Содержание к диссертации
Введение
1. Спектральные измерения в оптическом диапазоне. Обзор методов анализа
оптических спектров и технических средств спектроскопии 18
1.1 Принцип получения спектроскопической информации в оптическом диапазоне 18
1.2 Характеристики оптических спектральных приборов 20
1.3 Сравнительный анализ оптических спектральных приборов 21
1.4 Обработка спектроскопической информации приборами на базе акустооптических перестраиваемых фильтров 23
1.5 Состояние теории спектральных измерений в оптическом диапазоне 26
1.6 Выводы 28
2. Спектральная обработка оптических сигналов переданных по оптическому волокну 29
2.1 Принцип спектральной обработки анализируемых сигналов переданных по оптическому волокну 29
2.2 Система передачи оптических сигналов по оптическому волокну и ее характеристики 31
2.3 Процедура оптического согласования 33
2.4 Оптический спектральный прибор на базе акустооптического перестраиваемого фильтра 35
2.5 Процессы фотодетектирования, управления и синхронизации 38
2.6 Выводы 43
3. Оптическая система передачи анализируемых сигналов по оптическому волокну. Результаты теоретического исследования 44
3.1 Анализ процедуры ввода оптического излучения в оптическое волокно 44
3.2 Анализ процесса вывода оптического излучения из оптического волокна 52
3.3 Энергетическая передаточная характеристика оптического волокна 55
3.4 Процедура коррекции неравномерности сквозной энергетической частотной характеристики оптического тракта измерительной системы 56
3.5 Выводы 59
4 Элементы теории оптического спектрального прибора, выполненного на базе акустооптического перестраиваемого фильтра 60
4.1 Анализ работы оптического спектрального прибора на базе акустооптического перестраиваемого фильтра 60
4.2 Динамика взаимодействия спектрального прибора с анализируемым сигналом 63
4.3 Аппаратная функция оптического спектрального прибора, выполненного на базе акустооптического перестраиваемого фильтра, при различных видах управляющих сигналов 64
4.4 Энергетический интеграл суперпозиции при управляющем ступенчато частотно-модулированном сигнале с длинными элементарными импульсами 76
4.5 Энергетический интеграл суперпозиции при управляющем линейно частотно-модулированном сигнале 79
4.6 Прохождение гармонизуемого случайного процесса через оптический спектральный прибор на базе акустооптического перестраиваемого фильтра 82
4.7 Свойства оценки аппаратурного энергетического спектра оптического излучения 86
4.8 Выводы 89
5 Лабораторный макет спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по оптическому волокну и результаты его экспериментального исследования 91
5.1 Результат экспериментального исследования процедуры ввода оптического излучения в оптическое волокно 94
5.2 Практическая реализация акустооптического перестраиваемого фильтра 98
5.3 Результаты экспериментального исследования энергетических аппаратных функций 99
5.4 Результаты экспериментального исследования спектра излучения лампы накаливания 107
5.5 Выводы 109
Приложение 1. Чувствительность системы измерения оптических спектров с передачей анализируемых сигналов по оптическому волокну 110
Приложение 2. Комплексная аппаратная функция оптического спектрального прибора на базе акустооптического перестраиваемого фильтра при управляющем ступенчато частотно-модулированном сигнале с короткими элементарными импульсами 119 Заключение 125 Список использованных источников 127
- Принцип получения спектроскопической информации в оптическом диапазоне
- Принцип спектральной обработки анализируемых сигналов переданных по оптическому волокну
- Анализ процедуры ввода оптического излучения в оптическое волокно
- Анализ работы оптического спектрального прибора на базе акустооптического перестраиваемого фильтра
- Результат экспериментального исследования процедуры ввода оптического излучения в оптическое волокно
Введение к работе
Актуальность темы. В физике и технике спектральные методы анализа и приборы принадлежат к числу наиболее распространенных, и в настоящее время нет видимых причин, которые бы привели к изменению этого положения. Анализ гармонического спектра относится к числу важнейших физических измерений [1-6], а также выполняется в тех случаях, когда изучение сигналов как функций времени не дает достаточно ясного представления о физических процессах, протекающих в источниках сигналов.
