Глава 4 . Амплитудные датчики.

В этом разделе будут рассмотрены только датчики, в которых под воздействием измеряемого физического фактора происходит непосредственное изменение амплитуды поля оптической волны или интенсивности оптического излучения, то есть датчики с модуляцией интенсивности. Поскольку любой фотоприёмник реагирует только на поток квантов оптического излучения, то есть измеряет мощность оптического излучения, то в конечном итоге во всех типах ВОИС измеряемой величиной является интенсивность ( или мощность ) оптического излучения, однако из-за специфики физических процессов, происходящих в чувствительном элементе фазовых, спектральных и поляризационных ВОИС, такие датчики будут описаны в последующих разделах. Совокупность амплитудных датчиков показана на рисунке.Следует понимать, что предложенная классификация, как и любая другая, несколько условна. Некоторые типы датчиков могут принадлежать одновременно к нескольким классам. Однако такой подход позволяет ярче высветить различные стороны той или иной идеи, конструкции, разработки и является полезным для углубления понимания сути предмета.

Один из основных принципов используемой классификации – разделение амплитудных датчиков на безразрывные и датчики с разрывом оптического волокна. В безразрывных датчиках в роли чувствительного элемента выступает относительно небольшой участок оптического волокна, составляющий единое целое с подводящим и отводящим волоконными световодами. Измеряемый физический фактор воздействует только на этот участок волокна, остальная длина волокна не подвергается измеряемому воздействию, а используется только для доставки оптического излучения в зону измерения и вывода излучения, промодулированного измеряемым воздействием, к месту нахождения приёмника излучения. Такое построение оптического тракта ВОИС имеет как преимущества, так и недостатки. К преимуществам можно отнести технологичность и простоту производства; отсутствие необходимости настройки и юстировки оптического тракта ВОИС как при изготовлении, так и при эксплуатации системы; высокую стабильность и устойчивость волоконного тракта к внешним повреждающим факторам; более низкую стоимость, особенно при использовании стандартных связных волоконно – оптических элементов. Недостатком же такой концепции является большая сложность оптимизации измерительных параметров волоконного датчика из-за невозможности использования специальных оптических и волноводных компонентов, оптимизированных для заданного измеряемого воздействия.

Датчики на связанных волноводах

В волоконных датчиках с разрывом волоконного тракта в зоне действия измеряемого фактора целостность оптического волокна нарушена. Оптическое излучение выводится из подводящего волокна во внешнюю среду, где и взаимодействует с материалом (или с элементами конструкции) чувствительного элемента. При этом взаимодействии происходит изменение амплитуды или интенсивности оптического излучения, связанное известным образом с каким -либо параметром измеряемого физического воздействия. Промодулированное оптическое излучение вводится в отводящее оптическое волокно (или обратно в подводящее) и доставляется в фотоприёмное устройство. После детектирования и обработки принятого оптического сигнала можно определить величину измеряемого физического фактора. Для измерения какой – либо физической величины необходимо преобразовать её в изменение оптических параметров зазора между волокнами. Наиболее простыми конструкциями датчиков такого типа являются шторочный датчик, решеточный датчик и отражательный датчик.

Конструкция шторочного датчика показана на рисунке:

Непрозрачная шторка прикреплена к гибкой мембране и введена в зазор между торцами оптических волокон. Измеряемый фактор ( давление, смещение ) изгибает мембрану и перемещает шторку в зазоре в вертикальном направлении. При движении шторка перекрывает часть оптического потока, излучаемого торцом входного волокна. При этом доля оптического излучения, падающего на торец выходного волокна, изменяется соответственно смещению шторки. Фотоприёмник на выходе второго волокна принимает и детектирует оптический сигнал, модулированный по интенсивности смещением шторки. Измерительная характеристика датчика может быть описана формулой :

Соответствующая ей модуляционная фукнкция имеет вид :

Измерительные характеристики такого датчика приведены на рис.3.2.

Чем меньше диаметр сердцевины волокна, тем больше достижимая крутизна модуляционной характеристики. Однако, изготовить шторку тоньше 50 мкм затруднительно. Кроме того, параметры шторочного датчика существенным образом зависят также от начального рассогласования осей волокон b_x и b_y . Эти зависимости показаны на рисунках 3.3 и 3.4 . Величина чувствительности измерительной характеристики зависит от рассогласований и от выбранного участка модуляционной функции :

В общем случае, при правильном выборе параметров датчика, типичная чувствительность его может достигать величины 10^-2 мкм^-1 . Датчики такой конструкции могут использоваться как датчики давления, акустических сигналов и так далее.

