Содержание к диссертации
Введение
1. Лучевая теория ввода излучения в многомодовые волокна . 24
1.1 .Основные положения теории. 24
1.2 Апертурные объемы оптических волокон. 26
1.3 Эффективность возбуждения волокна ламбертовым источником . 28
1.4 Влияние смещений волокна на эффективность ввода излучения.
1.4.1 Смещения двухслойного волокна 31
1.4.2 Смещения фокусирующего волокна
1.5. Радиальные смещения источника 34
1.6. Ввод излучения в световоды от источников полосковои геометрии. 36
1.6.1 Влияние продольных и поперечных разъюстировок на эффективность ввода излучения от излучателей полосковои геометрии. 39
2. Согласование элементов волоконно-оптических трактов . 44
2.1 Коллимирование излучения диэлектрическими фоконами 45
2.2. Фокусировка излучения диэлектрическими фоконами 48
2.3 Технологические особенности изготовления диэлектрических фоконов 54
2.4 Некоторые результаты экспериментальных исследований свойств диэлектрических фоконов 56
2.4.1. Коллимирующие фоконы 56
2.4.2 Фокусирующие фоконы 58
2.5 Коллимирование излучения полусферическими линзами на торце волокна 61
2.5.1. Отражение излучения полусферическими линзами на торце волокна. 64
2.6 Технологические особенности изготовления микролинз на торце волокна. 66
2.7 Преобразование непараксиальных световых пучков градиентными линзами 67
Волоконные разветвители. 71
3.1. Шлифованные многомодовые разветвители x типа. 71
3.2.Сплавные многомодовые разветвители y типа. 75
3.3. Стабилизатор модового состава излучения 79
3.3.1 Смеситель мод 82
3.4 Шлифованные одномодовые разветвители. 84
3.4.1. Разветвители с туннельной связью 84
3.4.3. Технология изготовления одномодового волоконно-оптического ответвителя 86
3.4.4. Определение эквивалентных параметров одномодовых волоконных световодов 93
4. Кольцевые волоконные системы и элементы волоконных интерферометров 99
4.1 .Кольцевые волоконные системы 99
4.1.1. Экспериментальное исследование релеевского рассеяния в кольцевой системе. 10f 4.1.2.способ измерения потерь в световодах с помощью кольцевых систем 10s
4.2 Одыоволоконныи интерферометрическии датчик перемещений. 114
4.2.1. Расчет амплитудных коэффициентов интерферирующих световых волн 114
4.2.2. Расчет видыости интерференционной картины. 12с
4.2.3. Точность измерения перемещений волоконно-оптическим интерферометром физо 12
4.3. Элементы фурье-спектрометров. 13с
5. Волоконные элементы, управляемые оптическим излучением
5.1 Оптические характеристики пленок v02 134
5.2 Волоконные модуляторы с оптическим управлением. 14с
5.3. Волоконный переключатель на основе пленок v02. 146
5.4 Оптическая бистабильность пленок v02. 14$
6 Волоконные зонды для фотометрии рассеивающих сред и их применние в системах медицинской диагностики 155
6.1 Особенности применения волоконных световодов и жгутов для регистрации рассеянного излучения. 15f
6.1.1 Одиночный световод 15
6.1.2 Волоконный жгут 158
6.2 Люминесцентные датчики состояния биотканей. 162
6.2.1. Датчик эндогенной люминесценции биоткани. 162
7. Элементы гибридных волоконно-оптических датчиков
7.1 предельные взрывобезопасные уровни мощности оптического излучения 16s
7.2. Одноэлементный фотовольтаический преобразователь на основе
Гетеросруктур algaas. 17f
7.3 .технология сборки фотовольтаического преобразователя 111
8.Волоконные датчики 184
8.1 .Датчики перемещений 184
8.1.1 .Одиоволоконные датчики перемещений отражательного типа. 184
8.1.2. Предельные характеристики амплитудных датчиков Отражательного типа 18 /
8.2 анализатор состава газовой бинарной смеси. 18
8.3.волоконио-оптический датчик метана 191
8.4.датчики температуры 194
8.4.1. Датчики на основе пленок v02 194
8.4.2 Датчик температуры на основе волоконного генератора рел акс ационі1ых колебаний 19
8.4.3.Волоконно-оптический измеритель скорости потока газа на основе пленок v02. 19s
8.5 Многофункциональная оптоэлектронная измерительная система для трехфазных сетей переменного тока 201
Заключение. 205
Цитируемая литература
- Эффективность возбуждения волокна ламбертовым источником
- Технологические особенности изготовления диэлектрических фоконов
- Стабилизатор модового состава излучения
- Одыоволоконныи интерферометрическии датчик перемещений.
Введение к работе
Актуальность темы.
Волоконно-оптические измерительные системы представляют собой отдельный класс измерительных систем. Они обладают набором особых свойств, которым не обладают системы других типов. Эти свойства обусловлены высокой помехозащищенностью волоконного тракта передачи оптического сигнала, гальванической развязкой точек измерения и индикации, возможностью использования самого волокна в качестве первичного преобразователя измеряемой величины.
Конфигурация конкретной измерительной системы, использующей оптическое волокно либо в качестве тракта передачи излучения, либо в качестве элемента первичного преобразователя (датчика), подвержена значительным изменениям, обусловленным спецификой решаемой измерительной задачи.
В связи с этим является актуальной проблема создания волоконных элементов и устройств, которые бы являлись основными строительными «кубиками» при создании любой волоконно-оптической системы.
Элементная база волоконно-оптических измерительных систем включает в себя устройства согласования элементов оптического тракта, устройства деления, переключения и модуляции оптического сигнала. Эти устройства, выполняемые чаще всего на основе волоконных световодов, отличаются миниатюрными размерами, поскольку должны сопрягаться со световодами, характерные размеры световедущих жил которых 3-100 мкм, и требуют не только разработки специфических методов расчета их оптико-физических характеристик, но и детального исследования особенностей их применения в волоконно-оптических измерительных системах.
