ID: 63533

Название работы: Оптоелекронні пристрої

Категория: Лекция

Предметная область: Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Описание: Використовують для естетичних завдань, а також використовування вимірювання різних дефектів у важливих за призначенням об’єктах (дефект колеса літака), а також в інформаційних системах.

Язык: Украинкский

Дата добавления: 2014-06-21

Размер файла: 3.51 MB

Работу скачали: 6 чел.

Оптоелекронні пристрої

3 розділи

1.  Джерела випромінювання(лазери). Їх характеристики. Схеми вимірювання.
2.  Волоконні світловоди. Характеристики. Схеми вимірювання.
3.  Оптоелектронні пристрої. Волоконно-оптичні давачі.

Класифікація оптоелектронних пристроїв. Основні характеристики. Основні галузі застосування ОЕП.

1.  Зв’язок
2.  Лазерні відкриті лінії зв’язку.

Переваги: секретність передавання інформації, непотрібний дозвіл на використання зв’язку.

Недоліки: вплив зовнішніх факторів на якість передавання інформації.

Альтернатива – використання у космічних системах, використання закритих каналів зв’язку ВО світловодів.

1.  ВО лінії зв’язку.

Завдяки особливостям оптичного діапазону(дуже висока несуча частота , чи мала довжина хвилі 1…10 мкм) можна передавати великі обсяги інформації на велику відстань.

15,5 Гбіт/с на відстані 7000 км (це 400 DVD дисків з Парижу до Чикаго передаються за 1 с, при цьому використовується 155 лазерів на різних частотах і кожен має швидкість 100 Гбіт/с.

Сучасні лінії зв’язку мають ретранслятори 50-70 км. Але найкращі лініх зв’язку мають спеціальні лазери (працюють у солі тонному режимі) і спеціальні світловоди – волокно з само підсилюванням на ербії, що дозволяє використовувати ретранслятори через 5000-7000 км.

1.  Локація
2.  Лазерні локатори (Лідари)

За допомогою лазерних пристроїв на відстані до 150-200км можна проводити аналіз газових і твердих речовин у хмарах. Особливо це важливо при техногенних катастрофах.

1.  Лазерні далекоміри

За допомогою коротких лазерних імпульсів і малої довжини хвилі, наприклад: He-Ne (0,6328 мкм) – можна з високою точністю вимірювати відстань.

5 млВт He-Ne працює на відстані 60 км, похибка вимірювання 0,5 мм.

1.  Лазерні доплеровські анемометри(вимірювачі швидкості)

Вимірюється швидкість руху будь-яких об’єктів (мікрооб’єкти, великі об’єкти(м)) у діапазоні швидкості 1 мкм/с – 100 м/с на відстані до 1-3 км.

Приклад: лазерний віброметр, який дозволяє досліджувати вібраційні характеристики на відстані до 3 км, наприклад амплітуду і частоту звукових хвиль.

1.  Приладобудування
2.  Лазерні(ВО) гіроскопи

Дозволяє з дуже високою точність визначати особливості руху будьяких об’єктів (від яхт до літаків).

1.  Когерентні вимірювальні пристрої.

Це будь-які сканери, мобіліцейські вимірювачі швидкості автомобілів, різні давачі фізичних параметрів.

1.  Галагрофічні пристрої і системи.

Використовують для естетичних завдань, а також використовування вимірювання різних дефектів у важливих за призначенням об’єктах(дефект колеса літака), а також в інформаційних системах.

1.  Оптикоелектронні пристої

Це будь-які системи спостереження і контролю.

1.  Медичні прилади

Опромінювання крові і серця, лазерна зварювання сітківки ока, лазерне видалення татуювання шкіри, лазерні терапевтичні апарати.

1.  Лазерна технологія
2.  Прецезійна обробка матеріалів

Це лазерне маркування, лазерна прецезійна підгонка мікроелементів у мікросхем.

1.  Потужні лазерні технологічні пристрої – зварювання корпусів автомобіля, термоядерний синтез, військове застосування потужних лазерів.
2.  Енергетика
3.  Термоядерний синтез
4.  Передавання енергії на відстань – с землі на об’єкти і з супутників на землю(штучне Сонце).
5.  Комп’ютерна техніка
6.  Оптична обробка інформації у реальному часі.
7.  Оптичні комп’ютери (процесори).

При роботі систем у оптичному діапазоні значно(на 5 порядків) підвищується робоча частота системи, і це дозволяє:

1) значно підвищити швидкодію комп’ютерів за рахунок збільшення тактової(робочої) частоти;

2) заміна зв’язків між блоками у комп’ютері волоконно-оптичними лініями зв’язку, які мають значно більшу швидкість передачу інформації;

3) розробка принципово нових логічних елементів – логічних процесорів, які використовують оптичну паралельну обробку інформацію за допомогою двомірного перетворення Фур’є.

