Глава 2 . Физические эффекты, используемые в оптических измерительных системах.

Существует множество физических эффектов, вызывающих изменение параметров оптического излучения, генерируемого в оптической среде или распространяющегося в среде, на которую воздействует измеряемый фактор. Рассмотрим некоторые из них.

1. Электрооптический эффект .

Суть электрооптического эффекта состоит в изменении, под действием внешнего электрического поля, длины полуосей и положения в пространстве эллипсоида показателей преломления ряда материалов – так называемых электрооптических материалов (в большинстве случаев это монокристаллические среды, например, ниобат лития LiNbO₃или дигидрофосфат калия KH₂PO₄). Это, в свою очередь, приводит к изменению показателей преломления для компонент оптической волны, поляризованных в направлении той или иной кристаллографической оси. Изменение показателей преломления может быть пропорционально первой степени напряжённости внешнего поля (линейный электрооптический эффект,эффект Поккельса) или второй степени (квадратичный электрооптический эффект, эффект Керра).

Δ (1\n²)_i = ∑ r_ij E_j ; j = 1≡x , 2≡y, 3≡z ; i = 1,2,3,4,5,6

Так как волновое число k оптической волны связано с показателем преломления среды n соотношением

k = 2π / λ = 2πn / λ₀ ,

где λ₀ – длина волны оптического излучения в вакууме, изменение показателей преломления для соответствующих компонент оптической волны приводит к изменению набега фазы данной компоненты при распространении в среде на расстояние L на величину

Δφ = 2πnL / λ₀

пропорциональную первой степени напряжённости внешнего поля, если используется линейный электрооптический эффект. Таким образом, формально оптический датчик с использованием электрооптического эффекта следует отнести к классу фазовых датчиков, однако чаще этот эффект используется таким образом, чтобы измеряемое воздействие изменяло разность фаз между ортогональными компонентами оптической волны . Это приводит к изменению состояния поляризации оптического излучения на выходе из чувствительного элемента, каковое изменение может быть преобразовано в изменение интенсивности излучения. Таким образом, оптический датчик на основе электрооптического эффекта может быть отнесён к классу поляризационных датчиков или датчиков с модуляцией интенсивности . Электрооптический эффект используется для создания датчиков напряжённости электрического поля, датчиков - измерителей электрического напряжения, электрооптических модуляторов.

2. Упруго-оптический эффект или эффект фотоупругости.

Суть упруго-оптического эффекта состоит в изменении, под действием внешнего механического напряжения, длины полуосей и положения в пространстве эллипсоида показателей преломления ряда материалов – упруго-оптических материалов (это могут быть монокристаллические среды или аморфные оптические материалы, например, оптические стёкла). Это, в свою очередь, приводит к изменению показателей преломления для компонент оптической волны, поляризованных в направлении той или иной кристаллографической оси. Изменение показателей преломления зависит от внешнего механического напряжения сложным образом (через компоненты тензора фотоупругости :

Δ( n^-2 ) _ij = ∑ p_ij,kl S_kl

_где p_ij,kl – тензор фотоупругости ( упругооптический тензор ) четвёртого ранга, S_kl – тензор деформации. Изменение показателей преломления может быть преобразовано в изменение разности фаз между ортогональными компонентами оптической волны . Это приводит к изменению состояния поляризации оптического излучения на выходе из чувствительного элемента, каковое изменение может быть преобразовано в изменение интенсивности излучения. Таким образом, оптический датчик на основе эффекта фотоупругости также может быть отнесён к классу поляризационных датчиков или датчиков с модуляцией интенсивности . Упругооптический эффект используется для создания датчиков механических напряжений, датчиков - измерителей давления, гидроакустических датчиков.

3. Магнито-оптический эффект Фарадея.

Суть магнитооптического эффекта состоит в повороте плоскости поляризации линейно поляризованного света, проходящего через магнитоактивный оптический материал, находящийся в продольном магнитном поле напряженностью H . Угол поворота Φ зависит от напряжённости магнитного поля, длины магнитоактивной среды L и параметров материала :

Φ = V H L

где V – постоянная Верде, описывающая свойства магнитоактивной среды. Магнитооптический эффект в той или иной мере проявляется в большинстве оптических материалов – в оптических стёклах и ряде оптических монокристаллов. Поворот плоскости поляризации далее может быть преобразован в изменение интенсивности излучения на выходе чувствительного элемента. Таким образом, оптический датчик на основе эффекта Фарадея также может быть отнесён к классу поляризационных датчиков или датчиков с модуляцией интенсивности . Эффект Фарадея используется для создания датчиков магнитного поля и датчиков - измерителей тока.

4.Эффект электрогирации.

