universidad de chile facultad de ciencias físicas y matem´aticas departamento de ingeniería ...

55 Pages·2012·4.33 MB·Spanish

UNIVERSIDAD DE CHILE
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FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS Y MATEMATICAS
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DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA
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INTERFEROMETRO INFRARROJO HETERODINO DE BAJO COSTO
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BASADO EN FIBRA OPTICA PARA LA ASTRONOMIA: PRIMERAS
INSTALACIONES Y PRUEBAS EN EL LABORATORIO
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MEMORIA PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICO
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CRISTOBAL TOMAS VIO LAGOS
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PROFESOR GUIA:
DR. ERNEST MICHAEL
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MIEMBROS DE LA COMISION:
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DR. MARCOS DIAZ QUEZADA
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SR. NICOLAS REYES GUZMAN
SANTIAGO DE CHILE
ABRIL 2012
RESUMEN DE LA MEMORIA
PARA OPTAR AL T´ITULO DE
INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA
POR: CRISTO´BAL TOMA´S VIO LAGOS
FECHA: 2 DE ABRIL DE 2012
PROF. GU´IA: DR. ERNEST MICHAEL
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“INTERFEROMETRO INFRARROJO HETERODINO DE BAJO COSTO BASADO EN
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FIBRA OPTICA PARA LA ASTRONOMIA: PRIMERAS INSTALACIONES Y
PRUEBAS EN EL LABORATORIO”
El presente trabajo de t´ıtulo se enmarca en el proyecto “Estudio de factibilidad experi-
mental de la interferometr´ıa heterodina infrarroja basada en fibra en Chile” y su objetivo es
el acondicionamiento del primer experimento de interferencia infrarroja con fibra o´ptica del
mismo. Se busca observar el comportamiento de fase de las sen˜ales en la banda de frecuencia
intermedia de 50 MHz.
Se monta el experimento de interferencia y se registra mediciones de diferencia de fase,
constatando la factibilidad de la medicio´n del beat o´ptico por medio de fotodiodos, la esta-
bilidad de fase del sistema y la dependencia de las mediciones con las variaciones del largo
o´ptico recorrido por cada sen˜al, corroborando as´ı el principio fundamental de la interfero-
metr´ıa heterodina basada en fibra o´ptica.
Agradecimientos
A mis padres y hermano por todo el apoyo que me han brindado siempre.
A mis amigos y compan˜eros con quienes he tenido la suerte de compartir y de quienes he
aprendido mucho.
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Indice General
1. Introduccio´n 8
1.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.1. Objetivos generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.2. Objetivos espec´ıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2. Estructura de la memoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2. Marco Te´orico 11
2.1. Breve resen˜a histo´rica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2. Interferometr´ıa en la Astronom´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1. Principio de operaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3. Sobre el proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.1. Experimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4. Dispositivos relevantes para las pruebas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.1. Acopladores de fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.2. Controlador de polarizacio´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4.3. Desplazador en frecuencia para fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4.4. Fotodiodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4.5. Amplificadores de RF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5. Sensitividad de un receptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3. Pruebas en el Laboratorio 34
3.1. Montaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1.1. Fotodiodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
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3.1.2. Amplificadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.1.3. Tarjeta DAQ y LabVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.1.4. Procesamiento digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2. Equipamiento y especificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4. An´alisis de Resultados 45
4.1. Deteccio´n de fase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5. Conclusiones 50
6. Trabajo Futuro 51
Referencias 53
Anexos 54
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Indice de figuras
2.1. Disco de Airy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2. Interferenica en los telescopios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3. Esquemas explicativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4. Localizacio´n de una fuente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.5. Esquema de fuente extendida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.6. Procesamiento de sen˜ales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.7. Primer experimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.8. Controlador de polarizaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.9. Modulador acusto–´optico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.10.Curva I–V del fotodiodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.11.Punto de compresio´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.12.Diagrama de puntos de interseccio´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1. Montaje del experimento de deteccio´n de fase . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2. Circuito de operacio´n de fotodiodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3. Disposicio´n del circuito fotodetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4. Disposicio´n de los amplificadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.5. Esquema del Instrumento Virtual de LabVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.6. La´ser principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.7. Desplazador en frecuencia para fibra ´optica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.8. Acoplador de fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.9. Controlador de polarizaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
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3.10.Amplificador RF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.11.V´oltmetro vectorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.12.Tiempos de conversio´n A/D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.1. Diferencia de fase: Captura 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2. Diferencia de fase: Captura 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.3. Diferencia de fase: Captura 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.4. Diferencia de fase sin filtrar: Captura 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.5. Diferencia de fase: Captura 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.6. Densidad de potencia de la sen˜al de diferencia de fase: Captura 4 . . . . . . 48
6.1. Montaje del experimento de deteccio´n de fase con acoplamiento fibra–aire . . 51
6.2. Esquema funcionamiento disparador interno de la tarjeta ME-2600 . . . . . . 54
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Cap´ıtulo 1
Introduccio´n
Last´ecnicasinterferom´etricasdeobservacio´nastrono´micahancobradograninter´escient´ıfi-
co en los u´ltimos an˜os, ya que permiten superar los l´ımites de resolucio´n angular en las ob-
servaciones impuestos por las limitantes constructivas de telescopios de gran apertura y por
las perturbaciones atmosf´ericas, ya sea en el ´optico o en bandas de radio. Por otra parte, los
cielos del norte de Chile presentan las m´as grandes ventajas para la observacio´n astron´omica,
no so´lo por la gran transmisividad y baja concentracio´n de vapor de agua perceptible (PWV),
sino tambi´en por la gran estabilidad atmosf´erica.