Исторически, развитие волоконных систем начиналось с использованием многомодовых волоконных световодов, что было обусловлено более простыми требованиями к их соединению, а также существовавшими источниками и приемниками излучения. Многомодовые волоконные световоды, широко применяются и в настоящее время для решения многих прикладных задач метрологического, связного и промышленного применения. В связи с этим разработка микрооптических элементов и устройств для многомодовых волоконных систем является весьма актуальной проблемой.
Волоконные микрооптические элементы и устройства во многих случаях функционируют на принципах, отличающихся от принципов работы обычных оптических элементов (например, линз) и требуют разработки специальных методов расчета их конструктивных параметров, исходя из необходимых оптических характеристик. Очевидно, что для одномодовых и многомодовых систем эти методы существенно различаются. Теория диэлектрических волноводов, частным случаем которых являются волоконные световоды, достаточно хорошо развита и хорошо описывает одномодовые системы. В то же время характеристики многомодовых волоконных систем рассчитывались, как правило, численными методами на основе традиционного аппарата геометрической оптики, что не давало полного физического представления об особенностях оптимального построения многомодовых волоконных систем.
Разработка методов расчета энергетических характеристик многомодовых систем, позволяющих в аналитическом виде решать задачи, необходимые для определения конструктивных параметров волоконных трактов при которых энергетические потери минимальны, являлась одной из целей диссертационной работы.
Важной, как в теоретическом, так и в экспериментальном плане, является также задача формирования с помощью микрооптических элементов световых пучков о заданными характеристиками (угловой расходимостью, диаметром фокального пятна и т.д.). Несмотря на то, что некоторые из этих элементов были известны к началу настоящей работы, особенности их применения в волоконных системах были изучены недостаточно. Так, например, не было полной ясности в выборе параметров диэлектрических фоконов, позволяющих с максимальной эффективностью осуществлять преобразование пучков при коллимировании и фокусировке излучения, а характеристики градиентных линз рассчитывались только в параксиальном приближении и не учитывали влияние на четвертьволновую длину линзы параметров входного пучка. Указанные выше задачи требовали как теоретических, так и экспериментальных исследований, которые также являлись предметом настоящей работы.
Волоконно-оптические датчики амплитудного типа требуют амплитудной стабильности приёмно-передающих волоконных трактов. В связи с этим актуальной является задача разработки волоконных устройств деления и объединения световых пучков, с минимальной чувствительностью к модовому составу излучения. Важной задачей является также разработка волоконных переключателей и модуляторов, дистанционно управляемых оптическим излучением малой мощности.
Наряду с разработкой микрооптических элементов на основе световодов, актуальными являются также проблемы поиска новых принципов построения волоконно-оптических датчиков, поиск и исследование новых миниатюрных чувствительных элементов, разработка принципов регистрации и обработки оптических сигналов, обеспечивающих высокую точность и стабильность измерений и реализация этих принципов в конкретных образцах волоконных датчиков. Решение перечисленных выше задач и являлось предметом исследований и разработок в настоящей работе.
Основной целью диссертационной работы являлась разработка принципов построения оптических трактов волоконно-оптических датчиков с минимальными энергетическими потерями, разработка новых принципов измерения ряда физических величин и создание лабораторных образцов приборов, реализующих эти принципы.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Разработка методов расчета энергетических характеристик многомодовых волоконных систем, учитывающих различные конструктивные и оптические параметры системы.
Теоретическое и экспериментальное исследование методов формирования волоконными микрооптическими элементами световых пучков с заданными характеристиками.
Разработка и исследование волоконно-оптических устройств, управляемых оптическим излучением.
Теоретическое и экспериментальное исследование волоконных датчиков рефлектометрического типа (в том числе на основе кольцевых систем) и волоконных интерферометров.
Разработка новых принципов измерения с помощью волоконно-оптических датчиков ряда физических величин (перемещений, температуры, скорости газовых потоков, концентрации в атмосфере взрывоопасных газов, люминесцентного анализа биоткани).
Разработка элементов гибридных волоконно-оптических датчиков для измерений, требующих гальванической развязки микроэлектронных первичных преобразователей и блока индикации.
Научно-техническая новизна работы состоит, прежде всего, в разработке новых методов расчета энергетических потерь в волоконно-оптических измерительных системах, разработке волоконных микрооптических элементов с оптимальными характеристиками, применение которых позволяет существенно снизить потери в оптическом тракте, разработке волоконных устройств, управляемых оптическим излучением и расширяющих функциональные возможности измерительных систем, а также разработке новых принципов измерения некоторых физических величин.
К наиболее существенным новым результатам, полученным в работе, относятся следующие:
Разработаны методы расчета энергетических характеристик многомодовых волоконных трактов основанные на гамильтоновой формулировке лучевой оптики, которые позволили впервые решить в аналитическом виде основные задачи ввода излучения в многомодовые световоды и рассчитывать конструктивные параметры волоконных трактов при которых потери в них минимальны.
Теоретически и экспериментально определены оптические и конструктивные параметры микрооптических элементов (фоконов, микролинз) при которых достигается оптимальное согласование элементов волоконного тракта. Впервые показано, что четвертьволновая длина градиентных линз зависит от параметров входных световых пучков и отличается от длины определяемой в параксиальном приближении.
Впервые получены аналитические выражения для расчета туннелирования излучения из изогнутых волокон с частично удаленной оболочкой., что позволяет использовать их в качестве чувствительных элементов датчиков для определений показателя преломления среды, датчиков на эффекте НПВО, а также использовать для контроля параметров заготовок в процессе изготовления волоконных разветвителей с заданным коэффициентом деления и спектральными характеристиками.
Впервые теоретически и экспериментально показано, что накопление сигнала рэлеевского рассеяния в замкнутых кольцевых волоконных системах позволяет существенно повысить чувствительность при измерении малых потерь в световодах, в том числе обусловленных внешними деформациями световода.