Решёточный датчик конструктивно похож на шторочный, однако отличается от него дополнительными оптическими элементами – парой градиентных стержневых линз (граданов), а также более сложной конструкцией элементта, перекрывающего зазор между волокнами. Здесь это пара решёток – периодических структур с чередованием прозрачных и непрозрачных участков. В параллельном световом пучке (формируемом граданами) пара решёток образует оптическую маску – транспарант, пропускание которого периодическим образом меняется в зависимости от взаимного положения штрихов. При полном совпадении штрихов пропускание маски максимально, при сдвиге на половину периода решётки пропускание минимально.

Чувствительность такой конструкции зависит от периода решёток – при уменьшении периода чувствительность возрастает. Оптимальный режим работы достигается при начальном сдвиге решёток на Λ/4 (это соответствует выбору середины линейного участка измерительной характеристики).

Другие возможные конструкции разрывных амплитудных датчиков с модуляцией пропускания зазора показаны на рисунках:

Применение – как датчик давления, акустических сигналов.

Все описанные выше датчики по принципу работы являются амплитудными, или датчиками с модуляцией интенсивности. Их основные достоинства – простота, возможность использования стандартных волоконно – оптических компонентов, малая стоимость. Вместе с тем, все датчики этого типа обладают одним общим недостатком. При приёме оптического сигнала весьма затруднительно (а зачастую невозможно) отличить изменения интенсивности, вызванные измеряемым физическим фактором, от изменений, вызванных паразитными, побочными воздействиями на чувствительный элемент или на другие компоненты измерительного тракта – на подводящее и отводящее волокна, мультиплексоры, сопутствующие оптические элементы и прочее. Например, изгибы оптического волокна или механические деформации конструкции ЧЭ могут приводить к уменьшению интенсивности на входе фотоприёмника при постоянной величине измеряемого физического фактора (давлении, температуре). Для компенсации таких паразитных воздействий необходимо усложнение измерительной системы, введение в неё дополнительных оптических цепей. Наиболее целесообразно рассмотреть способы компенсации паразитных воздействий на примере волоконно-оптических датчиков температуры, хотя большинство использованных там решений может быть с успехом использовано и во многих других ВОИС.

Волоконно – оптические датчики температуры.

Классификацию волоконно-оптических датчиков температуры (с некоторой долей условности) целесообразно проводить по диапазонам измеряемых температур. Для каждого диапазона существуют наиболее предпочтительные измерительные эффекты, которые наиболее сильно воздействуют на оптические свойства ЧЭ; кроме того, для каждого температурного диапазона необходимо использование специфических оптических материалов – волокон, монокристаллов, стёкол, рассчитанных для работы именно в данных условиях.

ВОДТ на основе температурной зависимости поглощения в полупроводнике.

Принцип работы – зависимость ширины запрещённой зоны полупроводника E_g от температуры.

_{При изменении ширины запрещённой зоны меняется и связанная с ней длина волны красной границы фотоэффекта λg :}

_{Это приводит к температурному изменению спектральной зависимости показателя поглощения}

α(λ)

_λg

Т₁ Т₂ Т₃ Т₁ ˂ Т₂ ˂ Т₃

λ

Излучение с длиной волны короче λ_g поглощается монокристаллом полупроводника, излучение с длиной волны больше λ_g проходит без поглощения.

Р_изл(λ) λs^max λ_ref^max

λ

При повышении температуры полупроводникового кристалла край полосы поглощения сдвигается в длинноволновую область со скоростью около 3 А⁰ / C⁰ . Соответственно, изменяется и степень поглощения излучения, проходящего через кристалл, если спектр его перекрывается со спектром поглощения кристалла.

Если спектр излучения сдвинут в длинноволновую область от края полосы поглощения полупроводника, такое излучение не будет поглощаться в кристалле и его мощность не будет изменяться при изменении температуры. Такое излучение может быть использовано в качестве опорного при разработке ВОДТ подобного типа.

I_вых (Т)

Т₁ Т₂ Т₃

Т⁰

Кристалл полупроводника

Волоконный световод Волоконный световод

d

U_вых^s

λ_s+ λ_refλ_s+ λ_ref

U_вых^ref

Выбором типа полупроводника и пары излучателей – сигнального и опорного каналов можно регулировать и изменять диапазон измеряемых температур.

