Волоконно-оптические устройства технологического назначения.-1

111

электролитического осаждения (в этом случае толщина ферромагнитного покрытия может достигать долей миллиметра).

Фазовый сдвиг, индуцируемый магнитным полем. Фазовый сдвиг, индуцируемый в световоде, намотанном на цилиндрической катушке, выражается соотношением

где r — радиус магнитострикционной катушки; k0 — волновое число света в вакууме; L — длина ВС; n — показатель преломления сердцевины; p11, p12 — фотоупругие коэффициенты; μ — коэффициент Пуассона.

Для статического магнитного поля с напряженностью H относительное изменение радиуса цилиндрического элемента из магнитострикционного материала

Магнитооптическая чувствительность Cмаг определяется

отношением величины фазового сдвига φ к оптической длине световода, нормированным на напряженность магнитного поля: Cмаг = Δϕ / k0 LH . Частотная характеристика магнитооптической

чувствительности зависит от конструкции чувствительного элемента. Для элемента с цилиндрическим никелевым магнитостриктором при диаметре цилиндра 3,7 см, его высоте 5,1 см, толщине стенок 0,38 мм и намотанным на него ВС длиной 8,25 м с толщиной сердцевины 4,5 мкм на частотной характеристике датчика имеется достаточно ровный участок в диапазоне от 15 до 600 Гц.

Существенного расширения полосы частот можно достичь в ВОД с магнитострикционным покрытием волоконного световода. Так, для покрытия из Ni достигается величина

112

Cмаг = 10−9 рад/(A/м) при толщине покрытия 90÷200 мкм. В этом случае диапазон рабочих частот расширяется до 10 кГц.

Сравнение технологий нанесения никелевого покрытия на ВС показало, что электролитический метод является предпочтительным. Это связано с большей толщиной получаемой пленки и более высокой прочностью. Для устранения внутренних напряжений кварцевое стекло с нанесенным покрытием отжигают при температуре ~1000 °С.

Значительное повышение чувствительности ВОД магнитного поля достигается при использовании магнитострикторов из металлического стекла. Для обеспечения аморфной

структуры лент или пластин из ферромагнитного сплава необходимо, чтобы его расплав охлаждался с очень высокой скоростью. При этом процессы кристаллизации могут подавляться путем отливки расплава на холодную поверхность вращающегося металлического барабана. Таким способом удается получить ленту металлического стекла шириной до 3 см и толщиной 0,5 мм. Один из возможных составов металлического стекла — Fe-B-Si.

В табл. 5.2 приведены некоторые данные по чувствительности интерферометрических ВОД магнитного поля с чувствительными элементами разной конструкции.

Величина коэффициента магнитострикции зависит от намагниченности материала, поэтому во многих случаях для его повышения в чувствительных элементах ВОД используется постоянное подмагничивающее поле. Магнитострикционные характеристики зависят также и от частоты. Верхняя граница

граница частот, при которых применение датчика становится неэффективным, определяется схемой измерения, возможностями используемого интерферометра, оптическим шумом источника света, а также шумами вследствие флуктуаций температуры и давления. На частотный диапазон могут влиять и собственные

113

резонансные частоты механической системы чувствительного элемента.

Таблица 5.2 Характеристики конструкций магнитострикционных

чувствительных элементов ВОД

ВОД на основе интерферометра Фабри — Перо

Интерферометр Фабри — Перо (ИФП) представляет собой два плоских зеркала с высоким коэффициентом отражения и с параллельными плоскостями, расположенных на расстоянии L друг от друга (см. рис. 5.5, в). Для параллельного монохроматического светового пучка при прохождении его между зеркалами З1 и З2 туда и обратно и фазовом набеге световой волны, кратном 2π, эта система является резонатором. При этом пропускание ИФП максимально и в отсутствие поглощения равно единице. Если фазовый набег не кратен 2π,