Чрезвычайно широкое распространение приборов для измерения гармонических спектров обусловлено важностью и разнообразием получаемой с их помощью информации, как в фундаментальных исследованиях строения материи, так и при решении прикладных задач [7, 8]. В первую очередь методы и приборы гармонического анализа охватывают те научные направления, которые обеспечивают прогресс всей науки в целом, а также наиболее динамично развивающиеся области современной техники [4].
Особенно велика роль гармонического анализа в спектроскопии, где получаемая информация заключена в функции распределения энергии электромагнитного излучения по частотам. Эта информация извлекается с помощью СП, выполняющих гармонический анализ. При спектроскопических измерениях СП исследуют электромагнитное излучение как сигнал, посылаемый материей и несущий информацию не только о химическом составе вещества, но и об его агрегатном состоянии, температуре, о физических и химических процессах, происходящих в нем, а также о физических свойствах среды, через которую распространяется излучение. Таким образом, СП во многом являются инструментами для изучения микромира [7]. Особая роль спектральных измерений в оптическом диапазоне дополняется тем, что изучение оптических сигналов возможно только в спектральной области, в отличие от радиодиапазона, где возможно применение осцилло-
графической техники. Поэтому решение задач, связанных с исследованием ОИ, невозможно без создания СП [8], и результатом развития техники спектроскопии является целый ряд методов анализа гармонических спектров [7,8-11] и широчайшая номенклатура СП.
Спектроскопические методы получения информации являются единственно возможными при изучении весьма удаленных или трудно доступных объектов. Отличительное качество этих методов состоит в том, что исследование объекта по спектрам испускания или поглощения не нарушает физических условий, существующих в этом объекте [8].
Прогресс спектрального приборостроения связан с общим прогрессом науки и техники и, в то же время, сам активно влияет на него [4]. Среди приборов для научных исследований аппаратура гармонического анализа занимает особое место: техника спектроскопии развивается в течение многих лет очень высокими темпами, более быстрыми, чем в других областях физического эксперимента и анализа [12].
Все известные спектроскопические измерения в оптическом диапазоне выполняются СП в условиях непосредственного контакта с полем излучения источника. В то же время существует целый ряд актуальных задач, где получение спектроскопической информации невозможно при непосредственном контакте спектральной аппаратуры с полем излучения источников. К числу таких задач относятся контроль и управление различными технологическими процессами, протекающих в условиях повышенной температуры, влажности, агрессивной химической среды, повышенного уровня взрывоопасное; изучение процессов горения, например в корабельных отсеках, двигателях внутреннего сгорания и реактивных двигателях [3]; оптимизация процессов горения в теплоэнергетических установках; некоторые стороны мониторинга окружающей среды [13-15].
Примерами названных технологических процессов являются: процесс крашения текстильных материалов [16-19], процессы в металлургическом производстве,
процессы высокотемпературного синтеза и пр. Так, в отечественной текстильной промышленности до настоящего времени нет непрерывного контроля процесса крашения текстильных материалов во время работы технологического оборудования [20, 21]. На предприятиях текстильной промышленности используется специальное лабораторное оборудование для разработки рецептуры красителей в небольших масштабах, а «подбор состава красителей по заданному цвету квалифицированными специалистами сегодня занимает до одной недели» [21].
В металлургическом производстве контроль состава сплава происходит путем взятия пробы и ее спектрального анализа в заводской лаборатории, и, несмотря на экспрессность современного спектрального анализа, его выполнение требует значительного времени, что не позволяет с достаточной оперативностью контролировать процесс выплавки и тем более его автоматизировать.
