Волоконно-оптические датчики

Реферат

В курсовой работе рассматриваются технологии, принципы работы практическое применение волоконно-оптических датчиков. Целью работы является исследование конструктивных особенностей и принципов работы волоконно-оптических датчиков и их классификация.

В данной работе описаны конструкции и принципы работы волоконно-оптических датчиков и их структурных элементов, также выполнена классификация волоконно-оптических датчиков.

волоконный оптический датчик поляризация

Введение

Идеальные для использования во многих приложениях датчики должны обладать такими свойствами, как малый вес, небольшой размер, малая мощность, устойчивость к воздействиям внешней среды и электромагнитная помехозащищенность, хорошие показатели производительности и низкая стоимость. С развитием технологий необходимость в датчиках с подобными характеристиками резко возрастает в таких областях, как аэрокосмическая и оборонная промышленность, производство материалов, медицина и строительство. Проникновение волоконно-оптических технологий, которые в 1970;е и 1980;е годы быстро развивались благодаря индустрии телекоммуникаций, на коммерческие рынки для производителей CD-плееров, персональных копировальных устройств и лазерных принтеров, в сочетании со снижением стоимости оптоэлектронных компонентов, позволило технологии волоконно-оптических датчиков раскрыть свои потенциальные возможности по отношению ко многим приложениям. В специальной литературе можно встретить описание различных волоконно-оптических датчиков.

Целью данной работы является исследование конструктивных особенностей и принципов работы волоконно-оптических датчиков, а также их классификация.

При этом существенно важным является:

1 Произвести обзор существующей литературы для сбора необходимой информации.

2 Описать конструкции и принципы работы волоконно-оптических датчиков и их структурных элементов.

3 Произвести классификацию волоконно-оптических датчиков.

4 Изучить способы применения волоконнооптических датчиков на практике.

1. Технологии волоконно-оптических датчиков

Волоконно-оптические технологии совершили революцию в области телекоммуникаций. 1] Революция началась с ограниченного применения оптических волокон в системах, требующих сверхвысокой производительности. Переворот совершился, когда массовое производство в совокупности с техническими усовершенствованиями смогло обеспечить сверхвысокую производительность, требуя меньших издержек, чем любой другой альтернативный подход. Одновременно происходящие усовершенствование и снижение себестоимости в сочетании с массовым коммерческим производством привели как к вытеснению аналогов, так и к появлению новых областей применения и выпуску новых товаров, таких как CD-плееры, персональные копировальные устройства и лазерные принтеры. Третья революция произошла благодаря разработчикам, использовавшим достижения быстро растущей области оптоволоконной связи вместе с оптоэлектронными приборами и создавшим волоконно-оптические датчики.

Открываются ошеломляющие перспективы, включающие как возможность замены большинства датчиков состояния окружающей среды, существующих в настоящее время, так и появление на рынке принципиально новых датчиков, предоставляющих не существовавшие ранее возможности[2].

В волоконно-оптических датчиках с внешним чувствительным элементом измерение параметров производится в области за пределами волокна. То же относится и к гибридным волоконно-оптическим датчикам. Сами датчики можно рассматривать как «черные ящики», при этом оптические волокна используются для переноса света к «ящикам» и данных — в обратном направлении. В большинстве случаев понятия датчиков с внешним чувствительным элементом и гибридных датчиков взаимозаменяемы. Основное различие возникает в случае использования энергии светочувствительных элементов, когда луч света используется для приведения в действие электронного датчика и данные возвращаются обратно по волоконно-оптическому каналу. В этом случае термин «гибридные» является более подходящим.

Большой и важный подкласс датчиков, в которых оптическое волокно используется в качестве чувствительного элемента, или чистоволоконных датчиков, — это датчики интерферометрические. Большинство датчиков, обеспечивающих наиболее высокую производительность, относятся именно к этому подклассу.

Первоначально проникновение волоконно-оптических датчиков на рынок было обусловлено их преимуществом по производительности. В таблице 1 перечислены все преимущества таких датчиков по сравнению с традиционными электронными датчиками. Элементы, используемые в волоконно-оптических датчиках, являются абсолютно пассивными по отношению к электричеству (не излучают и не проводят электрический ток), что часто оказывает решающее влияние на успешное применение их в некоторых областях. В медицине это позволяет изолировать пациентов от электрических приборов, в области высокого напряжения исключить проводящие пути, а при размещении обеспечивается совместимость с любыми материалами. Весогабаритные характеристики датчиков являются критичными при их использовании в таких областях, как аэрокосмическая, и здесь, благодаря своим небольшим весу и размеру, волоконно-оптические датчики получают существенное преимущество по сравнению со многими другими изделиями. К тому же такие датчики невосприимчивы к электромагнитным помехам. Традиционные электрические датчики часто приходится размещать в тяжелой экранирующей оболочке, что значительно увеличивает их стоимость, размер и вес. Устойчивость к воздействиям внешней среды является определяющей при использовании волоконно-оптических датчиков в условиях высокой температуры, а твердотельная структура позволяет им выдерживать предельные уровни вибрационных и ударных нагрузок. К перечисленным выше свойствам можно добавить высокую чувствительность и широкополосность. При объединении каналов матрицы датчиков широкая полоса пропускания самих оптических волокон позволяет передавать получающиеся в результате данные и тем самым обеспечивает определенное преимущество.