Теоретически и экспериментально исследованы волоконно-оптические датчики перемещений как амплитудного, так и интерференционного типа. Получены основные соотношения для расчёта крутизны преобразования. Созданы опытные образцы таких датчиков. Разработан газоанализатор для измерения состава бинарной газовой смеси, основанный на измерении зависимости частоты колебаний мембраны от плотности газа, причем частота колебаний мембраны измеряется волоконным датчиком, что делает газоанализатор взрывобезопасным.
Впервые проведены исследования оптических свойств пленок VO2 полученных на торцах волоконных световодов и определены их параметры, при которых достигается максимальный контраст оптических характеристик при фазовом переходе, индуцированном оптическим излучением. Разработаны волоконные переключатели и модуляторы, управляемые оптическим излучением. Разработаны и исследованы волоконно-оптические датчики температуры и скорости газового потока на базе релаксационного генератора с чувствительным элементом на основе плёнок VO2,
Впервые показано, что гетероструктуры AlGaAs предназначенные для изготовления светодиодов при определенных условиях могут эффективно (КПД>45%) работать в режиме фотовольтаического преобразователя. На основе разработанного преобразователя созданы образцы гибридных волоконно-оптических датчиков для измерения концентрации углеводородных газов и многофункциональный датчик тока, которые работают при взрывобезопасных уровнях оптической мощности.
Разработаны методы построения волоконно-оптических измерительных систем для люминесцентной диагностики патологических состояний биоткани. Разработаны методы расчета волоконных зондов для таких систем. Экспериментально показана высокая чувствительность разработанной аппаратуры применительно к задачам стоматологии.
Положения выносимые на защиту:
-
Применение гамильтоновой формулировки лучевой оптики позволило получить аналитические выражения для расчета конструктивных параметров узлов ввода излучения от полупроводниковых излучателей в многомодовые оптические волокна, при которых реализуются оптимальные условия согласования, и снижается зависимость вносимых потерь от разброса технологических параметров.
-
Теоретический расчет и экспериментальное подтверждение оптимальных параметров микрооптических волоконных элементов - фоконов, микролинз, градиентных линз, при которых в 3-10 раз снижаются энергетические потери в оптических трактах волоконных датчиков.
-
Метод измерения предельно малых потерь в волоконном световоде, основанный на многопроходном зондировании исследуемого световода в кольцевой системе и накоплении сигнала рэлеевского рассеяния, обеспечивает снижение порога обнаружения наведенных в световоде потерь по сравнению с однопроходными измерениями в 2-3 раза, что приводит к существенному повышению чувствительности датчиков механических деформаций.
-
Технология изготовления одномодовых разветвителей из волокон с градиентным профилем показателя преломления, основанная на контроле толщины удаляемой части светоотражающей оболочки по величине туннелирующего оптического излучения, позволяющая изготавливать элементы с наперед заданными амплитудными и спектральными характеристиками и с потерями менее 1 дБ.
-
Волоконные переключатели и модуляторы (амплитудные и фазовые), с пленками VO2, нанесенными на торец волоконного световода, при оптическом индуцировании фазового перехода полупроводник-металл, позволяют при управляющей оптической мощности 0.5-7 мВт дистанционно перестраивать параметры волоконной измерительной системы.
-
Принцип построения измерительных систем для измерения перемещений на основе одноволоконных датчиков отражательного типа, обеспечивает расширение диапазона измерений и, в случае некогерентного источника излучения, обеспечивает динамический диапазон более 60дБ при перемещении до 400 мкм, а в случае когерентного источника излучения - динамический диапазон более 95дБ (в режиме измерения динамических перемещений до 17 мм).
-
Возможность работы полупроводниковых светодиодных структур AlGaAs-GaAs в качестве фотовольтаических преобразователей при эффективности преобразования монохроматического излучения, длина волны которого сдвинута относительно максимума электролюминесценции на 20-60 нм в коротковолновую область, в электрическую мощность с КПД более 45%, напряжением более 1,2 В при токе нагрузки до100 мА, что позволяет создавать гибридные волоконно-оптические измерительные системы с питанием электронных модулей оптическим излучением малой мощности.
Практическая значимость проведенных исследований и разработок заключается в следующем:
Разработанные на основе лучевой оптики в Гамильтоновой формулировке методы расчета эффективности ввода излучения в многомодовые волоконные световоды с произвольным профилем показателя преломления позволили получить основные аналитических соотношения для выбора конструктивных параметров узлов сопряжения источников излучения со световодами. Важным для практического использования является теоретический и анализ и результаты экспериментальных исследований микрооптических элементов для формирования световых пучков с заданными характеристиками на основе фоконов, и выяснение влияния их конструктивных параметров на характеристики световых пучков. Это позволяет создавать на их основе согласующие элементы для эффективного сопряжения различных элементов волоконных трактов, включая согласования различных излучателей (в первую очередь полупроводниковых лазеров и светодиодов) с оптическими волокнами.
Полученные формулы для расчёта градиентных линз позволяют оптимизировать их длину и другие конструктивные параметры и, как следствие, существенно уменьшить угловую расходимость пучка при его коллимировании или диаметр фокального пятна при фокусировке излучения, что обеспечивает существенное снижение потерь в оптическом тракте.
Полученные соотношения для расчёта туннелирования излучения из световодов с частично удалённой оболочкой позволили разработать контролируемую на всех стадиях технологию изготовления одномодовых разветвителей с заданными амплитудными и спектральными характеристиками.
Эффективность разработанных методов и устройств продемонстрирована на примере их применения в различных образцах волоконно-оптических датчиков.
На основе проведенных исследований впервые созданы волоконно-оптические элементы (переключатели и модуляторы) управляемые оптическим излучением малой (1 - 2 мВт) мощности. Такие элементы могут найти применение как в системах связи, так и в волоконно-оптических датчиках, примером которых может являться волоконно-оптический датчики (ВОД) температуры и скорости газового потока разработанные в данной работе.