Одним из важных направлений химико-физических исследований является изучение процессов горения, где спектроскопические методы признаны наиболее информативными [22]. Изучение процессов горения является актуальным в деле решения глобальной проблемы пожарной и экологической безопасности, в двига-телестроении и в теплоэнергетике для оптимизации процессов горения.
Академик Я. Б. Зельдович сформулировал основную цель исследования процессов горения следующим образом: «Теорию горения можно будет считать созданной в том случае, когда с ее помощью можно будет заранее рассчитать оптимальные геометрические и аэродинамические параметры любой камеры сгорания (котла) и ее характеристики в процессе эксплуатации. Для этого необходимо накопление экспериментальных данных на новом качественном и количественном уровне, что требует разработки принципиально новых экспериментальных методов регистрации физико-химических характеристик. Развитие оптических и, в частности, лазерных методов диагностики процессов горения может оказаться в этом смысле чрезвычайно полезным» [23]. Таким образом, в изучении процессов горения на настоящем этапе весьма важная роль принадлежит эксперименту. Экс-
периментальные данные необходимы для оценки точности и строгости используемых моделей, обоснования принимаемых допущений, а также выяснения механизмов реакций и свойств газовых потоков, в которых протекают реакции [23].
Экспериментальные исследования процессов горения позволят установить в рамках решения проблемы пожарной безопасности достоверные модели сигналов, генерируемых источниками горения, и помех, на фоне которых они действуют [24], что открывает путь для создания более совершенной аппаратуры раннего и достоверного обнаружения очагов пожара. Таким образом, исследования процессов горения лежат в русле решения задач экологической безопасности.
Изучение процессов горения представляет особую актуальность при решении проблемы безопасности полетов. Бортовая спектральная аппаратура мониторинга процессов горения в реактивном двигателе во время полета позволит формировать сигналы нештатной работы реактивного двигателя: появление в спектре излучения факела спектральных линий конструкционных материалов узлов двигателя сигнализирует о том, что состояние двигателя близко к аварийному [3]. При этом анализ спектра ОИ должен проводиться по заданной программе, то есть на заранее определенных участках диапазона анализируемых оптических частот.
Существующие оптические системы получения спектроскопической информации, построенные по традиционному принципу, оказываются непригодными для эксплуатации в отмеченных выше условиях и, следовательно, не способны решить указанные задачи. Это требует создания спектральной аппаратуры оптического диапазона, удовлетворяющей специфическим условиям эксплуатации и оперативно выполняющей спектральные измерения. Решение поставленной задачи выдвигает необходимость нового принципа построения спектральной аппаратуры, где собственно спектральные измерения проводятся в штатных условиях ее эксплуатации. Такой принцип построения спектральной аппаратуры предлагается в данной диссертационной работе. Он состоит в передаче оптических сигналов-носителей спектроскопической информации на вход СП с помощью оптической
системы, которая исключает непосредственный контакт СП с полем излучения источника. Эта система включает формирующую оптику и ОВ [25]. Наличие такой оптической системы влечет за собой потери спектроскопической информации, обусловленные искажениями при вводе ОИ в ОВ и его распространении по ОВ, что требует коррекции (до фотодетектора) возникающих частотных искажений, которую следует выполнить в процессе спектральных измерений. Последнее требует применения соответствующих СП в составе измерительной системы,
В настоящее время наиболее подходящими СП в составе предлагаемой спектральной аппаратуры следует признать оптические СП, выполненные на базе АОПФ [26]. Только такие оптические СП позволяют в процессе спектральных измерений решить задачу додетекторной коррекции частотной характеристики оптического тракта всей измерительной системы в целом и выполнить спектральную обработку оптических сигналов по заданной программе.
Исследование и разработка предлагаемой в данной диссертационной работе спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по ОВ лежит в русле дальнейшего развития и совершенствования теории и техники оптической спектроскопии, что подчеркивает актуальность, проводимых в работе исследований.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является исследование и разработка спектральной аппаратуры оптического диапазона, исключающей непосредственный контакт оптического СП с полем излучения источника.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Предложить принцип построения спектральной аппаратуры оптического диапазона, с помощью которого возможно проведение спектральных измерений оптических сигналов таких источников, непосредственный контакт с полем излучения которых СП либо невозможен, либо нежелателен.
