РАЗДЕЛ 2
ТЕОРИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПО ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ КАНАЛАМ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Основными элементами волоконно-оптического датчика являются оптическое волокно, светоизлучающие и светоприемные устройства, чувствительный элемент. Необходимы также специальные линии для связи между этими элементами или для формирования измерительной системы с волоконно-оптическим датчиком (ВОД) - волоконно-оптические системы (ВОС). Для внедрения волоконно-оптических датчиков в производство необходимы элементы системной техники, которые в совокупности с вышеуказанными элементами и линией связи образуют измерительную систему.
Важным моментом в развитии оптоэлектроники явилась разработка в 1970 г. американской фирмой "Корнинг" кварцевого волокна с малым затуханием (20 дБ/км), что послужило стимулом для увеличения темпов исследований и разработок волоконно-оптических датчиков и измерительных систем на их основе. В настоящее время ВОС применяют во многих областях техники. При разработке ВОД используют почти все направления оптики, включая спектроскопию, интерферометрию, мультиплексирование и флуоресценцию. Выгодность применения ВОД можно проследить по темпам развития их продаж. Если в 1994 году, по оценкам Японской Ассоциации Развития Оптоэлектронной Промышленности и Технологии, общая сумма продаж ВОД составила 920 млн. долларов, то к 2010 году, по оценке, сделанной специалистами Мэрилендского университета, объёмы продаж возрастут до 5 биллионов долларов.
Согласно исследованиям, проведенным Японскими и Северо-Американскими оптическими корпорациями, ВОД подразделяются на следующие основные типы: температуры, давления, нагрузки, химические, биомедицинские, электрические и магнитные, вращения, вибрации, перемещений и потока. Многие из них были разработаны в закрытых военных организациях в течение последних лет. Эти военные датчики, несмотря на то, что чрезвычайно эффективны, а часто и остроумно устроены, не нашли, кроме нескольких исключений, широкого применения. К таким исключениям относятся датчики для нефтехимической отрасли, датчики для мониторинга зданий, транспорта и биомедицины [22]. К большому сожалению, как производство самых современных ВОД, так и их использование в настоящее время сосредоточено в зарубежных странах. Поэтому одной из целей настоящей работы является разработка и внедрение волоконно-оптических датчиков и систем измерений на их основе в горнодобывающую промышленность Украины.
2.1. Физические основы оптики световодов
Рассмотрим физические основы передачи электромагнитной энергии по световодам, характеристики оптических волокон, их конструктивные особенности и типы с целью использования этих данных для дальнейшего анализа и проектирования волоконно-оптических датчиков и измерительных схем на их основе.
Современный световод (рис. 2.1) представляет собой, как правило, круглое волокно из оптического стекла, по которому распространяется свет, в коаксиальной оболочке из стекла, коэффициент преломления которого n1 меньше, чем коэффициент преломления сердцевины n2. Для защиты от механических повреждений и проникновения влаги, а также усиления конструкции волоконного световода поверхность оболочки окружают пластмассовым покрытием.
Рис. 2.1. Конструкция волоконного световода:
1 - сердцевина,
2 - оболочка,
3 - защитное покрытие
Световое излучение, введенное в сердечник с торца волокна, распространяется по нему благодаря многократным полным внутренним отражениям световых лучей.
Затухание света в волокне очень мало (рис. 2.2.) и, поэтому волоконные световоды активно используются для передачи оптических сигналов на большие расстояния и в широкой полосе частот.
Рис. 2.2. Зависимость затухания светового излучения от длины волны
Волоконные световоды делятся на две группы: многомодовые и одномодовые. Многомодовые волоконные световоды в свою очередь подразделяются на ступенчатые и градиентные.
Отличаются они распределением показателя преломления по сечению световода: у ступенчатых - показатель преломления сердцевины постоянен с резким переходом к показателю преломления оболочки на границе их раздела (рис. 2.3.(1)); у градиентных - непрерывное плавное уменьшение показателя преломления в сердцевине по радиусу световода от центра к периферии (рис.2.3.(2)). Существуют и другие профили показателя преломления сердцевины световодов (см. рис.2.3.(4)), применяемых для решения специальных задач.
Диаметр сердцевины определяет количество типов (мод) электромагнитных волн, распространяющихся по волоконному световоду. В одномодовых световодах диаметр сердцевины соизмерим с длиной волны и по ним передается лишь один тип волны. В многомодовых световодах диаметр сердцевины (50 мкм) больше, чем длина волны и по нему распространяется большое число волн.
Распределение показателя преломления по сечению сердцевины в общем случае можно описать зависимостью
(2.1)
где - максимальное значение показателя преломления на оси сердцевины, - расстояние от оси до рассматриваемой точки, - радиус сердцевины, - показатель степени ( для ступенчатого световода и - для световода, имеющего параболический профиль показателя преломления), относительная разность коэффициентов преломления
(2.2)
Рассмотрим распространение лучей в прямом круглом световоде постоянного сечения со ступенчатым распределением показателя преломления при падении их на перпендикулярный оптической оси торец волокна (рис.2.4). При определенных условиях на границе раздела сердцевины и оболочки возможно не только отражение оптического луча, но и проникновение его в оболочку.
Рис. 2.4. Распространение света в оптическом волокне
Для предотвращения перехода энергии в оболочку и излучения ее в окружающее пространство необходимо соблюдать условия полного внутреннего отражения. В общем виде (см. рис.2.4. луч 1) на границу раздел