Por estos motivos, existe una gran cantidad de sitios de observaci´on que pueden ser
aprovechados (y que ya esta´n siendo aprovechados), y la capacitaci´on de profesionales en
esta a´rea supone inter´es en el Departamento de Ingenier´ıa El´ectrica de la Universidad de
Chile (DIE).
El trabajo de t´ıtulo aqu´ı presentado se enmarca en el proyecto “Estudio de factibilidad
experimental de la interferometr´ıa heterodina infrarroja basada en fibra en Chile” y tiene
como tema el estudio del interfero´metro a implementar en el laboratorio de foto´nica conforme
la realizaci´on de los primeros experimentos del ya citado proyecto.
El proyecto centra su estudio en la t´ecnica de interferometr´ıa heterodina en el infrarro-
jo con un esquema basado en fibra ´optica y en la banda de 1550 nm, cuyo principio de
funcionamiento primero se pretende investigar en el laboratorio de foto´nica.
El primer experimento que contempla el proyecto es la observaci´on de una fuente puntual
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de emisio´n cont´ınua en el laboratorio o cerca de´el, mediante acopladores fibra–aire y con una
l´ınea de base muy pequen˜a. En cuanto se disponga tambi´en del correlacionador se pretende
observar el primer patr´on de interferencia, moviendo la fuente en forma transversal. Una vez
haya finalizado la etapa en el laboratorio, si es posible, se pretende hacer la observacio´n de
una estrella real con las fibras acopladas a telescopios amateur marca Meade o Celestron.
1.1. Objetivos
1.1.1. Objetivos generales
Mediante la realizaci´on del trabajo de t´ıtulo se pretende colaborar al desarrollo del pro-
yecto, efectuando los primeros avances del mismo.
Se busca equipar el laboratorio para los primeros experimentos, documentar la metodo-
log´ıa para que otros alumnos puedan incorporarse al proyecto y obtener resultados prelimi-
nares.
1.1.2. Objetivos espec´ıficos
Se busca acondicionar el primer experimento de interferencia infrarroja para observar el
comportamiento de la fase de las sen˜ales en la banda de frecuencia intermedia de 50 MHz,
registrar datos que lo describan y evaluar la estabilidad de fase del sistema.
1.2. Estructura de la memoria
En primer lugar se repasa generalidades de la interferometr´ıa, sus aspectos ba´sicos y se
describe de manera simple su principio de operacio´n. Luego se describe el primer experimento
del proyecto en el cual se enmarca el presente trabajo. Despu´es se hace una revisi´on del
principiodeoperacio´ndelosdispositivoso´pticosinvolucradosenlaspruebasenellaboratorio.
Enelcap´ıtulosiguientesehaceunadescripci´ondelaspruebasenlaboratorioparaverificar
la interferencia con una sen˜al ´optica desplazada en frecuencia, la recepcio´n de las sen˜ales y
la conversio´n a la banda intermedia RF, donde se efectu´a la detecci´on de fases relativas.
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Tambi´en se hace una descripcio´n espec´ıfica del equipo utilizado.
Luego se expone los resultados y se describe las implicancias de los mismos. Finalmente se
concluye y se menciona los que debieran ser los pasos a seguir para continuar con el proyecto.
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