Диссертации и авторефераты Украины
Перейти на каталог
Каталог авторефератов

Я ищу:
Диссертация / Автореферат

По вопросу доставки диссертации по этой теме пишите на электронный адрес: info@disser.com.ua
Тема автореферата диссертации: Геометричний аналіз стуктури фазових сингулярностей поля випромінення оптичних волокон 2006 года.
Источник: Автореф. дис... канд. фіз.-мат. наук: 01.04.05 / О.М. Алексєєв; Тавр. нац. ун-т ім. В.І.Вернадського. — Сімф., 2006. — 17 с. — укp.
Аннотация: Проаналізовано фазові сингулярності, що виникають у полі випромінювання маломодових круглих ізотропних оптичних волокон і волокон з сильною анізотропією. Встановлено, що лінії однакової інтенсивності поблизу неї мають вигляд еліпса, параметри якого визначають амплітудні коефіцієнти збудження власних мод волокна. Експериментально й теоретично знайдено залежність коефіцієнта збудження мод залежно від зсуву падаючого на вхідний торець пучка, а також встановлено особливості прояву обертального ефекту Доплера у випромінюванні оптичного волокна. Показано, що рух нуля у полі випромінювання визначається топологічним зарядом і станом поляризації мод. Виявлено, що збудження оптичного волокна правоциркулярно поляризованим світлом призводить до еліптичної траєкторії нуля інтенсивності у полі випромінювання, що обертається з подвоєною частотою проти напрямку обертання поляризатора.

Текст работы:

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ТАВРІЙСКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ім. В.И. ВЕРНАДСЬКОГО





АлексЄЄв Олексій Миколайович





УДК 535:666.189.21:666.22



ГЕОМЕТРИЧНИЙ АналІз СТРУКТУРИ фазовИх сингулярностей поля ВИПРОМІНЕННЯ оптичНих волокон




01.04.05 оптика, лазерна фізика






Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеню

кандидата фізико-математичних наук







Сімферополь 2006 г.

Дисертація є рукопис


Робота виконана на кафедрі загальної фізики Таврійського національного університету ім. В.І. Вернадського, Міністерство освіти і науки України, м. Сімферополь



Захист дисертації відбудеться  “  31  ”    березня    2006 р. о 14 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої Ради K52.051.02 Таврiйського національного університету ім. В.І. Вернадського (95007, пр. Ак. Вернадського 4, м. Сімферополь)


З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Таврiйського національного університету ім. В.І. Вернадського за адресою: 95007, пр. Ак. Вернадського 4, м. Сімферополь


Автореферат розісланий: “     16     ”               лютого                       2006 р.


Вчений секретар спеціалізованої

вченої Ради K 52.051.02

доктор фіз.-мат. наук                                                                          Яценко О.В.

Загальна характеристика роботи

Дана дисертаційна робота присвячена дослідженням в області сингулярної оптики. Цей розділ оптики є порівняно молодим: він  почав розвиватися після публікації в 1974 р. роботи [1*], присвяченої дислокаціям хвильового фронту світлових полів. Росту інтенсивності досліджень у цій області сприяв запропонований наприкінці 80-х років минулого сторіччя досить простий спосіб генерації пучків з одиничними гвинтовими дислокаціями (оптичних вихорів) на компютерно-синтезованих голограмах [2*,3*]. У цих, і ряді інших робіт [3*,4*], була встановлена гелікоїдальнiсть хвильового фронту таких пучків, що проявляється в спіральності форми інтерференційних кілець або в наявності “вилок” у структурі інтерференційних смуг. Крім вакууму, оптичні вихори можуть існувати в суцільних середовищах, а також у хвилеводних структурах. На початку 80-х років Б.Я. Зельдович указав на той факт, що в полi випромінювання багатомодових оптичних волокон завжди присутні дислокації хвильового фронту [5*]. Однак створити одиничні оптичні вихори в полi випромінювання маломодового волокна вдалося вперше тільки в середині 90-х років [6*]. У ряді робіт був вивчений прояв сингулярностей у полi випромінювання маломодових волокон [7*-9*] і виявлено, що тип сингулярностi, яка реєструється, залежить від умов збудження, зовнішнього впливу на волокно, його довжини й наявності поляризатора на виході системи. Було показано [7*,9*], що поля спрямованих мод круглого ізотропного волокна можна представити у вигляді циркулярно поляризованих оптичних вихорів.

