Несмотря на то, что лучи света не могут заворачивать за угол преграды, при помощи волноводов их можно направить по сложной траектории. Для работы в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра волноводы, как правило, изготавливаются из стекла. А для средних и дальних ИК областей применяются волноводы в виде полых трубок с сильно отражающими внутренними поверхностями. Работа волноводов основана на принципе внутренних отражений, когда лучи света распространяются по зигзагообразному маршруту. Оптические волокна используются для переноса световой энергии в недоступные зоны без передачи тепла от источника света. Поверхности и концы волокон всегда тщательно отполированы, а их поперечное сечение может быть не только круглым. Иногда оптоволокна покрываются специальной оболочкой (плакировкой). Нагретые стеклянные волокна могут быть закручены по радиусу кривизны, в 20-50 раз превышающему диаметр поперечного сечения, а в холодном состоянии этот радиус увеличивается до 200-300 диаметров. Пластиковые волокна изготавливаются из полиметил метакрила-та, и их можно изгибать по гораздо меньшему радиусу, чем стеклянные волокна. Коэффициент затухания в типовых полимерных оптоволоконах диаметром 0.25 мм составляет порядка 0.5 дБ на метр длины. Свет распространяется по волокну за счет полного внутреннего отражения, как показано на рис. 4.16Б. Из уравнения (4.23) следует, что угол полного внутреннего отражения определяется коэффициентом преломления среды п, в которую свет попадает из воздуха. В общем виде, при прохождении света через границу двух сред с коэффициентами преломления п и п]выражение (4.23) принимает вид:
На рис. 4.16А показан профиль коэффициента преломления волокна с плакировкой. Для достижения полного внутреннего отражения на границе слой плакировки должен иметь более низкий коэффициент преломления. Например, кварцевое волокно со слоем плакировки может иметь следующее соотношение коэффициентов преломления: у сердцевины и = 1.5, а у плакировки— 1.485. Для защиты от внешних воздействий на такое волокно обычно наносится пластиковое или резиновое покрытие. Такой тип волокна называется многослойным оптоволоконным кабелем со ступенчатым профилем коэффициента преломления.
Глава 4 Оптические компоненты датчиков
плакировка
Рис. 4.16.Оптические волокна А — многослойное волокно со ступенчатым профилем коэффициента преломления, Б — определение максимального угла входа
При использовании оптоволоконных кабелей очень важно определять максимальный угол входа света в волокно, поскольку этот параметр влияет на полное внутреннее отражение (рис 4.16Б) Если минимальный угол внутреннего отражения
Θ0= θ3, максимальный угол θ2находится по закону Снелла
Применив закон Снелла еще раз и считая, что для воздуха п≈1, получим.
Объединив уравнения (4 34) и (4 35), найдем выражение для максимального угла входа света в волокно относительно нормали к поверхности конца оптоволокна, при котором обеспечивается полное внутреннее отражение в его сердцевине
Лучи света, попадающие в волокно под большими углами, чем угол в,„,тах), проходят через защитное покрытие и теряются, что является весьма нежелательным при передаче данных Однако специальные оптоволоконные датчики используют модуляцию интенсивности света, вызванную изменениями угла входа
Иногда величина θin(max) называется цифровой апертурой оптоволокна Снижение интенсивности света может происходить из-за изменения свойств волокна, его изгибов и скруток, но при этом она никогда не падает до нуля резко, а постепенно спускается до нулевого уровня по мере приближения к углу θin(max) На практике цифровая апертура определяется в виде угла, при котором интенсивность света
4.7. Оптические волокна и волноводы
уменьшается на какую-то конкретную величину, например, на -10 дБ от максимального значения.
Одним из главных достоинств оптоволоконных датчиков является то, что им можно придать практически любую геометрическую форму, диктуемую условиями применения. Оптоволокна широко применяются в миниатюрных оптических датчиках, измеряющих давление, температуру, химическую концентрацию и т.д. Почти все такие датчики построены на модуляции одной или нескольких характеристик света в оптоволокне при изменении внешних воздействий с последующей оптической демодуляцией сигнала обычными методами. Внешние сигналы могут либо непосредственно влиять на волокно, либо воздействовать на компоненты, соединенные с его наружной поверхностью или его отполированными концами. Цель таких воздействий — получение оптически детектируемых сигналов.