Другую возможность для измерения температур предоставляет эффект, состоящий в зависимости параметров флюоресценции (или люминесценции) от температуры среды, в которой происходит возбуждение квантовых частиц излучением накачки и сброс этого возбуждения с помощью излучательных и/или безызлучательных переходов. В зависимости от типа активной среды (природы активных квантовых частиц, системы уровней энергии, типа матрицы-аморфной или кристаллической) сброс возбуждения может идти по многим каналам, как правило, конкурирующим. При этом все механизмы, участвующие в этих процессах, существенным образом зависят от температуры. В результате, при изменении температуры могут изменяться относительные интенсивности линий флюоресценции, времена затухания люминесценции на разных переходах. Эти изменения, будучи зарегистрированы, позволяют судить о температуре люминесцирующей среды.

Схематическое изображение флуорооптического термометра компании “Luxtron” (модели 1000А и 1000 В):

1 – датчик; 2 – оптическое волокно; 3, 5, 12, 13 – линзы; 4 – галогенная лампа; 6, 10, 11 – фильтры; 7 – полупрозрачное зеркало; 8 – разделитель пучка; 9 – зеркало; 14, 15 – детекторы; 16 – предварительные усилители; 17 –цифровой выход; 18 – аналоговый выход; 19 – запоминающее устройство; 20 – цифроаналоговый преобразователь; 21 – микропроцессор; 22 – дисплей; 23 – аналого-цифровой преобразователь с мультиплексором

Устройство флуорооптического датчика:

1 – капсула; 2 – фосфоресцирующее вещество; 3 – кварцевое оптическое волокно

Спектр флуоресценции соединения La₂O₂:Eu

Изменяя состав флюоресцентного материала и длину волны излучения накачки, возбуждающего флюоресценцию, можно получать различные спектральные компоненты с различным характером температурного поведения, перекрывая тем самым различные температурные диапазоны.

Зависимость интенсивности спектральных линий флуоресценции от температуры

La₂O₂S Gd₂O₂S:Eu

Диаграмма энергетических уровней эрбия, иллюстрирующая поглощение энергии фотона при переходе с более низкого уровня на более высокий и флуоресцентное излучение при переходе с более высокого уровня на более низкий

Экспериментальная установка ВОДТ на легированном эрбием кварцевом волокне для дистанционного измерения температуры

Зависимость мощности пиков спектральных полос эрбия от температуры

Зависимость отношения мощностей от температуры для ВОДТ на кварцевом оптическом волокне, легированном эрбием

Датчик такого типа является амплитудным датчиком, однако, так как измерение интенсивности люминесценции происходит одновременно на нескольких различных длинах волн, и после приёма сигналы в этих спектральных диапазонах сравниваются, такая обработка позволяет исключить влияние паразитных нетемпературных воздействий.

Другой путь ослабления влияния паразитных нетемпературных воздействий – переход от измерения интенсивности излучения люминесценции к измерению времени затухания люминесценции. Время затухания люминесценции зависит только от скорости безызлучательной релаксации возбуждённых уровней, то есть от вероятности фононных взаимодействий.

Чувствительный

элемент

Т⁰ - variable

Волоконный световод Волоконный световод

λ _нак λ _люм

Блок – схема люминесцентного датчика температуры.

Временные диаграммы сигналов накачки и люминесценции показаны на рисунке. После окончания импульса накачки возбуждённая активная среда переизлучает излучение люминесценции. В фотоприёмном устройстве происходит измерение времени затухания люминесценции до уровня 1/e от максимального. Так как измеряется время спада сигнала от максимального уровня, влияние паразитных нетемпературных воздействий на результат измерения устраняется. Выбором типа иона активатора (обычно это ионы редкоземельных элементов или ионы металлов переходных групп) и типа матрицы можно обеспечить измерения в различных температурных диапазонах.

Р_нак( t )

Импульс накачки

люминесцирующей среды.

t

Р_люм ( t )

Форма импульса

люминесценции.

P_люм ^max \ e Т₁ > Т₂

Т₁ Т₂ t

τ _люм( Т⁰)

100 200 300 400 Т⁰ , С

Типичная зависимость времени затухания люминесценции от температуры.

Схема ЧЭ с люминофорным покрытием, используемого компанией “Luxtron” в качестве ВОДТ

Температурная зависимость для одной из реализаций такого датчика показана на рисунке.