Разработать оптическую систему передачи анализируемых сигналов к спектральному прибору и теоретически исследовать ее характеристики.
Теоретически исследовать спектральную обработку оптических сигналов спектральным прибором, выполненным на базе акустооптического перестраиваемого фильтра.
Предложить и исследовать метод коррекции частотных характеристик оптической системы передачи анализируемых сигналов по оптическому волокну и акустооптического взаимодействия.
Разработать лабораторный макет спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по оптическому волокну и экспериментально исследовать его характеристики.
Методы решения задач.
При выполнении оптических измерений, в том числе спектроскопических, характерно применение энергетических величин [27]. В этом контексте решается задача анализа процедуры ввода ОИ в ОВ и передачи ОИ на вход СП. Окончательный результат спектральных измерений также приводится к энергетическим спектральным функциям.
Исследуются два аспекта работы оптического СП на базе АОПФ: в рамках первого из них оптический СП рассматривается как детерминированная линейная система под детерминированным воздействием, а в рамках второго - как детерминированная линейная система под стохастическим воздействием.
Детерминистическое описание оптического СП на базе АОПФ опирается на методы общей теории систем [28], теории линейных систем [29] и теории сигналов, теории акустооптического взаимодействия [30-32] и электрооптические аналогии [33]. Формализация обработки спектроскопической информации в оптическом диапазоне базируется на рассмотрении оптического СП на базе АОПФ в
рамках макроподхода [ЗО], а именно, как линейная система, действие которой описывается линейными интегральными операторами, ядрами которых являются комплексные и энергетические АФ [34]. При этом согласно представлениям теоретической радиотехники, первоначально рассматривается обработка оптическим СП комплексных спектров, что согласуется с принципами решения дифракционных задач. Окончательный результат спектральных измерений выражается линейным интегральным оператором, связывающим энергетические спектральные функции на выходе и входе оптического СП. Используемый математический аппарат включает методы теории возмущений [11], теории целых функций [35], теории гильбертовых пространств с воспроизводящими ядрами [36].
Стохастическое описание оптического СП на базе АОПФ опирается на результаты детерминистического аспекта и на методы теории случайных процессов [37-39]. Моделью анализируемого сигнала является гаусовский гармонизуемый случайный эргодический процесс.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Предложен новый принцип построения спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по ОВ, позволяющий выполнять анализ спектров оптических сигналов, исключая непосредственный контакт СП с полем излучения источников.
Выведены аналитические выражения информационных потерь, возникающих в процессе ввода ОИ в ОВ, в зависимости от частоты ОИ.
Развита теория оптического СП на базе АОПФ, опирающаяся на методы теории возмущений, теории целых функций и теории ГПВЯ. Получены аналитические выражения, описывающие алгоритм спектральной обработки оптических сигналов в пространствах комплекснозначных и энергетических спектральных функций.
Установлены статистические свойства аппаратурного спектра при воздействии гауссова эргодического случайного процесса, позволяющие совершенствовать методы вероятностного анализа оптических сигналов.
Предложена и экспериментально проверена методика коррекции частотных искажений, возникающих в системе передачи оптических сигналов и акустоопти-ческого взаимодействия, путем использования управляющего сигнала в виде амшштудно-модулированного СЧМ колебания.
Экспериментально исследованы характеристики созданного лабораторного макета, и тем самым, подтвержден новый принцип построения спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по ОВ, что открывает путь создания аппаратуры бесконтактной оптической спектроскопии.
Пункты 1 и 5 защищены патентом РФ JVs 2239802 [251
Достоверность результатов подтверждается их непротиворечивостью законам физики и ранее известным положениям, корректным использованием современных аналитических и расчетных методов, математическим и физическим моделированием, натурными испытаниями, а также практическим использованием части полученных результатов.