Дослідження модового складу поля випромінювання оптичних волокон раніше виконувалось за допомогою якісного порівняння експериментального розподілу інтенсивності на виході з волокна із теоретично розрахованою картиною [10*]. Відомий також метод парціальних хвиль, що дозволяє розрахувати амплітудні коефіцієнти збудження груп мод багатомодового оптичного волокна з однаковими азимутальними й радіальними індексами по картині випромінення в далекій зоні методом парціальних діаграм [11*]. Недоліками даного методу є відсутність впливу неоднорідності поляризації, що виникає в полi випромінювання волокна, і нелінійний відгук фотоприймача на світловий потік.

Одним із практичних застосувань оптичних волокон є використання їх як чутливого елементу датчиків фізичних величин. Використання властивостей сингулярностi в полі випромінювання маломодових оптичних волокон може дозволити не тільки підвищити точність вимірювання фізичної величини, але й чутливість датчика.

У волокнах можливий прояв обертального ефекту Доплера. Даний ефект виникає внаслідок особливого характеру перетворення фази сингулярних пучків при переході в обертову систему координат і тісно пов'язаний з наявністю в таких пучків власного кутового моменту [12*]. Ця властивість приводить до появи розходження в зсувах частот обертального оптичного вихору й гладкого гаусівського пучка, що, в остаточному підсумку, лежить в основі експериментальних методик демонстрації обертального ефекту Доплера в одноплечових iнтерферометричних схемах [13*]. В усіх експериментах у вільному просторі, проведених з метою виявлення обертального ефекту Доплера в оптичному  діапазоні, використовувалися пучки з однаковою (в основному, лінійною) поляризацією. Тому обертальний зсув частоти що реєструвався, визначався тільки топологічним зарядом оптичного вихору [13*]. У випадку ж поля випромінювання оптичного волокна, моди, з яких воно складається, як правило, мають різну поляризацію, і тому прояв обертального ефекту Доплера може мати складніший вигляд.

З вищесказаного випливає, що створення нових методів вимірювання характеристик спрямованих мод, таких як їхня вага й набіг фази, а також експериментальні дослідження, проведені на їхній основі, дозволяють не тільки розширити знання фундаментальних оптичних властивостей лазерного випромінювання в оптичних волокнах, але й відкривають перспективи конструювання принципово нових датчиків фізичних величин, у яких використовуються пучки з сингулярністю. Це й надає актуальності даній роботі.

Звязок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дисертаційна робота була виконана в рамках науково-дослідних робіт за проектами Міністерства освіти і науки України, зареєстрованих в Укр. ІНТЕІ під реєстраційними номерами: №0197V000438 “Фізичні властивості векторних сингулярностей поля маломодових оптичних волокон”, №0100V001363 Дислокаційні реакції в не параксіальних збурених лазерних пучках в області фокуса, №0103V001227 Процеси народження, знищення й еволюції оптичних вихорів у неоднорідних анізотропних середовищах, а також частково за проектом P-051 НТЦУ “Optical vortices understanding and assessment”, проведених на кафедрі загальної фізики Таврійського національного університету iм. В.І. Вернадського.

Метою роботи є розробка аналітичних і експериментальних методів визначення модового складу поля випромінювання круглих оптичних волокон і температурної залежності набігу фаз власних мод круглих оптичних волокон, а також вивчення прояву обертального ефекту Доплера в маломодових оптичних волокнах.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні завдання:

  1. Розробка способу вимірювання вагових коефіцієнтів оптичних спрямованих вихорів і LP мод на основі геометричного аналізу структури поля випромінення, що вийшло з волокна.
  2. Геометричний аналіз особливостей прояву обертального ефекту Доплера за допомогою вищевказаного методу.
  3. Розробка геометричного методу аналізу структури інтерференційної спіралі і її просторової орієнтації.

