зультате темнового тока. Но распределение амплитуд импульсов от темнового тока обычно сдвинуто в сторону малых напряжений. Дискриминатор должен выделять только импульсы от фотоэлектронов, распределение амплитудных значений которых сдвинуто в сторону более высокого напряжения. Выделенные импульсы усиливаются и затем подсчитываются. С помощью такого способа можно измерять интенсивность тем более слабого света, чем выше отношение сигнал - шум.

Метод счета фотонов с помощью высокочувствительных фотоэлектронных умножителей применялся и раньше для обнаружения слабого света - интенсивностью примерно 10 фотонов в секунду. У лавинных фотодиодов пока еще велики шумы, поэтому при данном методе они обычно не используются, хотя в последнее время в этом направлении предприняты некоторые попытки.

3.7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Как уже говорилось в начале главы, на параметры полупроводниковых светоизлучающих и светоприемных приборов оказывают сильное влияние выбранные для них материалы, конструкция и технология, но это пока не рассматривалось в данной главе.

В последнее время технические характеристики приборов заметно улучшились, соответственно этому расширилась сфера их применения, в том числе и для волоконно-оптических датчиков.

До настоящего времени оптические приборы в основном предназначались для систем оптической связи, а разработок специально для датчиков было недостаточно. И в будущем одна из важных задач в проектировании сенсорных систем - создание специальных оптических приборов с новыми возможностями.

Для того чтобы техника волоконно-оптических датчиков вступила в зрелый период и чтобы значительно расширился их рынок, необходима разработка конструкций и технологии световых приборов, которые бы отличались от приборов для оптической связи. Считается, что в разработке этих приборов, в частности полупроводниковых лазеров, для датчиков можно выделить, по крайней мере, два направления (рис. 3.45).

Первое направление - разработка специализированных лазеров, предназначенных для той или иной сенсорной системы. В связи с этим можно ожидать появления оригинальных лазеров, полностью меняющих представление о светоизлучающих приборах и способствующих улучшению характеристик сенсорных систем.

Второе направление -тщательное исследование модели

Рис. 3.45. Возможности полупроводниковых лазеров

идеального лазера и проектирование сенсорных систем на его основе. Реализация идеальных приборов, сочетающих различные характеристики, является магистральной линией в данном направлении. Этот принцип всегда был движущей силой, начиная с изобретения лазера в 1960 г. Тем, кто занимается исследованием и разработкой датчиков, тоже предстоит создавать системы на основе идеальных лазеров и таким образом расширять шаг за шагом возможности датчиков.

Появление лазеров, чьи характеристики будут удовлетворять обоим указанным направлениям развития, приведет к необходимости разработки оптических схем, приборов, наиболее полно использующих возможности этих лазеров. Поэтому в будущем усилится взаимосвязь техники обработки сигналов, светоизлучающих и светоприемных приборов, оптических схем и оптических волокон.

Глава четвертая ОПТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ДЛЯ ДАТЧИКОВ

4.1. ВВЕДЕНИЕ

В ЭТОЙ главе рассматривается техника оптических схем на примере различных оптических элементов волоконно-оптических датчиков. В § 4.2 внимание уделяется стержневым линзам, которые особенно часто используются в оптических схемах, расщепителям луча, разделяющим световую мощность, волновым пластинам и другим элементам. В § 4.3 описываются оптические изоляторы, ослабляющие флюктуации излучения полупроводникового лазера, которые обычно обусловлены обратным светом, а в § 4.4 - разделительные и соединительные фильтры, волновые мультиплексоры и диплексоры для оптического диапазона волн. В § 4.5 показано, что оптический модулятор является необходимым элементом для обнаружения очень слабых световых сигналов, а в § 4.6 речь идет о частотном сдвигателе, применяемом для гетеродинного обнаружения. В настоящее время проводятся исследования по созданию интегральных тонкопленочных волноводных элементов, о которых рассказано в § 4.7.

В главе описываются принцип действия и характеристики типичных элементов оптических схем, за исключением уже рассмотренных оптических волокон, источников и приемников света. Поскольку среди этих элементов не все имеются в продаже, то полезно рассмотреть их технические особенности, чтобы учесть их при создании схемы датчика. Оптическая схема обычно состоит из множества элементов, поэтому возникает проблема стабилизации характеристик и согласования оптических осей. Одним из направлений решения этой проблемы считается интеграция на одном кристалле нескольких тонкопленочных оптических элементов. Изделия в таком исполнении пока не поступили на рынок, но поскольку они перспективны, то им посвящено несколько страниц. При создании схемы датчика необходимо учитывать также возможность появления в ближайшем будущем новых оптических интегральных схем.

4.2. ОПТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

В этом параграфе рассматриваются оптические элементы пассивного типа.

