даже смотреть на нее с позиций сегодняшнего дня. Уже с 1977 по 1979 г. появилось множество статей обзорного характера, и по мере того как новые концепции приобретали известность, интерес к ним возрастал. В 1978 г. Нэмото Тосио предложил общую классификацию волоконно-оптических датчиков (рис. 1.4), которая мало чем отличается от современной.

Как видно из табл. 1.2, к 1978 г. число исследований и разработок в Японии и других странах стало уже ощутимым. Однако в публикациях 1970-х годов термин «волоконно-оптический датчик» еще не был общепринятым. В японской технической литературе этого периода чаще всего использовался термин «измеритель на основе оптических волокон», а в статьях на английском языке-«оптический датчик на волокне» (fiber optical sensors). Лишь в 1981 г. термин волоконно-оптический датчик» признан всеми и окончательно утвердился после состоявшейся в 1982 г. в Лондоне первой международной конференции по волоконно-оптическим датчикам (International conference on optical fiber sensors, OFS82).

1.4.2. Восьмидесятые годы. С наступлением 1980-х годов история развития волоконно-оптических датчиков обрастает значительными подробностями, и здесь следует отметить два обстоятельства.

В Японии по инициативе Промышленно-технологического института Министерства торговли и промышленности и под руководством Общества содействия промышленной оптической технологии в течение шести лет (с 1980 по 1985 г.) был осуществлен проект «Измерения с использованием оптики». Разработанные элементы техники оптических измерений, включая и волоконно-оптические датчики, подвергались экспериментальной проверке и оценке в Лаборатории очистки нефти (префектура Окаяма) в 1985 г. К этим испытаниям было привлечено внимание всех заинтересованных лиц.

В других же странах такие, равные по охвату проблем в области прикладной оптики, крупномасштабные проекты не выдвигались. Тем не менее международное обсуждение исследований проходило за границей. Например, вторая международная конференция по волоконно-оптическим датчикам (OFS84) состоялась в Штутгарте (ФРГ), третья (OFS85)-в Сан-Диего (США). Четвертая конференция (OFS86) проходила уже в Токио.

1.5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основными элементами волоконно-оптического датчика, как можно заметить из табл. 1.1, являются оптическое волокно, све-тоизлучающие (источник света) и светоприемные устройства, оптический чувствительный элемент. Кроме того, специальные линии необходимы для связи между этими элементами или для

формирования измерительной системы с датчиком. Далее, для практического внедрения волоконно-оптических датчиков необходимы элементы системной техники, которые в совокупности с вышеуказанными элементами и линией связи образуют измерительную систе>1у.

Вводный характер этой главы дает основание более подробно рассмотреть структуру книги.

Главы 2-4 содержат описание элементов волоконно-оптических датчиков, а гл. 6, 7 посвящены элементам измерительных систем. В гл. 5 рассматриваются волоконно-оптические датчики, у которых оптическое волокно используется в качестве линии передачи, а по содержанию эта глава охватывает элементы как датчиков, так и систем. В гл. 6 и 7 также в той или иной мере обсуждается и элементная база датчиков.

В гл. 2-5 описываются пять самых основных элементов датчиков: оптическое волокно, светоизлучающие приборы, светоприемные приборы, оптические схемы и оптические чувствительные приборы, представление о которых необходимо при анализе и проектировании любого волоконно-оптического датчика. Сначала в гл. 2 без особо сложных математических формул поясняется явление прохождения волн внутри оптического волокна, затем рассматриваются физические, и особенно оптические, свойства оптических волокон и так далее-вплоть до различных элементов схем, создаваемых на основе оптических волокон. Глава 3 посвящена светоизлучающим и светоприем-ным приборам. Описание первых начинается с принципа работы и заканчивается характеристиками мод и спектральными характеристиками колебаний (например, когерентность), имеющими отношение к применению этих приборов в датчиках. Рассмотрение вторых тоже начинается с принципа работы, а заканчивается шумовыми характеристиками. В гл. 4 обсуждаются оптические схемы датчиков, начиная с различных оптических элементов для передачи и кончая оптическими интегральными схемами, которым предстоит играть большую роль в волоконно-оптических датчиках будущего.