Практическая ценность:
Создан и экспериментально исследован лабораторный макет спектральной аппаратуры оптического диапазона, реализующий новый принцип ее построения и открывающий путь создания технических средств бесконтактной оптической спектроскопии различного назначения.
Разработана теоретическая база для создания аппаратуры по п. 1 с заданными характеристиками.
Получена математическая модель работы оптического СП на базе АОПФ с различными видами управляющих сигналов, позволяющая оптимизировать алгоритмы спектральной обработки оптических сигналов.
Экспериментально подтверждена возможность додетекторной коррекции неравномерности частотных характеристик оптической системы передачи анализируемых сигналов по ОВ и акустооптического взаимодействия.
На базе лабораторного макета спектральной аппаратуры оптического диапазона
с передачей анализируемых сигналов по ОВ поставлены три демонстрационные лабораторные работы по курсам «Основы оптики» и «Основы теории оптических сигналов» на кафедре электроники и оптической связи ГУАП.
Защищаемые положения. На защиту выносятся следующие основные результаты работы:
Принцип построения спектральной аппаратуры оптического диапазона, предназначенной для работы без непосредственного контакта оптического СП с полем излучения источников.
Результаты теоретического и экспериментального исследования оптической системы передачи анализируемых сигналов по ОВ, позволяющие моделировать данные системы с заданными характеристиками.
Теория работы оптического СП, выполненного на базе АОПФ.
Процедура коррекции частотных искажений в оптическом тракте спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по ОВ.
Результаты экспериментального исследования характеристик лабораторного макета спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по ОВ.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на международной научной конференции «International Forum on Wave Electronics and Its Applications» (Санкт-Петербург, 2000 г.), на IV, V, VI, VII, VIII международных конференциях для молодых исследователей «Wave Electronics and Its Applications in the Information and Telecommunication Systems» (Санкт-Петербург, 2001-2004 гг.), на международной конференции по телекоммуникациям «IEEE/ICC2001/St.Peters-burg» (Санкт-Петербург, 2001 г.), на «16th European Frequency and Time Forum» (Санкт-Петербург, 2002 г.), на научной конференции «Лазеры, измерения, информация» (Санкт-Петербург, 2003 г.), на научной конференции «Лазеры для медицины, биологии и экологии» (Санкт-Петербург, 2005 г.), на научной конференции «Лазеры для медицины, биологии и экологии» (Санкт-Петербург, 2006 г.), на Шестой, седьмой и восьмой научных сессиях аспирантов ГУАП (Санкт-Петербург, 2003-2005 гг.), а также обсуждались на научных семинарах «Системы обработки информации и управления» (2003-2004 г.) и на научных семинарах кафедры электроники и оптической связи ГУАП.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 печатных трудов, в том числе: 12 статей и 16 тезисов докладов научных конференций. Кроме того, 3 статьи в настоящее время находятся в печати.
Структура и .объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы и двух приложений. Общий объем -133 страницы, включая 60 рисунков и 2 таблицы. Список используемой литературы содержит 85 наименований.
Во введении отражены актуальность темы диссертационной работы, указаны ее цели и задачи, методы решения, научная новизна, практическая ценность, положения, выносимые на защиту и апробация работы.
В первой главе выполнен обзор методов получения спектроскопической информации и устройств спектральной обработки оптических сигналов. В результате сравнительного анализа оптических СП сделан вывод о том, что применение оптического СП на базе АОПФ, в рассматриваемой спектральной аппаратуре, является в высшей степени предпочтительным. Выполнен обзор выпускаемых в настоящее время акустооптических СП, а также устройств ввода ОИ в ОВ. В результате установлено, что задача ввода лазерного узкополосного излучения в ОВ для решения связных задач является решенной, а вопрос ввода в ОВ широкополосного ОИ для решения спектроскопических задач остается открытым. Рассмотрено современное состояние теории спектральных измерений и перечисляются те вопросы, которые требуют более детального изучения.
