Автореферат: Оценка характеристик излучаемых мод световодов в составе датчиковых устройств измерения продольных механических воздействий

Общее количество направляемых мод (ЕH и HE) равно . -параметр волновода при этом равен 19. Условие отсечки направляемой моды рассматриваемого изотропного волновода . Численные расчеты показывают, общее значение направляемой энергии составляет примерно . Вообще говоря, в слабонаправляющих волноводах наблюдается смешение мод (ЕH и HE) с одинаковыми азимутальными числами - в результате образуются LP-моды. В работе рассматривается общий подход к рассмотрению эффектов в слабонаправляющих волноводах и их расчетах. По этой причине моды рассматриваются отдельно и независимо.

Сдавливанием планарного волновода вдоль его оси можно добиться изменения условия отсечки направляемых мод, когда направляемая мода изотропного световода уже не будет удовлетворять волноводному условию в анизотропной области световода. Это приведет к излучению определенных направляемых мод из световода. При этом также утверждается, что сердцевина волновода при этом остается оптически изотропной, в то время как оболочка становится анизотропной с ориентацией оптической оси вдоль направления механического напряжения.

Условие отсечки конкретной моды в таком деформированном волноводе определяется по следующей процедуре. С помощью требования равенства нулю при отсечке поперечной составляющей волнового вектора в оболочке волновода выводится выражение для показателя преломления оболочки , функционально зависящее от -параметра волновода при отсечке

(8)

где - значение -параметра, при котором мода претерпевает отсечку; - показатель преломления изотропной сердцевины; - радиус сердцевины.

Зная значение , с помощью зависимостей теории фотоупругости однозначно выводится выражение для при отсечке, которое также будет функцией

(9)

где , , - коэффициенты, которые определены выше; - показатель преломления изотропной недеформированной оболочки световода.

Подстановка выражений (8) и (9), а также поперечной составляющей волнового вектора в сердцевине волновода при отсечке моды в известное выражение отсечки анизотропного круглого волоконного световода позволяет вывести уравнение , с помощью которого определяется величина -параметра волновода, при котором мода претерпевает отсечку. Необходимое значение порядка функции Бесселя и номер корня данного уравнения, которые необходимы для выбора решения, определяются той направляемой модой высшего порядка изотропного волновода, параметры отсечки которой требуется рассчитать. Уравнение решается только численными методами.

Например, отсечка моды c параметрами и , являющейся модой наивысшего порядка для слабонаправляющего волновода, приведенной в таблице 3, с энергией превышающей 1нВт, определяется при -параметре соответствующего изотропного волновода, равном , т.е. требует очевидного уменьшения -параметра.

Найденное значение , после подстановки в (6) позволяет найти необходимое значение показателя преломления анизотропной оболочки . При рассматриваемых параметрах световода показатель преломления указанной моды равен .

В соответствие с выражением (1) и рассматриваемым случаем одноосного сжатия волновода вдоль оси требуемая для этого нагрузка равна . Это значение не превышает механической прочности волоконного световода на сжатие , величина которого взята такой же, как у планарного световода.

Направление и доля излучаемой мощности определяется с использованием методов геометрической оптики, которая также имеет ограничение при , и методов векторной алгебры. Гибридные моды волновода с точки зрения геометрической оптики представляются косыми лучами, следующими по винтовой траектории. Существует связь между направляемыми характеристиками моды (, ) и направлением траектории луча, с помощью которой однозначно можно описать падающий на границу сердцевины с оболочкой вектор данной моды.

При приложении одноосного напряжения (вдоль оси волновода) необходимой величины, требуемой для наступления отсечки, происходит преобразование направляемого луча в рефрагирующий, т.е. преломление оптического луча в анизотропную оболочку. Луч претерпевает расщепление на два - обыкновенный и необыкновенный, следующие по разным траекториям. Применение методов оптики анизотропных сред позволяет рассчитать углы распространения всех лучей - волновой нормали необыкновенной волны, вектора Умова-Пойнтинга (направление распространения энергии) необыкновенной волны, луча обыкновенной волны (совпадающий по направлению с его волновой нормалью) и отраженной волны. Учет граничных условий и рассчитанных ранее (на стадии расчета направляемых и энергетических характеристик мод) значений амплитуд напряженностей электрического и магнитного полей рассматриваемой направляемой моды позволяет рассчитать коэффициенты отражения и пропускания оптической энергии в оболочку волновода. Этот расчет выполнен в программе, написанной для ЭВМ.

Методика расчета зависимости между величинами энергии выводимого излучения в рассматриваемых световодах (планарный и круглый) и приложенного механического напряжения включает определение оптимальных диапазонов изменения механического напряжения, достаточных для вывода излучения и уверенного его детектирования, а также направляемых параметров и энергетических характеристик преломленного излучения. В целом алгоритм расчета приведен на рис 2.

Рис. 2. Блок-схема алгоритма расчета зависимости выводимого излучения от приложенного механического напряжения.

Эта методика может применяться для расчета датчиковых устройств механических напряжений, в которых оптическое волокно является чувствительным элементом. Также процедура расчета может применяться для разработки аппаратных средств по защите волоконно-оптических линий связи от несанкционированного съема информации при механическом воздействии на волокно или облучении его постоянным электрическим полем.