Температура в датчике “Luxtron” получается из калибровочной кривой, определяющей зависимость времени затухания люминесценции τ от температуры

Экспериментальные температурные зависимости времени люминесценции для некоторых материалов приведены на рисунках:

Анализ приведённых зависимостей показывает, что выбор соответствующей матрицы и иона активатора позволяет перекрыть широких диапазон температур измерения – от -200 С⁰ до +1000 С⁰. Однако для более высоких температур такой метод становится мало пригодным из – за резкого уменьшения времени затухания и уменьшения интенсивности люминесценции. В диапазоне 800 -1000 С⁰ более целесообразным является использование ВОДТ на основе излучения абсолютно чёрного тела (АЧТ). Схема такого ВОДТ показана на рисунке. В качестве АЧТ обычно используется платиновый слой, напылённый на конец сапфирового монокристаллического волокна.

Волокно T⁰- variable

λ₁ λ₂ АЧТ

U_вых(λ₁) U_вых(λ₂)

Волоконно-оптический датчик температуры на основе АЧТ.

В принципе, измерив спектральную зависимость плотности мощности излучения АЧТ , можно определить температуру в полости АЧТ. Можно также измерить значение λ_max – длины волны, соответствующей максимуму спектрального распределения. Однако при температурах менее 2000 С⁰ максимум (и большая часть кривой) находятся в области больших длин волн, где отсутствуют эффективные фотоприёмники и велико затухание излучения в материале стандартных волоконных световодов. Поэтому в ВОДТ такого типа используют двухволновый метод измерения, схема которого показана на рисунке. Излучение от модели АЧТ по отрезку монокристаллического сапфирового волокна выводится из высокотемпературной зоны и подаётся на спектрально селективный демультиплексор, выделяющий из сплошного спектра две узкие спектральные полосы. Излучение в этих полосах принимается фотоприёмниками, усиливается и поступает на блок обработки. Отношение интенсивностей этих спектральных компонент содержит информацию об измеряемой температуре и свободно от влияния паразитных факторов, воздействующих на измерительный тракт. Зависимость этого отношения от температуры показана на рисунке. Главное достоинство этого метода – его основанность на фундаментальных физических законах и независимость от свойств материалов и особенностей среды измерения.

U_вых(λ₂)/ U_вых(λ₁)

1,0

0,6

0,2

800 1000 1200 1400 1600 1800 T⁰ ( K⁰ )

Анализ измерительной зависимости показывает, что на “холодном“ крае температурного диапазона крутизна зависимости мала и высокой чувствительности измерений ожидать не приходится. Датчик этого типа хорошо работает в области высоких температур (800⁰ К⁰ – 1800⁰ К⁰ ) .

Распределённый ВОДТ на основе рамановского рассеяния.

Рамановское рассеяние (вынужденное комбинационное рассеяние) – нелинейный оптический эффект. Заключается в изменении частоты (длины волны) оптического излучения, взаимодействующего с кристаллической решёткой твердого тела. При таком взаимодействии может происходить отдача части энергии фотона колебательным степеням свободы решётки (фононам) с уменьшением энергии фотона (то есть уменьшением его частоты – стоксова компонента рассеяния) или получение энергии фотоном от колебательных степеней свободы решётки (фононов),то есть увеличение частоты фотона– антистоксова компонента рассеяния. Вероятность антистоксовского рассеяния существенно меньше стоксовского, и оба процесса сильно зависят от температуры решётки. Отношение интенсивностей компонент выражается формулой :

R = (λ _s/ λ_a)⁴ exp( - hν/kT⁰)

Разделив спектральные компоненты обратного рассеяния, можно определить температуру. Длина волокна может превышать 1 км, точность измерения температуры ~ 1С⁰, пространственное разрешение 3-5 м.

Волоконно – оптические датчики газового состава.

ВОД газового состава широко применяются в промышленности для анализа наличия (пороговые) и концентрации ряда ядовитых или взрывоопасных газов (CO₂ , CO, SO₂ , H₂S, H₂ , метан и другие газообразные углеводороды). Для обнаружения и измерения концентрации этих веществ оптическими способами можно использовать различные физические эффекты, например, селективное поглощение оптического излучения молекулами газа, люминесценцию или комбинационное рассеяние при взаимодействии молекул газа с возбуждающим оптическим излучением определённой длины волны. Также можно использовать изменение физических (преимущественно оптических) свойств твёрдого тела при химическом взаимодействии с измеряемым газом – например, показателя поглощения или отражения в определённом спектральном диапазоне. Регистрируя такие изменения с помощью волоконно – оптических технологий, можно конструировать системы ВОД для использования в химическом производстве.