Теоретичні основи лазерних оптоелектронних пристроїв. Основні характеристики лазерів. Схеми вимірювання.

Особливості оптичного діапазону електромагнітних хвиль. Оптичний діапазон є безперервною частиною електромагнітних хвиль, тому у цьому діапазоні працюють основні закони і рівняння Максвелла, але є деякі принципові переваги цього оптичного діапазону. По-перше, робочі частоти , що відповідає довжинам хвилі порядку мікрометрів.

Оптичний діапазон складається:

1.  Видимий діапазон електромагнітних хвиль(0,34 – 0,76 мкм)

Для оптичного діапазону характерним є можливість передавання дуже великих обсягів інформації за рахунок збільшення несучої чи носійної частоти.

1 канал телефонії займає частоти

1 телевізійний канал  

У оптичному діапазоні можна розмістити 10 млрд. каналів телефонії і 10 млн. телевізійних каналів. У оптичному діапазоні значний виграш за енергетикою сигналів.

E – енергія кванта;

h – стала Планка;

ν – оптична частота.

В оптичному діапазоні за рахунок підвищення робочої частоти значно збільшується енергія квантів, що використовується в сучасних генераторах. Крім того завдяки значному зменшенню довжини хвилі відносно розмірів антени суттєво підвищується коефіцієнт підсилювання антени, а також її направленість.

Таким чином, коефіцієнт підсилювання будь-якої антени визначається:

Чим менше , тим більше коефіцієнт підсилювання антени. Мінімальний розмір плями до якої можна сфокусувати лазерний промінь, також визначається довжиною хвилі.

NA – числова апертура фокусуючого об’єктиву.

Наприклад, для CD вибирається таким чином об’єктив, що розмір визначається 0,9 мкм.

3) Покращення роздільної здатності в оптичному діапазоні, локаційних, далекомірних і навігаційних пристроїв. Можна отримати більш короткі зондуючи імпульси.

4) В оптичному діапазоні можна значно підвищити ефективність і швидкодію комп’ютерів.

Умови для нормальної роботи будь-якого лазера

LASER – підсилювання світла за рахунок вимушеного індукованого випромінювання.

LASER → MASER

RASER → GASER

Найбільш потужні GASER і RAZER, і використовуються для знищення супутників.

Для нормальної(стабільної) роботи будь-якого лазера необхідно виконання 3-ох основних умов:

1.  Наявність активної речовини;
2.  Наявність джерела живлення;
3.  Наявність позитивного зворотного зв’язку(в оптичному діапазоні – наявність дзеркал резонатора). І тільки при наявності усіх трьох чинників система буде нормально працювати.

Всі лазери поділяються:

1.  Залежно від типу активної речовини(твердо тільні лазери, газери, рідкісні, напівпровідникові);
2.  Залежно від джерел накачування(газорозрядні, накачування електронами, плазмою, ядерною накачкою).

І відрізняються діапазоном випромінювання(ІЧ, УФ, видимі).

Основні характеристики лазерів і їх випромінювання. Схеми вимірювання характеристик.

Основні характеристики лазерів:

1.  Монохроматичність
2.  Ступінь когерентності(часова, просторова)
3.  Розбіжність(направленість випромінювання)
4.  Модовий склад випромінювання. Просторова структура випромінювання.
5.  Ступінь поляризації
6.  Робочий діапазон довжин хвиль(частоти випромінювання)
7.  Потужність випромінювання
8.  Режим роботи(безперервний, імпульсний).
9.  Стабільність частоти випромінювання
10.  Можливість модуляції випромінювання. Діапазон частот модуляції.
11.  Стабільність потужності випромінювання за часом і у просторі.
12.  ККД
13.  Довговічність.
14.  Стійкість до зовнішніх впливів(температура, вібро-удароміцність, вологість)
15.  Масо-габаритні характеристики
16.  Вартість
17.  Кількість чи число вмикань-вимикань лазера у мережу 220 В.

Монохроматичність – ця характеристика визначає ширину спектральної лінії випромінювання, яка генерується на одній частоті(одного кольору).

Монохроматичність визначається:

1.  типом активної речовини(газ чи тверде тіло)
2.  характеристиками енергетичних рівней у лазерів.
3.  Властивостями резонатора-лазера.

Звичайно всі лазери працюють тільки на одній довжині хвилі:

 

He-Ne 0,6328 мкм (макс. 50 мВт)

Ar  0,4880(синій)…0,5145(зелений) [до 10Вт]

Довжина хвилі лазера гарним регулятором змінюється у цьому діапазоні.

Всі твердотільні лазери  1,06

Напівпровідникові лазери мають робочий діапазон (GaAs → 0,85…1,05 мкм) для зв’язку потужністю до 100 мВт/Дж.

Для системи СД розробили спеціальні лазери з довжиною AlGaAs → 0,69 мкм. Для нових систем DVD Blue RAY →, λ = 0,405 мкм (з подвійною щільністю запису інформації).