В четвертой главе приводится макет датчика веса на основе излучаемых мод симметричного планарного световода со СППП. Приводится методика технологического, метрологического и экономического расчетов датчика, особенности его использования. Даны рекомендации по конструктивным особенностям датчика веса.

Цепочка преобразований, лежащих в основе функционирования датчика веса показана на рис 3. При измерении веса в датчике происходит ряд взаимосвязанных преобразований: силопередающее, физического эффекта, оптическое и фотоприемное.

Рис. 3. Преобразования входной величины (вес) в процессе ее регистрации.

В качестве внешнего воздействия выступает подлежащий измерению вес груза. Использование силопередающей схемы, являющейся в датчике полностью механической, позволяет во-первых добиться одинаковой направленности внешнего воздействия и оси волновода, выступающего в данном случае чувствительным элементом датчика, а во-вторых позволяет адаптировать датчик к различным диапазонам измеряемых весов грузов.

Преобразование веса в измеряемое механическое усилие происходит с использованием коэффициента , т.е. . Упрощенно, можно записать, что , где - площадь контакта груза и силовоспринимающей опоры датчика, - площадь контакта силопередающего устройства и оптического волновода.

Далее измеряемая величина посредством эффекта фотоупругости приводит к изменению оптических параметров планарного волновода (показатель преломления оболочки волновода будет описываться тремя значениями , и ), по которому распространяются моды, главным образом преобразуя среду из оптически изотропной в анизотропную с ориентацией оптической оси вдоль внешнего усилия. Ориентация планарного волновода в датчике и механическая часть датчика исполняются, так чтобы ось волновода совпадала с направлением внешнего усилия.

Оптическая схема преобразований связывает изменения оптических параметров волновода, индуцированных , с параметрами излучаемых мод волновода (угол преломления излучаемых лучей , энергия и поляризация). Датчик ориентирован на измерение ТЕ-излучаемых мод волновода, которые, как рассмотрено в работе, не претерпевают изменения поляризации при выбранных ориентациях чувствительного элемента и внешнего усилия. Принцип действия оптической схемы основан на нарушении полного внутреннего отражения в планарном волноводе, возникновении излучения из волновода и соответствующем изменении пропускательной способности оболочки волновода.

Для детектирования и измерения изменений оптического параметра волновода используется лавинный фотодиод совместно с анализатором оптического излучения, позволяющего адаптировать датчик на работу только с ТЕ-модами. Окончательно регистрируемой величиной является амплитуда тока на выходе фотоприемной схемы, значение которой подвергается обработке в контроллере с выдачей результата на схему визуализации, выполненную в виде набора семисегментных индикаторов.

Датчик смонтирован в корпусе 7 (рис 4) и содержит: верхнюю плиту 1, воспринимающую внешнюю нагрузку, которая имеет сферическую поверхность в нижней части.

Рис.4. Конструкция датчика веса.

Нагрузка посредством шарнирных связей - верхняя силовоспринимающая шарнирная опора 10 радиусом , промежуточная планка 8 радиусом и нижняя плита 9 передается на чувствительный элемент датчика 2. Шарнирная конструкция, стремясь к минимуму потенциальной энергии, занимает положение, при котором даже наклонные внешние нагрузки будут сцентрированы с осью волновода. Угловые расхождения находятся в интервале . При этом линейные размеры конструкции должны удовлетворять условию , только в этом случае датчик на указанных шарнирных опорах будет стремиться занять вертикальное положение при возникновении боковой силы. Движение конструкции в горизонтальном направлении регулируется ограничительными пальцами 3 посредством болта 5 и фиксирующей гайки 6. Ограничительные пальцы имеют небольшой ход в вертикальном направлении из-за применения эластичных вкладышей 4. Во внутренней части опоры 10 смонтирован источник света - светодиод 12. В нижней части волновода укреплены фотоприемное устройство 11 с анализатором света.

Рис. 5. Ход направляемых и излучаемых ТЕ и ТМ лучей в волноводе датчика.

Верхняя часть чувствительного элемента находится в свободном состоянии и является оптически изотропной. В этой части волновода образуется пространственно-неустановившийся режим. В этой области моды волновода формируются направляемыми и излучаемыми (рефрагирующими) модами. Длина этой области составляет несколько сантиметров (при и диффузном возбуждении примерно 2-3 см), вследствие очень быстрого затухания (по экспоненте) излучаемых мод. На данном участке защитное покрытие оболочки волновода изготавливается поглощающим, чтобы исключить паразитное влияние излучаемых мод волновода.

После полного покидания волновода излучаемыми модами наблюдается пространственно-установившийся режим, в котором моды волновода представлены только дискретным набором направляемых мод, поляризованных в ортогональных плоскостях (ТЕ и ТМ моды). Именно эта область волновода подвергается внешнему сдавливающему усилию и показана на рис 6. Здесь 4 - сердцевина волновода, 3 - его оболочка. В нижней части волновода сбоку укреплено фотоприемное устройство 1 с анализатором света 2, подключенное к схеме обработки сигнала.

Измеряемая величина (механическое усилие), превосходящая минимально детектируемую, воздействует только на оболочку волновода, причем на ту ее область, в которой формируется пространственно-установившийся режим, и индуцирует возникновение излучаемых мод, которые несут полную информацию о величине приложенного усилия.