Реферат: Анализ погрешностей волоконно-оптического гироскопа
Нерегулярности световодов приводят к зависимости показателя преломления от продольной координаты, т.е. n=n(x,y,z). Полные электрическое и магнитное поля E (x,y,z) и H(x,y,z) в любой точке внутри нерегулярного световода связаны между собой уравнениями Максвелла для среды без источников. С другой стороны, эти поля можно представить в виде поля регулярного световода, в котором имеются источники тока :
(2.1)
Здесь
-
волновое число в свободном пространстве;
- профиль того же световода
без неоднородностей.
Величину
(2.2)
называют вынужденной плотностью тока, обусловленной неоднородностью. Источник вынужденного тока (2.2) существует только внутри области неоднородности и целиком определен при условии известности полного электрического поля Е. Если световод является слабонаправляющим и n » n, то поля мод являются приблизительно поперечными и в первом приближении можно считать, что E = Ex , а
(2.3)
Индекс x означает поперечную компоненту поля, а n1 - показатель преломления сердцевины волокна, иначе n(a)= n1 при а<r, где r - радиус сердцевины волокна.
Таким образом из (2.2) и (2.3) имеем:
(2.4)
В этом приближении не учтены все поляризационные эффекты, обусловленные неоднородностями, поскольку в рамках приближения слабонаправляющего световода поперечные поля всех мод ортогональны друг другу. В частности, поляризованная вдоль оси x чётная основная мода не может быть возбуждена нечётной или поляризованной вдоль оси y основной модой.
Подставив в (2.4) выражение для электрического поля в гауссовом приближении рассмотренном в [1], получим следующее выражение для плотности тока, если на неоднородность в круглом световоде падает основная мода, поляризованная вдоль оси x :
, (2.5)
где
- фундаментальное решение
скалярного волнового уравнения для поля основной моды, определяемой в
зависимости от профиля показателя преломления .
Вследствие того что, волоконные световоды, используемые в волоконной гироскопии, являются слабонаправляющими, т.е. относительная разность между максимальным и минимальным значениями профиля показателя преломления n ( r ) мала, векторы Е и H аппроксимируются решениями скалярного волнового уравнения. Постоянная распространения b основной моды, направляемой по световоду, ограничивается интервалом между двумя экстремумами, которые определяются значениями b для плоских волн. В бесконечных средах с показателями преломления n1 и n2 :
,
(2.6)
где
n1 , n2 - максимальное
и минимальное значения показателя преломления n ( r ); - длина волны в вакууме.
В силу слабой канализации волн в световодах, т.е. n1 »n2 из (2.6) следует b » 2 p n / l, что совпадает с постоянной распространения плоской волны в направлении Z в бесконечной среде с показателем преломления n2 £ n £ n1 .
Таким образом, основная мода волоконного световода является квазипоперечной электромагнитной (Т) волной. В простейшем случае - это волна, однородно поляризованная только в одном направлении в отличии от мод высших порядков. Если обозначить направление поляризации через Х, поле в световоде можно представить в виде
,
(2.7)
где
- магнитная
проницаемость среды;
=
- диэлектрическая
проницаемость среды;
-
диэлектрическая проницаемость вакуума.
Здесь
неявно подразумеваем временную зависимость .
Компоненты поля Ey
,
Ez , Hx
,
Hz не
учитываются поскольку они пренебрежимо малы, Y описывает
пространственное изменение поля в плоскости, перпендикулярной оси световода.
Следует отметить, что отражение плоской волны от границы раздела
диэлектрических сред с близкими параметрами практически не чувствительно к
поляризации падающей волны. Соответственно, и пространственное изменение поля Y
должно быть нечувствительно к поляризационным эффектам, поэтому Y -
решение скалярного волнового уравнения, т.е.
,
(2.8)
где:
n ( r ) - профиль показателя преломления; l - длина волны в вакууме.
Таким
образом, основная мода описывается решением уравнения (2.8), соответствующим
наибольшему b и , не зависящей от угла
.
Для регулярного световода n ( r ) не
зависит от длины, в случае нерегулярного световода n=n(x,y,z).
В практически интересных случаях применяют в одномодовых световодах оптические волокна как со ступенчатым, так и градиентным профилем. При этом наибольшее распространение получили оптические волокна с гауссовым и ступенчатым профилями. Эти волокна целесообразно применять и в волоконной гироскопии поэтому остановимся на их анализе подробнее.
При изготовлении световодов в следствии диффузии границы между оболочкой и сердцевиной реальные профили могут отличаться как от ступенчатого, так и от гауссова, занимая некоторое промежуточное положение (сглаженный ступенчатый профиль). При этом профиль показателя преломления представляют в виде :
(2.9)
где
- параметр
высоты профиля.
Численные решения волнового уравнения для ступенчатого и степенного профилей волокна [2] показывают, что форма Y (r) примерно гауссова. В соответствии с этими исследованиями поле моды HE11 можно представить в виде:
(2.10)
где r0 - размер светового пятна, определенный вариационным методом в [2].
Для
решения волнового уравнения умножим его на
и воспользуемся тождеством:
(2.11)
После интегрирования в пределах от 0 до ¥ получаем
(2.12)
Кроме
(2.12) появляется дополнительный член ,
который
вычисляется при значениях r = 0
и ¥.
Этот член равен нулю, поскольку конечно при r = 0
и экспоненциально стремиться к нулю при r
® ¥.
Размер пятна r0 выбирается из условия обеспечения наибольшего b, которое соответствует основной моде. Подставляя приближенное выражение (2.10) в (2.12), можно определить r0 из условия db2/ dr0 = 0. Приближение для постоянной распространения b получается далее подстановкой найденного r0 в выражение (2.12). Таким образом, зная r0 и b можно полностью характеризовать поле с помощью формул (2.7) и (2.10). Используем полученную методику для определения параметров r0 и b для профилей применяемых в волокнах для оптической гироскопии.
В случае гауссова профиля показателя преломления:
, (2.13)
где
.
Таким образом, n(r) с ростом r от 0 до ¥ уменьшается плавно от n1 до n2. Поскольку чёткой границы между сердцевиной и оболочкой нет, то форму профиля определяет радиус сердцевины a. Такая форма профиля показателя преломления представляет практический интерес, так как является хорошим приближением реального случая, когда в процессе изготовления волоконных световодов происходит взаимная диффузия материала сердцевины и оболочки.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26