Во второй главе излагается новый принцип построения спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей оптических сигналов по ОВ. Предложена структурная схема спектральной аппаратуры, которая показывает новый принцип ее построения. Далее указывается назначение и дается описание работы каждого блока структурной схемы. Причем, для оптической системы передачи анализируемых сигналов по ОВ вводится ЭЧХ.
Третья глава посвящена математическому анализу оптической системы передачи анализируемых сигналов по ОВ. В результате теоретических исследований получены: ЭЧХ блока ввода ОИ в ОВ, характеризующей информационные потери, и характеристика пучка, поступающего на вход оптического СП. Ставится задача додетекторной коррекции сквозной ЭЧХ оптического тракта измерительной системы в процессе проведения спектральных измерений и указывается путь ее (коррекции) реализации.
В четвертой главе выполнен математический анализ работы оптического СП на базе АОПФ в двух аспектах: детерминистическом и стохастическом. В рамках детерминистического аспекта получены линейные интегральные операторы, связывающие вход и выход оптического СП на базе АОПФ для комплекснозначных и
энергетических спектральных функций при различных видах управляющих сигналов. Рассматривается вопрос о важнейшей метрологической характеристики любого СП - времени анализа. Для оптического СП на базе АОПФ установлены две временных характеристики: время анализа и время сканирования.
В рамках стохастического аспекта рассмотрена обработка гауссовского гармонизуемого случайного процесса оптическим СП на базе АОПФ. Установленно, что комплексная спектральная функция на выходе такого прибора существует почти наверное. Получены статистические характеристики энергетического спектра ОИ, формируемого на выходе оптической части СП на базе АОПФ.
В пятой главе приводятся результаты разработки и экспериментального исследования характеристик лабораторного макета спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по ОВ. Здесь получены: энергетические АФ при различных видах ОВ; статические модуляционные характеристики, на основании которых можно говорить о возможности существенной додетекторной коррекции неравномерности сквозной ЭЧХ оптического тракта. Экспериментально полученная энергетическая характеристика блока ввода ОИ в ОВ хорошо согласуется с результатами теоретических исследований.
По данным экспериментальных исследований получены зависимости ширины энергетической АФ и чувствительности лабораторного макета от размера щелевой диафрагмы фотоприемного устройства. Представлены результаты спектральной обработки ОИ лампы накаливания, полученные лабораторным макетом спектральной аппаратуры.
Приводятся фотографии действующего лабораторного макета спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по ОВ и отдельных его блоков, а также некоторые конструктивные сведения.
В приложении 1 рассматривается чувствительность спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по ОВ. Теоретически получены зависимости чувствительности такой аппаратуры от ширины щелевой диафрагмы фотоприемного устройства, а также от мощности управляющего сигнала. Приводится пример расчета чувствительности для конкретного типа фотоприемного устройства.
В приложении 2 проводится анализ комплексной АФ оптического СП на базе АОПФ при управляющем СЧМ сигнале с короткими элементарными импульсами. Показано влияние разрывов мгновенной фазы между смежными элементарными импульсами такого управляющего сигнала на форму энергетической АФ. Приводится методика расчета параметров управляющего СЧМ сигнала, при которых исключаются разрывы мгновенной фазы между элементарными импульсами.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
Выполненные в диссертационной работе исследования частично поддержаны грантами ТОО-10.2-2201, Т02-10.2-354 [17-19].
class1 Спектральные измерения в оптическом диапазоне. Обзор методов анализа
оптических спектров и технических средств спектроскопии class1
Принцип получения спектроскопической информации в оптическом диапазоне
Оптические СП обладают следующими характеристиками:
1. Разрешающая способность (способность прибора разрешить две близко расположенные спектральные линии).
2. Диапазон анализируемых длин волн или частот.
3. Светосила прибора (величина, которая характеризует часть оптической энергии, испускаемой источником излучения, попавшую на фотоприемник СП).
