В результате передачи усилия на оболочку волновода (направления и оси волновода совпадают), последняя становится одноосной анизотропной с ориентацией оптической оси вдоль . Это направление на рис 6 обозначается осью . Две другие оси могут быть произвольно ориентированы в плоскости, поперечной к оси волновода. Для определенности направление оси перпендикулярно границам раздела сердцевины и оболочки волновода так, как показано на рис 5. Происходит изменение показателя преломления оболочки волновода, при этом показателей преломления будет теперь два - обыкновенный и необыкновенный показатели преломления, соответствующие главным значениям тензора диэлектрических проницаемостей. Эти значения описываются выражениями (1).
В результате изменения показателя преломления оболочки (двулучепреломление) наблюдается изменение условия отсечки направляемых мод волновода. Минимальное детектируемое внешнее давление определяется условием возникновения отсечки направляемой моды высшего порядка и чувствительностью фотоприемного устройства, которая зависит от типа фотоприемника. Величина этого давления должна быть достаточной для наступления отсечки моды, а также достаточной для детектирования излучаемой мощности фотоприемником. Геометрические параметры (длина) волновода выбираются такими, чтобы измерялись мощности излучаемых мод, возникающих при первом соударении направляемой моды с оболочкой волновода в области, подвергнутой сжатию.
При совпадении осей тензора диэлектрических проницаемостей среды с координатными осями, описывающими волновод, моды анизотропного планарного волновода также состоят из ТЕ и ТМ мод. Ввиду того, что сердцевина волновода остается изотропной, а оболочка становится одноосной анизотропной, отсечка моды -порядка наступает при выполнении условия
ТЕ моды ;
ТМ моды (10)
где - показатель преломления изотропной сердцевины; и - показатели преломления, соответствующие главным значениям тензора диэлектрических проницаемостей, определяемых выражениями (1).
Необходимые условия отсечки ТЕ и ТМ мод (10) будут одинаковы, вследствие выбранного направления давления на оболочку волновода вдоль его оси. При этом двулучерасщепления не наблюдается. Поляризация ТЕ мод сохраняется, линейная поляризация ТМ мод совершает поворот, значение которого в общем случае будет зависеть от внешнего воздействия на волновод. ТЕ моды в анизотропной оболочке аналогичны обыкновенным лучам, а ТМ моды ведут себя как необыкновенные лучи в анизотропной среде.
Для анализа излучаемых мод только определенной поляризации совместно с фотоприемным устройством используется анализатор. Ввиду того, что поляризация ТМ мод в зависимости от приложенного внешнего усилия поворачивается, а ТЕ моды сохраняют направленность напряженности электрического поля, датчик ориентирован на анализ ТЕ мод. Излучаемые моды оболочки проходят через анализатор и попадают на фотоприемное устройство - матрицу лавинных фотодиодов. Измеренное значение мощности выводимого излучения обрабатывается в контроллере, где происходит численное решение уравнения (4) относительно неизвестного значения , результат выводится на семисегментный индикатор. Примерно вид зависимости выводимого излучения от приложенной нагрузки представлен на рис 1.
Окончательно регистрируемой величиной на выходе фотоприемной схемы датчика, вообще говоря, является амплитуда тока. Поскольку зависимость выходного тока фотоприемной схемы от мощности падающего на фотоприемник излучения является линейной (коэффициент зависимости определяется типом фотодиода и приводится в его техническом паспорте), то зависимость выходного тока от измеряемого напряжения отображается аналогичной зависимостью.
Основной метрологической характеристикой датчика является его погрешность. Выражения для относительной погрешности датчика на основе планарного световода и его светодиодного возбуждения при параметрах, рассматриваемых в главе 1, и вибрации механического напряжения 1% имеют вид
при
(11)
при
(12)
где ; ; ;
.
Графические зависимости и представлены на рис 6, а и б.
Рис. 6. Относительная погрешность датчика веса при погрешности механического напряжения 1% на участках изменения напряжений: а - ; б - .
Полученные результаты свидетельствуют о хороших показателях датчика при рассматриваемых параметрах чувствительного элемента на диапазонах изменения механического напряжения и .
Области использования датчика достаточно обширны. Он может использоваться как для бытовых целей (при соответствующем исполнении), так и для измерения весовых давлений крупных объектов, таких как здания (при необходимости контроля давления на грунт). Диапазон измеряемых весов лежит в интервале от десятков миллиграмм до десятков килограмм ввиду высокой чувствительности датчика. Максимально измеряемый вес и диапазон измерения определяются размерами конструктивных элементов датчика, надежностью их механических компонентов и параметрами чувствительного элемента.
В заключении приводятся выводы и результаты проведенной работы.
