|
|
|
ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА И ВОЛНОВОДЫНесмотря на то, что лучи света не могут заворачивать за угол преграды, при помощи волноводов их можно направить по сложной траектории. Для работы в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра волноводы, как правило, изготавливаются из стекла. А для средних и дальних ИК областей применяются волноводы в виде полых трубок с сильно отражающими внутренними поверхностями. При изменении полного внутреннего отражения оптоволокна интенсивность света также изменяется. Оптоволокна могут использоваться двумя способами. В первом случае (рис. 4.17А) для передачи сигнала возбуждения и для приема ответного оптического сигнала используется один и тот же световой канал. Во втором — функции возбуждения (освещения) и сбора информации сайтены, для чего применяются два или более независимых канала (рис. 4.17Б). В большинстве оптоволоконных сенсоров определяется интенсивность света, модулированная внешними сигналами [4]. На рис. 4.18 отображен датчик перемещений, в котором через оптоволоконный волновод передается свет в сторону отражающей поверхности. Свет проходит вдоль волокна и выходит в форме конуса, направленного к отражателю. Чем ближе отражающая поверхность расположена к концу волокна, тем больше фотонов света возвращается назад в детектор, что означает более высокую интенсивность отраженного излучения. Таким образом, по величине этой интенсивности можно судить о перемещении отражающего объекта.
Рис. 4.17. Оптические датчики: А-ный, В — двухволоконный.
Благодаря коническому профилю испускаемого света в ограниченном пространстве удается получить квазилинейную зависимость между интенсивностью возвращенного излучения и расстоянием между концом волокна и отражателем. На рис. 4.19А отображен датчик из гибных деформаций, состоящий из оптического волокна, зажатого между двумя деформирующими устройствами. Работа волноводов основана на принципе внутренних отражений, когда лучи света распространяются по зигзагообразному маршруту. Оптические волокна используются для переноса световой энергии в недоступные зоны без передачи тепла от источника света. Поверхности и концы волокон всегда тщательно отполированы, а их поперечное сечение может быть не только круглым. Иногда оптоволокна покрываются специальной оболочкой (плакировкой). Нагретые стеклянные волокна могут быть закручены по радиусу кривизны, в 20–50 раз превышающему диаметр поперечного сечения, а в холодном состоянии этот радиус увеличивается до 200–300 диаметров. Пластиковые волокна изготавливаются из полиметил метакрила-та, и их можно изгибать по гораздо меньшему радиусу, чем стеклянные волокна. Коэффициент затухания в типовых полимерных оптоволоконах диаметром 0.25 мм составляет порядка 0.5 дБ на метр длины. Свет распространяется по волокну за счет полного внутреннего отражения, как отображено на рис. 4.16Б. Из уравнения (4.23) рекомендуется, что угол полного внутреннего отражения определяется коэффициентом преломления среды п, в которую свет попадает из воздуха. В общем виде, при прохождении света через границу двух сред с коэффициентами преломления п и п] выражение (4.23) принимает вид: 
На рис. 4.16А отображен профиль коэффициента преломления
волокна с плакировкой. Для достижения полного внутреннего отражения на границе
слой плакировки должен иметь более низкий коэффициент преломления. к примеру,
кварцевое волокно со слоем плакировки может иметь следующее соотношение
коэффициентов преломления: у сердцевины и = 1.5, а у плакировки — 1.485. Для
защиты от внешних воздействий на такое волокно обычно наносится пластиковое или
резиновое покрытие. Такой тип волокна называется многослойным оптоволоконным
кабелем со ступенчатым профилем коэффициента преломления.