Таблица 1 — Преимущества волоконно-оптических датчиков

Ранние работы по волоконно-оптическим датчикам, как правило, можно отнести к двум основным категориям. Относительно простые волоконно-оптические датчики быстро стали серийно выпускаемыми изделиями, часто благодаря небольшим начинающим фирмам, и сформировали специализированный рынок средств измерений. В качестве одного из первых таких примеров можно рассматривать измерение температуры в области высокого напряжения. Более сложными волоконно-оптическими датчиками, такими как волоконно-оптические гироскопы или гидроакустические приемные антенные решетки, занимались большие производственные фирмы при поддержке правительственных программ, стараясь выйти на потенциально большие высокоплатежеспособные рынки. Первоначальное проникновение на рынок в период с 1980 по 1990 год в условиях постоянной конкуренции с традиционными технологиями датчиков происходило медленно в значительной степени из-за высокой стоимости ограниченного количества подходящих компонент. Но ситуация быстро меняется, и перспективы выглядят чрезвычайно благоприятно. Как показано на рисунке 1, стоимость основных оптических элементов быстро падает, в то время как их количество и разнообразие возрастает. Все эти факторы сочетаются с повышением надежности и улучшением качества компонент. В конечном результате это привело к быстрому расширению ассортимента производимых волоконно-оптических датчиков и началу стремительного продвижения их на рынок.

1980 1990 2000

Рисунок 1 — Тенденции развития волоконно-оптических датчиков Таблица 2 иллюстрирует резкие и значительные изменения, касающиеся некоторых ключевых элементов. Стоимость одномодовых лазерных диодов в конце 1970;х годов достигала нескольких тысяч долларов, а их срок службы составлял всего несколько часов. К 1990 году эти элементы использовались в миллионах CD-плееров и лазерных принтеров, их стоимость упала до нескольких долларов за единицу, а ресурс исчислялся десятками тысяч часов. Стоимость одномодового оптического волокна в конце 1970;х годов составляла порядка $ 10 за метр, и его было трудно приобрести. В 1990 году использование такого волокна стало нормой в индустрии телекоммуникаций, и ежегодно прокладывались миллионы километров линий связи при стоимости волокна менее $ 0,10 за метр. В обоих случаях развитие привело к уменьшению величины стоимости примерно на три порядка и сопровождалось одинаково резким возрастанием качества и стандартизации.

За базовыми элементами последовали более сложные устройства, та кие как интегральные оптические модуляторы, которые в конце 1970;х годов были лабораторными диковинками, крайне далекими от серийно выпускаемых изделий. К 1990 году эти изделия в небольших количествах появились на рынке, при этом стоимость каждого из них составляла несколько тысяч долларов. Этот датчик, который в конце 1970;х годов сам по себе был редким лабораторным прибором, выполненным на интегральных оптических фазовых модуляторах, являющихся его ключевым элементом. В 1990 году эти устройства предлагались на рынке в ограниченном количестве по цене $ 20 000 за единицу. Чтобы обеспечить проникновение на рынок, стоимость устройств со средними характеристиками должна упасть примерно до $ 500−1000. А для этого в свою очередь требуется, чтобы стоимость фазовых модуляторов снизилась примерно до $ 50 за единицу.

Таблица 2 — Необходимые компоненты для волоконно-оптических датчиков существенно дешевеют

Появление каждого нового успешного продукта стоимость существующих и вновь внедряемых компонент продолжает снижаться, что открывает дорогу наплыву новых серийно выпускаемых волоконно-оптических датчиков. В 1980 году доступно было очень мало компонент и их стоимость была относительно высокой, а это приводило к тому, что приложения на основе волоконнооптических датчиков занимали очень небольшую нишу на рынке и предложение сводилось буквально к нескольким пунктам. К 1990 году стоимость волоконных компонент, источников света и волоконных разветвителей резко упала, а мультиплексные элементы стали легко доступны в продаже по умеренным ценам. На рынке появились также некоторые новые изделия, такие как интегральные оптические приборы, цена на которые была относительно высока. Эти разработки позволили начать использование волоконно-оптических датчиков в качестве измерительной аппаратуры в промышленности и электроэнергетике, а также приступить к внедрению ограниченного количества более сложных опытных образцов волоконно-оптических датчиков, таких как волоконно-оптические гироскопы. Можно ожидать, что к 2000 году существенно возрастет количество устройств, доступных на рынке по низким ценам, что позволит разработчикам в области оптических волокон выпустить широкий диапазон устройств, обеспечивающих высокую производительность по значительно более низким ценам, чем допускают существующие технологии. При этом появится возможность использования датчиков в совершенно новых областях науки и техники. В частности, новейшие разработки позволят заменить традиционные вращающиеся инерционные датчики волоконно-оптическими гироскопами, шире использовать волоконно-оптические датчики в процессах управления и производства, а также применять их для мониторинга состояния систем и оборудования в аэрокосмической и строительной промышленности.

Все эти разработки повлекут за собой возникновение все больших и более сложных систем на базе слияния телекоммуникаций и технологий применения волоконно-оптических датчиков. При строительстве новых зданий будут использоваться волоконно-оптические системы, которые обеспечат объединение в сеть всех обитателей и позволят создать службы обработки важнейших эксплуатационных характеристик. Такие службы будут выполнять двойную функцию: контролировать температуру, влажность и энергопотребление и передавать наиболее существенную информацию на центральный пункт управления. Полоса пропускания и измерительные возможности оптических волокон предоставят возможности, далеко выходящие за пределы современного технического уровня. Аналогичные службы способны обеспечить всеобщую связь, благодаря которой исчезла бы необходимость вручную проверять газовые и электрические счетчики. По такому же принципу могут быть построены централизованные системы безопасности и пожарной защиты, а также координация неотложной помощи.