В приложении приведены теоретические материалы, используемые при выполнении работы, и акт внедрения разработанного программного обеспечения в учебный процесс ФГОУ ВПО “АГТУ”, реализующего численные расчеты. Программное обеспечение состоит из 3 частей: первая посвящена рассмотрению процесса возбуждения планарного слабонаправляющего волновода; вторая - возбуждению круглого волоконного слабонаправляющего световода и расчету энергии соответствующих направляемых НЕ и ЕН мод; третья - расчету оптимального механического напряжения, угловых характеристик преломленных волн и доли выводимого излучения для круглого световода.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Показано, что в планарных и круглых световодах энергетические характеристики направляемых мод определяются параметрами источника и световода, среды, в которой находится источник света, а также расстоянием между источником и волноводом. Установлено, что расчет энергий направляемых мод можно провести только численными методами.
2. Проведен расчет количества энергии, выводимой из планарного и круглого световодов, подвергнутых одноосному механическому напряжению, выведена соответствующая зависимость энергии от величины приложенного напряжения. Рассмотрен случай совпадения оси световода и направления механического напряжения. Показано, что выбор точки падения луча на границу не зависит от направляемых характеристик моды.
3. Рассмотрены условия возникновения излучаемых мод в пространственно-установившемся режиме световода, подвергнутого механическому сдавливанию вдоль его оси. Приведен алгоритм расчета оптимальной величины механического напряжения, требуемого для уверенной регистрации оптического излучения. В качестве фотоприемника выбран лавинный фотодиод.
4. Разработан макет датчика веса на основе анализа излучаемых мод планарного световода. Показано, что увеличение числа направляемых мод высокого порядка приводит к расширению диапазона измерений и улучшению эксплуатационных и метрологических характеристик.
5. Проведен расчет погрешности измерений рассматриваемого датчика и его конструктивных элементов. Установлен диапазон измерения и исследуемого датчика, в котором величина относительной ошибки измерения составляет менее 1% (при погрешности изменения механического напряжения 1%). Приведены основные рекомендации для конструктивного исполнения датчика.
6. Разработанная методика расчета излучаемых мод световодов, может применяться при любом внешнем индуцирующем излучение воздействии (постоянное электрическое, магнитное, тепловое поля), при котором материал световода становится оптически анизотропным, с преимущественной ориентацией оптической оси.
7. Алгоритм расчета излучаемых мод световодов может применяться для разработки мероприятий по защите волоконно-оптических линий связи от несанкционированного съема информации при механическом воздействии на волокно или облучении постоянным электрическим полем высокой напряженности.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ
1. Алексеев А.В., Попов Г.А. О зависимости угла полного внутреннего отражения от длины волны света для различных материалов, используемых при изготовлении оптических волокон // Вестник Астраханского государственного технического университета. - 2008. - №1 (42). - с. 117-121.
2. Алексеев А.В., Попов Г.А. Об оценке излучаемой мощности в симметричных слабонаправляющих планарных волноводах со ступенчатым профилем показателя преломления // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2009. - вып. 2. - №4 (43). - с. 62-67.
3. Алексеев А.В., Попов Г.А. Датчик веса на основе излучаемых мод планарного оптического волновода // Датчики и системы. - 2010. - №8 (135). - с. 38-43.
Публикации в других изданиях
1. Алексеев А.В. Общая классификация способов съема информации в волоконно-оптической линии связи // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-21.: Сборник трудов XXI Международной научной конференции в 10 томах. Под общ. ред. В.С. Балакирева. - Саратов: Изд-во Саратовского государственного технического университета. - Т. 7. - 2008. - с. 249-251.
2. Алексеев А.В. Обзор методов съема информации в волоконно-оптических линиях связи // Проблемы правовой и технической защиты информации, сборник научный статей. - Барнаул: Изд-во Алтайского университета, 2008. - с. 54-59.
3. Алексеев А.В. О возможности утечки информации в волоконно-оптических линиях связи при применении методов угловой модуляции сигнала // Электронный журнал "Исследовано в России". - 2007. - Т. 10., с. 1168-1172.
4. Алексеев А.В. Мероприятия по защите информации в волоконно-оптических линиях связи // Энергетик: Изд-во НТФ “Энергопресс”. - №5. -2008. - с. 34-35.
5. Алексеев А.В. Процедура выполнения численного расчета угловых характеристик излучаемых мод круглых световодов // Фундаментальные и прикладные исследования университетов, интеграция в региональный инновационный комплекс: Сборник трудов Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию Астраханского государственного технического университета. - Астрахань: Изд-во АГТУ. - Т. 1. - 2010. - с. 112-115.
6. Алексеев А.В. Процедура выполнения численного расчета характеристик излучаемых мод планарных световодов, индуцированных внешним воздействием // Актуальные направления развития прикладной математики в энергетике, энергоэффективности и информационно-коммуникационных технологиях: Сборник трудов Международной научной конференции, посвященной 180-летию Московского государственного технического университета. - Москва, 2010. - с. 257-261.