Дифференциальный усилитель

Входной сигнал

Выходное сигнал

Рис. 6.25. Волоконно-оптический амперметр на основе эффекта Фарадея

М-зеркало; Р - поляризатор; S - расщепитель луча; i.D - лазерный днод; D - светоприемное устройство

Обычным одномодовым волокнам свойственно двойное лучепреломление, обусловленное некоторой эллиптичностью поперечного сечения. Это заметно снижает линейность зависимости угла вращения плоскости поляризации при эффекте Фарадея, в связи с чем предлагается скручивание оптического волокна. Благодаря скручиванию ослабляется двойное лучепреломление. В сущности, это уменьшение связи между волнами с левой и правой круговой поляризацией при имеющейся разности фазовых постоянных для них. В результате можно добиться хорошей линейности характеристики эффекта Фарадея, как это показано на рис. 6.24. Здесь оптическое волокно подвергалось скручиванию 124 рад/м; диаметр кольца 8 см; Nf = 55, Ni=l250. Угол вращения плоскости поляризации определялся по интенсивности света, пропускаемого поляризатором.

На рис. 6.25, а представлена система для измерения электрического тока. Здесь введена обратная связь, позволяющая нейтрализовать эффект Фарадея для выходной световой волны, и 208

по сигналу обратной связи определяется значение тока. При этом компенсирующее вращение плоскости поляризации входной волны производится благодаря части оптической системы, возбуждающей световую волну в волокне, а также прямой частотной модуляции излучения полупроводникового лазера. На рис. 6.25, б вверху показано изменение входного электрического тока, а внизу - изменение инжекционного тока полупроводникового лазера, т. е. выходной сигнал датчика.

Исследована также структура, не подверженная влиянию двойного лучепреломления в оптическом волокне. На ее основе спроектирован амперметр с повышенной линейностью и удачным использованием двойного лучепреломления в волокне с сохранением поляризации.

6.4. ДАТЧИКИ НА ОСНОВЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПОТЕРЬ

6.4.1. Датчик с микроизгибами волокна. На рис. 6.26, а представлен общий вид датчика (гидрофона), в котором используется эффект изменения потерь передачи - потерь на микроизгибах. Эти потери возникают вследствие периодического изгибания волокна под влиянием внешних факторов. В гидрофоне колебания мембраны от звуковой волны вызывают изменение амплитуды изгибов благодаря механизму соединения. На рис. 6.26, б приведена характеристика чувствительности, подтверждающая возможность обнаружения звукового давления около 0,1 Па (частотная полоса сигнала 1 Гц). Однако при периодическом боковом давлении на волокно и колебаниях его оси между модами с разной постоянной распространения происходит обмен энергией (преобразование мод) в соответствии с периодом этих колебаний. В данном случае используется преобразование мод между канализируемыми и излучаемыми световыми волнами.

ЗдукоВая мембрана

От источника Света

К сВетоприемномц устройству

Волоконный /чувствительный элемент

I I

, 1,2 1,6 2,0

Частота, кГц

Рис. 6.26. Гидрофон с использованием изменения потерь на микроизгибах

Проведены теоретические и экспериментальные исследования механизма возникновения потерь на микроизгибах волокна. В результате установлено, что многомодовое волокно с квадратичным распределением коэффициента преломления обладает повышенной чувствительностью к потерям на микроизгибах. Кроме того, изучается возможность применения настоящего волоконно-оптического датчика в качестве тензометра. Предпринимались попытки измерять деформацию по изменению потерь на микроизгибах, вызываемых механическим напряжением, прикладываемым вдоль двух вытянутых скрученных волокон.

6.4.2. Датчик с использованием утечки волны. Если с помощью термического вытягивания оптического волокна довести

Гелий-неон обый лазер

Регистратор

Прерыватель

Усилитель

Гелий-неоновый лазер (Л=0,63мнм)

Опорный сигнал

I Светоприемное устройст8о(1пА5)

Зля /1=3,59 мкм

Волокно

Исипитель

\/Светоп£иемное тройство для ?i=0,6SMmj

Рис. 6.27. Измеритель коицеитрации метана на основе поглощения утечки световой волиы

О 20 W ВО дО 100 Кониентрация метана °/о

10 10 10 10 Доза излучения,рад

Рис. 6.28. Характеристика потерь оптического волокна с добавками таллия или сурьмы прн облучении изотопом "Со

диаметр какого-то участка его до нескольких микрометров, то отсюда канализируемая мода излучается наружу. Если в этой части волокна окажется вещество, поглощающее свет, то резко изменится интенсивность распространяющегося в волокне света; на основе этого и можно построить датчик.