Проведенные исследования взрывобезопасности волоконных трактов позволили впервые сформулировать критерии абсолютной взрывобезопасности при передаче по световодам мощного оптического излучения. Исходя из ограничений передаваемой по световодам мощности, в данной работе разработаны высокоэффективные фотовольтаические преобразователи для применений в гибридных волоконно-оптических датчиках. Примером построения таких датчиков с применением разработанных элементов является многофункциональный датчик тока, позволяющий одновременно с высокой точностью измерять четыре физических параметра при полной гальванической развязке измеряемой цепи с блоком отображения информации.
Разработанные методы построения высокочувствительных волоконно-оптических фотометров позволили создать ВОД метана с удалением газовой кюветы от места расположения регистрирующей аппаратуры до 2 км, датчики температуры, нечувствительные к электромагнитным полям, волоконно-оптические устройства для контроля люминесценции биотканей с целью определения их отклонения от нормального состояния.
Результаты диссертационной работы внедрены в ряде промышленных организаций, в частности, в ФГУП «НИИ ПОЛЮС им. М.Ф. Стельмаха», ОАО НПО «Химавтоматика», ГУ МОНИКИ им. М.Ф. Владимирского.
Апробация работы
Материалы исследований и разработок докладывались на следующих Всесоюзных, Российских и международных конференциях:
2-я Всесоюзная конференция по проблеме "Волоконно-оптические линии связи", Москва,1978; 3-я Всесоюзная научно-техническая конференция "Фотометрия и её метрологическое обеспечение", Москва 1979; 3-я Всесоюзная конференция по ВОЛС, Москва, 1981; Всесоюзная конференция "Волоконно-оптические линии связи", Киев, 1982; Всесоюзная научно-техническая конференция по источникам тока, Москва 1983; 4~я Всесоюзная конференция СССПМ, Москва, 1984; Всесоюзное совещание "Совершенствование средств связи на основе внедрения стекловолоконной и процессорной техники" Кишинёв, 1986; Всесоюзная конференция "Аналитическое приборостроение. Методы и приборы для анализа жидких сред", Тбилиси, .1986; Всесоюзный семинар "Измерение перемещений в динамическом режиме", Каунас, 1987; 5-я Международная школа по когерентной оптике, Ужгород, 1989; Всесоюзная конференция "Волоконно-оптические преобразователи в приборостроении", Севастополь, 1983; Всесоюзная конференция "Быстродействующие элементы и устройства волоконно-оптических и лазерных информационных систем", Севастополь, 1990; Научно-технический семинар по волоконно-оптическим системам и средствам, Калининград Московская обл., 1990; 5-я Всесоюзная Конференция. ВОСПИ-88, Москва, 1988г; 1-я Всесоюзная конференция "Оптические методы исследования потоков", Новосибирск, 1991; Всесоюзная конференция "Проблемы измерительной техники в волоконной оптике", Нижний Новгород, 1991; 3-й Всесоюзный семинар "Химические методы обработки поверхности", Москва, 1991; Международная конференция ISFOC-91, Санкт-Петербург, 1991; Международная конференция ISFOC-93, Санкт-Петербург, 1993; Международная конференция Eurosensors-X, Leuven, Belgium, 1996; 10th International Symposium on Advances of Measurement Science Saint-Petersburg, 2004; Всероссийская конференция по волоконной оптике, Пермь, 2007; International Instrumentation and Measurem. Technology Conference, Canada, 2008; 21st Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, 2008 Ontario, Canada; Conference on Power Systems, Winnipeg, Canada, 2008.
Результаты диссертационной работы опубликованы в центральных научных журналах и защищены 13 авторскими свидетельствами и патентами РФ.
Личный вклад автора.
Представленные в диссертации результаты получены лично автором или при его непосредственном участии и руководстве. Методы расчета согласования элементов многомодовых волоконных трактов на основе лучевой оптики в гамильтоновой формулировке разработаны автором совместно с Шатровым А.Д. и Потаповым В.Т.. Расчеты, представленные в главах 1 и 2 выполнены автором лично. Часть результатов представленных в гл.3 и 4 получены автором при участии Седых Д.А.. Результаты гл.5 в части физических исследований получены автором совместно с Егоровым Ф.А., в части практической реализации устройств результаты получены автором лично. Результаты, приведенные в главах 6 и 8, получены лично автором. Медицинские особенности применения разработанных автором волоконных систем для люминесцентной диагностики изучены автором совместно с Александровым М.Т. и Масычевым В.И.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав и заключения.
Эффективность возбуждения волокна ламбертовым источником
Правильность выбранного подхода и полученных расчетных соотношений подтверждена экспериментально. Это позволяет применять полученные формулы для расчета технологических параметров заготовок для одномодовых ответвителеи и других устройств и контролировать эти параметры в процессе изготовления элемента по величине мощности излучения выходящего из сошлифованного участка световода. Это позволяет реализовать воспроизводимую технологию изготовления рассматриваемых устройств. Важной особенностью разработанной технологии является то, что она применима для изготовления ответвителеи из волокон с произвольным профилем показателя преломления, в то время как сплавные одномодовые ответвители требуют для изготовления световодов с нелегированной оболочкой.
Для того, чтобы полученные расчетные формулы были применимы для одномодовых волокон с произвольным профилем показателя преломления разработана модифицированная методика определения эквивалентных «ступенчатых» параметров одномодового волокна, основанная на измерении дальнего поля излучения выходящего из волокна. В отличии от известных методик, предложенная методика основанная на методе переменного масштаба требует существенно меньшего динамического диапазона регистрирующей аппаратуры и позволяет качественно оценить степень совпадения реального распределения поля с распределением поля для световода со ступенчатым профилем показателя преломления.
В четвертой главе диссертации рассмотрены кольцевые волоконные системы для измерения малых потерь в световодах рефлектометрическими методами. Подробно проанализированы особенности формирования сигнала в таких системах и зависимость его характеристик при различных параметрах волоконного разветвителя Y -типа на основе которого строится кольцевая система. Показано, что применение кольцевых систем позволяет в несколько раз повысить чувствительность при измерении малых потерь (в том числе наведенных внешним воздействием на волоконный тракт) рефлектометрическим методом за счет накопления измеряемого сигнала при многократном проходе зондирующего импульса через исследуемый тракт.
