Разработка и исследование микроминиатюрного сенсора на основе оптических волокон (часть диплома)

Эти картины сдвинуты одна относительно другой так, что результирующая картина окажется более или менее размытой и при значительной ширине источников практически перестанет наблюдаться.

Рисунок 34 — К выводу условия 2b sin

Влияние размеров источника на резкость интерференционной картины можно выразить количественно, исходя из общей интерференционной схемы, показанной рисунок 34, и используя соотношения между шириной источника 2b и апертурой интерференции 2(.

Пусть АВ — протяженный источник ширины 2b. Интерференционные максимумы, получаемые от точки S (середины источника) на удаленном экране, расположатся в точках S0 S1 S'1 и т. д., образуя полосы шириной В. Интерференционные максимумы от края источника (точка А, например) расположатся в точках А0, А1 А'1 смещенных на величину S0A0, зависящую от размеров источника и параметров схемы. Смещение это равно. Вводя те же обозначения, что и раньше, а именно,, найдем. Так как расстояние 2l может быть довольно значительным, то при вычислении ширины полосы В надо использовать формулу (54), а не (55). Хотя ширина полосы несколько меняется по мере удаления от центра картины, ибо несколько меняется d, однако это изменение невелико, и мы можем не принимать его в расчет. Итак, ширина полосы В =

КОГЕРЕНТНОСТЬ

Закон независимости световых пучков, упомянутый в, означает, что световые пучки, встречаясь, не воздействуют друг на друга. Это положение было ясно сформулировано Гюйгенсом, который писал в своем «Трактате»: «Одно из чудеснейших свойств света состоит в том, что, когда он приходит из разных и даже противоположных сторон, лучи его производят свое действие, проходя один сквозь другой без всякой помехи. Этим вызывается то, что несколько зрителей могут одновременно видеть через одно и то же отверстие различные предметы …». Сам Гюйгенс прибавляет, что этот вывод нетрудно понять с точки зрения волновых представлений. Он является следствием принципа суперпозиции (см. § 4), в силу которого световой вектор одной световой волны просто складывается с вектором другой волны, не испытывая никакого искажения. При wrote, однако, возникает следующий вопрос.

В силу принципа суперпозиции при сложении векторов отдельных волн может получиться волна" амплитуда которой равна, например, сумме амплитуд складывающихся волн. А так как интенсивность волны пропорциональна квадрату амплитуды, то интенсивность результирующей волны не будет, вообще говоря, равна сумме интенсивностей складывающихся волн, ибо квадрат суммы нескольких величин не равен сумме их квадратов. Обычный же опыт показывает, что освещенность, создаваемая двумя или несколькими световыми пучками, представляется простой суммой освещенностей, создаваемых отдельными пучками. Таким образом, обычные экспериментальные факты кажутся на первый взгляд противоречащими волновым представлениям.

Понятие о когерентности.

Интерференция колебаний

Для выяснения этой фундаментальной проблемы напомним сведения, относящиеся к сложению колебаний и волн.

При сложении двух гармонических колебаний одного периода фазы :

(56)

(57)

Если остается неизменным в течение времени наблюдения (, то

(58)

Следовательно,

т.е. (59)

Итак, при сложении двух колебаний одного периода надо различать два случая.

1. Разность фаз колебаний сохраняется неизменной за время, достаточное для наблюдений. Средняя энергия результирующего колебания отличается от суммы средних энергий исходных колебаний и может быть больше или меньше нее в зависимости от разности фаз. В этом случае колебания называются когерентными. Сложение колебаний, яри котором не имеет места суммирование интенсивностей, мы будем называть интерференцией колебаний.

2. Разность фаз колебаний беспорядочно меняется за время наблюдения. Средняя энергия результирующего колебания равна сумме средних энергий исходных колебаний. Колебания в этом случае называются некогерентными. При их сложении всегда наблюдаемся суммирование интенсивностей, т. Е. интерференция не имеет места.

Как указывалось выше, строго гармонические колебания одинаковой частоты всегда вполне когерентны между собой, ибо, поскольку они длятся, не обрываясь, имеющаяся у них разность фаз сохраняется без изменения сколь угодно долгое время. Поэтому при сложении таких гармонических колебаний всегда проявляется интерференция.

