Сидоров_Основы фотоники_2014

кулярные кластеры серебра (Ag2, Ag3,Ag4), которые обладают люминесцентными свойствами. Данное волокно является термочувствительным элементом датчика. Часть излучения люминесценции преобразуется в волноводные моды и по кварцевому волокну через Y-разветвитель поступает на фотоприемник 2, который регистрирует мощность излучения люминесценции.

На рис. 6.2.3 показаны спектры люминесценции волокна молекулярными кластерами серебра в интервале температур от 20 до 200 ОС. На рис. 6.2.4 показана температурная зависимость интенсивности люминесценции в максимуме. Из рисунков видно, что увеличение температуры приводит к уменьшению интенсивности люминесценции в 15 раз. Это делает люминесцентные волокна перспективными для использования в волоконных датчиках температуры.

Волоконные датчики электрического тока.

Термочувствительное волокно может быть использовано для измерения электрического тока. Конструкция чувствительного элемента такого амперметра показана на рис. 6.2.5.

Датчик состоит из интерферометра Маха-Цендера, в одно из плеч которого включено волокно с высоким температурным коэффициентом показателя преломления. Поверхность волокна пок-

няется согласование фаз в плечах интерферометра и происходит амплитудная модуляция выходного оптического сигнала. С помощью подобного датчика можно измерять токи от 5·10-6 А при длине волокна ~ 1 м.

Для измерения силы тока может быть использован магнитооптический эффект (эффект Фарадея). Конструкция такого датчика показана на рис. 6.2.6 . Волокно 1 из магнитооптического стекла, намотанное на катушку, окружает проводник с током 2. Излучение подается в волокно от лазерного диода 5 и

141

регистрируется с выхода датчика фотоприемником 6. На входе и выходе волокна расположены скрещенные поляризаторы 3, 4.

регистрирующей части датчика от проводника с током. Это позволяет использовать датчик для измерения токов в установках высокого напряжения.

может перемещаться в вертикальном направлении. При его перемещении происходит изменение величины зазора между торцами волокон и изменение связи между ними. По мере увеличения зазора мощность излучения, прошедшего в правое волокно, уменьшается – происходит амплитудная модуляция излучения. Подобный датчик позволяет регистрировать малые перемещения с точностью 50 нм.

На рис. 6.2.8 показан волоконнооптический датчик давления . Датчик состоит из волокна, уложенного в виде спирали на подложке и мембраны, расположенной на малом расстоянии от волокна. Принцип действия датчика основан на изменении оптической связи между

волокном и мембраной при перемещении мембраны под действием внешнего давления. При увеличении давления мембрана приближается к волокну. При этом увели-чивается мощность излучения, туннелирую-щего из волокна в мембрану, и уменьшается мощность прошедшего через волокно излучения. Изменение мощности прошедшего излучения регистрируется фотоприемным устройством.

Датчики показателя преломления жидкости

Волоконные датчики показателя преломления жидкостей востребованы в химической, нефтеперерабатывающей промышленности, в медицине и экологии. На рис. 6.2.9 показан пример простейшего волоконного датчика показателя преломления жидкости. Он состоит из источника излучения 1, многомодового волокна без оболочки 2 и

n2. При отсутствии на волокне жидкости

весь оптический сигнал с входа волокна попадает в фотоприемник. Если на волокно поместить каплю жидкости с n2 < n1, то для волноводных мод высшего порядка произойдет нарушение полного внутреннего отражения, и эти моды покинут волокно, а сигнал фотоприемника уменьшится. При увеличении показателя преломления жидкости волокно будут покидать и моды низших

143

порядков, что приведет к дальнейшему уменьшению сигнала фотоприемника. При n2 = n1 граница «волокно-жидкость» в оптическом смысле исчезнет. При этом все моды покинут волокно, а сигнал фотоприемника станет равен нулю.

На практике используют более сложные волоконные датчики показателя преломления, имеющие более высокую чувствительность. Примером является датчик с чувствительным элементом на основе волоконной брэгговской решетки. Брэгговская решетка обладает резонансными свойствами (см. п. 4.6), причем, длина волны резонанса определяется выражением:

λ = 2nэффnAΛ,

где nэфф – эффективный показатель преломления волокна, nА – показатель преломления окружающей среды, Λ – период решетки. Оптическая схема датчика аналогична показанной на рис. 6.2.9, однако вместо фотоприемника в данном случае используют волоконный спектрометр, позволяющий определить спектральный сдвиг резонанса решетки при изменении показателя преломления жидкости.

Контрольные вопросы

1.Каковы преимущества волоконно-оптических датчиков по сравнению с датчиками других типов.

2.Какие физические величины могут быть измерены с помощью волоконно-оптических датчиков. Какие оптические эффекты при этом используются.

144

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, преобразование оптических сигналов широко используется в устройствах фотоники. В большинстве случаев, это преобразование основано на модуляции поляризации и диэлектрической проницаемости среды при воздействии управляющего сигнала или самовоздействии. В лазерной технике применение нелинейно-оптических эффектов позволяет осуществлять преобразование длины волны излучения, управлять длительностью лазерного импульса и производить коррекцию волнового фронта.

Волноводные оптические устройства могут быть использованы для обработки оптических и электрических сигналов, а также для измерения неоптических физических величин – электрического тока, магнитного поля, температуры, перемещений, давления и т.д. При обработке электрических сигналов оптическими методами, в ряде случаев, удается получить выигрыш – за счет упрощения конструкции устройства, увеличения быстродействия и уменьшения мощности управления. Благодаря высокому быстродействию полностью оптические переключатели являются наиболее перспективными устройствами для волоконно-оптических линий связи будущего, оптических компьютеров и систем обработки информации. Однако, быстродействие полностью оптических переключателей обеспечивается за счет относительно высокой мощности управления. Поэтому, в настоящее время, основная тенденция научных исследований и разработок – уменьшение мощности управления таких устройств.

