Введение к работе
Актуальность работы. Световоды все больше находят применение в различной датчиковой аппаратуре в качестве чувствительных элементов. Объектом, воспринимающим внешний измеряемый параметр, является оптический волновод. Изменения характеристик волновода, индуцируемые внешним воздействием, мгновенно отражаются на направляемых и энергетических характеристиках мод волновода. Регистрация изменений этих характеристик дает полную информацию о величине и месторасположению измеряемого воздействия. Основными достоинствами применения оптических волноводов является возможность работы в экстремальных условиях – агрессивных и взрывоопасных средах, в условиях сильных электромагнитных полей, вибраций, их достоинствами являются также высокая точность измерения и большой диапазон измерения контролируемого параметра. Среди основных недостатков применения оптических волноводов можно отметить хрупкость кварцевых волноводов, хотя уже сейчас появляются волноводы на основе полимерных структур, в которых эти недостатки не столь актуальны.
Исследования отечественных ученых, таких как Бусурин В.И., Дианов Е.И., Удалов Н.П., Садовников В.И., Голубев С.С., Миловзоров О.В. , Тихомиров С.В., Иванов В.С., а также зарубежных исследователей, таких как Walt David R (США), Bernard Steven M (США), Obara Takashi (Япония), Asawa C.K. (Япония) привели к разработке и созданию различных схем и устройств измерения физических величин на основе волоконно-оптических датчиков, появлению конструктивных, технологических и методологических принципов улучшения их метрологических характеристик.
Характерной особенностью существующих разработок является тенденция использования хорошо зарекомендовавших себя преобразователей и датчиков, основанных на анализе выходного торцевого излучения волновода, изменения которого индуцированы различными внешними воздействиями на волновод, хотя существуют также разработки, основанные на туннелировании и анализе оптической энергии из волновода.
Вместе с тем, часто возникают задачи точечного отбора и анализа данных по длине волновода, основанные на получении излучаемой энергии из волновода, т.е. неторцевое получение информации. Одной из причин отсутствия разработок датчиков подобного рода является пока слабо разработанные методы расчета характеристик излучаемых мод волноводных линий, которые могут быть использованы для съема датчиковой информации.
Трудность осуществления таких расчетов в основном связана с необходимостью описания процесса распространения света в материале волновода, оптические характеристики которого претерпевают значительные изменения. Изменение этих характеристик происходит в результате создания искусственной анизотропии в материале под действием внешнего индуцирующего воздействия. Закономерности распространения оптического излучения в анизотропной среде в настоящее время достаточно изучены, но, как показывает практика, требуют значительных усилий при описании всей картины возникновения излучения из волновода.
Все эти данные убедительно свидетельствуют о том, что необходимо более тщательно проработать процедуру расчета характеристик излучаемых мод, которые несут информацию о передаваемом по волноводу излучению и внешнем воздействии на него. В работе наглядно, с применением примеров, приведен метод расчета излучаемой энергии слабонаправляющих планарных и круглых волноводных структур. Таким образом, в оптико-волноводных датчиках может успешно применяться техника анализа излучаемых мод оптических волноводов, являющихся их основными чувствительными элементами.
В работе на основе полученных результатов предлагается макет и расчет датчика веса. Рассмотрены метрологические характеристики предлагаемого макета датчика веса.
Полученные теоретические результаты применимы и к задачам защиты волоконно-оптических линий связи от несанкционированного съема информации, поскольку излучаемые моды содержат всю информацию о передаваемых данных по волноводу.
Целью работы является анализ характеристик излучаемых мод световодов, которые могут использоваться в качестве чувствительных элементов датчиковых устройств, при их продольном механическом напряжении.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
Проведение системного анализа возможных методов неразрушающего влияния на волновод с целью выбора наиболее приемлемого способа воздействия.
Разработка метода и процедуры проведения расчетов характеристик излучаемых мод планарных световодов при их продольном двустороннем механическом сжатии.
Разработка метода и процедуры проведения расчетов характеристик излучаемых мод круглых световодов при продольном кольцевом механическом воздействии на них.
Анализ характеристик выводимого оптического излучения с целью выбора параметров внешнего механического воздействия, наиболее приемлемых для регистрации излучаемой энергии.
Построение макета световодного чувствительного элемента на примере датчика веса.
Объектом исследования является процесс излучения оптической мощности из световодов, индуцированного механическим сдавливанием.
Предмет исследования – теоретические и методические аспекты получения и регистрации излучаемой оптической энергии из световодов, процедура расчета и применения выводимого излучения из волновода в датчиковой аппаратуре.
Методы исследований основываются на теории волоконной оптики, оптики анизотропных сред, теории фотоупругости, численных способах решения математических задач и методах объектно-ориентированного программирования.
Научная новизна диссертационного исследования состоит в следующем:
Разработан метод расчета основных характеристик направляемых мод, возбуждаемых в планарных и волоконных световодах со ступенчатыми профилями показателя преломления;
Предложена процедура оценки количества излучаемой энергии, индуцированной внешним механическим воздействием на оптические планарный и волоконный волноводы;
Разработаны метод и алгоритм расчета параметров внешнего механического воздействия с целью обеспечения приемлемого уровня энергии излучаемых мод;
Разработана схема использования световодного чувствительного элемента в составе датчиковых устройств механических воздействий и предложен макет датчика веса на основе планарного оптического волновода.
Практическая значимость работы.
Разработана методика расчета излучаемой энергии в планарных и волоконных оптических волноводах со ступенчатым профилем показателя преломления, реализующая определение функциональной зависимости величины энергии излучения от приложенной внешнего механического напряжения на волновод;
Использование разработанной методики расчета энергии излучаемых мод волноводов позволит повысить эффективность моделирования оптико-волноводной датчиковой аппаратуры и процессов передачи информации по оптическим волноводам, снизить затраты на создание качественно новых профилей оптических волноводов, а также аппаратных и методических способов защиты информации в волоконно-оптических линиях связи;
Предложенный макет и принцип создания датчика веса могут быть использованы для создания устройств измерения веса различных объектов и предметов в широком диапазоне измерений.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследования доложены на Международной научной конференции (г. Саратов) “Математические методы в технике и технологиях” – ММТТ-21 (27-30 мая 2008г.), 51-ой научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава Астраханского государственного технического университета, Международной научно-практической конференции (г. Астрахань) “Фундаментальные и прикладные исследования университетов, интеграция в региональный инновационный комплекс” (13-15 октября 2010г.), Международной научной конференции (г. Москва) "Актуальные направления развития прикладной математики в энергетике, энергоэффективности и информационно-коммуникационных технологиях" (27 октября 2010г.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 9 опубликованных научных работах, среди которых 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 141 странице, содержит 38 рисунков, 7 таблиц, список литературы, состоящий из 92 наименований публикаций отечественных авторов и 2 приложений.