При зменшенні довжини хвилі випромінювання лазера зменшується термін експлуатації.

Монохроматичність чи смуга спектральних частот – це є інтервал частот у межах якого інтенсивність випромінювання зменшується у 2 рази.

Ця смуга частот визначається часом життя частинок на енергетичних рівнях і вірогідністю переходів цих частинок на нижній рівень.

– вірогідність переходів з рівня n на рівень m.

– час життя частинки на енергетичному рівні.

Для реальних лазерів відбув розширення чи збільшення  внаслідок:

1.  Для газових лазерів фактором збільшення є зіткнення непружних частинок між собою і стінками капілярів.
2.  Для твердоті лих лазерів розширення обумовлене під впливом магнітного поля(ефект Зеймана)
3.  Для твердоті лих лазерів під впливом електричного поля(ефект Шторха).

Змінювати чи монохроматичність інколи можна за допомогою додаткового резонатора.

Часова і просторова когерентність

Звичайні оптичні коливання – некогерентні, а когерентність коливань чи хвилі, характеризує зв'язок паралельної електромагнітної хвилі за часом і у просторі.

Часова когерентність характеризує зв'язок параметрів електромагнітної хвилі у будь-якій точці простору у різні проміжки часу.

Просторова когерентність – характеризує зв'язок параметрів електромагнітної хвилі – в один і той же момент часу, але в різних точках простору.

Для того щоб електрична магнітна хвиля була когерентною, необхідно максимально тривалий час стрибків фази чи її раптових змін(не повинно бути).

Ідеальне монохроматичне коливання має сталу амплітуду у будь-якій точці простору і лінійну зміну часу за фазой.

Схема вимірювання часової когерентності

Випромінення лазера(1) напівпрозорим дзеркалом(2) розділяється на два проміня (І) (ІІ) рівної інтенсивності. Перший промінь через дзеркало(IV) направляється на екран(6) другий промінь через дзеркало (3)(5)(4) також направ. на екран (6). На поверхні екрану формується інтерференційна картина у вигляді попереміжних – еквідістантних світлих і темних кілець(Imax Imin) контраст інтерф. картини визначається:

При збільшені відстані між дз(2) і (3) контраст інтерф. картини зменшується і на відстані (Δ зникає і становиться менше ніж 10%)

Тоді довжина когерентності для цієї схеми

Звичайне джерело не когерентне можна сфокусувати у пляму з розмірами сумірними з розмірами зони(області) випромінювання(нитка розжарювання 0 для ліхтарів, розміри дуги для прожекторів).

Для когерентних джерел розмір цієї плями сумірний з довжиною хвилі випромінювання.

Схема вимірювання просторової когерентності

Фазовий фракт 2 точкового джерела 1 розповсюджується по всім напрямкам і досягає екрану 3 з отворами 4; згідно принципу Гюйгенса отвори 4 є точковими джерелами вторинного випромінювання, фазовий фронт якого 5 повністю узгоджений з фазовим фронтом 2 первинного випромінювання. На відстані Д від екрану 3 встановлелюється екран 6, на поверхні якого формується інтерференційна картина 7 у вигляді еквідистантних світлих і темних смуг(контраст картини визначається аналогічно за тією ж формулою).

Крок інтерференційної картини

Θ – половина кута між джерелами.

При збільшені відстані між джерелами 4 контраст інтерференційної картини зменшується і на відстані L, картина зникає.

Для цієї схеми

Якщо джерела 4 не є когерентними, то на екрані 6 буде відбуватись збільшення загальної інтенсивності світла.

Розбіжність(направленість) лазерного випромінювання

Випромінювання звичайних не когерентних джерел розповсюджуються у широкому просторовому чи тілесному куті, лазерні джерела мають принципово високу направленість, тому випромінювання може розповсюджуватися без фокусування на велику відстань без втрат енергії(роз фокусування).

Промені 1 і 2 – будуть загасати(не будуть підсилюватись). Тільки 3 – будет підсилюватись.

Розбіжність лазерного випромінювання обмежується дифракційними спотвореннями променя і визначаються:

λ=0,6328 мкм (He-Ne)

k – коефіцієнт пропорційності(для однорідного променя = 1,22).

п λ – довжина хвилі лазера

d – діаметр на виході(апертура) пучка лазера.

Крім того розбіжність випромінювання залежить від потужності лазера, його типу і довжини резонатора. Чим більша потужність випромінювання, тим розбіжність більша. Чим більша довжина резонатора, тим розбіжність менша.

L – відстань між дзеркалами лазера.

Основні лазери мають розбіжність.

