнаруживаемое на фоне собств. шумов, для большинства О. п. з. сопоставим с порогом слышимости (см. Пороги слуха)и уровнем шумов океана и составляет ~ 0 - 40 дБ относительно 1 мкПа/Гц¹/₂. При этом характерный динамич. диапазон большинства О. п. з. составляет 110 - 130 дБ. Осн. вклад в собств. шумы О. п. з. дают дробовой эффект в фотоприёмнике и шумы источника света (частотные и амплитудные). Последние преобладают на НЧ (десятки, сотни Гц). Значит. влияние на параметры О. п. з. могут оказывать температурные и вибрац. внеш. воздействия. Они, в частности, вызывают нарушение оптим. режима работы и наиб. существенны для интерферометрич. О. п. з. Температурный коэф. изменения фазы света в кварцевом световоде составляет ~100 рад/м х град и превышает соответствующий коэф. поляризац. приёмников на 2 - 3 порядка.
Для уменьшения влияния флуктуаций параметров световода из-за внеш. воздействий применяют металлизиров. покрытия световодов, эл--механич. и эл--оптич. системы, изменяющие длину опорного плеча, системы оптич. обработки сигнала на основе методов динамич. голографии в фоторефрактивных средах.

Литература по оптоволоконным приёмникам звука

Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.