4.2.1. Стержневые линзы. В отличие от обычной линзы, поверхности которой с обеих сторон криволинейны, стержневая

линза имеет цилиндрическую форму с плоскими торцевыми поверхностями для входа и выхода световых лучей, а свойства линзы как таковой обеспечиваются за счет сформированного в ней распределения коэффициента преломления. Эти линзы подобны оптическому волокну типа GI, опнсаному в гл. 2, причем коэффициент преломления в них изменяется симметрично оптической оси вдоль радиуса по квадратичному закону, что достигается методом ионного обмена с точной регулировкой в процессе изготовления линзы.

Распределение коэффициента преломления по квадратичному закону (рис. 4.1) описывается формулой

п (г) = По (1 « «о (1 - Y ") )

где g -параметр фокусировки, мм-, характеризующий концентрацию света.

Из уравнения траектории светового луча в плоскости меридиана линзы

dHldz-gh (4.2)

следует, что между радиальными координатами рхода и выхода светового луча г\ п Гч п углами г/ и гч существует матричная зависимость

cosg2o --sing2o

\.Т2 1

nogsingzo COSg2oJ

Ln J

(4.3)

Отсюда видно, что траектория светового луча внутри линзы имеет синусоидальную форму. Шаг Р этой траектории равен 2nlg и является основным параметром линзы. Стержневые линзы чаще всего бывают длиной Я/4 и Р/2. Типичные для этих линз траектории световых лучей, входящих по оси со смещением от нее, показаны на рис. 4.2.

Такие линзы обычно имеют диаметр 1...2 мм, длину Р/4 (3...6 мм), параметр фокусировки 0,2...0,5 мм-, т. е. выбор

( f

Рис. 4.1. Траектория светового луча и распределение коэффициента преломления в стержневой линзе

Рис. 4.2. Типичные траектории световых лучей в стержневых линзах различной длины

Стержнебая линза

Оптическое волокно

Рис. 4.3. Согласование полупроводникового лазера с оптическим волокном

ДЛЯ различных целей применения достаточно широк. Стержневые линзы малогабаритны, что удобно для согласования светоизлучающих и светоприемных приборов, например оптических волокон и лавинных фотодиодов. Кроме того, поскольку изображение формируется внутри линзы, между ее торцевыми поверхностями, световые лучи не выходят в окружающую атмосферу, что позволяет объединять линзы в монолитную конструкцию с другими оптическими элементами.

Стержневые линзы нашли широкое применение в коллима-торных системах, которые собирают в параллельный пучок лучи, выходящие из полупроводникового лазера и волокна, а также в системах формирования изображения, которые, фокусируя лучи полупроводникового лазера, согласуют его с оптическим волокном (рис. 4.3). В последнем случае, подбирая длину стержневой линзы и расстояния Л, /г, можно повысить эффективность световой связи.

4.2.2. Призмы и фазосдвигающие элементы. Рассмотрим оптические элементы, наиболее характерные для измерений.

Прямоугольная призма. Как показано на рис. 4.4, такая призма имеет один прямой угол. Если она выполнена из стекла, для которого, например, при коэффициенте преломления 1,5 критический угол отражения равен 41,5°, то при угле отражения 45° получается полное отражение. Такую призму удобно использовать для изменения направления оптических лучей.

Уголковая призма. Эта призма с тремя взаимно перпендикулярными отражательными поверхностями (рис. 4.5). Она обладает таким свойством, что откуда бы ни пришел световой луч, он отразится в том же направлении. Эту призму называют также уголковым отражателем, и она часто используется в качестве зеркала для лазерного интерференционного измерения длины волны.

Полупрозрачное покрштие.

Рис. 4.4. Прямоугольная призма

Параллельные лучи

Рис. 4.5. Уголковый отражатель

Призматический расщепитель луча. Как показано на рис. 4.6, а, такой расщепитель представляет собой две прямоугольные призмы с полупрозрачной пленкой на самых больших («косых») гранях, соединенные этими гранями друг с другом. Полупрозрачные пленки обычно многослойные, и путем оптимального выбора толщины пленок, их коэффициента проницаемости и числа слоев можно добиться разделения световой мощности в соотношении 1:1, 1 : 10 и т. д. Кроме того, как показано на рис. 4.6,6, если придать этим пленкам поляризационные свойства, то получится расщепитель поляризованных лучей, который разделяет входной световой луч по мощности в зависимости от его поляризации. При этом для перпендикулярно падающего на призму входного луча составляющие с вертикальной и горизонтальной поляризацией образуют между собой прямой угол.

Поляризационная призма. Разрезав кристалл с двойным лучепреломлением (например, кристалл известкового шпата или кварца) под определенным углом относительно его оптиче-

Рис. 4.6. Расщепитель световых лучей

я) Обыкновенный

Оптическая /У ось

у,-тк. Необыкновенный

луч

Обыкновенный луч

. - Необыкновенный

Оптическая ось луч

Рис. 4.7. Прнзма-поляризатор