He-Ne → 0,2 … 1,5 мрад

Ar → 2 … 5 мрад

Твердотільні:  → 7 … 10 мрад

→ 10 … 20 мрад

AlGaAs → 5 … 20 нрад

Просторово-часові характеристики випромінювання

Модовий склад випромінювання

Модовий склад випромінювання лазера залежить від типу резонатора, в якості його юстирування і основна мода випромінювання є мода

           

xy – індекс поперечних мод

q – індекс повздовжніх мод

Основною модою є      

Для лазеру: (Гаусовий сигнал з максимальною інтенсивністю по центру):

На практиці бажано використовувати моди нижніх порядків, тому що їх легше сфокусувати і забезпечити більшу ефективність узгодження з іншими оптичними елементами (наприклад, волоконно-оптичними світловодами), але для медичних застосувань при опроміненні шкіри та інших, де не потрібно узгоджувати промінь, можна працювати і на модах вищих порядків.

Для твердо тільних лазерів складна модова структура випромінювання визначається дефектами активної речовини.

– дефекти твердого тіла.

Часова структура випромінювання

Для лазерів, які працюють в безперервному режимі необхідно контролювати вихідну потужність, щоб її(потужності) флуктуації не перевищували 5-10%. Для лазерів, що працюють у імпульсних режимах, структура випромінювання залежить від джерел збудження:

Тому для ефективного збудження твердих тіл, необхідно ретельно узгоджувати спектральні характеристики ламп накачування з вікнами максимального поглинання у твердому тілі. Сучасні потужні лазери формують імпульси за допомогою додаткових елементів, які розташовані у резонаторі між дзеркалами. Це зменшує добротність резонатора і при накачуванні імпульси не виникають. Якщо ці елементи різко видалити з резонатора, виникають потужні імпульси. (Це акусто-оптичні затвори, призми, рухомі дзеркала, тощо) В таких системах формуються імпульси тривалістю 0,1 …1 нсек при потужності випромінювання імпульсів 1…10ТВт.

Поляризація лазерного випромінювання

Звичайні джерела оптичного випромінювання не поляризовані, але при відбитті під кутом від поверхні відбувається їх поляризація. Для поляризації лазерного випромінювання використовують цю властивість при відбитті за допомогою спеціальних вікон Брюстера, які розташовуються під кутом до осі капіляру і зроблені з кварцу або скла.

Тангенс цього кута Брюстера:

де n – це показник заломлення активної речовини.

He-Ne

Поляризація визначає детерміноване положення чи міну вектору електричного поля Е у просторі:

1.  Якщо вектор Е змінюється в площині →

????? →лінійна

- еліптична

- кругова

Ступінь поляризації → 1:500 – еліптична

     1:1 – кругова

Якщо лазерне випромінювання не поляризоване, то можна використовувати додатковий поляризатор(це стосується твердо тільних і напівпровідникових лазерів).

Основні типи оптичних резонаторів

Основні типи резонаторів, які використовуються у лазерах:

1.  Резонатор з плоскими дзеркальними(резонатор чи інтерферометр - _

Фабрі П’єро:

1.  Хонфокальний резонатор:

1.  Напівконцентричний

1.  Кільцеві резонатори:

У кільцевих резонаторах використовується ефект Саніяка, який полягає у тому, що виникає різниця фаз між хвилями у резонаторі, якщо його обертати з кутовою швидкістю .

Для резонатора Фабрі-П’єро відбувається суперпозиція плоских хвиль, формується стояча хвиля між дзеркалами, яка є стабільною при спів падінні відстані між дзеркалом і цілого(парного) числа хвиль.

Відстань між дзеркалом L

λ – довжина хвилі у вакуумі;

– довжина хвилі у активному середовищі;

n – показник заломлення активного середовища між дзеркалами;

m – ціле число.

У резонаторі формується багато мод, відстань між якими за довжиною хвилі:

Ця відстань дуже мала, тому основна задача при проектуванні лазерів сконструювати резонатори з високою добротністю для селекції паразитних хвиль.

Добротність резонатора лазера

Добротність визначається:

1.  Втратами на відбиття від дзеркал резонатора
2.  Дифракційними втратами

Втрати на відбиття залежать від якості дзеркал, поглинання енергії у дзеркальному шарі. А дифракційні втрати залежать від розмірів дзеркал і дефектів на їх поверхні:

Таким чином добротністю резонатора визначається:

де  – коефіцієнт пропорційності

λ – довжина хвилі у вакуумі

τ – коефіцієнт відбиття від дзеркал

d – діаметр дзеркала

Крім того добротність резонатора залежить від паралельності дзеркал:

β – кут непаралельності дзеркал(1-3 кутові секунди).

Добротність резонатора залежить від його розмірів – чим більша відстань між дзеркалами L, тим вище добротність, але подальше збільшення добротності буде обмежуватись дифракційними втратами на відбиття(для твердо тільних – додаткові втрати у активній речовині).

Конструктивно дзеркала виконують з таким покриттям:

1.  Срібні дзеркала
2.  Діелектричні дзеркала

Для срібла коефіцієнт відбиття 99,9% тоді як для дзеркал з діелектричним покриттям – 99,99999%.