4. Динамический диапазон (характеризует способность прибора обрабатывать излучения разной интенсивности).
5. Быстродействие прибора (временной интервал, в течение которого СП способен проанализировать весь диапазон заданных частот).
6. Угловая апертура устройства (определяет тот диапазон углов падения ОИ на прибор, в котором остальные его характеристики существенно не ухудшаются).
7. Вес, габариты, стабильность параметров при воздействии температуры и вибраций, удобство при эксплуатации.
Отмечая характеристики оптических СП, следует выделить основную и исчерпывающую характеристику любого СП, как измерителя функций, -аппаратную функцию [42], которая является инструментальным откликом оптического СП на монохроматическое входное воздействие. АФ позволяет определить важнейшие метрологические характеристики СП, такие как разрешающая способность и динамический диапазон. К тому же она является ядром линейного интегрального оператора, устанавливающего связь вход-выход СП [43].
Принцип спектральной обработки анализируемых сигналов переданных по оптическому волокну
В данной диссертационной работе рассматривается новый принцип построения аппаратуры спектральной обработки динамических оптических сигналов. Новизна этого принципа заключается в том, что анализируемые сигналы-носители спектроскопической информации с помощью специального блока вводятся в ОВ и распространяются в нем, тем самым исключается непосредственный контакт СП с полем излучения источника. Распространяясь по ОВ сигналы-носители спектроскопической информации, поступают в специальный блок вывода, а затем на вход оптического СП, который находится в штатных условиях эксплуатации. Реализация этого принципа в виде спектрального анализатора оптического диапазона защищена патентом на изобретение Российской Федерации [25]. Схематично новый принцип построения спектральной аппаратуры оптического диапазона показан на рис. 2.
Анализируемое излучение Г
Источник колебани
Параметры среды: Т / С, Т р %, агрессивная химия, взрывоопаспостъ.
Оптическое А волокна
Получатель
спектрометрической информации
спектральный прибор
Граница раздела сред с благоприятными и неблагоприятными параметрами для спектральной аппаратуры.
Рис. 2 - Иллюстрация принципа измерений спектров с передачей анализируемых
сигналов по ОВ
Спектральная аппаратура оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов-носителей спектроскопической информации по ОВ состоит из трех блоков: оптической системы передачи анализируемых сигналов по ОВ; оптического СП, выполненного на базе АОПФ; блока фотоприемного устройства, управления и синхронизации. Ее структурная схема приведена на рис. 3.
Рис. 3 - Структурная схема спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по ОВ
На рис. 3 приняты следующие обозначения: 1 - исследуемое ОИ; 2 -оптическая система передачи оптических сигналов по ОВ; 3 - блок оптического согласования (формирующая оптика); 4 - оптический СП, выполненный на базе АОПФ; 5 - блок фотоприемного устройства, управления и синхронизации; 6 -персональный компьютер.
Эта структурная схема является общей для систем спектральных измерений, относящихся к техническим средствам бесконтактной оптической спектроскопии.
Анализ процедуры ввода оптического излучения в оптическое волокно
Функциональная зависимость ЭЧХ блока ввода „( и) является самостоятельной частотной характеристикой и определяется взаимным расположением торца ОВ и входной линзы блока ввода (см. рис. 12).
На структурной схеме блока ввода введены обозначения: D - полный диаметр положительной линзы; Dt - часть диаметра положительной линзы, с которого полностью вводится в ОВ (эффективный диаметр линзы); о: - угол падения оптических лучей с края линзы на торец ОВ; 9 - максимальный угол падения оптических лучей на торец ОВ, при котором происходит полное отражение оптических лучей от границы раздела сред сердцевины и оболочки ОВ; р -диаметр главного лепестка распределения оптического поля в фокальной плоскости линзы, определенный по нулям этого распределения (далее диаметр фокального пятна) [41]; d - диаметр сердцевины ОВ; F - фокусное расстояние линзы, соответствующее центральной частоте ш0 полосы анализируемых оптических частот; Ь - расстояние от точки схождения оптических лучей до точки фокуса линзы; L - расстояние от торца ОВ до центра линзы; S = d/[2tg(e)] -расстояние от торца ОВ до точки схождения оптических лучей, вошедших в ОВ; х, xi, z - декартовы координаты.