114

пропускание интерферометра очень мало. Действительно, рассматривая только один проход световой волны с амплитудой поля E0 у входного зеркала с коэффициентом отражения по амплитуде R, видим, что амплитуда поля, прошедшего через

второе зеркало, имеет амплитуду Eпр1=E0(1– R2). Соответственно при R≈1 пропускание интерферометра должно быть малым. Однако световая волна, прошедшая в ИФП, испытывает многократные переотражения от его зеркал и при каждом отражении от зеркала З2 часть световой мощности покидает интерферометр. Для комплексных амплитуд светового поля, выходящего из ИФП, принимая во внимание изменение фазы

определяет направление распространения плоской световой волны относительно оптической оси системы. Легко видеть, что эта последовательность образует геометрическую прогрессию со знаменателем R2exp(2ikLcosθ). Световое поле, прошедшее через интерферометр, представляет собой результат суперпозиции этих составляющих.

Учет многократных переотражений световой волны в резонаторе показывает, что интенсивность света на выходе ИФП определяется соотношением

2 — интенсивность световой волны на его входе. Таким образом, величина максимального и минимального пропускания ИФП при осевом распространении света составит

115

Зависимости величины пропускания интерферометра η от фазового набега 2kL при разных значениях R представлены на рис. 5.9. Из выражения (5.24) можно видеть, что для θ=0 пропускание системы максимально при выполнении условия 2kL=2mπ, где m — целое число, что соответствует хорошо известному условию резонанса L=mλ/2. При отсутствии поглощения

в зеркалах ηmax=1. Поскольку согласно (5.24) величина оптического пропускания ИФП при заданных параметрах зеркал определяется его базой L и длиной волны света в среде, заполняющей интерферометр, то она может изменяться при изменении L, показателя преломления среды и длины волны света.

kLkL/ππ

Рис. 5.9. Характеристики пропускания интерферометра Фабри — Перо при разных значениях R

Важными характеристиками ИФП, как обычных, так и волоконно-оптических, являются область дисперсии νр

(частотный интервал между соседними максимумами пропускания), ширина максимума пропускания δνр по уровню

0,5 и коэффициент качества F. Область дисперсии определяется

среды, заполняющей интерферометр. Ширину резонансного

Следует отметить, что из-за многолучевой интерференции чувствительность ИФП к изменениям его параметров при измерении физических воздействий разного рода примерно в F раз выше, чем чувствительность двухлучевых интерферометров (например, интерферометров Маха — Цендера и Майкельсона).

Для достижения высокого коэффициента отражения зеркал ИФП их выполняют путем нанесения металлических отражающих пленок или многослойных диэлектрических покрытий на прозрачные пластины, например, из плавленого кварца.

В металлических зеркалах используют, как правило, пленки алюминия (Al), серебра (Ag) или золота (Au). Подобные зеркала могут иметь коэффициент отражения от 0,05 до 0,95 в широком диапазоне длин волн. В диэлектрических зеркалах используют тонкие чередующиеся слои оксидов кремния и титана (SiO2 и TiO2), обладающих высокой механической и химической стойкостью, а также близкими коэффициентами теплового расширения. Коэффициент отражения у них может быть от 0,35 до 0,9, но в узком частотном диапазоне.

Волоконно-оптические ИФП разделяют на две группы. Это собственные, или внутренние, ИФП (рис. 5.10, а) и встроенные, или внешние, ИФП (рис. 5.10, б). Под собственными понимаются приборы, рабочей средой которых является сам ВС, а зеркала наносятся на его торцевые поверхности. Встроенные ИФП образованы воздушным (или заполненным диэлектриком) промежутком между торцевыми поверхностями двух разных ВС или торцом ВС и вспомогательным зеркалом. В той и другой

117

конструкциях информативным может быть как световое поле, прошедшее через ИФП, так и отраженное от него. При изготовлении зеркал используются те же подходы, что и при создании традиционных ИФП на объемных элементах. Волоконные ИФП, как правило, строятся на основе одномодовых ВС. Следует отметить, что иногда во встроенных ИФП роль зеркал могут играть сами торцы ВС, хотя для них коэффициент отражения света по интенсивности составляет лишь 4 %. Кроме того, прогресс в технологии оптического индуцирования волоконных брэгговских решеток сделал возможной реализацию собственных ИФП на основе брэгговских отражателей.