Конструктивно діелектричні дзеркала виконуються багатошаровими(кількість шарів ≈ 25), використовують ¼ хвильові шари сульфіду цинку та фториду, ці шари наносять на скляну або кварцову основу.

Дзеркала не можна чистити розчином спирту чи інших розчинників, вони обробляються потоком чистого сухого повітря, а також білюючою сіточкою.

Типи і основні характеристики волоконно-оптичних світловодів

Оптичний діапазон є діапазоном(частиною діапазону) електромагнітних хвиль. Для цього діапазону використовується рівняння Максвелла і можна використовувати практично металеві хвилеводи.

[He-Ne]

[]

Але в оптичному діапазоні(ОД) виникають технологічні труднощі виробити хвилеводи дуже малого розміру.

1.  Дуже маленькі розміри є сумірними з λ, але для каналізації випромінювання  лазера використовують кембрики чи полівінілові  трубки з внутрішнім напиленням металу. Довжина таких хвилеводів до 2м.
2.  Металеві хвилеводи також не використовують у ОД через дуже великі втрати при розповсюджені випромінювання через високий поверхневий опір. Альтернативою є використання діелектричних хвилеводів, а для ОД – це скло чи кварц.

Види діелектричних хвилеводів

1.  Однорідний скляний чи кварцовий стрижень

При використанні оптичних хвилеводів, використовують оптичні закони:

1.  Закон заломлення чи Снелліуса.

=1 – повітря

=1,47 – скло чи кварц

n = 1,33 – вода.

1.  Закон повного внутрішнього відбиття випромінювання – якщо вводити випромінювання під кутами > ніж , то випромінювання після заломлення не буде розповсюджуватись і вийде на поверхню – промінь 1, і тільки випромінювання під кутом багаторазово відбивається від поверхні ,  – є ефект повного внутрішнього відбиття, який відповідає закону:

Недоліки: вплив зовнішніх чинників: вологи, забруднення на умови відбиття – додаткові втрати. Альтернативою є використання додаткової оболонки, яка буде стабілізувати умови відбиття. Згідно оптичним законом є один важливий висновок – випромінювання завжди розповсюджується у середовищі з більшим показником заломлення n (більш оптично щільному середовищі).

– показник заломлення оболонки !!!

Матеріали оболонки:

1.  К/К – оболонка кварц/ осердя кварц
2.  К/П – кварц(оболонка з полііміду)
3.   П/П оболонка поліімід/ осердя поліімід

Всі діелектрично оптичні хвилеводи поділяються на:

1.  Оптичні світловоди
2.  Волоконні світловоди

Оптичні світловоди використовуються для передавання зображень. Вони складаються з багатьох однорідних скляних чи кварцових стрижнів, які упаковані у гексагональну матрицю.

Максимальна довжина 5-6 м і можлива трансформація зображень при передаванні(фокони, фокліни).

Волоконні світловоди(ВС) використовуються для передавання інформації на велику відстань(до тис. км.)

Особливості характеристик і конструкцій ВС:

1.  Багатоходовий ступінчатий двошаровий світловод.

Залежно від умов збудження у ВС виникають хвилі:

1.  Просторові моди(хвилі), які характеризуються кутами падіння більшими ніж кут повного внутрішнього відбиття(критичний кут). Вони виходять з оболонки , поглинаються в захисній оболонці , є шкідливими, обумовлюють втрати потужності.
2.  Моди оболонки – виникають також при збудженні під великими кутами, але мають повне відбиття –– і розповсюджуються на велику відстань, є шкідливими, паразитними, визначають не тільки втрати енергії, але й взаємодіють з модами осердя і спотворюють інформацію, що передається, тому їх обов’язково треба виводити(фільтрувати) із світловоду за допомогою спеціальних пристроїв – склемблерів чи фільтрів мод оболонки.

Моди оболонки фільтруються:

1.  Використовуючи змішувачі мод для збудження усіх коливань осердя і оболонки – які називаються пристроями змішувачами мод.

1.  Після збудження усіх мод оболонки треба їх видалити(попередньо знявши поліімірну оболонку) за допомогою спеціальної рідини у маленькій кюветі чи ванночці. Ця рідина називається імерсійна, показник заломлення якої

Рідина гліцерин чи олія кедрова чи інші.

Після видалення мод оболонки на вході світловода формується стаціонарний режим розповсюдження випромінювання. Цей режим обов’язково потрібно реалізовувати у будь-яких здавачах, а також у схемах вимірювання характеристик світловодів. Але для медичного використання, наприклад, опромінювання шкіри.

Максимальний кут під яким випромінювання вводять чи виводять з світловоду називають апертурний чи критичний .

– числова апертура.

– показник заломлення осердя

– показник заломлення оболонки

– відносна різниця між показниками заломлення осердя і оболонки.

Типи волоконних світловодів

1.  Багатомодовий ступінчатий двошаровий світловід.