Об'єктом дослідження було маломодове кругле ізотропне оптичне волокно, а також маломодове кругле оптичне волокно із сильним двозаломленням.

Предметом дослідження було поле випромінення оптичного волокна, що містить сингулярнiсть, а також інтерференційна картина, яка виникає при додаванні даного випромінювання до опорного гаусівського  пучка.

У роботі використовувалися методи сингулярної оптики, інтерференційної фазометрiї, а також комп'ютерного моделювання. Для розрахунку експериментальних параметрів використовувалися чисельні методи.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

  1. Вперше експериментально отримані коефіцієнти порушення оптичних спрямованих вихорів, й дана теоретична оцінка залежності цих коефіцієнтів від зсуву падаючого пучка Лагерра-Гаусса щодо центра круглого ізотропного оптичного волокна. Показано, що збільшення даного зсуву приводить до зменшення ваги вихідного спрямованого вихора і збільшенню ваги інших мод, що збуджуються у волокні.
  2. Вперше експериментально й теоретично отримано залежності коефіцієнтів збудження LP мод від зсуву падаючого гаусівського пучка щодо центра круглого оптичного волокна із сильною анізотропією. Показано, що збільшення зсуву гаусівського пучка приводить до зменшення ваги фундаментальної моди й збільшення ваги мод вищих порядків, що збуджуються у волокні.
  3. Вперше експериментально й теоретично вивчено прояв обертального ефекту Доплера в оптичних маломодових волокнах. Показано, що форма траєкторії сингулярностi в полi випромінювання волокна при обертанні поляризатора, залежить як від поляризації й топологічного заряду збудженого у волокні оптичного вихору, так і від параметрів фундаментальної моди.
  4. Вперше експериментально знайдено геометричні параметри кривої інтерференційної спіралі, що виникає при складанні полів оптичного вихру й фундаментальної моди.
  5. Вперше експериментально й теоретично отримано, що сингулярнiсть  поля випромінювання волокна із сильною анізотропією при зміні температури рухається по еліптичній траєкторії.

Практичне значення отриманих результатів полягає у тім, що в даній роботі доведена можливість створення двох типів волоконно-оптичних датчиків температури, заснованих на аналізі випромінювання, що виходить з волокна, яке містить сингулярнiсть. У першому типі інтерференційного двох плечового датчика розрахунок набігу фази виконується за допомогою розробленого принципово нового методу розпізнавання образа інтерференційної спіралі, що дозволяє одержати точність визначення температури порядку . Перевагою даного методу також є відсутність похибок вимірювань, що виникають внаслідок нелінійності вимірювання інтенсивності світла фотоприймачами. У другому типі одноплечового датчика контроль за положенням сингулярностi може дозволити вимірювати температуру з точністю на два порядки нижчою ніж у випадку першого типу датчика. Метод розрахунку ваги власних мод круглих оптичних волокон може застосовуватися у волоконно-оптичних датчиках фізичних величин і для фундаментальних досліджень модового складу маломодових оптичних волокон. Підбором умов збудження волокна й обертанням аналізатора, установленого в полi випромінювання вихідного торця, можна здійснювати керування положенням оптичного вихору.

Особистий внесок автора у виконаній роботі полягає в підготовці й проведенні експериментів і обробці експериментальних даних [1,2,5-8], участі в постановці завдань для експериментів і оцінки теоретичних розрахунків [1-9]. Участь в обговоренні й інтерпретації отриманих результатів [1-9], у написанні комп'ютерних програм для обробки отриманих зображень [1,2,5,7] у комп'ютерному моделюванні розподілу інтенсивності поля випромінювання оптичних волокон [1,2,7].

Апробація роботи: матеріали дисертаційної роботи представлялись і обговорювались на 2-й Міжнародній конференції Singular Optics 2000 (Алушта, 2000р.), Міжнародній конференції Кореляційна Оптика 2001 (Чернівці, 2001р.), 5-й Міжнародній конференції Laser and Fibre-Optical Networks Modelling (LFNM2002) (Харків, 2002р.), 9-й Міжнародній конференції R