Чтобы воплотить эти мечты в жизнь, необходимо совершенствовать технические приемы и методы преобразования сырья в оптические компоненты, оптических компонент — в волоконно-оптические датчики и создания на основе волоконно-оптических датчиков полезных систем. Остальная часть этой книги посвящена обзору избранных тем по каждой из областей и описанию полезных и многообещающих подходов. Мы надеемся, что читатели этой книги найдут в ней много полезного для построения нового лучшего будущего.

2. Оптические модуляторы для волоконно-оптических датчиков

Оптические модуляторы являются ключевыми составляющими элементами волоконно-оптических систем, выполняющими различные функции, в том числе модуляцию амплитуды, фазы, частоты и поляризации[1−3]. В большинстве случаев применяются твердотельные устройства, в которых свет модулируется путем изменения оптических свойств материала устройства при воздействии управляющего электрического сигнала[4]. Механизм связи управляющего сигнала со свойствами материала может быть электрооптическим, акустооптическим или магнитооптическим. Хотя многие оптические модуляторы все еще изучаются в исследовательских лабораториях, высокоэффективные устройства начинают чрезвычайно широко применяться в волоконно-оптических датчиках.

Существует три вида твердотельных оптических модуляторов. Это объемные, интегрально-оптические и чистоволоконные устройства (рисунок 2). Объемные модуляторы, в которых сигнал проходит через сплошной блок материала, относительно давно разработаны и выпускаются серийно в течение многих лет. Однако в них отсутствует волновод, и требуются высокое управляющее напряжение и внешняя оптика, чтобы получить излучение из оптических волокон и затем снова запустить его в оптическое волокно. В интегрально-оптических модуляторах волноводы встраиваются непосредственно в материал модулятора. Это существенно снижает требования к электрической мощности и исключает необходимость внешней оптики для подсоединения к оптическим волокнам. Разработано множество таких приборов, и некоторые из них выпускаются серийно.

в)

Рисунок 2 — Три основных вида твердотельных оптических модуляторов: а) объемный; б) интегрально-оптический; в) чистоволоконный В чистоволоконных модуляторах оптический сигнал никогда не покидает волокно, которое и подвергается воздействию управляющего сигнала, что приводит к требуемой модуляции. Преимуществом приборов этого типа является возможность обходиться без оптики, необходимой для подсоединения к оптическим волокнам и точной настройки. Однако модуляционная способность распространенных волоконных материалов, таких как стекло, относительно слабая, и устройствам требуется достаточно высокое управляющее напряжение. Модуляторы этого вида находятся еще на стадии разработки.

3. Датчики на основе измерения интенсивности и интерферометра Фабри-Перо

3.1 Датчики интенсивности

Первые волоконно-оптические датчики были разработаны даже раньше, чем в 1970;е годы стали доступны волокна с малыми потерями[1−2]. В них для измерения света, отраженного или пропущенного объектом, использовались жгуты или одиночные волокна. Эта технология, простейшая по современным стандартам, тем не менее, обеспечила преимущества волоконной оптики в ограниченном количестве приложений. По мере появления новых волокон эффективность датчиков повышалась. Доступность надежных моноволоконных оптических кабелей позволила реализовать эффективные оптические системы и миниатюрные датчики. В дополнение к простым отражающим и передающим системам были разработаны методы, использующие слежение за интерференционными полосами, микроизгибы, полное внутреннее отражение и фотоупругость. Движение к практическому применению волоконно-оптических датчиков происходило быстро.

Датчики интенсивности по своей сути просты, и для них требуется достаточно ограниченный электронный интерфейс. Oдноволоконный отражательный датчик работает следующим образом: Cвет проходит по волокну слева направо, в конце покидает волокно, расходясь в виде конуса, и попадает на передвижной отражатель. Если рефлектор расположен близко к концу волокна, большая часть излучения отражается обратно в волокно; чем дальше отодвигается отражатель от конца волокна, тем меньше излучения попадает обратно в волокно. Монотонную связь между расстоянием волокно отражатель и обратным излучением можно использовать для измерения расстояния. Очевидное ограничение такого датчика, общее ограничение для большинства датчиков интенсивности — это отсутствие подходящего опорного сигнала.

Если изменяется выходной уровень источника света или потери в волокне колеблются в зависимости от времени, это приведет к ошибочному измерению расстояния. В значительной степени это можно компенсировать, используя больше источников или, больше волокон. Здесь перемещение, перпендикулярное оси волокна, измеряется посредством двух принимающих волокон, между которыми распределяется излучение из перемещаемого волокна. При соответствующем сочетании фототоков от принимающих волокон можно наблюдать почти линейную связь между перемещением и выходным сигналом. Другая схема с внесением потерь. Сила вызывает изменения поляризации, что модулирует амплитуду излучения. Для этого датчика остаются актуальными описанные выше проблемы, связанные с опорным сигналом, а также нелинейность характеристики и гистерезис, обусловленные пьезооптическим материалом.

Один из наиболее популярных методов модуляции интенсивности основан на изгибании волокна, вызывающем потери излучения. Такие датчики микроизгибов используются в тех приложениях, где измеряемый параметр (деформацию, давление, силу, положение, ускорение) можно механически преобразовать в перемещение устройства, которое деформирует волокно.

При смыкании деформирующего устройства потери излучения возрастают и количество прошедшего излучения уменьшается.