В наиболее простом и обобщённом виде оптическая схема ВОД газового состава показана на рисунке. Оптическое излучение от источника (полупроводниковый лазер или светодиод) вводится в подводящее оптическое волокно, на его выходе коллимируется микрооптикеой или граданом, после чего квазипараллельный пучок вводится в кювету , через которую прокачивается измеряемый газ. После прохождения через кювету оптическое излучение вводится в отводящий волоконный световод и поступает на приёмное устройство. В приёмном устройстве происходит анализ принятого излучения (измеряется показатель поглощения или спектральный состав и интенсивности рассеянного излучения и так далее), что позволяет определить химический состав газовой смеси, прокачиваемой через кювету.

Рис. Блок – схема волоконно – оптического датчика газового состава.

Основные недостатки этой схемы – относительно малый уровень полезного сигнала и наличие открытого оптического канала для излучения. Уровень сигнала мал, так как интересующая промышленность концентрация детектируемого газа невелика – единицы процентов, а длина поглощающей ячейки не может быть больше единиц сантиметров. Для регистрации слабых сигналов приходится применять импульсные методы приёма и синхронное детектирование. Наличие открытого оптического тракта и протока газа повышает вероятность загрязнения оптических поверхностей. Кроме того, длина волны зондирующего оптического излучения должна подбираться точно соответствующей полосам поглощения детектируемого газа. Это требует изготовления отдельных излучателя и приёмника для конкрентного газа и стабилизации длины волны излучения. В качестве опорного канала в такой системе может использоваться излучение с длиной волны, лежащей вне полос поглощения измеряемого газа. Волоконно-оптическая система похожего принципа действия может применяться для измерения содержания кислорода в крови ( см.рисунок). Здесь используется факт изменения спектра отражения гемоглобина крови при изменении концентрации кислорода в крови. В кровоток с помощью волоконных световодов подаётся излучение с двумя различными длинами волн. Анализируя соотношение интенсивностей отражённого излучения на этих длинах волн, можно измерить содержание кислорода в крови.

Одним из важных в практическом применении является проблема дистанционного измерения концентрации водорода в воздухе. При концентрации водорода более 5% смесь газов становится взрывоопасной. Эта задача актуальна для криогенной техники, газоперегонки, ракетно-космической техники, энергетики.

Для построения волоконно-оптических датчиков водорода используется способность водорода образовывать обратимое соединение (гидрид) с некоторыми металлами (палладием, вольфрамом). Физико-химические и оптические свойства гидридов отличаются от свойств чистого металла, что можно зарегистрировать оптическими методами.

Фазовая диаграмма металлического палладия показана на рисунке. В присутствии водорода палладий может существовать в разных кристаллических модификациях : α - и β – фазах с различными диэлектрическими постоянными (то есть с различными коэффициентами отражения и поглощения оптического излучения). Появление водорода в газовой смеси приводит к изменению долей отражённого и проходящего излучения через оптическое волокно с палладиевыми элементами в оптическом тракте. Принципиальная схема датчика такого типа показана на рисунке:

Рис. Блок – схема волоконно – оптического датчика водорода.

При появлении водорода коэффициент отражения металлического палладиевого зеркала на торце волокна уменьшается, что детектируется фотоприёмником.

Рис. Зависимость коэффициента отражения палладиевой плёнки от концентрации водорода.

К недостаткам такого метода можно отнести некоторую инерционность датчика (единицы минут), что связано с необходимостью проникновения водорода вглубь металла и конечным временем, потребным для завершения химической реакции во всём объёме металла. Другая проблема – сложность с организацией опорного канала. Поэтому датчики такого типа чаще используются в качестве пороговых.

Другая возможная технология обнаружения водорода основана на способности некоторых соединений металлов платиновой группы образовывать с водородом окрашенные гидриды.

Примером такого датчика является датчик на основе вольфрамата платины. В присутствии водорода это соединение изменяет жёлто-зелёную на сине-голубую окраску, что свидетельствует об изменении спектра отражения и поглощения.

Рис. Изменение спектра поглощения PtWO₃ под действием водорода.

Рис. Схема датчика водорода на основе волокна с окрашенной оболочкой.

Изменение спектра отражения может быть зарегистрировано с помощью спектрометра. Гидрид палладия обладает не только отличающимися от чистого палладия оптическими параметрами, но и другой постоянной кристаллической решётки. Поэтому при гидридизации палладиевой плёнки увеличивается её объём, плёнка “разбухает“, что позволяет использовать этот эффект для регистрации наличия палладия. Для этого на поверхность оболочки волокна наносят палладиевую плёнку, а внутри сердцевины волокна создают брэгговскую волоконную решётку. Такая решётка обладает большим коэффициентом отражения на длине волны λ, удовлетворяющей условию диффракции Брэгга:

Λ = 1/2 λ/n_эфф

При появлении водорода металлический слой на поверхности оболочки гидридизируется, растягивает оболочку, что увеличивает эффективный период решётки Λ. Длина волны максимума отражения смещается, что может быть измерено спектрометром.