Анализ работы оптического спектрального прибора на базе акустооптического перестраиваемого фильтра
Структурная схема оптического СП на базе АОПФ приведена на рис. 7. Анализ работы такого СП выполняется в режиме дифракции Рамана-Ната в приближении слабого звука и заключается в нахождении двух интегральных операторов [44], комплексного и энергетического, ядрами которых являются соответствующие АФ. Под комплексной АФ оптического СП понимается распределение светового поля в выходной плоскости прибора при воздействии на его оптический вход плоской однородной монохроматической волны частоты со : где Ео - комплексная амплитуда оптической волны; к - волновое число света.
Функция пространственно-временного распределения оптического поля на выходной грани АОМ будет иметь вид [77]:
где а - коэффициент пропорциональности, определяющий глубину угловой модуляции; s{t-xjv) - бегущая акустическая волна, фиксированная функция; v скорость распространения акустической волны в материале светозвукопровода АОМ.
В приближении слабого звука соотношение (4.2) принимает вид следующего линейного преобразования:
Анализ передачи пространственно-временного сигнала (4.3) через оптическую часть СП базируется на электрооптических аналогиях, предложенных в монографии [33]. Согласно [33], функция пространственно временного распределения оптического поля на левой поверхности линзы записывается в форме:
Результат экспериментального исследования процедуры ввода оптического излучения в оптическое волокно
Экспериментальная проверка функций ЭЧХ блока ввода ОИ в ОВ с короткофокусной и длиннофокусной входными линзами этого блока требует перестраиваемого в широком диапазоне генератора оптических гармоник высокой интенсивности. Из—за его отсутствия предлагается подтвердить состоятельность полученных в главе 3 характеристик косвенным методом. Суть этого метода заключается в экспериментальном доказательстве некоторой другой характеристики блока ввода, математический вывод которой основан на том же подходе, что и при выводе ЭЧХ этого блока. Такой характеристикой блока ввода является его энергетическая характеристика Wiu(AL,a 0) в зависимости от смещения ді торца ОВ относительно входной линзы блока на фиксированной частоте оптической гармоники. Если теоретическая зависимость lVlu(AL,ct)0) будет подтверждена экспериментально, то можно будет утверждать о состоятельности математической модели ЭЧХ блока ввода ОИ в ОВ.
Начальное положение торца ОВ относительно входной линзы определяется выражением (см. рис. 12):
Более точно математическая модель (5.4) согласуется с экспериментальными данными, если из нее извлечь квадратный корень и допустить, что при приближении торца ОВ к линзе ОИ начинает проникать в сердцевину ОВ через материал его оболочки, диаметр которой равен 2d. Таким образом, выражение (5.4) перепишется в виде:\
Рис.31 показывает, что математическая модель (5.5) более точно описывает процесс ввода оптической энергии в ОВ в зависимости от смещения торца ОВ. Расстояние между теоретической и экспериментальной функциями в 3,6 раза меньше чем в случае, приведенном на рис. 30.
Таким образом, проведенные экспериментальные исследования подтвердили справедливость подхода в построении математической модели и/ц(л/,,й 0) блока ввода ОИ в ОВ, а, следовательно, и состоятельность математических моделей его ЭЧХ.
Экспериментальные исследования коэффициента ввода лазерного излучения в ОВ блоком ввода с короткофокусной входной линзой показали, что при вводе в многомодовое ОВ Wlu(o,o)0) = 0,3 или 30%, а при вводе в одномодовое ОВ ff/u(o,u 0) = 0,25 или 25%, при этом диаметр фокального пятна ОИ р((о0) = 2,6мкм.