В этой главе также рассмотрены особенности волконного интерферометра Физо для измерения микроперемещений. Экспериментально показано, что предложенная схема построения интерферометра позволяет в режиме счета полос измерять смещения подвижного отражающего объекта в пределах до 17мм с точностью 0,3 мкм. Для применения в волоконных Фурье спектрометрах разработаны два варианта устройств для сканирования разности хода двух оптических пучков. Эти устройства обеспечивают диапазон сканирования до 1, 5мм за время 10-20мс, что позволяет регистрировать спектр излучения с помощью осциллографа. Разработанные устройства могут служить базовыми элементами для построения волоконно-оптических датчиков со спектральным представлением информации.
Пятая глава диссертации посвящена волоконно-оптическим элементам управляемым оптическим излучением. Основой этих элементов являются пленки УОг выращенные непосредственно на торце волокна и имеющие фазовый переход металл-полупроводник при температуре около 67С. Фазовый переход сопровождается значительным изменением оптических характеристик пленки, что и позволяет управлять оптическим излучением.
Специальный выбор толщины пленки позволяет за счет интерференционных эффектов обеспечивать либо преимущественное изменение коэффициента пропускания, либо коэффициента отражения. Это позволяет формировать элементы, работающие как «на проход», так и отражательного типа. Фазовый переход в пленке индуцируется оптическим излучением мощностью 1,5-2 мВт для многомодовых волокон и менее 0,5 мВт для одномодовых. Приведены результаты исследования оптических свойств пленок, полученных методом пиролиза и влияния тсрмоциклирования на характеристики пленок. На основе пленок VO2 разработаны оптические схемы волоконных модуляторов и переключателей, управляемых оптическим излучением.
Предложенные схемы построения элементов управляемых оптическим излучением могут применяться и при использовании других материалов с фазовым переходом. При выборе параметров пленки так, чтобы поглощение в полупроводниковой фазе было меньше поглощения в металлической фазе (это возможно в диапазоне толщин пленок 0,02-0,2 мкм), а также малых значениях температурного размытия и гистерезиса ФП возможен эффект оптической бистабильности при комнатных температурах. Указанный эффект впервые наблюдался в настоящей работе и также может быть использован для создания оптически управляемых волоконных устройств.
Шестая глава посвящена расчету параметров волоконных зондов для фотометрии рассеивающих сред, преимущественно биотканей. На основе методики расчета развитой в первой главе рассмотрены особенности конструктивных параметров волоконных зондов для регистрации рассеянного излучения как одиночными световодами так и цилиндрически симметричными волоконными жгутами. Рассчитаны конструктивные параметры зондов, позволяющих регистрировать излучение с наперед заданной глубины.
Разработанные зонды применялись как для биофотометрии с целью получения диагностической информации, так и для люминесцентной диагностики биотканей. Для решения последней задачи был разработан сопряженный с волоконным зондом флюориметр, чувствительность которого позволяла регистрировать спектр эндогенной люминесценции биотканей и получать уникальную диагностическую информацию, связанную с повышенным уровнем люминесценции биотканей имеющими отклонения от нормального состояния. Уникальные возможности метода продемонстрированы, в частности, результатами предварительных клинических испытаний флюориметра в стоматологии при диагностике начального кариеса. Чувствительность метода превосходит все существующие методы и подтверждается только результатами гистологических исследований.
Седьмая глава диссертации посвящена разработке ключевого элемента гибридных волоконно-оптических датчиков — высокоэффективного фотовольтаического преобразователя. Особенностью гибридных волоконно-оптических датчиков является питание их электронной части с помощью оптического излучения, которое преобразуется в электрическую мощность. В работе теоретически и экспериментально показано, что обеспечить абсолютную взрывобезопасность волоконных систем можно только при ограничении мощности передаваемой по волоконному световоду. Для стандартных многомодовых световодов с диаметром световедущей жилы 625 мкм взрывобезопасная мощность составляет 30-35 мВт. Малые уровни передаваемой мощности требуют высокоэффективных фотовольтаических преобразователей для питания электронных схем датчиков. В работе выполнен комплекс физических и технологических исследований, позволивший на основе многопроходных гетерострктур AlGaAs создать одноэлементные фотовольтаические преобразователи монохроматического излученияс КПД до 45%. Напряжение холостого хода таких преобразователей превышает 1,2 В, что делает их пригодными для непосредственного питания импульсных повышающих преобразователей для питания электронных модулей гибридных волоконных датчиков. Примером реализации гибридных волоконно-оптических датчиков (приведенных в главе 8) на основе разработанных фотовольтаических преобразователей является многофункциональный датчик тока, позволяющий одновременно измерять амплитудное значение тока в высоковольтной цепи, частоту, фазу и температуру токонесущего провода, В восьмой главе приведены результаты исследований некоторых типов волоконно-оптических датчиков, разработанных с применением разработанных в работе микрооптических элементов. Это датчики перемещений отражательного типа, В том числе с компенсацией фоновых отражений, позволяющие с точностью до 1-2 мкм измерять смещения отражающего объекта в пределах 0-400 мкм при использовании
Технологические особенности изготовления диэлектрических фоконов
Основные элементы волоконно-оптического тракта, а именно источники излучения, волоконные световоды, разветвители, фотодиоды и т.д. как правило, имеют различные оптические параметры: апертуру, ППП, их поперечное сечение может отличаться как по форме, так и по площади.
Под согласованием [11] будем подразумевать передачу оптической мощности от одного элемента к другому с минимальными потерями. Очевидно, что правильное согласование всех элементов снижает энергетические потери в системе и повышает качественные характеристики любого волоконно-оптического устройства.
Если апертурная область приемника излучения полностью содержится в апертурной области источника то вопроса согласования этих элементов вообще не возникает, так как максимально возможная передача оптической мощности от одного элемента к другому реализуется уже при непосредственной их стыковке.