Перемещение

Волокно Рисунок 3 — Датчик микроизгибов. Деформирующее устройство увеличивает потери в волокне, связанные с изгибом при увеличении смещения

3.2 Датчики температуры с полупроводниковым чувствительным элементом

Зависимость границы полосы поглощения от температуры может быть использована для измерения температуры. Излучение из одного волокна проходит через GaAs-призму в другое волокно. Если энергия фотонов меньше, чем ширина запрещенной зоны (т.е. длина волны больше, чем примерно 900 нм), излучение не затухает сколько-нибудь существенно в GaAs. Фотоны с более короткими длинами волн поглощаются. Граница зоны поглощения сдвигается примерно на 0,5 нм/°С. Отсюда вытекают требования к точности длины волны на границе зоны порядка 1 А для получения точности датчика 0,1°С. Эта точность ограничена однородностью структуры GaAs. Аналогичные датчики температуры можно сконструировать, используя чувствительные к температуре фильтры (например, Schott RG830 коллоидный фильтр нижних частот).

Вместе с датчиками, работающими на границе зоны, может использоваться широкий диапазон считывающей оптики: от единственного фотодиода, применяемого в схеме измерения интенсивности, до спектрофотометрических матриц на ПЗС. Чаще всего в считывающей оптике используется пара фотодиодов, настроенная так, чтобы реагировать на длинные и короткие волны с обеих сторон щелевого фильтра. Источники света для датчика должны обеспечивать энергию, по крайней мере, в двух областях спектра. Для этого могут использоваться два светодиода, соответствующие длинным и коротким волнам с обеих сторон щелевого фильтра, или единственный источник со спектром более широким, чем щелевой фильтр. Если ширина спектра источника не превышает 100 нм, изгибы волокна, потери в соединителях и прочее не повлияют на выход датчика, если применяется соответствующая схема нормализации. Обычно нормализация достигается использованием в качестве выходного сигнала отношения фототоков длинных и коротких волн.

Многомодовые волокна

Рисунок 4 -Датчик температуры, использующий сдвиг границы зоны в GaAs

3.3 Многомодовые датчики Фабри-Перо

История датчиков Фабри — Перо началась с использования интерферометра с параллельными пластинами на рубеже девятнадцатого-двадцатого веков. Датчики напряжения и давления были описаны Фабри и Перо; Меггер и Петере измеряли показатель преломления. Конечно, в конструкциях всех этих датчиков не использовались преимущества оптических волокон или твердотельных источников света.

Многомодовые датчики имеют ряд основных преимуществ по сравнению с одномодовыми: (1) возможность эффективного введения света с недорогих долговечных источников-светодиодов; (2) использование легкодоступных соединителей и других оптоволоконных компонентов и (3) удобное окончание волокон. В датчиках Фабри-Перо можно воспользоваться дополнительными преимуществами применения многомодовых волокон: (4) дешевыми чувствительными элементами и (5) возможностью для разнообразных типов датчиков использовать одну и ту же считывающую оптику.

Многомодовые интерферометрические датчики имеют меньшую чувствительность, чем их одномодовые эквиваленты; но при измерениях в промышленных условиях это часто не является проблемой. Например, многомодовые датчики температуры, выпускаемые MetriCor, имеют разрешение порядка 0,1 °С. Одномодовый интерферометрический датчик температуры десятисантиметровой длины может иметь разрешение 10−5 °С при использовании значения Хокера для чувствительности волокна к температуре 100 рад °С-1 м-1, если предположить, что чувствительность интерферометра составляет 10−4 рад. Относительно невысокая чувствительность многомодовых датчиков не имеет принципиального значения, поскольку динамический диапазон всех датчиков с разомкнутым контуром имеет один и тот же порядок величины. В этой ситуации большее, чем необходимо, разрешение только уменьшает эффективный рабочий диапазон датчика. Ограничение динамического диапазона можно преодолеть, если реализовать в устройстве подсчет интерференционных полос или эквивалентный метод. При использовании метода подсчета интерференционных полос, как правило, возникают проблемы, связанные с неопределенностью при считывании, когда внезапно обрывается электропитание, поэтому этот метод невозможно использовать в практических приложениях.

3.4 История развития многомодовых датчиков Фабри-Перо

В ранней работе, посвященной датчикам Фабри-Перо, приведено значение с точностью 0,5% для датчика температуры с диапазоном 150 °C. Были разработаны разнообразные датчики, использующие эталоны как с низкой, так и с высокой добротностью. Организация серийного производства датчиков Фабри — Перо быстро продвигалась от поштучно собираемых лабораторных образцов к приборам, которые могли работать в широком диапазоне температур. Другие усовершенствования в конструкции датчиков позволили начать выпуск семейства датчиков, производимых с использованием технологии интегральных схем, с низкой стоимостью и единообразных. Разработаны датчики температуры, которые могут быть размещены на конце волокна просто напылением кремниевого слоя толщиной 0,7 мкм.

3.5 Принципы работы

Интерферометры Фабри-Перо состоят из двух отражателей, расположенных с каждой стороны оптически прозрачной среды. При соответствующем расстоянии между отражателями коэффициента пропускания интерферометра высок. Изменение расстояния приводит к падению коэффициент пропускания. При высокой отражательной способности отражателей коэффициент пропускания очень чувствителен к изменениям длины волны или расстояния между отражателями. В целом эффективность интерферометра часто характеризуют добротностью

F = 4R/(1-R2) (3.1)

где R — коэффициент отражения зеркал при отсутствии потерь. Зависимость коэффициента пропускания от расстояния между отражателями для различных значений добротности показана на рисунке 3.3. Интерферометры с высокой добротностью полезны, поскольку позволяют точно определить особенности спектра; интерферометры с низкой добротностью допускают линейный режим в широком диапазоне измеряемого параметра без сложных схем с обратной связью.