К недостаткам волоконно-оптического датчика с волоконной решеткой Брэгга следует отнести его зависимость от внешних воздействий. Изменение температуры или любое механическое воздействие на чувствительный элемент может привести к изменению измеряемых параметров.

Для описанного в начале раздела датчика водорода на изменении диэлектрической проницаемости металлической пленки разработаны различные реализации схемы детектирования эффекта. Один из них – уже описанное выше изменение коэффициента отражения с ростом концентрации водорода.

Другой подход базируется на изменении затухания излучения, проходящего через коническую оттяжку одномодового волокна с напылённым на неё слоем палладия. При гидридизации палладия поглощение плёнки уменьшается, что может быть зарегистрировано различными методами. Например, при включении чувствительного элемента в цепь оптической обратной связи – в резонатор волоконного лазера, время задержки развития генерации будет зависеть от потерь в резонаторе, то есть, от концентрации водорода.

Мощное излучение на длине волны 980 нм подогревает ЧЭ для уменьшения времени релаксации после насыщения водородом.

ЧЭ с конической оттяжкой одномодового волокна.

ЧЭ с сошлифованной боковой поверхностью волокна.

Интерферометрические датчики (волоконные интерферометры).

Интерференция – процесс сложения волн, при котором происходит перераспределение интенсивности излучения в пространстве с образованием периодической картины – интерференционных полос.

I _Σ= I₁+ I₂+ 2 ( I₁I₂)^1/2cos (2kx sinϴ + φ)

Λ = λ /2 sinϴ

Суммарная интенсивность в некоторой точке пространства зависит от разности фаз интерферирующих волн в этой точке.

Интерференция может наблюдаться как при распространении оптической волны в свободном пространстве, так и при распространении оптической волны в волноводной направляющей среде.При этом во втором случае будет иметься некоторое отличие от случая свободной среды, вызванное спецификой волновых процессов в направляющих системах .

При распространении в свободном пространстве волна характеризуется фазовой скоростью v_ф = c/n , где n – показатель преломления среды. При этом волновое число для такой волны описывается соотношением k = 2π/λ , где λ – длина волны в среде, λ = λ₀/n , и пройдя в среде путь L, волна приобретёт набег фазы Φ = kL . В волноводной направляющей системе (оптическом волокне, планарном волноводе) набег фазы волны, прошедшей путь L , определяется постоянной распространения (или фазовой постоянной) этой волны (в волноводной структуре такая волна называется модой волновода) – β , и пройденным расстоянием : Φ = βL. Фазовую постоянную β можно определить, как β = n_эфф 2π/λ₀ , где n_эфф – эффективный показатель преломления волноводной моды. Постоянная распространения моды, в общем случае, не равна волновому числу для материалов волноводной структуры, а сложным образом зависит от параметров волновода: n_эфф = n_эфф (n₁ ,n₂ , a) , где a – радиус сердцевины волокна, а также от распределения профиля показателя преломления в поперечном сечении сердцевины волокна n₁(r). В общем случае, внешнее воздействие может изменять длину световода L , показатели преломления n₁ , n₂ , и радиус сердцевины a. Изменение длины ΔL непосредственно приводит к изменению набега фазы, а изменения параметров волновода n₁ ,n₂ , a приводят к изменению n_эфф и, соответственно, к изменению фазовой постоянной β на величину Δβ. Таким образом, изменение фазы под внешним воздействием имеет вид :

ΔΦ = βΔL + ΔβL

Современные методы позволяют измерять изменения фазы оптической волны порядка 10^-8 рад.Это соответствует изменению оптической длины Δ(n_эфф L) порядка 10^-8λ/2π. При λ = 1мкм получаем Δ(n_эфф L) = 1,5 * 10^-14м. Эта оценка показывает потенциально очень высокую чувствительность фазовых измерительных устройств. Однако непосредственное измерение фазы невозможно – все фотоприёмники реагируют на интенсивность оптической волны. Поэтому в фазовых ВОД необходимо преобразовать изменения фазы в изменения интенсивности путём интерференции сигнальной волны с когерентной ей опорной волной, относительно которой и происходит измерение изменений фазы сигнальной волны. В этом случае ток фотодетектора можно записать в виде :

i ~ ( I _s+ I_r )[ 1+ α cos(Φ_s – Φ_r)] ; α = 2E_s0 E_r0 /( Is + Ir ).

