Введение к работе
Актуальность. Последние десятилетия ознаменовались бурным развитием оптоэлектрониш и техники связи, обусловленные прежде всего успехами в создании стекловолоконных световодов высокого качества. Успешно функционируют разнообразные волоконно-оптические линии связи, обеспечивающие надежную передачу громадных потоков информации.
Вместе с тем в результате многочисленных исследований была обнаружена чувствительность характеристик волокон к внешним воздействиям, таким, как температура, давление, механические напряжения, химические свойства окружающей среды и т.д. На основе этого сформировалась новая область науки и техники - волоконно оптические датчики (ВОД) физических величин [1 - 5]. В этой области существует сегодня много направлений, среди которых один из перспективных является направление дистанционных интерферометрических ВОД [6 - 8] позволяющее наиболее полно реализовать высокие параметры фазовых ВОД в практических устройствах. Основная задача, решаемая в таких устройствах, - достижение максимальной развязки чувствительного элемента с подводящим и отводящим волоконными световодами при сохранении высокой чувствительности ВОД. В основном этот вид датчиков находится в стадии лабораторных исследований, что объясняется недостаточной изученностью физических процессов в более сложных, по сравнению с обычными ВОД, оптических схемах. Остаются неясными вопросы: Эффективного способа создания модуляционного сигнала, влияние спектральных характеристик оптического источника на выходные сигналы разбалансированных интерферометров, особенностей таких ВОД при использовании разных видов интерференции (многолучевой, межмодовой, поляризационной), возможностей применения световодов различных видов (анизотропных, многомодовых), выбора оптимального режима работы ВОД, в том числе способа регистрации сигналов.
Выяснение поставленных вопросов в данной работе позволяет дать практические рекомендации для создания дистанционных волоконно-оптических датчиков (ДВОД), что делает ее весьма актуальной.
Целью диссертационной работы является анализ физических процессов в волоконно-оптческих дистанционных интерферометрических схемах и создание экспериментальных макетов удаленных ВОД.
Основные задачи, вытекающие из цели работы :
-
Теоретическое и экспериментальное исследование физических процессов в оптических схемах с удаленными волоконными интерферометрами;
-
Разработка физико-математических моделей дистанционных волоконных интерферометров необходимых для расчета их основных характеристик;
3. Выработка рекомендаций для оптимального построения удаленных фазовых
ВОД физических величин.
Научная новизна результатов диссертационной работы
-
Теоретически и экспериментально изучены процессы в дистанционных волоконных интерферометрических схемах в условиях создания фазовой модуляции на подводящем световоде. Рассмотрены схемы с интерферометром Фабри-Перо, межмодовым интерферометром, поляризационным интерферометром;
-
Исследовано влияние спектральных характеристик оптического источника на выходные сигналы дистанционных интерферометрических схем. Выработаны рекомендации по оптимизации их параметров;
-
Реализованы макеты удаленных фазовых ВОД на разных типах интерферометров, изучены их основные характеристики, показаны пути улучшения их параметров;
-
Показано, что для селекции физических воздействий на чувствительный элемент датчика целесообразно применять разные виды интерференции:
- для изотропных воздействий оптимальном является интерферометр, типа Фабри-Перо,
для регистрации изгибов наиболее подходящим является межмодовый интерферометр,
для поперечных сдавливающих воздействии оптимальном является интерферометр с поляризационными модами.
Практическая ценность работы состоит в непосредственной применимости ее результатов для создания дистанционных волоконно-оптических датчиков физических величин. Разработаны, созданы и исследованы макеты удаленных датчиков температуры, микроперемещений, давления.
Результаты теоретического анализа применимы для инженерных оценок параметров волоконных устройств.
з Научные положения, выносимые на защиту
-
Для создания пассивных дистанционных интерферометрических датчиков необходимо использовать виды интерференции, имеющие разность хода лучей достаточную для обеспечения их фазовой модуляции с помощью внешнего устройства;
-
Наиболее эффективным способом создания гармонической фазовой модуляции в удаленном интерферометре является модуляция фазы в подводящем световоде с помощью волоконно-оптического модулятора;
-
Существенное влияние на работу дистанционных интерферометров оказывает пространственно-временная характеристика, когерентные свойства излучения прошедшего подводящий световод. Для оптимизации параметров выходных сигналов ВОД необходимо выбирать определенные соотношения длины чувствительного интерферометра и резонатора оптического источника с учетом количества распространенных мод;
-
Для разделения физических воздействий, необходимо подбирать вид интерференции позволяющий получить наибольшую чувствительность к измеренным физическим параметрам.(изотропное воздействие - интерференция с большой разностью хода; изгибы - межмодовая интерференция; поперечное давление - поляризационный интерферометр).
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
. 49-я НТК профессорско-преподавательского состава научных сотрудников и аспирантов 22-26 янв. // СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч - Бруевича. - СПб, 1996 г.
. Научно-техническая конференция студентов и аспирантов (в рамках 25 - й недели науки СПбГТУ ). Санкт-Петербург, 1996г.
. 50-я НТК профессорско-преподавательского состава научных сотрудников и аспирантов 20-24 янв. // СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч - Бруевича. - СПб, 1997 г. . 51-ая НТК студентов и аспирантов 19-23 мая. // СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч - Бруевича. - СПб, 1997 г.
. INTERNATIONAL WORKSHOP ON NEW APPROACHES TO HI - TECH MATERIALS 97. Nondestructive Testing and computer simulations in materials Science and Engineering. NDTCS - 97. 9 -13 June 1997, St. Petersburg, RUSSIA.
По материалам диссертационной работы опубликовано 10 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержит 193 страницы и библиографию из 150 наименований.