Очевидно, что сама постановка вопроса о согласовании элементов возникает только в том случае, когда при непосредственной стыковке элементов область пересечения апертурного объема приемника и источника излучения меньше, чем апертурный объем приемника излучения. В этом случае согласующий элемент должен преобразовать лучевые параметры источника (расходимость и поперечное сечение светового пучка) так, чтобы максимально вписать их в апертурный объем приемника излучения.
Следует отметить, что в случае, когда апертурный объем приемника излучения превышает апертурный объем источника, возможна полная передача светового излучения от источника в приемник. Как уже отмечалось, апертурный объем однозначно связан с 2 числом мод (N = —V), поэтому, сформулированное выше утверждение можно означает, А что для полной передачи мощности от источника излучения к приемнику число направляемых мод приемника должно быть не меньше числа излучаемых мод источника. Из этого следует, что, теоретически, одномодовые тракты всегда можно согласовать со 100% эффективностью.
Фактически, согласующие элементы, в зависимости от конкретных параметров приемника и источника излучения должны либо сколлимировать световой пучок, увеличив естественно, его поперечное сечение, либо наоборот сфокусировать его, чтобы передать на малую площадку (если например приемником является фотодиод).
Преобразование излучения прозрачными фоконами рассматривалось в [12], однако в данной работе не рассматривались фоконы со светоотражающей диэлектрической оболочкой, как это имеет место в волоконных световодах.Применение волоконных фоконов для согласования полупроводниковых излучателей со световодами рассматривалось в [13,14] Двухслойные диэлектрические фоконы имеют существенные особенности преобразования световых лучей [15], которые будут рассмотрены в настоящем параграфе. При использовании диэлектрических фоконов в качестве согласующих элементов важно выяснить, как влияют его конструктивные параметры (диаметры входного и выходного торцов, угол конусности) на эффективность согласования.Очевидно, что диаметр выходного торца фокона должен равняться диаметру световедущей жилы приемного волокна.
Чтобы выяснить влияние угла конусности /? на коллимирующие свойства фокона, рассмотрим распространение в нем пучка лучей излученных точечным источником расположенном на оси фокона у его узкого торца. Предполагается, что все лучи распространяющиеся в фоконе испытывают полное внутреннее отражение.
На этих рисунках горизонтальными пунктирными линиями ограничен диапазон выходных углов, соответствующий апертуре 0,2 - типичной для многомодовых световодов. Из приведенных зависимостей видно, что при больших углах конусности излучение выходящее из фокона с апертурой 0,2 будет иметь вид концентрических колец расстояние между которыми увеличивается с ростом угла конусности. При малых углах конусности максимальный входной угол, в пределах которого будет происходить непрерывное коллимирование излучения при заданной выходной апертуре вк можно приближенно оценить по формуле: Из этой формулы следует, что при /3 — 0 преобразование фоконом пучка лучей будет определяться соотношением Лагранжа-Гельмгольца. Из рис.2.2 можно сделать вывод, что при апертуре волокна, в которое вводится излучение, равной 0,2 (типичное значение для многомодовых световодов) в качестве согласующих элементов целесообразно использовать фоконы с углом конусности не более 0,5.
Наряду с коллимированием излучения, фоконы могут применяться и для его фокусировки. При этом излучение с малой угловой апертурой (например от газового или твердотельного лазера) входит в фокон через его широкий торец, а на его узком выходе получаем излучение с большей угловой апертурой, но меньшим поперечным сечением, которые соответствуют параметрам приемника излучения. Такой режим может быть также использован для согласования световодов с фотодиодами, имеющими малую площадь фоточувствительпой площадки от которой зависит емкость и темновой ток фотодиода и, следовательно, быстродействие и чувствительность фотоприемного устройства в целом.
Однако, применение сужающихся фоконов имеет ряд особенностей, связанных с тем [12], что в оптических волокнах конического сечения (сужающихся фоконах), в дополнение к френелевскому отражению возможно полное внутреннее отражение (ПВО) света на выходном торце. Этот эффект является паразитным, когда речь идет о передаче максимальной мощности от источника к приемнику и может оказаться полезным при использовании сужающихся фоконов в волоконно оптических датчиках отражательного типа, увеличение коэффициента отражения увеличит чувствительность датчика к воздействию внешних факторов.
Влияние оптических и геометрических параметров сужающегося фокона на условия отражения света на его торце изучалось в [16]. Ход лучей и основные параметры сужающегося фокона приведены на Рис.2.3.
Предполагается, что сужающиеся фоконы выполнены на основе двухслойного оптического волокна причем, диаметром жилы, может быть как значительно меньшим полного диаметра волокна, так и соизмерим с ним Рассмотрим распространение меридионального луча АВ в сужающемся фоконе, который характе-ризуется углом конусности /?, радиусами световедущей жилы а и волокна Ь, показателями преломления материалов жилы nj и оболочки пг (щ пт) и апертурой волокна А. Предположим, что луч входит в жилу фокона под углом (р (угол внутри световедущей жилы фокона). Через отражений от границы жила — оболочка угол между лучом и осью фокона станет
Стабилизатор модового состава излучения
Эквивалентная ступенчатая аппроксимация с высокой степенью точности описывает поле моды, характеризуется наглядностью результатов и простотой их дальнейшего использования.
До настоящей работы было известно несколько методов экспериментального определения эквивалентных ступенчатых параметров (ЭСП). Если задана рабочая длина волны света, то предпочтительнее использовать ЭСП, определяемые по виду дифракционного распределения интенсивности основной моды в дальней зоне. Однако, дифракционный способ нахождения ЭСП при экспериментальной реализации принципиально требует регистрации интенсивности излучения дальнего поля моды с динамическим диапазоном не менее 50 дБ. Кроме того, практическое применение ЭСП, вообще говоря, не является полностью корректным до тех пор, пока отсутствуют оценки степени совпадения законов распределений полей мод эквивалентного и реального градиентного ОВС.