Интерферометры Фабри — Перо привлекательны для использования в датчиках, поскольку позволяют легко установить связь с измеряемыми физическими или химическими величинами. В случае датчика температуры это можно проиллюстрировать, изучив, сколькими способами изменения температуры могут быть связаны с расстоянием между отражателями интерферометра. В последующем списке каждый пункт представляет собой отдельный оптический параметр, через который можно связать изменение температуры с оптическим резонансом интерферометра: (1) линейное расширение распорного кольца; (2) изменение показателя преломления среды между отражателями; (3) расширение среды между отражателями; (4) изменение кривизны отражателей; (5) изменение поглощения или отражательной способности отражателя и (6) изменение спектрального поглощения или рассеяния в среде между отражателями. К счастью, можно конструировать интерферометры для измерения только одного или двух параметров из перечисленных выше, исключив реакцию на вмешательство остальных. Это позволяет, например, разрабатывать датчики температуры, не чувствительные к давлению.

Оптическая толщина Рисунок 5 — Коэффициент пропускания интерферометра Фабри-Перо при различных значениях добротности В датчиках Фабри-Перо с многомодовыми волокнами используются различные источники излучения. Как правило, спектральная ширина источника — основной параметр, имеющий значение и обусловленный выбором конкретной схемы считывания. Замкнутый контур считывания допускает использование интерферометров с высокой добротностью и лазерных источников. В этом примере длина волны лазера сопровождает сдвиг резонанса интерферометра. Белые источники света могут использоваться, если в наличии имеется спектрофотометр или его эквиваленты. Светодиоды наиболее распространены и могут применяться с интерферометрами и считывающими устройствами различных конструкций. В некоторых датчиках могут использоваться два источника для уменьшения ошибок, связанных с потерями и неопределенностями в интерферометре.

4. Многомодовые дифракционные датчики

Волоконно-оптические датчики можно разделить на два класса: датчики, в которых исследуемое явление воздействует на свет во время его распространения по оптическому волокну, и датчики с внешним чувствительным элементом, в которых свет выводится из оптического волокна, подвергается воздействию и снова запускается в волокно для передачи в блок обработки сигнала[4]. Здесь мы рассмотрим датчики с внешним чувствительным элементом, механизм преобразования которых основан на эффекте, создаваемом дифракционной решеткой. Многие наиболее удачные многомодовые волоконно-оптические датчики, которые были продемонстрированы, основаны на свойствах решеток. Решетка представляет собой оптически прозрачную основу с чередующимися прозрачными и поглощающими областями. Решетки применяются при измерении множества параметров, при этом для измерений используются как интенсивность, так и длина волны. Принцип работы решеток основан на модуляции, которая может проявляться как изменение интенсивности, длины волны или того и другого. Выполняется большая работа по развитию датчиков этого типа. Продемонстрированы дифракционные датчики для измерения смещения, давления, а также гидрофоны. В этой главе приведено описание основ теории методов дифракционной модуляции и датчиков, основанных на взаимном движении пары решеток и на нестандартной структуре решеток. Далее подробно описаны примеры возможного использования этих методов для измерения множества различных физических параметров.

Рисунок — 6 Дифракция света на сплошном объекте Прежде чем анализировать свойства оптических решеток, необходимо изучить дифракцию. В явлении дифракции проявляются свойства света, существенно отличающиеся от тех, которые можно было бы ожидать на основании лучевой геометрической оптики. Самый простой пример дифракции можно наблюдать, изучая тень, отбрасываемую каким-либо предметом правильной четкой формы, таким как монета, при освещении квазимонохроматическим источником (рисунок 6). Геометрическая оптика предсказывает, что тень, отбрасываемая монетой, должна быть идеальным темным кругом с контуром, соответствующим периметру монеты. Такая тень видна, но если более внимательно изучить ее края, обнаружится, что они не так уж отчетливо очерчены. Скорее они состоят из множества чередующихся темных и светлых областей (полос). При дальнейшем рассмотрении обнаружится, что сама тень не однородно темная, а постепенно темнеет по мере приближения к центру. В целом дифракцию можно определить как воздействие препятствий на проходящее излучение.

Существует два вида дифракции — дифракция Фраунгофера и дифракция Френеля. Дифракцию Френеля называют дифракцией ближнего поля, а дифракцию Фраунгофера проявлениями дальнего поля. Во втором случае предполагается параллельный коллимированный пучок света, а первый — не содержит такого ограничения. Таким образом, дифракция Фраунгофера — это частный случай дифракции Френеля, но, поскольку ее намного проще описать аналитически, мы будем ее рассматривать для демонстрации определенных характерных проявлений дифракции.

Самый простой для изучения случай — это дифракция на одной щели. В этом случае свет проходит через узкую щель и проецируется на экран. Наблюдается центральный максимум I0 — В других областях экрана происходит интерференция между светом, дифрагированным верхним и нижним краями щели. Все пары лучей света, проходящие через фрагменты щели на расстоянии а/2 один от другого, будут иметь одинаковую разность дальностей распространения b. При этом, в частности, ослабляющая интерференция возникнет при b, равном целому числу, умноженному на л/2. Однако, поскольку sin и — b/(a/2), получаем

asinи = mл (4.1)

где т — целое, с абсолютной величиной, равной или большей 1. Уравнение (4.1) — это уравнение для минимумов дифракции Фраунгофера на одной щели. Изучение этого уравнения позволяет обнаружить два существенных момента. Во-первых, при уменьшении, а (сужении щели) минимумы появляются при большем значении в. Во-вторых, при постоянном значении ширины щели, а в увеличивается вместе с длиной волны (т. е. красный свет преломляется сильнее, чем синий). Это противоположно тому, что происходит при преломлении, когда это явление обусловлено общим уменьшением показателя преломления в оптических материалах при уменьшении длины волны (хроматическая дисперсия).