В гл. 5 рассматриваются волоконно-оптические датчики, в которых оптическое волокно используется в качестве линии передачи, обсуждаются различные физические явления, которые могут быть использованы для создания оптических датчиков, приводятся примеры оптических датчиков, нашедших уже практическое применение. Глава 6 посвящена волоконно-оптическим датчикам, в которых оптическое волокно используется в качестве чувствительного элемента. В центре внимания - различные волоконно-оптические датчики типа интерферометров. Эта глава тоже знакомит читателя с конкретными примерами уже реализованных датчиков, а также с их разработками. В гл. 7 описываются измерители скорости вращения на основе

волоконно-оптических гироскопов как наглядный пример новых измерителей, вызванных к жнзнн волоконно-оптической техникой. Этот материал следовало бы ввести в гл. 6, но, учитывая специфику и большое значение таких приборов, а также для ритмичности книги в целом решено было выделить его также в главу.

Глава вторая ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА ДЛЯ ДАТЧИКОВ

2.1. ВВЕДЕНИЕ

Для анализа и проектирования волоконно-оптических датчиков в первую очередь необходимы знания о самом оптическом волокне. В этой главе рассматривается явление проводимости волокна в основном с физической точки зрения - без особо сложных формул, насколько это возможно.

В п. 2.4.3 для объяснения изменений внутри волокна под воздействием давления, температуры и других факторов, когда измеряемой величиной может быть, например, фаза светового луча, используются более или менее сложные формулы. Однако, даже не вникая в подробности отдельных математических выкладок, можно вполне понять содержание.

В начале главы излагаются основные идеи, необходимые для понимания явления распространения света в оптическом волокне. Далее наряду с характеристиками одно- и многомодовых оптических волокон рассматриваются характеристики оптических волокон с двойным лучепреломлением. Такие волокна необходимы в датчиках, работающих на принципе интерференции света. Кроме того, для анализа и проектирования датчиков, у которых оптическое волокно используется в качестве чувствительного элемента, предлагаются характеристики потерь и поляризации в зависимости от температуры, давления, электрического, магнитного поля и т. д. Наконец, в заключение главы рассматриваются для примера несколько типичных элементов с оптическим волокном.

2.2, СТРУКТУРА. МОДЫ

2.2.1. Структура оптических волокон. Оптическое волокно, как показано на рис. 2.1, состоит из сердечника, по которому распространяется свет, и оболочки. Последняя, в свою очередь,

Рис. 2Л. Типовая структура оптического волокна и распространение света

в нем

заключена в оплетку, которая защищает поверхность волокна, повышает его прочность и тем самым упрощает эксплуатацию. Коэффициент преломления rii сердечника лишь незначительно превышает коэффициент преломления лг оболочки, поэтому свет, введенный в сердечник с торца волокна, полностью отражается от границы сердечника и оболочки, как бы запирается в сердечнике и распространяется только в нем.

Для полного внутреннего отражения света, входящего в волокно под углом 9, необходимо, чтобы выполнялось условие

- юс f

П? «=9шах. (2.1)

Поскольку разница между коэффициентами преломления в сердечнике и оболочке лежит в пределах 0,01, то величину бтах можно представить следующим образом:

вшах»л/п1-П2. (2.2)

Это максимальный возможный угол, под которым свет может проходить в оптическое волокно, т. е. приниматься им. Называется такой угол числовой апертурой и обозначается NA (Numerical Aperture).

При рассмотрении оптических волокон вместо разности п\ и П2 чаще всего используется величина, называемая относительной разностью коэффициентов преломления:

"1 -"2

П, - По

«2

(2.3)

Если воспользоваться значением 4, то зависимость между NA и Д может быть представлена следующим образом:

NA = nl/2A. (2.4)

Относительная разность коэффициентов преломления А обычно выражается в процентах. Тогда, например, при «1 = 1,47 и А = 1 % значение N А =0,21 и 9тах= 12°.