Суть эффекта электрогирации состоит в повороте плоскости поляризации линейно поляризованного света, проходящего через оптический материал, находящийся в продольном электрическом поле напряженностью Е . Угол поворота Φ зависит от напряжённости поля, длины электрогирационной среды L и параметров материала. По сути дела эффект электрогирации является электрическим аналогом эффекта Фарадея и может быть использован для создания датчиков электрического поля и датчиков - измерителей напряжения. Проявляется в монокристаллах определённой группы симметрии.

5.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.

6.Эффект электроабсорбции ( эффект Франца – Келдыша ).

Суть эффекта электроабсорбции ( эффекта Франца – Келдыша ) состоит в уменьшении ширины запрещенной зоны E_g в полупроводниковом монокристалле при приложении к кристаллу внешнего электрического поля. Это изменение сложным образом зависит от напряжённости приложенного поля и типа полупроводника. Для монокристалла арсенида галлия GaAs уменьшение ширины запрещённой зоны может быть выражено, как :

Δ E_g = 3/2 (m^*)^-1/3 (e₀ ħ E_мод)^2/3

где m^* - эффективная масса электрона в кристаллической решётке GaAs ,

E_мод – напряжённость внешнего электрического поля.

Уменьшение ширины запрещённой зоны приводит к увеличению показателя поглощения α оптического излучения, распространяющегося по кристаллу чувствительного элемента и, соответственно, к уменьшению выходной интенсивности I_вых излучения :

I_вых = I _вх exp ( - α d )

где d – длина чувствительного элемента.

Датчик такого типа является амплитудным датчиком и может быть использован для измерения напряжённости электрического поля и электрического напряжения.

7.Температурная зависимость ширины запрещённой зоны полупроводника.

Суть эффекта состоит в уменьшении ширины запрещенной зоны в полупроводниковом монокристалле при увеличении температуры кристалла. Это изменение сложным образом зависит от температуры и типа полупроводника. Для монокристалла фосфида индия InP изменение ширины запрещённой зоны может быть выражено, как :

,

где S_V и Θ_V – параметры полупроводника,

T – температура монокристалла, К⁰.

При этом показатель поглощения полупроводника для излучения с фиксированной длиной волны будет также зависеть от температуры :

,

увеличиваясь с её ростом, что приводит к уменьшению выходной интенсивности I_вых излучения.

Датчик такого типа также является амплитудным датчиком и может быть использован для измерения температуры.

8. Температурная зависимость излучения абсолютно чёрного тела.

Суть эффекта состоит в изменении спектрального распределения интенсивности излучения абсолютно чёрного тела ( АЧТ ) при изменении температуры.Спектральная плотность мощности излучения абсолютно чёрного тела r^*(λ) [ Вт* м ^-2 * мкм ^-1 ] зависит от температуры следующим образом r^*(λ) = 3,71* 10⁸ λ^-5 [exp( 14380\λT⁰) – 1]^-1

где λ выражается в мкм,а Т⁰ – в градусах Кельвина. При увеличении температуры происходит смещение спектральной кривой в коротковолновую область спектра. Измерив спектр излучения чувствительного элемента, представляющего собой модель АЧТ, можно определить температуру ЧЭ. Датчик относится к классу спектральных датчиков .

9. Изменение спектра люминесценции или времени затухания люминесценции.

Суть эффекта состоит в изменении соотношения между спектральными компонентами излучения люминесценции или времени затухания люминесценции, возбуждённой в оптическом материале, легированном ионами редкоземельных элементов, при воздействии на люминесцирующий материал излучения накачки. Проведя спектральный анализ излучения люминесценции, или измерение его временных характеристик, можно определить величину воздействующего на активную среду измеряемого фактора. Датчики такого типа относятся к классу спектральных датчиков и могут быть использованы для измерения температуры.

10. Изменение интенсивностей спектральных компонент рамановского рассеяния.

Суть эффекта состоит в изменении соотношения между интенсивностями стоксовой и антистоксовой компонент рамановского рассеяния, возбуждённого в оптическом материале, при воздействии на оптическую среду излучения накачки. Проведя спектральный анализ рассеянного излучения, можно определить величину воздействующего на активную среду измеряемого фактора. Датчики такого типа относятся к классу спектральных датчиков и могут быть использованы для измерения температуры.

11.Эффект Допплера.

Суть эффекта состоит в сдвиге частоты оптической волны, отражённой или рассеянной от движущейся среды. Величина допплеровского сдвига зависит от скорости движения V отражающего объекта, а знак сдвига частоты – от направления движения ( + при приближении отражателя, - при удалении ). Величина длины волны отражённого излучения определяется формулой :

λ = λ₀ ( 1 -/+ V/c ) ; ν = ν₀ ( 1 +/- V/c).

Измерив длину волны отражённого излучения, можно определить скорость и направление движения отражателя. Датчики такого типа относятся к классу спектральных датчиков и могут быть использованы для измерения скорости движения .