На рис. 6.27, а представлена схема измерителя концентрации метана, работающая по этому принципу. На рис. 6.27, б показан характер изменения мощности распространяющегося по волокну света при различной концентрации метана. В датчике этого типа требуется специальное крепление тонкой части волокна.

6.4.3. Датчик радиоактивного излучения. При воздействии на оптическое волокно радиоактивного излучения потери волокна обычно увеличиваются. В области связи эти потери необходимо снижать до возможного минимума. С этой целью исследовались материалы покрытия и сердечника оптических волокон. В результате признан оптимальным материалом для сердечника чистый оксид кремния (Si02). В оптических же волокнах с сердечником, содержащим железо, медь, кобальт, а также добавки бора или фтора (для снижения коэффициента преломления), под воздействием гамма-лучей и нейтронного пучка потери увеличиваются по сравнению с волокнами, не содержащими этих материалов. Однако одновременно проявляется и так называемый эффект фотоотбеливания - устранение энергией света дефектов оптического волокна, вызываемых действием радиоактивных лучей. В результате нарушается линейность зависимости потерь в оптическом волокне от дозы излучения. Для оптических волокон, содержащих таллий и сурьму, эта зависимость получается линейной (рис. 6.28). В подобных датчиках можно использовать также явление флюоресценции, возникающей под действием радиоактивного излучения.

6.5. ДАТЧИКИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Вообще говоря, оптическое волокно как линия передачи информации одномерно. С учетом этого разрабатываются процедуры измерений распределения физической величины вдоль оптического волокна. Одна из таких процедур - оптическое изме-

Лазер на алюмоиттриевом гранате с модуляцией добротности (т = 300 НС, частота повторения 5 кГц)

Поляризатор

Расщепитель луча

Линза

Волокно

Светоприемное устройство на германии

Интегратор импульсов

Логарифмический усилитель

Графопостроитель

Френелевское отражение от входного торца

Френелевскоеотрфкение от стыка волокон в соединителе Потери в соединителе

Потери в сплавном соединении

Обратное рассеяние по длине волокна

Френелевское отражение от выходного торца

Обратное рассея ние * на выходном торце

ремя (расстояние)

Рис. 6.29. Измерение коэффициента отражения путем наблюдения за формой

отраженного сигнала

реиие коэффициента отражения путем наблюдения за формой отраженного сигнала - выполняется посредством датчика распределения последовательного типа. Другая процедура - пространственное измерение - реализуется с помощью датчика распределения параллельного типа (со множеством оптических чувствительных элементов, размещенных вдоль оптического волокна как линии передачи).

6.5.1. Датчик распределения последовательного типа. На рис. 6.29 представлена схема оптической системы (OTDR), предназначенной для измерения коэффициента отражения путем на-212

блюдения за формой отраженного светового сигнала. В оптическое волокно подается свет лазера с высокой выходной мощностью и коротким импульсом излучения, и затем измеряются параметры обратного рассеяния Рэлея, а также отражения Френеля, происходящих в стыках и местах разрыва оптического волокна. Путем обработки с интегрированием повторяющихся импульсов (для повышения отношения сигнал - шум) были получены результаты, представленные на рис. 6.29, б. Здесь на оси абсцисс отложено время, соответствующее расстоянию вдоль оптического волокна. По характеру отраженного света можно определить потери в волокне и выявить места стыка и разрыва.

При рэлеевском рассеянии мощность обратного света выражается следующей формулой:

(6.14)

где Ug-скорость распространения импульсу в оптическом волокне; ая - коэффициент рассеяния Рэлея; а - средине потери оптического волокна; S-доля света обратного рассеяния Рэлея; для многомодового оптического волокна с однородным сердечником при коэффициентах преломления сердечника и оболочки соответственно tii и Лг

4«?

(6.15)

Понятно, что в формуле (6.14) величина Vgt/2 соответствует расстоянию вдоль оптического волокна (рис. 6.29, б).

Оптическое измерение коэффициента отражения методом наблюдения за формой отраженного сигнала впервые было использовано в измерителе распределения температур - датчике иа оптическом волокне с жидким сердечником. Обычно коэффициент рэлеевского рассеяния жидкости подвержен более сильной температурной зависимости по сравнению с коэффициентом для твердого тела. Именно поэтому испытывались системы измерения температуры иа основе оптического волокна с жидким сердечником из гексахлорбутадиеиа. На рис. 6.30 приведено распределение температур в зависимости от ад, измеренное этой системой. Жидкость отличается сильной температурной зависимостью коэффициента преломления, что приводит к изменению 5 [см. формулу (6.15)], а температурные изменения, связанные с ад, влияют иа P(t) с противоположным этому изменению знаком. Это влияние устраняется, если из передаваемого волокном света измерять только долю его с малой числовой апертурой.

На рис. 6.31 представлено распределение температур, полученное оптическим измерением коэффициента отражения с иа-