В работе [47] предложено видоизменить дифракционную методику измерения ЭСП с целью ее упрощения и определения меры совпадения распределений полей мод исследуемого градиентного и эквивалентного ступенчатого ОВС.
Известно, что распределение поля излучения из торца ОВС в свободную среду в зоне Фраунгофера (z » ka2, где: к = 2п1Х, А, - длина волны света, a - характерный размер световедущей области, z - координата плоскости наблюдения) имеет вид: где: г - вектор, определяющий координаты точки на торце ОВС, р - вектор определяющий координаты в плоскости наблюдения, фо - распределение поля на торце ОВС.
В случае ступенчатого слабо направляющего ОВС, подставляя в (3.4.13) выражения для ОВС.
Значения ЭСП градиентных ОВС предлагается вычислить, варьируя величины переменных в распределения поля моды ОВС из [44] получаем зависимость, описывающую распределение интенсивности излучения моды в дальней зоне: [4z2J2(a) где a = ——, p — координата в плоскости наблюдения; U и W— параметры, удов Z летворяющие соотношению U2 +W2 -V2 -ка(п2 -п2), пх,п2 —показатели преломления жилы и оболочки выражении (3.4.14) добиваясь наилучшего совпадения теоретического распределения интенсивности излучения моды эквивалентного ступенчатого ОВС в дальней зоне и экспериментального распределения интенсивности дальнего поля моды исследуемого ОВС с градиентным ППП. Для определения степени этого совпадения используется метод переменного масштаба [49].
При практическом осуществлении предложенного способа нахождения ЭСП регистрировалось угловое распределение интенсивности излучения дальнего поля основной моды. Интервал экспериментальных значений угловой координаты в разбивался на N равных частей и каждому узлу разбиения вК оставалось в соответствие значение Рк: где 0п=пАв, Ав— угол между узлами разбиения, R(0„)— экспериментальная интенсивность излучения дальнего поля моды для угла вп. Таким образом, строится зависимость нормированной величины Рк , от угловой координаты вк.
Аналогично, для произвольного значения параметра V на равные интервалы разбивалась некоторая область значений переменной а, и каждому узлу разбиения ставилась в соответствие нормированная величина:
Из построенной ранее зависимости Рк=Р(0к)дпя каждого значения Sm определяется значение вт, т.е. строится функция Sm=S(0m), а следовательно, иат =а(вт). Далее величина параметра V варьируется и находится последовательность зависимостей а = сс{6).
Если существует некоторое значение параметра V, при котором графиком функции а = сс(в) является прямая линия, то для данного V экспериментальный закон распределения интенсивности излучения в дальнем поле моды градиентного ОВС совпадает с расчетным законом распределения (3.4.14). Следовательно, полученное значение V и значение а, определяемое по тангенсу угла наклона прямой а — а{&), будут эквивалентными ступенчатыми параметрами.
Для измерения дифракционного распределения интенсивности излучения основной моды в дальней зоне была создана автоматизированная установка на базе микро-ЭВМ «Электроника ДЗ-28» и крейта «КАМАК» с набором модулей. Блок-схема экспериментальной установки изображена на рис. 3.14. Исследуемый ОВС с фильтром мод закреплялся на поворотной платформе так, чтобы торец находился в плоскости, проходящей через ось вращения платформы. Точная установка и контроль качества торца ОВС проводились при визуальном контроле с помощью микроскопа.
Распределение интенсивности излучения в дальнем поле основной моды регистрировалось фотоприемником с p-i-p фотодиодом на входе. Использование для вращения платформы шагового двигателя, управляемого микро-ЭВМ, позволило автоматически накапливать серии измерений с минимальным шагом 0,25 4- 0,04 град. В качестве источника оптического излучения применялся лазер ЛГ-79-1 с длиной волны света А, = 0,633 мкм. Динамический диапазон регистрируемых интенсивностей излучения в дальней зоне моды составлял не менее 27 дБ.
Среднее квадратичное отклонение результатов измерения распределения интенсивности дальнего поля моды ОВС при усреднении по 10 сериям не превышало 1% в динамическом диапазоне 25 дБ. Процесс определения ЭСП проиллюстрирован на рис. 3.15. Как показали расчеты, для значений К,Л7г=1,83±0,02 и аЭкй =2,97±0,02 мкм эквивалентное
ступенчатое распределение интенсивности излучения в дальнем поле моды совпадает с экспериментальным в динамическом диапазоне 20 дВ с точностью не хуже 1%. Величина 1% характеризует лишь сходимость метода, действительная точность рассчитанных ЭСП определяется погрешностью экспериментальных данных и не превышает 3%.
Одыоволоконныи интерферометрическии датчик перемещений.
Известно [99], что на основе явления оптической бистабипьности (ОБ) могут быть созданы различные оптические устройства обработки информации. Вопросы возможности существования ОБ в материалах, оптическая нелинейность которых обусловлена фазовым переходом типа „полупроводник-металл", впервые обсуждалась в работе [100]. В этой работе экспериментально наблюдалась ОБ (тепловой природы) на пленках V02 в СВЧ диапазоне на длине волны Я = 2.2 мм, соответствующей области поглощения на свободных носителях. Однако в области собственного поглощения (граница спектра собственного поглощения V02 Л = 2 мкм [78]) оптическая бистабильность не наблюдалась, хотя индуцирование фазового перехода (ФП) излучением имело место. На основании численных оценок в этой работе был сделан вывод, что для наблюдения ОБ необходимы низкие температуры окружающей пленку V02 среды. Например, для Л = 1.15 мкм температура окружающей среды не должна превышать 23 К.
В данной параграфе приведены результаты исследования ОБ на пленках V02 в области спектра собственного поглощения на Я = 1.3 мкм при температурах окружающей среды от -20 до 50 С.