Пусть две когерентные волны исходят из источников S1 и S2 (рисунок 35); колебания в них направлены перпендикулярно к плоскости чертежа, и наблюдение производится в точке M. Допуская для простоты расчета, что в ней обе волны имеют одинаковые амплитуды, найдем, что колебания в М, вызываемые первой и второй волнами, выразятся в виде

(60)

Где Рисунок 35 — К расчету разности фаз волн, идущих от двух когерентных источников.

Складываясь в точке М, колебания дадут

(61)

Таким образом, колебание в точке М имеет амплитуду, равную и интенсивность, пропорциональную.

(62)

Для когерентных волн f постоянна, и следовательно, различие интенсивности света в разных точках зависит только от различия разностей расстояний d2, и d1. Благодаря этой разности расстояний, или, как принято говорить, ровности хода двух волн, колебания, вызванные этими волнами в точке их встречи, будут обладать разностью фаз даже в том случае, когда начальные фазы обеих волн были одинаковы. Разность фаз, возникшая вследствие разности хода волн, равна

(63)

Выразим разность хода через дайну волны, где m — любое число (целое или дробное). Соответствующая, разность фаз == 2(т. Если начальные фазы одинаковы то интенсивность двух интерферирующих волн с одинаковыми амплитудами запишется в виде

(64)

Целым значениям m соответствуют различие по фазе на 2пт и интенсивность, пропорциональная 4а2. При т полуцелом фазы складывающихся колебаний противоположны и интенсивность равна нулю. В общем случае т — дробное число. При неравных амплитудах интенсивность выражается соотношением Датчик-ответвитель Кобра.

Ответвитель кобра служит для направленного ответвления оптической мощности. В этом ответвителе происходит передача части энергии из одного волновода в другой, рассполодженный параллельно первому на малом расстоянии 2−3 мкм.

Обмен энергией между волноводами происходит через пространственные моды излучения. Если один из волноводов вводится мощность Р1 пропорциональная некоторой величинеЕ0(0)-2 то мощностьЕ1(L)-2 переданная в другой волновод соединителя, будет определяться ссотношением

Где — разность постоянных распространения; К — коэффициент передачи мощности, зависящий от ряда факторов, в том числе и от расстояния d между параллельно расположенными участками волноводов длинной l и следовательно влияет на коэффициент передачи оптической мощности из одного волновода (волоконного световода) в другой и определять давление Р по изменениюЕ1(L)-2, регистрируя интенсвность излучения, индуцированного во втором волноводе.

Для одномодового волокна с диаметром сердечника 5 мкм есть формула для расчта глубины модуляции в датчике-ответвителе где D0=d/a — отношение расстояния между сердечников волноводов к радиусу сердечника волокна на участке, где свет может передаваться из одного волокна световода в другой, очень близко расположенный к первому; n1- показатель прелоления сердечника n2 — показатель преломления среды между сердечниками;

Как видно из этой формулы, на чувствительность датчика влияет ряд физических эффектов, которые необходимо учитывать при конструкции рассмотренного устройства.

При составлении результатов расчетов, выполненных по веденной выше формуле, с экспериментальными данными было установлено что расчетное задание глубины модулями вычисленное и равное 89*10−15мк

Па, почти на 4 порядка ниже значения, найденного из опыта (7*10−11 мк

Па) я предположил что такое расхождение объясняется неполнотой учета различных физических эффектов при определении коэффициента Cd

В датчиках могут применяться не только одномодовые и многомодовы волокна. Порог чувствительности датчика, построенного на многомодовом волокне, конечно выше чем датчик построенный на одномодовом волокне, однако вполне достаточен для того для того, чтобы эти датчики могли применяться при решении ряда задач. На практике можно изготавливать датчики с показателем отклика 50 дБ на 1 мк

Па

Рисунок 36

Датчик с колеблющимся волоконным световодом.

В гидрофоне с колеблющимся волоконным световодом (рисунок 36) используется два волокна, закрепленных таким образом, что поверхности их торцов параллельны, а волокна расположены соосно и разделены зазором 2−3 мкм. Один из концов сопрягаемых волокон закрепляется неподвижно, а другой может колебаться с некоторой амплитудой под действием проникающих в датчиках акустических волн.