2a → 50…60 мкм (250…300 мкм)

(діаметр осердя)

2b → 110…120 мкм(1000…1100 мкм)

(діаметр оболонки)

Кількість мод → десятки тисяч

NA → 0,2…0,3 (числова апертура)

→ 1…3%

1.  Одномодові (маломодові) ступінчасті двошарові світловоди.

2a → 5…7 мкм

2b → 110…120 мкм

NA → 0,11…0,15

→ 0,1…0,3%

1.  Багатомодові градієнтні світловоди

Закон зміни показника заломлення :

Якщо відрізати частину світловода 10-15мм, то вийде волоконно-оптична лінза, яку використовують для узгодження одномодових світловодів з джерелами випромінювання.

Діаметр зовн: 1мм.

1.  Багатомодовий світловід типу W

(краще каналізує світло в осерді)

1.  Градіентний типу М

1.  Спеціальні одномодові (“panda”)

За допомогою спеціальних домішків утровюється подвійне світлозаломлення у осерді.

1.  Краватка метелика

Ці типи світловодів використовуються для збереження і передавання поляризації лазерного випромінювання. Але після 7-10м. поляризація руйнується. І це використовується в вимірювальних пристроях з ефектами поляризації.

1.  Світловод з двома осердями

Використовується для розробки мініатюрних інтерферометрів, а також розгалужувачів та узгоджувачів лазерного випромінювання.

Основні характеристики волоконних світловодів. Схеми вимірювання.

1.  Схема вимірювання числової апертури(NA)

1 –  лазер

2 – оптична система

3 – фільтр МОН-оболонки

4 – волоконний світловод

5 – екран

Інший спосіб вимірювання числової апертури полягає у скануванні вихідного лазерного випромінювання у далекій зоні точковим фотоприймачем 6.

1.  Дисперсія волоконних світловодів – це характеристика, що обумовлює чи визначає спотворення форми прямокутних імпульсів, які передаються волоконно-оптичним трактом.

τ – затримка.

Види дисперсій:

1.  Модова дисперсія  – це різниця часу розповсюдження мод осердя різних порядків(це різний груповий час розповсюдження хвиль). Прямокутний імпульс передається у осерді усіма можливими модами.

Шляхи зменшення модової дисперсії:

1.  Використання одномодових світловодів зменшуючи діаметр осердя.
2.  Використання багатоходових, але градієнтних світловодів.
3.  Хвильова дисперсія – залежність групової швидкості хвиль даного типу від частоти оптичного випромінювання.
4.  Матеріальна дисперсія – залежність групової швидкості хвиль даного типу від частоти оптичного випромінювання.

Сумарна дисперсія ВС визначає максимальну частоту, що передається трактом:

нс/км – це максимальна частота

 МГц

1ТВ канал 8 МГц

Градіентні світловоди

нс/км

МГц

Загальна дисперсія

нс/км

ГГц

Схема вимірювання дисперсії волоконних світловодів

Випромінювання імпульсного напівпровідникового лазера(1) модулюється електричними сигналами з електричного генератора імпульсів(2). Тривалість імпульсів 1-3 нс. Через об’єктив узгодження(3) випромінювання направляється в оптичний світловод (5) [Довжина повинна бути 1…10км]. На вході світловоду(5) встановлена фільтр мод оболонки(4), на виході узгоджувальний пристрій(6) з імерсійною рідиною для узгодження оптичного випромінювання з фотоприймачем(7) (Лавинний фотодіод з робочою смугою частот до 3 ГГц). Далі електричний сигнал направляється на широкосмуговий підсилювач (8) ГГц, а потім стробоскопічний двопроменевий осцилограф(9) з стробоскопічним блоком до 10 ГГц(С1-70).

На екрані осцилографа(9) порівнюються вхідний і вихідний сигнали, вхідний сигнал з електричного генератора (2) направляється крізь лінію затримки (10), яка компенсує час проходження сигналу по світловоду 5 і електронним блокам (7,8,9). На рівні 0,5 вимірюється дисперсія світловоду.

Конструктивна лінія затримки – це є відрізок РК кабелю.

/* Тривалість затримки пов’язана з бухтою світловоду */

Якщо всю приймальну частину схеми перенести на вхід, то ми отримаємо схему оптичного рефлектометру(OTDR).

На екрані OTDR з’явиться така картина:

І – інтенсивність.

За допомогою OTDR можна визначити:

1.  Загасання ВС
2.  Довжину ВС
3.  Наявність дефектів на відстані до 10 см.
4.  Показник заломлення рідини на виході світловоду.

Загасання ВС

1.  Механізм загасання ВС

Існуюють 2 механізми загасання сигналів у ВС(як і у інших середовищах):

1.  Втрати на поглинання.
2.  Втрати на розсіяння.

1.  Поглинання волоконних світловодів.