Разрешающая способность оптических систем часто ограничена дифракцией. Примером этого может служить проблема, возникающая при попытке с помощью телескопа разделить изображения двух отдельных звезд, расположенных в непосредственной близости. Дифракционные картины света двух звезд, создающиеся в телескопе, перекрывают одна другую. Если центральные максимумы расположены достаточно близко, они выглядят, как один. Если максимум, созданный светом одной звезды, совпадает с первым минимумом, созданным светом другой, — достигнуто предельное разрешение. Если картины раздвигать дальше, то разрешение между двумя звездами будет более отчетливо. Условие предельного разрешения называется критерием Рэлея. Для данной линзы критерий Рэлея позволяет вычислить минимальный угол разрешения. Если линза имеет диаметр D и полностью освещена светом с длиной волны А, то минимальный угол разрешения иmin=1,22л/D (4.2)

С практической точки зрения наиболее полезное устройство, основанное на дифракции, это дифракционная решетка (рис 7). В этом случае решетка пропускает свет через совокупность щелей шириной, а каждая, отстоящих на расстояние s одна от другой. Это расстояние называется периодом решетки. Простой анализ для света, падающего на решетку перпендикулярно, позволяет получить уравнение решетки s

sinи=mл (4.3)

определяющее положение максимумов для света с длиной волны л. Более строгий анализ, принимающий во внимание количество щелей N и ширину щелей, позволяет получить угловое распределение оптической мощности I (и), падающей на экран. В этом случае нормализованное распределение оптической мощности задается формулой

I (и)=sin2A1sin2NA2/A21sin2A2 (4.4)

где А1 и А2 определены как

A1=рa sinи/л A2=рs sinи/л (4.5)

Падающий свет Рисунок — 7 Дифракция на множестве щелей Величина А1 представляет влияние дифракции на одной щели, А2 — интерференцию от множества щелей. Изучение уравнения (4.4) показывает, что положение главных максимумов решетки связано с квадратом количества щелей. Следовательно, увеличение количества щелей приводит к усилению центральных максимумов различных порядков и подавлению вторичных эффектов дифракции между ними.

Наконец, две другие характеристики решетки, представляющие интерес, это угловая дисперсия и разрешающая способность. Угловую дисперсию можно вычислить непосредственно из основного уравнения решетки (4.3), если взять производную от обеих частей, полагая s и m постоянными. Получится

dи/dл=m/s cosи (4.6) Можно видеть, что изменение угла при изменении длины волны увеличивается при увеличении порядка. Более сложный анализ требуется для определения разрешающей способности или наименьшего отличия длины волны? л, которое может быть обнаружено при данной длине волны л и порядке т решеткой с N

5. Многомодовые датчики поляризации

волоконный оптический датчик поляризация

5.1 Феноменологическое описание поляризации и запаздывания

Одним из наиболее важных свойств светового луча является тип его поляризации[1,3,4]. Разрешенными видами поляризации являются линейная, эллиптическая или круговая. Любое электромагнитное излучение можно представить как совокупность составляющих, каждая из которых обладает определенным состоянием линейной поляризации. На рисунке 8 представлен «мгновенный снимок» электрического поля с одной из основных плоских волновых компонент светового луча. Направление поляризации определяется как направление электрического поля, связанного с компонентой, которое перпендикулярно направлению распространения. Результатом усреднения по времени большого числа компонент, поля которых накладываются друг на друга, в дополнение к разрешенным видам поляризации, могут проявиться неполяризованные или частично поляризованные.

Энергия, переносимая плоской волной, напрямую связана с квадратом электрического поля, связанного с волной. Это можно показать, вычисляя вектор Умова — Пойнтинга, определяющий энергию, переносимую волной.

Распространяющаяся электромагнитная волна Электрическое поле

Направление распространения Рисунок — 8 «Мгновенный снимок» распространяющейся электромагнитной волны

Теперь для определения энергии волны может быть использован вектор Умова — Пойнтинга Р =½ EхH Если вектор Е направлен по оси х, а Н — по оси у, вектор Умова — Пойнтинга равен

P =^ExH = z (е/4м)½E20 (5.1)

поскольку для случая плоской волны Н=(е/4м)½E, где е — диэлектрическая постоянная и м — магнитная постоянная среды. Для анализа рассмотрим такие псевдоэлектрические поля, связанные с лучами света, абсолютная величина которых в квадрате равна интенсивности луча. Эти псевдополя равны реальным полям с точностью до коэффициента пропорциональности

e=(е/4м)¼E (5.2)

так что

I = e. e*=(е/4м)½E20 (5.3)

где I — энергия на единицу площади светового пучка.