Одна из трудностей изготовления разъемных соединений с малыми потерями для стыковки волоконных световодов заключается в обеспеении максимальной соосности сопрягаемых волокон. Смещение оси волокон в соединителе приводит к резкому увеличению потерь. Так, сдвиг на 1−2 мкм оси одного волокна или на десятые доли микрон для одномодового волокна или на десятые доли микрон для одномодового волокна приводит к возрастанию потерь в соединителях на десятые доли децибела.

Это обстоятельство играет отрицательную роль при формировании соеднений с малыми потерями в волоконных свеоводных системах связи, однако представляет интерес для создания световодных гидрофонов.

Акустические волны вызывают смещение колеблющегося конца волоконного световода относительно конца второго (закрепленного) световода. Таким образом осуществляется амплитудная модуляция излучения, проходящего по волокну. Если прнять упрощенную геометрическую модель и полагать, что в середине волокна световая энергия распространяется ровномерно и движение незакрепленного конца распространяется ровномерно и движение незакрепленного конца волоконного световода следует акустическим колебаниям Где cos (=d/2a; d — смещение незакрепленного конца оси волокна в статических условиях; а — радиус сердечника волокна (- угловая звуковая частота (рс) — акустический импеданс.

Порог чувствительности датчика с колеблющимся волоконным световодом, как показали опыты, получился сравнительно низким 80 дБ на 1 мк

Па, но из-за необходимости использовать в нем одномодовое волокно и трудности его юстировки при сборке.

Практическая часть датчика с колеблющимся волоконным световодом.

Диаметр оптического полимерного волокна — 75 — 90 мкм Зазор между концами оптических волокон — 2 — 3 мкм Длина незакрепленной части волоконного световода — 40 мм Звуковая частота от 1 Гц — 1000

Гц Для уменьшения потерь на переходе световой волны из одного волоконного световода в другой пришлось оплавить рабочие поверхности волоконного световода для получения так называемых линзочек, на краях волоконных световодов. Это дает возможность уменьшения потерь на переходе двух волокон.

Внешний вид волоконных световодов стандартный и оплавленный.

Стандартный и пятно рассеяния 20 мм Оплавленный и пятно рассеяния 5 мм Рисунок 37 ;

Рисунок 38 — Конструкция построения прибора.

Графики чувствительности датчика с колеблющимся волоконным световодом.

Рисунок 39 — Графики чувствительности датчика с колеблющимся волоконным световодом.

Датчик с зеркальным покрытием.

Рсунок 40 — Схема построения датчика с зеркальным покрытием

В этом приборе также используется два волоконных световода, только в данном случае оба волокна закреплены в одну оправу и оплавлены края у обоих волоконных световодов. В этом приборе я приклеил отражательную пленку диметром 5 мм на волоконный световод диаметром 75мкм для увеличения чувствительности прибора и создал небольшой изгиб пленки также для увеличения чувствительности, т.к. за сет изгиба, при отклонеии отражающей пленки угол отражения будет гораздо больше чем с прямым зеркалом.

Трудности возникают при установке зеркальной пленки на волоконный световод и точность установки отражения световой волн в приемную часть волоконного световода.

Рисунок 41 — Внешний построения датчика с колеблющимся волоконным световодом.

Рисунок 42 — Графики для датчика с зеркальным покрытием Датчик с полным внутреннем отражении.

Датчик с полным внутреннем отражении состоит из разделенных зазором в 1−2мкм двух волоконных световодов, торцы которых срезаны наискось и расположенных друг против друга, как показано на рисунке 43

Рисунок 43 — Датчик с полным внутреннем отражении

Угол среза торцов должен быть несколько больше угла (А полного внутреннего отражения которое может испытывать свет, падающий на поверхность торца изнутри световода. В корпусе прибора конец одного из световодов помещается во втулке жестко закрепленной в приборе, а второго световода — во втулке на пружинящем основании соединенным стальным плунжером. Внешнее давление на диафрагму вызывает его колебание, в результате чего один из торцов световодов смещается относительно другого.

Таким образом происходит угловое рассогласие плоскостей торцов, а самое главное — изменение ширины зазора между торцами.