Поглинання оптичного випромінювання у склі чи кварці дуже мале, але тільки у видимому діапазоні. І з збільшення довжини хвилі втрати на поглинання різко збільшуються внаслідок механізму поглинання енергії на коливаннях матриці скла(інфрачервоний діапазон).

У діапазоні (10,6 мкм: лазер) – скло(кварц) не прозоре і використовується тому оптичні елементи з NaCl, KCl (та можна використати дзеркальну оптику). Основна причина поглинання випромінювання у кварці – це домішки іонів металів: Fe, Ni, Cu, Cr, Va → діапазон 0,5…1 мкм.

Найбільш важливим механізмом є поглинання на іонах гідроксильної групи  (Це вона і від неї не можливо позбутися при виробництві світловодів.).

Основна гармоніка погливання:

λ = 2,7 мкм

Додаткові резонанси: 1,38 мкм; 0,98 мкм; 0,72 мкм.

1.  Втрати на розсіяння.

Існує лінійне розсіяння випромінювання і нелінійне розсіювання – коли з’являються додаткові частоти і компоненти(для одномодових ВС нелінійний режим має місце при потужності 100 мВт, для багатоходових – 2…5Вт).

Лінійне розсіяння залежить від розміру частинок:

1.  Якщо частинки мають розмір d  λ  – існує релєєвське розсіяння, інтенсивність якого

   !!

1. Якщо d > λ, то буде розсіювання Мі.

Індикатриса розсіювання:

Для практичних застосувань(дослідження рідини) бажано працювати не розсіяння уперед). Якщо це неможливо, тоді при зворотному розсіянні треба збільшувати потужність лазера(габарити, вартість) і чутливість фотоприймачів.

Загальна характеристика втрат для реальних ВС.

a=4,8 мкм. Δ = 0,0028

1 – Релеєвське розсіювання (від нього позбутися неможливо – завжди є нерівності з розмірами менше λ)

2 – поглинання випромінювання матеріалом скла чи кварцу.

3 – загальна характеристика розсіювання.

Обов’язково треба фіксувати довжину хвилі на якій вимірюється загасання і змінивши джерело випромінювання(перетин інфрачервоного діапазону) таким чином загасання зменшиться.

Типові значення загасання для ВС:

1.  Багатомодові КК на λ=0,85 – 1,5…2дБ/км, якщо  перейти на λ=1,05 мкм – загасання зменшиться на 1 дБ.
2.  Одномодові ВС   λ=0,85 – 0,5…0,7дБ/км

При виробництві оптичних кабелів загасання через механічні деформації збільшується на 5…7дБ. Якщо використовувати пластичні світловоди, то там загасання сотні дБ/км.

Методи вимірювання загасання волоконних світловодів

Для зв’язку вирисовують оптичні тестери, які працюють на λ=0,85 чи λ=1,05 мкм(передавач і приймач).

Для лабораторних вимірювань використовують такі методи:

1.  Відрівний
2.  Безвідривний метод чи порівняння з еталоном.

Лабараторний стенд для вимірювання загасання ВС.

Якщо вимірюється загасання на одній довжині хвилі, то використовуються лазери (1) [He-Ne; GaAs]

Для зміни довжини хвилі випромінювання використовують спеціальний прилад монохроматор(2), який з білого світла за допомогою фільтрів вирізає будь-якй спектральний колір. Для підвищення співвідношення сигнал/шум у схемі використовують механічний модулятор, який складається з металевого диску(5) складної конфігурації та електричного двигуна(6). За допомогою такого модулятора відбувається перекриття оптичного сигналу і частотний спектр випромінювання збільшується на 1-5 кГц.

Тоді паразитні засвітки від ліхтарів, сонця не впливають на точність вимірювання.

Для підвищення точності вимірювань використовують оптичний атенюатор(10) чи використовується принцип поляризації у атенюаторі. Таким чином встановлюється постійне значення сигналу на фотоприймачі(12), при різних методах вимірювання. Імерсійна рідина(11) використовується для узгодження з фотоприймачем(12).

Фотоприймач(12) – це фотодіод чи фотоелектронний помножувач(ФЕП). Далі використовується резонансний підсилювач(13), який налаштований на частоту модулятора. І потім сигнал направляється на пристрій індикації(14).

Загасання визначається:

Вихідна потужність вимірюється(контролюється) на виході світловоду 9 фотоприймачем 12. А  (1) після фільтра (8)).

1.  При відривному методі вимірюється на відстані ≈ 1 м від входу світловоду. Світловод (9) при цій операції руйнується.
2.   береться на виході відрізка світловоду довжиною 1м такого ж типу. Який розташовується замість світловоду (9) після оптичної системи 7(це метод порівняльний з еталоном).

Переваги 1-го методу: ви вимірюєте загасання чи того ж самого світловоду при чому не змінюючи умови оптичного узгодження з лазером 1(Цей метод має дуже високу точність).

Недолік: руйнування світловоду, що буває недопустимим якщо вимірюється загасання кабелю чи світловоду.