Для того чтобы описать различные состояния поляризации, возможные для луча света, рассмотрим две линейно поляризованные плоские волновые компоненты, каждая из которых распространяется в направлении z. Векторы амплитуд их электрических полей направлены соответственно вдоль осей х и у. Соответствующие псевдополя можно представить в виде

E1=xaxe-i (щt-kz+дx) (5.5)

где дХ и дУ представляют соответствующую фазу каждой из волн по отношению к некоторой опорной точке на оси z. Уравнения (5.5) можно переписать в виде

e1=xAxei (0), e2=yAyeiд (5.6)

Комплексные пространственные и временные изменения полей теперь включены в Аx и Аy, и опорная точка на оси z смещена так, что дx=0 и дy=д. Теперь можно сказать, что величина e1 запаздывает на д относительно Возможные состояния поляризации теперь можно построить, рассматривая сумму векторов e1 и е2:

ETxAx+yAyeiд (5.7)

Если Аx = Аy = А и д = 0, то

ET (д=0)=A (x+y) (5.8)

Здесь луч поляризован в направлении р/4, когда наблюдатель, стоя лицом к оптическому источнику, видит луч. Если д=р, тогда

eT=(д=р)=A (x-y) (5.9)

т.е. свет поляризован в направлении — р/4.

Если выполнить «мгновенный снимок» электрического поля (t = 0), можно увидеть, что поля в уравнениях (5.8) и (5.9) изменяются в зависимости от положения на оси z, как компонента cos kz, входящая в А. Если, с другой стороны, выбрана определенная точка на оси z, изменения в этой точке будут пропорциональны cosщt. Оба этих случая представляют собой линейную поляризацию.

Теперь рассмотрим случай д=2р/2, или четвертьволновое запаздывание. В этом случае сумма векторов ет становится равной

ET=a (x cos (щt-kz)-ysin (щt-kz)) (5.10)

При t = 0 вектор поля остается постоянным по величине, но вращается вокруг оси z при изменении положения z. Аналогично, при z = 0 полученный вектор вращается вокруг оси z с течением времени. Этот тип поляризации называется круговой поляризацией, поскольку конец вектора поля описывает окружность. Величина запаздывания р/2 создает левую круговую поляризацию; т. е. для наблюдателя, смотрящего прямо на источник, вектор поля вращается влево, против часовой стрелки. При д=-р/2 вектор поля вращается по часовой стрелке, что определяет правую круговую поляризацию.

Для величин д, не равных mр/2, где m — целое, конец вектора электрического поля описывает эллипс, и, следовательно, этот тип поляризации называется эллиптической поляризацией. Она может быть левой или правой эллиптической, как и в случае круговой поляризации.

Обобщенное выражение для суммарного поля с произвольным запаздыванием определяется как

eT=a (xe-i (щt-kz)-ye-i (щt-kz+д)) (5.11)

Это тем не менее весьма редкий случай для измеряемого вектора поля. Обычно измеряется оптическая мощность, переносимая при конкретной поляризации. Чтобы вычислить получаемую оптическую мощность как функцию оси пропускания поляризатора (угол и относительно оси х), следует вычислить квадрат скалярного произведения единичного вектора в направлении и и вектора поля

I=¦(x cosи+y sinи) eT¦2 (5.12)

Объединяя уравнения получаем

I=a2(1+ sin2и cosд) (5.13)

Графики оптической энергии прошедшего излучения I, при различных ориентациях оси пропускания поляризатора и запаздываниях приведены на рисунке 9, причем угол полярных координат соответствует в и полярный радиус соответствует I.

Рисунок -9 Интенсивность света в зависимости от угла для нескольких различных состояний поляризации

6. Волоконно-оптические датчики на основе интерферометра Саньяка и пассивного кольцевого резонатора

Интерферометры Саньяка и пассивные кольцевые резонаторы можно использовать для определения широкого диапазона параметров окружающей среды[4−7]. Волоконно-оптические гироскопы, построенные на этих принципах, открывают широкую перспективу для всех твердотельных компактных инерциальных измерительных устройств в навигационных приложениях, о которых несколько лет назад можно было только мечтать. Применение подобных датчиков выходит за пределы измерения вращения; их уникальные преимущества открывают перспективу широкого использования в измерениях акустических, магнитного поля, температурных, ускорения и механических напряжений. Эти устройства могут также найти применение в исследовании характеристик источников света и оптических волокон.

6.1 Краткий обзор оптических датчиков вращения и эффекта Саньяка

Оптические датчики вращения стали причиной существенного прогресса, заменяя общепринятые механические датчики вращения, основанные на принципе инерции вращающихся масс. В инерциальных системах наведения традиционно используются два основных класса существующих датчиков вращения: (1) скоростной прецессионный гироскоп, скорость вращения которого пропорциональна выходному сигналу (напряжению или частоте); и (2) скоростной интегрирующий гироскоп, выход которого определяется углом поворота. Качество датчика вращения определяется несколькими параметрами, перечисленными в таблице 3. К наиболее важным параметрам смещения относятся постоянное смещение, дрейф смещения и чувствительность, или порог. Постоянное смещение определяется как выходной сигнал датчика вращения при нулевой скорости на входе. Если этот параметр смещения в действительности постоянен, постоянное смещение для датчика вращения можно откалибровать без снижения производительности прибора. Более серьезную систематическую ошибку вносит дрейф смещения. В этом случае выходной сигнал датчика вращения случайным образом изменяется со временем. Подобные проявления часто связаны с параметрами внешней среды, такими как температура и давление, но могут также быть обусловлены старением или другими изменениями в самом датчике вращения.