При применении в приборе многомодового оптического волокна с диаметром около 90 мкм и очень узкого зазора взаимное смещение торцов обеспечивает ампилитудную модуляцию проходящего через прибор света. Чувствительность прибора оказалась очень высокой — минимальное регистрируемое смещение одно волокна относительно другого составляло

5*10−8 мм Рисунок 44 — Графики датчика с полным внутреннем отражении Описание практической работы над акустическим датчиком на основе волоконной оптики.

Было проведено испытание датчика акустических сигналов на двух полимерных оптических волокнах. На входы двух полимерных волокон был подал лазерный луч. На выходе двух полимерных волокон интерференционной картины не наблюдалось, даже при плавном изменении длинны одного волокна, т.к. интерференция может появиться только в случае разности хода световой волны.

Следующий тест по проверке на наличие когерентности в лазерном излучении.

Я взял первое, что под руку попалось, это медная фольга, сделал в ней два отверстия на расстоянии друг от друга 0.3 мм диаметром 0.

4. В общем получилась такая диафрагма, через которую пропустил лазерный луч. Интерференция наблюдалась. Далее я поставил на пути лазерного излучения полимерное волокно и на выходе полимерного волокна поставил диафрагму с двумя отверстиями. Уже интерференция не наблюдается.

Испытание показало, что интерференцию не возможно было получить на полимерных оптических волокнах. Как мы знаем, чтобы получить интерференцию лазерного излучения нужно иметь когерентное излучение. Причина оказалась в том, что полимерные оптические волокна имеют многомодовый состав из-за чего нарушается когерентность лазерного излучения.

На выходе оптического волокна вышло лазерное излучение больше напоминающее красное пятно, не более.

После не долгого раздумья я решил поставить волокно уже не многомодовое, а одномодовое, чтобы сохранить когерентность лазерного излучения. На момент испытания нашлось оптическое одномодовое волокно уже заваренное в крепежи. Испытания прошли успешно на одномодовых волокнах, интерференция наблюдалась, что значило, когерентность лазерного излучения сохранилась пройдя оптическое волокно. Поскольку оптическое одномодовое волокно уже было заварено в оправы дальнейшее ее установка и использование были невозможными. Далее нашлось еще два оптических одномодовых уже без оправ, на сторонах у волокна были разрывы, но не обработаны по краям. Необработанное волокно также не годится для использовании его в приборе. Устройства для обработки также не нашлось, т.к. оборудование сильно устарело, и нужным образом не может обработать волокно.

Так как не оказалось нужного оборудования для продолжения дипломной работы, мне пришлось акустический датчик работающий на интерференции лазерного излучения, изменить его способ регистрации акустического сигнала. Из интерференционного датчика пришлось изменить на амплитудный датчик акустических сигналов. Поскольку датчик будет амплитудной регистрации, я вернулся к тем же полимерным волокнам. Пропустив лазерное излучение через полимерные волокна и поставив приемник на выходе волокон, непосредственно приемник соединив с осциллографом.

Теперь датчик заработал, и чувствительность пока желает лучшего, т.к. оптические волокна хоть и работают должным образом, но диаметры оптических волокон достаточно большие, что понижает чувствительность датчика

Стафеев С. К. Основы оптики. — Санкт-Петербург, 2006 г, стр.

Стафеев С. К. Основы оптики. — Санкт-Петербург, 2006 г, стр.

Стафеев С. К. Основы оптики. — Санкт-Петербург, 2006 г, стр.

Шепелев А. В. Оптика. — Едиториал УРСС, 2000 г, стр 35.

Нагибина И. М, Москалев В. А., Полушкина Н. А., Рудин В. Л. Прикладная физическая оптика. -М: Высшая школа, 2002, стр 367

Саржевский А. М. Оптика. Полный курс. — Едиториал УРСС, 2004, стр 278.

Саржевский А. М. Оптика. Полный курс. — Едиториал УРСС, 2004, стр 356.

Саржевский А. М. Оптика. Полный курс. — Едиториал УРСС, 2004, стр 427.

Стафеев С. К. Основы оптики. — Санкт-Петербург, 2006 г, стр.

348.