Таким образом, ток фотодетектора промодулирован гармонической функцией разности фаз ΔΦ = (Φ_s – Φ_r). Параметр α = 2E_s0 E_r0 /( Is + Ir ) определяет видность (контраст) интерференционной картины. Для уверенной регистрации сигнала интерференции необходимо стремиться к α = 1, то есть к равенству интенсивностей обеих волн (сигнальной и опорной).

Строго говоря, коэффициент α имеет более сложный вид:

α = [2E_s0E_r0/( E_s0 )²+(E_r0)²]p_r p_sγ( τ )

где γ( τ ) – степень временной когерентности сигнальной и опорной волн, τ – задержка между волнами, p_r и p_s – единичные векторы поляризации волн. Обычно во всех интерферометрических ВОД на одномодовых волокнах параметры компонентов выбираются так, чтобы обеспечить p_r p_{s <} 1, γ( τ ) _< 1.

При анализе эволюции сигнала на выходе волоконного интерферометра необходимо учитывать дополнительные сдвиги фаз, возникающие при прохождении оптической волны через светоделительные устройства. Если на входном плече (1) светоделителя волна имеет амплитуду Е₀ и мощность Р₀ , то на прямом выходе трёхдецибельного делителя амплитуда будет Е₀/(2)^1/2 , мощность Р₀/2 , тогда, как на перекрёстном выходе мощность будет Р₀/2, а амплитуда составит exp(jπ/2)Е₀/(2)^1/2 – на перекрёстном выходе появляется сдвиг фазы относительно входной волны на π/2.

Е₀ Р₀ Е₀/(2)^1/2; Р₀/2

exp(jπ/2)Е₀/(2)^1/2; Р₀/2

F

i1

Сигнальное плечо y _вых

Опорное плечо i2

i₁ = S_ф(P₀ /2) (1-cosΦ) ; i₂ = S_ф (P₀ /2) (1+cos Φ) ; Φ = Φs – Φr = β_sL_s – β_rL_r ;

y_вых = i2- i1 = SP cos Φ ; d y_вых/ dF = - S_ф P₀sin Φ ;

условие квадратуры : Φ₀ = Φs₀ – Φr = (2m+1)π/2 – даёт максимальную чувствительность

измерительной кривой в рабочей точке; dy_вых/ dF = - S_ф P₀ sin Φ ;

При этом y_вых = S_F P₀ sin (S_F ΔF), где S_F = dΦ/dF в точке F₀ . При малых ΔF отклик датчика линеен, постоянная составляющая отсутствует.

Для использования в ВОИС можно применять как объёмные ответвители (микрооптические коллиматоры или граданы в совокупности с полупрозрачными металлическими или дихроичными зеркалами), так и волоконные ответвители, сплавные или шлифованные:

Такой же ответвитель используется и на выходе интерферометра для объединения излучения сигнальной и опорной волн. Если в объёмных интерферометрах при смешении излучения обеих волн необходимо контролировать состояние поляризации (E_s должно быть параллельно E_r) , такое же требование предъявляется и к волоконным интерферометрам. Так как при распространении по волокну поляризация излучения может изменяться, используются специальные волокна с сохранением поляризации (одномодовые волокна с наведённым двулучепреломлением). Ответвители также должны обеспечивать сохранение поляризации при делении обеих волн.

При необходимости можно использовать также ответвители на связанных канальных волноводах, однако такие конструкции более сложны технологически, требуют специальных устройств ввода-вывода излучения и полученная конструкция теряет многие достоинства волоконных структур. Тем не менее, нужно помнить, что во всех ответвителях (делителях) волнового фронта наблюдается сдвиг фазы в перекрёстном плече на π/2 по сравнению с прямым плечом.

Достоинства волоконных интерферометров:

Очень высокая чувствительность (потенциально) к внешним воздействиям. Из формулы ΔΦ = βΔL + ΔβL видно, что увеличение длины волокна в сигнальном плече приводит к росту сдвига фазы при воздействии измеряемого фактора .

Большое быстродействие (единицы мкс) за счёт малого поперечного сечения волокна.

Меньшие размеры и вес, более простые конструкции.

Из приведённой формулы видно, что разность фаз изменяется при изменении геометрических или оптических параметров волокна. Ряд физических воздействий прямо влияет на эти параметры (температура, давление, механические напряжения) и может быть измерено непосредственно. Другие же физические факторы (напряжённость магнитного и электрического полей, ускорение) должны быть преобразованы в изменения длины или преломления.