6.2 Основные характеристики датчика вращения

Таблица-3 Определение характеристик

Чувствительность, или порог, — это еще одна составляющая смещения. Она измеряется как минимальная скорость вращения для данного времени интегрирования. Отметим, что чем больше время интегрирования, тем выше чувствительность. Здесь важен компромиссный подход, поскольку допустимое время интегрирования сильно зависит от приложения. Например, для транспортного самолета, выполняющего медленные повороты, может быть приемлема полоса пропускания шириной 1 Гц или время интегрирования 1 с, в то время как в другом приложении для быстро колеблющейся платформы может потребоваться полоса пропускания шириной 100 Гц или время интегрирования 0,01 с. Значимость ошибки масштабного коэффициента опять же зависит от приложения. Если в приложении предусмотрены только очень медленные повороты, требования к масштабному коэффициенту могут быть более мягкими, чем в приложении с быстрыми поворотами, при прочих равных условиях. Как правило, эти ошибки приводят к неидеальной линейности и гистерезису.

Другие факторы также могут иметь критическое значение для пользователей. К ним относятся характеристики спектрального шума. В идеале датчик вращения не должен иметь шумовых выбросов на какой-либо определенной частоте. Это особенно важно при разработке систем управления. Многие механические датчики вращения имеют высокий уровень шума на характерных частотах, обусловленные их механическим движением. Динамический диапазон — это разница между максимальной и минимальной скоростями, которые могут быть измерены. Время включения критично при многих полетах, которые могут завершиться прежде, чем включится датчик вращения. Такая проблема часто возникает в связи с механическими гироскопами, которым требуется некоторое время, чтобы «раскрутиться». Требуемые значения всех этих параметров определяются пользователем системы, решающим, какие именно величины параметров необходимы для конкретных приложений. Три характеристики являются ключевыми — стоимость, размер и срок службы. От всех трех зависит, реализуемо ли конкретное приложение. Срок службы часто определяют как срок хранения, когда устройство просто хранится и не функционирует, плюс эксплуатационный ресурс.

Все оптические датчики вращения, разработанные в настоящее время для систем наведения и управления, основаны на эффекте Саньяка, применяемом для измерения скорости вращения. Если кольцо вращается со скоростью Щ по направлению часовой стрелки и интервал времени для прохождения света по кольцу определяется как? t = L/c, где L — длина окружности кольца и с — скорость света в вакууме, тогда луч, распространяющийся по часовой стрелке, проходит световой путь длиной 2рR + ЩR? t, а луч, распространяющийся против часовой стрелки, проходит путь 2рR — ЩR? t. Полная разность между оптическими путями распространяющихся навстречу один другому лучей света, обусловленная вращением, равна 2ЩRL/c. Чтобы сконструировать эффективный оптический датчик вращения, основанный на эффекте Саньяка, следует понять, что для получения высокой точности необходимо не только точно измерить разность световых путей, обусловленную вращением, но в тоже время гарантировать, что вращение — это единственный внешний параметр, влияющий на измерения. При построении оптических датчиков вращения используются три основных метода: (1) оптические резонаторы, (2) интерферометры с разомкнутой петлей обратной связи и (3) интерферометры с замкнутой петлей обратной связи. В нескольких следующих абзацах в общих чертах рассматриваются некоторые характеристики этих подходов.

Основной принцип действия оптического резонатора заключается в том, что для достижения рабочего состояния резонанса необходимо, чтобы в длину оптического контура укладывалось целое число длин волн. Это определяет, что в направлении часовой стрелки

Fccw?t=2рR+ЩR?t/л (6.1)

и в направлении против часовой стрелки

Fccw?t=2рR-ЩR?t/л (6.2)

где л — длина волны светового пучка. Сложение (6.1) и (6.2) приводит к соотношению

F=Fcw-Fccw=2R/лЩ (6.3)

Это уравнение является характеристическим уравнением кольцевого лазерного гироскопа и пассивного оптического кольцевого резонатора. В результате интегрирования частоты выходной сигнал получается как количество полос на угол поворота, что типично для интегрирующего гироскопа.

Для волоконно-оптических интерферометров, функционирующих на основе петли с разомкнутой обратной связью, разность длин путей, поделенная на рабочую длину волны, определяет количество полос, возникающих из-за обусловленной вращением разности фаз между распространяющимися в противоположных направлениях пучками света,

ZЩ=2RL/лcЩ (6.4)

Этот подход применим для широкого диапазона приложений, которым достаточно ограниченных динамического диапазона и точности масштабного коэффициента, таких как наведение и сопровождение, стабилизация, робототехника и построение гирокомпасов. Ограниченный динамический диапазон обусловлен потерями чувствительности при проходе по полосе. Разработано несколько методов, основанных на обработке выходного сигнала волоконно-оптических гироскопов с разомкнутой петлей обратной связи, позволяющих улучшить характеристики динамического диапазона и масштабного коэффициента.

Волоконно-оптические интерферометрические датчики вращения могут быть сконструированы с рабочими характеристиками, аналогичными характеристикам интегрирующего гироскопа, при использовании приема обнуления фазы. В этом случае вызванный вращением сдвиг фазы обнуляется соответствующим искусственно введенным уравновешивающим сдвигом фазы. Один из способов достичь этого — использовать вызванный частотой фазовый сдвиг. В этом случае один из лучей, например, распространяющийся по часовой стрелке, сдвигается по частоте перед вводом в волоконную петлю, в то время как другой луч сдвигается по частоте после выхода из волоконной петли. Результирующее смещение полосы, обусловленное разностью частот F, равно

ZF=FLn/c (6.5)

где n— показатель преломления волокна. Если обусловленный вращением фазовый сдвиг установлен равным обусловленному частотой фазовому сдвигу, то выходной сигнал устройства равен

Z=2R/лnЩ (6.6)

7. Применение волоконно-оптических датчиков