Переваги 2-го методу: не руйнується ВС.

Недоліки 2-го методу: точність вимірювань нижча, яку можна підвищити за рахунок багаторазового повторення експериментів й статистичної обробки результатів(вистачить 7-8 разів).

Волоконно-оптичні вимірювачі. Давачі.

Всі ВОД можна поділити на 2 групи:

1.  Корисна модуляція інформативним сигналом відбувається поза межами світловодів, а передавання і приймання оптичного випромінювання відбувається за допомогою волоконних трактів(амплітудні здавачі, лазерні доплеровські вимірювачі швидкості, тощо).
2.  Корисна модуляція інформативним сигналом відбувається безпосередньо у волоконно-оптичному тракті, він є чутливим елементом на який діють зовнішні фізичні фактори(напр.. деформації, вібрації, температура, вологість, тощо).
3.  Наприклад це всі інтерферометри Малькенсона, Фабрі П’єро, вимірювачі магнітного поля струму.

Лазерний волоконно-оптичний гетеродинний вимірювач швидкості(анемометр)

Вимірювання лазера 1(He-Ne лазер, чи напівпровідниковий лазер) з лінійною поляризацією об’єктивами 2 5 направлялось  у багатомодовий звичайний світловод з довжиною сотні метрів. Вихід 6 розміщувався у вимір.. об’ємі 8, у якому розташовувались мікрооб’єкти 7. Частота лазерного випромінювання (

Розсіяне світло мікрочастинками 7 у межах апертурного кута 2θ приймалась тим же світловодом 6. Передавалась до входу світловоду і дзеркалом з отвором на осі 3 направлялась  фокусуючим об’єктивом 10 на фотоприймач 12 з  апаратурою обробки і реєстрації 13.

Фотоприймач 12 – фотоелектронний помножувач чи фотодіод.

На чутливу поверхню фотоприймача 12 направляється також і опорний лазерний сигнал для ефективного оптичного гетерединування  ці сигнали повинні буди ідентичними. Тому він формується при відбитті від вихідного кінця світловода 6.

Розсіяний сигнал має частоту , яка відрізняється від  на доплеровський зсув частоти.

Цей зсув частоти пропорційний швидкості мікрооб’єктів 7(лінійно пропорційна).

На поверхні фотоприймача 12 відбувається оптичне змішування двох сигналів і виділяється тільки доплеровські частота, як різниця цих сигналів – від кГц(біооб’єкти) до МГц(вогонь, пісок).

Поляризатор 9 викоистовується для зменшення лазерного відбиття від дискретних оптичних елементів.

Переваги схеми: вимірюється повздовжня складова вектора швидкості на відстані від оптоелектронної апаратури.

Точність вимірювань 2-2,5%.

Недоліки схеми: багато оптичних елементів, яких треба ретельно юстувати(альтернатива волоконно-оптичний розгалужувач).

При вимірюванні швидкості рідини опорний сигнал малий і співвідношення сигнал/шум погане.

Волоконно-диференційна схема вимірювання швидкості(з використання оптичної голівки)

Лазерне випромінювання напівпрозорим дзеркалом(3) поділяється на 2 променя, які направляються крізь поляризаторів(5) направляється об’єктивом 9 у ВС 11, що зберігає поляризацію(панда).

Довжина його(панда) 7-8м.

На виході ВС розташована оптична голівка(12) з дискретними елементами, яка формує 2 промені під кутом 2φ. В вимірювальному об’ємі (13) формується інтерференційна картина(світлі і темні смуги) крізь яку пролітають мікрочастинки, розсіяне світло має частоту пропорційно ()

Розсіяне випромінювання приймальним об’єктивом (14) через світловод(15), направляється на фотоприймач(16)(фотодіод чи ФЕУ) з апаратурою обробки(17).

Для визначення знаку швидкості додають акусто-оптичний модулятор(6) (частота модуляцій 80 МГц). Інтерференційна картина починає рухатись зі сталою швидкістю, таким чином можна визначити знак і напрямок руху частинок.

Інтерферометр Маха-Цендера(акустичний гідрофон)

Світловод(7) це опорний ??? (8) – інформативний чи сигнальний, розташовується у вимірювальному об’ємі (9) з акустичними хвилями.

На фотоприймачі (14) формується інтерференційна картина(світлі - темні кільця), що починає рухатись під впливом зовнішніх акустичних коливань об’єму(9). Для визначення знаку зміщень використовують акусто-оптичний модулятор 5.

Переваги: дуже висока чутливість до зовнішніх факторів, малі габарити та маса(гідроакустичний буй).

Недоліки: бажано вирисовувати одномодові світловоди однакових довжини для покращення якості інтерференційної картини.

Така схема використовується у вимірювачах:

Температури, вібрацій, тиску деформацій, вологості і магнітного поля, якщо на світловод (8) нанести магнітострикційний матеріал.