Рис. 4.16. Оптические волокна А — многослойное волокно со
ступенчатым профилем коэффициента преломления, Б — определение максимального
угла входа
При использовании оптоволоконных кабелей очень важно
определять максимальный угол входа света в волокно, поскольку этот параметр
влияет на полное внутреннее отражение (рис 4.16Б) Если минимальный угол
внутреннего отражения в0 = в}, максимальный угол в2 находится по закону Снелла
Объединив уравнения и найдем выражение для максимального
угла входа света в волокно относительно нормали к поверхности конца
оптоволокна, при котором обеспечивается полное внутреннее отражение в его
сердцевине
Лучи света, попадающие в волокно под крупными углами, чем
угол в,„,тах), проходят через защитное покрытие и теряются, что является весьма
нежелательным при передаче данных Однако специальные оптоволоконные датчики
используют модуляцию интенсивности света, вызванную изменениями угла входа
Иногда величина в называется цифровой апертурой оптоволокна
Снижение интенсивности света может происходить из-за изменения свойств волокна,
его изгибов и скруток, но при этом она никогда не падает до нуля резко, а
постепенно спускается до нулевого уровня по мере приближения к углу. На
практике цифровая апертура определяется в виде угла, при котором интенсивность
света
уменьшается на какую-то конкретную величину, к примеру, на
-10 дБ от максимального значения.
Одним из главных достоинств оптоволоконных сенсоров является
то, что им можно придать практически любую геометрическую форму, диктуемую
условиями применения. Оптоволокна широко применяются в миниатюрных оптических
датчиках, измеряющих давление, температуру, химическую концентрацию и т.д. Внешняя сила, приложенная к верхнему устройству, изменяет положение внутренней
отражающей поверхности волокна. Поэтому луч света, который в ненагруженном
состоянии отразился бы от нижней части волокна в направлении х, в нагруженном
состоянии поменяет свое направление, и выйдет через стенку волокна вдоль
линииу, поскольку угол его распространения стал меньше угла полного внутреннего
отражения в0 (см. уравнение (4.33). Чем больше внешняя сила, тем ближе
деформирующие устройства приближаются друг к другу и больше света уходит
наружу, что означает снижение интенсивности выходящего из волокна излучения.
Рис. 4.19. А — оптоволоконный датчик изгибных деформаций, Б — волновод для излучений дальнего ИК диапазона В спектральном диапазоне, в котором происходят значительные потери в оптоволокнах, в качестве световодов используются полые трубки (рис. Почти все такие датчики построены на модуляции одной или нескольких характеристик света в оптоволокне при изменении внешних воздействий с последующей оптической демодуляцией сигнала обычными методами. Внешние сигналы могут либо непосредственно влиять на волокно, либо воздействовать на компоненты, соединенные с его наружной поверхностью или его отполированными концами. Цель таких воздействий — получение оптически детектируемых сигналов. Для получения химического датчика к оптическому волокну может подсоединяться специальная ячейка с реагентом. Реагент вступает в реакцию с исследуемым веществом, в результате чего изменяются оптические свойства волокна, к примеру, происходит модуляция коэффициента преломления или коэффициента поглощения. Существует еще один способ построения химических сенсоров. Плакировка оптоволокна может быть изготовлена из химических веществ, коэффициент преломления которых меняется в присутствии некоторых жидкостей [3]. 4.19Б). Внутренняя поверхность трубок тщательно полируется и покрывается отражающим слоем металла. к примеру, для передачи теплового излучения трубка может изготавливаться из латуни и покрываться двумя слоями: из никеля — для выравнивания поверхности и из золота — толщиной 500–1000 А, обладающего отличными оптическими характеристиками. Полые волноводы способны изгибаться по радиусу, равному 20 и более диаметрам. Хотя почти вся волоконная оптика основана на явлении полного внутреннего отражения, трубчатые вол— новоды используют принцип отражения от внешних зеркальных поверхностей, то всегда меньше 100%. Поэтому потери в полых волноводах зависят от количества отражений: чем меньше диаметр и длиннее трубка, тем больше в ней потери. Полый волновод становится неэффективным, когда отношение его длины к диаметру становится больше 20. .
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
