Повлияет ли направление вибрации света на точность моих измерений?
Направление колебаний света (т. е. состояние поляризации света, State of Polarization, сокращённо SOP) действительно значительно влияет на точность измерений датчиков оптоволокна и волоконных брэгговских решёток (FBG). В точных оптических измерениях это физическое явление, которое необходимо тщательно учитывать и контролировать.
Ниже мы проанализируем, как состояние поляризации влияет на точность измерений и как можно оптимизировать этот процесс, с точки зрения физических механизмов и практических инженерных аспектов:
I. Физический механизм: влияние состояния поляризации и двулучепреломления на точность измерений
В идеальном одномодовом оптоволокне основной мод（ HE_{11} ）содержит два пространственно взаимно перпендикулярных поляризационных вырожденных состояния. Если структура оптоволокна абсолютно круглая симметрична и не имеет внешних напряжений, то постоянные распространения этих двух состояний поляризации будут абсолютно одинаковыми. Однако в процессе фактического производства, упаковки и развертывания оптоволокно неизбежно столкнется со следующими ситуациями:
-
Внутреннее и индуцированное двулучепреломление (Birefringence):
Небольшая геометрическая некруглость оптоволокна, изгибы, скручивания, а также напряжения при упаковке, вызванные несовпадением коэффициентов теплового расширения (боковые напряжения), разрушают круговую симметрию оптоволокна. Это вносит двулучепреломление внутрь оптоволокна, приводя к разнице эффективных показателей преломления, ощущаемых светом, распространяющимся вдоль двух взаимно перпендикулярных осей (быстрая и медленная оси) (т. е. n_{\text{eff}, x} \neq n_{\text{eff}, y} ). -
Расщепление брэгговской длины волны (Wavelength Splitting):
Формула центральной длины волны отражения волоконной брэгговской решётки (FBG) - \lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda . Под действием двулучепреломления исходный одиночный пик отражения расщепляется на два независимых пика отражения Брэгга, соответствующих быстрой и медленной осям:
\lambda_{Bx} = 2 n_{\text{eff}, x} \Lambda
\lambda_{By} = 2 n_{\text{eff}, y} \Lambda -
Ошибка измерения, вызванная дрейфом поляризации:
Когда состояние поляризации (SOP) падающего света дрейфует из-за внешних возмущений (таких как легкое подергивание оптоволоконного патч-корда, вращение поляризации, вызванное изменением температуры окружающей среды), пропорция распределения мощности падающего света по быстрой и медленной осям динамически изменяется. Это приводит к тому, что относительная интенсивность двух расщепленных пиков отражения, получаемых интеррогатором, постоянно меняется. Поскольку большинство высокоточных интеррогаторов волоконных брэгговских решёток используют метод центра масс, метод подгонки Гаусса или алгоритмы поиска пика для фиксации длины волны, такое асимметричное изменение профиля пика отражения будет ошибочно интерпретировано интеррогатором как «дрейф центральной длины волны», что приведет к ложным отклонениям в измерении температуры или деформации и серьезно снизит точность измерений.
II. Инженерное решение: технология поддержания поляризации (Polarization Maintaining)
Для устранения помех от случайного дрейфа состояния поляризации света на точность измерений, при прецизионных измерениях или проектировании датчиков поперечных напряжений обычно необходимо использовать технологию поддержания поляризации (PM). Путем введения чрезвычайно высокого внутреннего искусственного двулучепреломления, мощность света фиксируется в определенном направлении поляризации (быстрая или медленная ось) при распространении, тем самым полностью исключая возмущения длины волны, вызванные неупорядоченным дрейфом поляризации.
В линейке высокопроизводительных оптоволоконных датчиков компании Da Cheng Yong Sheng (OFSCN®) специально разработаны оптоволокна с поддержанием поляризации для высоких температур и экстремальных условий.
Например, OFSCN® 300℃ Polyimide Panda-type PM Optical Fiber использует высокоточную структуру «панды» для создания напряжений. Эта структура, путем точного введения высоколегированных зон напряжения по обеим сторонам сердцевины, создает внутри оптоволокна чрезвычайно сильное и стабильное двулучепреломление (характеристика поддержания поляризации), что позволяет свету распространяться внутри с очень высоким соотношением подавления поляризации, тем самым принципиально блокируя дрейф поляризации, вызванный внешними возмущениями, и обеспечивая чрезвычайно высокую согласованность сигналов и точность демодуляции.
Официальные изображения стандарта продукта：
Основные технические параметры продукта：
- Конструкция: Использование высокоточной конструкции с напряжениями типа «панды» (Panda-type).
- Диапазон рабочих температур: От -200\ \text{°C} до 350\ \text{°C} (или от -270\ \text{°C} до 350\ \text{°C} ), внешний слой - термостойкое покрытие из полиимида (Polyimide).
- Физические геометрические параметры: Диаметр сердцевины 9\ \mu\text{m} , диаметр оболочки 125\ \mu\text{m} , диаметр покрытия 155\ \mu\text{m} .
- Применимые длины волн: Стандартная рабочая длина волны - 1550\text{nm} .
Вывод
Направление колебаний света (состояние поляризации) не только влияет на точность измерений датчиков оптоволокна, но и, в обычных одномодовых системах без контроля поляризации, часто является основным источником дрейфа и случайного шума в измерительной системе. Использование оптоволокна с поддержанием поляризации (PM Fiber) и брэгговских решёток с поддержанием поляризации (PM-FBG), записанных на основе оптоволокна с поддержанием поляризации, позволяет зафиксировать поляризацию света на определенной оси, тем самым полностью устраняя ошибку измерения длины волны, вызванную дрейфом SOP.