Рис. 5.10. Схема собственного (а) и встроенного (б) волоконнооптических ИФП: Лаз. — лазер; СД — светоделитель;

Ф — фотоприемник; ВС — волоконные световоды

Для волоконно-оптических интерферометров характерны следующие особенности. Во-первых, повышение величины R дает возможность достижения высокой линейности фазовой характеристики ИФП. Во-вторых, для обеспечения высокой линейности рабочая точка должна находиться в середине линейного участка. Однако повышение чувствительности ИФП приводит к снижению динамического диапазона прибора.

ВОД на основе собственного ИФП в ВС. Основными достоинствами волоконных ИФП являются простота конструкции, высокие технические характеристики и возможность мультиплексирования множества чувствительных элементов в единый оптический канал. Устройства подобного типа выпускаются целым рядом компаний и способны измерять температуру,

118

давление, механические деформации, линейное ускорение, напряженность магнитного и электрического полей и т.д.

Встроенный ИФП. Элементы данного типа используются более широко. Если на торцы ВС, образующие рабочий объем ИФП, не нанесено специальных покрытий с высоким коэффициентом отражения, то интенсивность отраженного от ИФП светового поля можно представить в виде

принимается во внимание, что многократные отражения света внутри ИФП не дают существенного вклада в световое поле, отраженное ИФП. Можно считать, что амплитуды световых волн, отраженных от обоих зеркал, одинаковы.

На рис. 5.11 приведены схемы построения оптической части ВОД на основе встроенного ИФП для измерения давления и линейного ускорения. В обоих случаях вспомогательное зеркало образовано поверхностью упругой диафрагмы. Деформация формы отражающей поверхности при изменении давления или под влиянием силы упругости, возникающей при наличии ускорения, приводит к изменению разности фаз световых волн, отраженных от выходного торца одномодового световода (ВС) и от поверхности диафрагмы (Д). Отраженное световое поле передается на фотоприемник, выходной сигнал которого обрабатывается в электронном блоке, и затем величина давления или ускорения выдается на индикатор. В датчике давления предусмотрена возможность калибровки чувствительного элемента через специальный калибровочный порт (КП).

119

а б

Рис. 5.11. Схемы ВОД на основе встроенного ИФП для измерения давления (а) и линейного ускорения (б): К — корпус;

КП — калибровочный порт; УД — упругая диафрагма; Д — демпфер; ВС — одномодовый волоконный световод

Как уже отмечалось, величина фазового набега в интерферометре зависит от расстояния между зеркалами и от показателя преломления среды, заполняющей его полость. Это дает возможность измерения как абсолютного значения показателя

преломления жидкостей или газов, так и его изменения вследствие изменения состава среды. На основе встроенных ИФП реализованы также измерители температуры (рис. 5.12).

Рис. 5.12. Схема измерителя температуры на основе встроенного ИФП

Одномодовый ВС жестко закреплен на оси термозащитного кожуха в виде трубки из керамики или нержавеющей стали. Внешнее зеркало резонатора представляет собой поверхность плоскопараллельного образца толщиной L, закрепленного в защитном кожухе. При изменении температуры вследствие эффекта теплового расширения поверхность внешнего зеркала смещается и расстояние между зеркалами интерферометра изменяется. При начальном расстоянии между зеркалами d0,

120

отвечающем температуре T, и коэффициенте теплового расширения αT изменение расстояния между зеркалами составит δ = αT L0 T , где T — изменение температуры. Подобного типа измерители температуры выпускаются рядом зарубежных компаний. Диапазон измеряемых температур достигает 800 °С, точность ±1 °С, разрешение 0,1 °С, время отклика от десятых долей секунды до нескольких секунд.