Для стандартного одномодового кварцевого волокна чувствительность фазы к внешним воздействиям составляет

S_T = 100 рад/1⁰C

S_P = 10^-3 рад/Па

S_F = 10^-4 рад/Н

Очень высокая чувствительность интерферометрического ВОД к изменениям температуры приводит к необходимости стабилизации рабочей точки и автоподстройки условия квадратуры.

Датчики магнитного поля на основе волоконных интерферометров.

В качестве чувствительного элемента используется волокно в никелевой оболочке (магнитострикционный материал). Конструкции чувствительного элемента (волокна) могут быть различными (намотка ОВ на магнитострикционную катушку, приклейка к полосе металлического стекла и прочее).

Волоконно-оптические гидрофоны.

Сигнальное волокно наматывается на полимерную катушку специальной формы. Под действием акустической волны в жидкости катушка деформируется, растягивая волокно.

Кроме интерферометрических датчиков для измерения напряжённости магнитного поля можно использовать специфическое свойство некоторых оптических сред – оптическую активность во внешнем магнитном поле. Это эффект невзаимный – при обращении направления он накапливается (в отличие от обычной оптической активности).

ВОД магнитного поля на основе эффекта Фарадея (поляриметрический датчик).

Эффект Фарадея – вращение плоскости поляризации оптического излучения в продольном магнитном поле.

Проблема: как организовать опорный канал?

Магнитооптические материалы для изготовления ЧЭ должны удовлетворять ряду требований. Главное – большая постоянная Верде. Также желательна высокая температурная стабильность постоянной Верде.

Волоконно - оптический гироскоп.

Оптический гироскоп – устройство, предназначенное для измерения угловой скорости вращения Ω (или угла поворота ϴ) некоторой платформы относительно определённой оси вращения. В зависимости от количества направлений, вращение вокруг которых чувствует измерительная система, оптический гироскоп может быть одноосным, двухосным или трёхосным. В самом простом случае, двух – или трёхосный гироскоп может быть образован комбинацией из двух – или трёх одноосных гироскопов, расположенных в двух – или трёх взаимно перпендикулярных плоскостях. Для измерения угловой скорости вращения необходимо иметь оптическую систему, параметры которой зависят от этой скорости, то есть использовать оптические явления, чувствительные к скорости и направлению вращения оптических элементов. Одним из таких явлений может служить эффект Саньяка.

Эффект Саньяка.

Суть эффекта Саньяка заключается в том, что оптическая волна, распространяющаяся по замкнутому вращающемуся контуру ( например, внутри кольцевого резонатора ) приобретает набег фазы, величина которого зависит от длины оптического пути, угловой скорости вращения контура и направления вращения. Для волны, распространяющейся в направлении вращения, набег фазы больше, чем для волны, распространяющейся против направления вращения контура. Разность фаз между двумя встречными волнами, таким образом, зависит от угловой скорости вращения контура Ω :

Φ = (8π A / cλ) Ω

где с- скорость света, λ – длина волны излучения, А – площадь, охватываемая контуром. Интенсивность излучения, образующегося после сложения двух встречных волн, зависит от взаимной разности фаз интерферирующих волн. Датчик такого типа является фазовым датчиком и может быть использован для измерения угловой скорости вращения и вычисления на этой основе угла поворота оптического контура, то есть является оптическим гироскопом.

Для регистрации разности фаз могут быть использованы несколько способов:

1. Интерференция встречных волн в кольцевом оптическом резонаторе (интерферометр Саньяка).

2. Преобразование набега фазы в длину оптического пути и далее в собственную резонансную частоту кольцевого оптического резонатора, которую и необходимо измерить.

3.Преобразование набега фазы в собственную частоту резонатора и далее в частоту генерации лазера на основе такого резонатора. Так как в кольцевом резонаторе могут одновременно генерироваться две волны, распространяющиеся во встречных направлениях, их частоты должны быть сдвинуты в разные стороны (на одинаковую величину) относительно собственной частоты неподвижного резонатора. Эта разность частот пропорциональна угловой скорости вращения резонатора :

Δν = (4A/ λnL)Ω

Основной недостаток лазерного гироскопа – явление захвата частоты. В радиотехнике оно проявляется при совместной работе двух генераторов с близкими частотами, если между генераторами существует связь (обычно ёмкостная или индуктивная). В лазерном генераторе это примводит к захвату частоты встречных волн из-за взаимодействия между ними (рассеяние в среде или на зеркалах). При этом на выходной характеристике лазерного гироскопа образуется мёртвая зона –область захвата.