Существование ОБ в пленках V02 в значительной степени зависит не только от её оптических свойств, но и от температурных характеристик ФППМ, определяемых в основном размытием Дбр и гистерезисом А 0г. Можно показать, что при заданной температуре окружающей среды 9о условие ОБ имеет вид: Am — As As At у tp-Atr 0 где As, m - коэффициент поглощения пленки VO2 соответственно в полупроводниковой и металлической фазах. Поэтому для наблюдения ОБ целесообразно использование пленок VO2 с минимальными значениями Atr и Atp, которые характерны для пленок на монокристаллических подложках. Расчет величин А5и Ат, в зависимости от толщины пленки d As(d) = \-Rs{d) Ts{d) и Am(d) = l-R,„(d)m(d) (R иГ- коэффициенты отражения и пропускания пленки на X = 1.3 мкм, излучение падает на пленку из световода, второй границей является воздух) с учетом интерференционных явлений в пленках V02 [101] показал, что условие для ОБ As Ат выполняется только для пленок с толщиной 0,02 d 0.2 мкм. Максимальная разность Ат - As достигается при толщинах d 0,1 мкм (As «0.3, Ат «0.6). Необходимые для расчета оптические характеристики V02 нами были взяты из [78], Заметим, что эти характеристики у разных авторов [71,102] несколько различаются. При больших толщинах пленки {d »0,2 мкм) условие существования ОБ (As Ат) не выполняется, а при малых толщинах (d 0,05 мкм) из-за сильной растянутости ФП [103] и уменьшения контраста оптических характеристик [104] наблюдение ОБ затруднено. Таким образом, если учесть, что оптические показатели V02 на /1= 1.3 и 1.15 мкм практически совпадают [78], можно сделать вывод,, что ОБ в области собственного поглощения не наблюдалась в [100] из-за неоптимапьных толщин пленок V02 на рабочих длинах волн (0.63 и 1.15 мкм).
В данной работе использовались пленки V02 выращенные на торце кварцевого волоконного световода методом описанным в параграфе 5.1. Полученные пленки V02 имели достаточно растянутый по температуре ФП ( 10 С) и ширину гистерезиса 10 С. После термообработки этих пленок V02 при температуре 450-500 С в газовой среде JV2 + 0,Ю2 растянутость ФП и ширина гистерезиса для них уменьшилась соответственно до 7 и 4 С; эти величины оказались приемлемыми для наблюдения ОБ при температурах окружающей среды до 50 С. Толщина пленок V02 полученных на торце волокна, контролировалась по свидетелям. Использованная в работе пленка V02 соответствовала пленке на свидетеле с толщиной 0,1 мкм. На рис. 5.10 приведена экспериментальная температурная зависимость поглощения пленки A(t) = l-R{t){t) на Л = 1.3 мкм, полученная путем измерения R(t) и T(t): Rm « \,2;RS &2,5;TS х 0,38;ГШ я 0,05. Сравнение этих величин с расчетом показывает, что примерно такие параметры соответствуют пленке с толщиной d и 0.14 мкм. Из-за малости радиуса волокна ( 60мкм) температура пленки по поверхности при ее разогреве излучением в стационарном режиме практически однородна. Поэтому, если мощность падающего на пленку излучения равна 10, то температура пленки t(I0) находится из уравнения теплового баланса IQA(f) — B{tc) (правая часть уравнения описывает теплоотвод в окружающую среду с температурой tc от полубесконечного стержня при температуре торца Т [90], т.е. определяется точками пересечения прямой —(tc)c кривой A(t). Интенсивность проходящего света Экспериментальные зависимости 7(/0)для стационарного режима, полученные при различных температурах окружающей среды, приведены на рис. 5.11.
Для комнатной температуры приведена подробная последовательность изменений 1(10). При достижении значений /, «3.3 мВт (соответствующего прямой а на рис.5.9) происходит резкое переключение А —»В, а обратное переключение С — Д (прямая Ъ на рис. 5.9) из металлической фазы в полупроводниковую происходит при уменьшении мощности падающего излучения до І2 я2.7 мВт. При этом коэффициент пропускания практически возвращается на устойчивую ветвь прямого хода. В области 1Х I 12 пленка (в зависимости от предыстории) может находиться в полупроводниковой или металлической фазе. Отношение интенсивности проходящего излучения в полупроводниковой и металлической фазах в точках /, и 12 равны, соответственно, «8 и 3. При немонотонном изменении 10 непосредственно вблизи 12 на зависимости 1(10) наблюдаются петли гистерезиса, связанные с частными температурными гистерезисами в зависимости A (t) вблизи точки С, Если определить температуру ФП tf как середину петли гистерезиса A(t), то для величины /, и 12 получим соотношения: При повышении tc (рис. 5.10) значения Ix и I2 уменьшаются, что находится в согласии с приведенными соотношениями (5.4.1). При достаточно высоких температурах окружающей среды (t 50 С) условия для существования ОБ не выполняются, и происходит плавное индуцирование ФП излучением без скачкообразного изменения состояния (рис. 5.10, tc = 54С).
Вследствие малого размера пленки и ее эффективного теплообмена с окружающей средой через волоконный световод, времена переключения при комнатной температуре составляли (в зависимости от скважности оптических импульсов) 0.1-1.5 мс.
Рассмотренная нами волоконно-оптическая структура на основе пленок двуокиси ванадия, обладающих ОБ, по таким параметрам, как пороговые мощности и времена переключения не уступает известным материалам с ОБ тепловой природы [99]. Следует отметить, это эти параметры могут быть существенно улучшены, т.к. они зависят от диаметра торца волокна, характеристик пленки (толщина, размытость ФП по температуре, ширина температурного гистерезиса). Технологическая возможность вариации толщины пленок V02, по-видимому, позволит расширить диапазон длин волн, при которых возможно индуцирование ОБ.
Кроме пленок, полученных на торцах волокон, ОБ наблюдалась также на пленках, полученных на различных прозрачных подложках. Были исследованы спектральные зависимости оптических коэффициентов пленок VO2 с учетом интерференционных эффектов при различных толщинах пленок. Результаты этих исследований приведены в табл.5.1, где для наиболее широко используемых лазерных (в том числе полупроводниковых) линий определены области толщин, при которых выполняются условия ОБ и соответствующие им оптические