145

ЛИТЕРАТУРА

1.Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Т.3, 4. М.: Мир.

1977. - 496 с.

2.Шен И. Р. Принципы нелинейной оптики. М.: Наука, 1989. – 558 с.

3.Дмитриев В.Е., Тарасов Л.В. Прикладная нелинейная оптика. М.: Радио и связь.

1982. - 352 с.

4.Зельдович Б. Я., Пилипецкий А. Ф., Шкунов В. В. Обращение волнового фронта. М.: Наука, 1985. - 240 с.

5.Воронцов М. А., Шмальгаузен В. М. Принципы адаптивной оптики. М.: Наука, 1985, -

336 с.

6.Делоне Н. Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. М.: Наука, 1989, -

280 с.

7.Сидоров А. И. Основы физики и оптики твердых тел. Уч. пособ. СПб.: Изд. ФГБОУ ВПО «СПб НИУ ИТМО», 2012, - 120 с.

8.Ярив А. Введение в оптическую электронику. М.: Высшая школа, 1983. - 398 с.

9.Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973. - 719 с.

10.Розеншер Э., Винтер Б. Оптоэлектроника. М.: Техносфера, 2004. - 592 с.

11.Ермаков О. Прикладная оптоэлектроника. М.: Техносфера, 2004. - 416 с.

12.Балакший В. И., Парыгин В. Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. М.: Радио и связь, 1985,- 280 с.

13.Панов М. Ф., Соломонов А. В., Филатов Ю. В. Физические основы интегральной оптики. М.: Академия, 2010. -432 с.

14.Hoffman M., Voges E. Bulk silicon micromachining for MEMS in optical communication systems // Micromach. Microeng. 2002. V. 12. P. 349.

15.Адамс М. Введение в теорию оптических волноводов. М.: Мир, 1984. - 512 с.

16.Сидоров А. И., Никоноров Н.В Материалы и технологии интегральной оптики. Уч. пособ. СПб: Изд. СПб ГУ ИТМО, 2009, 107 с.

17.Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи. М.:Техносфера, 2004.- 496 с.

18.Ораевский А. Н. Волны шепчущей галереи // Квант. эл. 2002. Т. 32, № 5. С. 377.

19.Климов В. В. Наноплазмоника. М.: Физматлит, 2009, 480 с.

20.Сидоров А. И. Нанофотоника и плазмоника. Уч. пособ. СПб: ГЭТУ, 2009. - 80 с.

21.Бусурин В. И., Носов Ю. Р. Волоконно-оптические датчики: физические основы, вопросы расчета и применения. М.: Энергоатомиздат, 1990.- 256 с.

22.Волоконно-оптические датчики. Под ред. Э. Удда. М.: Техносфера. 2008. – 520 с.

146

В 2009 году Университет стал победителем многоэтапного конкурса, в результате которого определены 12 ведущих университетов России, к оторым присвоена категория «Национальный исследовательский университет». Министерством образования и науки Российской Федерации была утверждена Программа развития государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «СанктПетербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики» на 2009–2018 годы.

КАФЕДРА ОПТОИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И МАТЕРИАЛОВ

1994 г. Организована базовая кафедра СПбГУ ИТМО при Государственном оптическом институте (ГОИ) им. С.И.Вавилова – кафедра оптического материаловедения. Образование кафедры явилось логичным развитием тесных связей, которые в течение многих лет существовали между ГОИ и ИТМО. В частности, для преподавания в ИТМО широко привлекались ведущие сотрудники ГОИ, а ИТМО был постоянным источником, из которого ГОИ черпал новые молодые кадры. Кафедра начала подготовку специалистов по образовательному направлению «Оптотехника», специальность «Оптические технологии и материалы».

1999 г. Реорганизация кафедры. На кафедре созданы три направления: оптическое материаловедение, информационная оптотехника, физическая оптика и спектроскопия. Кафедра переименована в кафедру оптического материаловедения и оптики (ОМиО).

2002 г. Кафедра ОМиО вошла в состав нового факультета СПбГУ ИТМО - фотоники и оптоинформатики.

2003 г. При кафедре создана учебно-исследовательская лаборатория материалов и технологий фотоники.

2004 г. Кафедра явилась одним из инициаторов и организаторов создания нового образовательного направления подготовки бакалавров и магистров – «Фотоника и оптоинформатика». Кафедра начала подготовку бакалавров и магистров по направлению - 200600 «Фотоника и оптоинформатика».

2005 г. Кафедра ОМиО переименована в кафедру оптоинформационных технологий и материалов (ОТиМ).

2006 г. Кафедра ОТиМ – лидер в России по подготовке специалистов по оптическому материаловедению в области фотоники и оптоинформатики. Кафедра ведет совместные научные исследования с зарубежными компаниями Corning, Samsung, PPG Inc.

2007 г. Первый выпуск бакалавров по направлению «Фотоника и оптоинформатика». Кафедра ОТиМ - участник выполнения инновационной образовательной программы в СПбГУ ИТМО «Инновационная система подготовки специалистов нового поколения в области информационных и оптических технологий», реализуемой в рамках Приоритетных Национальных Проектов «Образование».

147

Александр Иванович Сидоров ОСНОВЫ ФОТОНИКИ: ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ В УСТРОЙСТВАХ ФОТОНИКИ Учебно-методическое пособие

В авторской редакции

Компьютерная верстка

Заведующая РИО

Редакционно-издательский отдел ФГБОУ ВПО «СПб НИУ ИТМО»

Лицензия ИД № 00408 от 0.511.09. Отпечатано на ризографе. Тираж 100 экз. Заказ №

Подписано в печать

148