Для получения химического датчика к оптическому волокну может подсоединяться специальная ячейка с реагентом. Реагент вступает в реакцию с исследуемым веществом, в результате чего изменяются оптические свойства волокна, например, происходит модуляция коэффициента преломления или коэффициента поглощения. Существует еще один способ построения химических датчиков. Плакировка оптоволокна может быть изготовлена из химических веществ, коэффициент преломления которых меняется в присутствии некоторых жидкостей [3]. При изменении полного внутреннего отражения оптоволокна интенсивность света также изменяется.
Оптоволокна могут использоваться двумя способами. В первом случае (рис. 4.17А) для передачи сигнала возбуждения и для приема ответного оптического сигнала используется один и тот же световой канал. Во втором — функции возбуждения (освещения) и сбора информации разделены, для чего применяются два или более независимых канала (рис. 4.17Б).
отражатель
В большинстве оптоволоконных датчиков определяется интенсивность света, модулированная внешними сигналами [4]. На рис. 4.18 показан датчик перемещений, в котором через оптоволоконный волновод передается свет в сторону отражающей поверхности. Свет проходит вдоль волокна и выходит в форме конуса, направленного к отражателю. Чем ближе отражающая поверхность расположена к концу волокна, тем больше фотонов света возвращается назад в детектор, что означает более высокую интенсивность отраженного излучения. Таким образом, по величине этой интенсивности можно судить о перемещении отража ющего объекта. Благодаря кони-
Глава 4. Оптические компоненты датчиков
оптическое волокно
ческому профилю испускаемого света в ограниченном пространстве удается получить квазилинейную зависимость между интенсивностью возвращенного излучения и расстоянием между концом волокна и отражателем.
Рис. 4.18. Оптоволоконный датчик перемещений, использующий модуляцию интенсивности отраженного света
На рис. 4.19А показан датчик из-гибных деформаций, состоящий из оптического волокна, зажатого между двумя деформирующими устройствами. Внешняя сила, приложенная к верхнему устройству, изменяет положение внутренней отражающей поверхности волокна. Поэтому луч света, который в ненагруженном состоянии отразился бы от нижней части волокна в направлении х, в нагруженном состоянии поменяет свое направление, и выйдет через стенку волокна вдоль линии у, поскольку угол его распространения стал меньше угла полного внутреннего отражения θ0(см. уравнение (4.33). Чем больше внешняя сила, тем ближе деформирующие устройства приближаются друг к другу и больше света уходит наружу, что означает снижение интенсивности выходящего из волокна излучения. сила
волновод
В спектральном диапазоне, в котором происходят значительные потери в оптоволокнах, в качестве световодов используются полые трубки (рис. 4.19Б). Внутренняя поверхность трубок тщательно полируется и покрывается отражающим слоем металла. Например, для передачи теплового излучения трубка может изготавливаться из латуни и покрываться двумя слоями: из никеля — для выравнивания поверхности и из золота - толщиной 500-1000 А, обладающего отличными оптическими характеристиками. Полые волноводы способны изгибаться по радиусу, равному 20 и более диаметрам. Хотя почти вся волоконная оптика основана на явлении полного внутреннего отражения, трубчатые вол-
4.8. Концентраторы 167
новоды используют принцип отражения от внешних зеркальных поверхностей, которое всегда меньше 100%. Поэтому потери в полых волноводах зависят от количества отражений: чем меньше диаметр и длиннее трубка, тем больше в ней потери. Полый волновод становится неэффективным, когда отношение его длины к диаметру становится больше 20.
Концентраторы
В оптических детекторах часто встает проблема, увеличения плотности потока фотонов, ударяющихся об их поверхность. Во многих случаях, когда важно определять только интенсивность излучения и нет необходимости проводить фокусировку и формирование изображений, можно использовать специальные устройства, называемые коллекторами или концентраторами [5], обладающие свойствами как волноводов, так и оптических элементов, таких как линзы и кривые зеркала. Самой важной характеристикой концентраторов является отношение площадей входной и выходной апертуры, называемое коэффициентом концентрации С. Этот коэффициент всегда больше единицы, поскольку концентратор собирает свет с большей площади и направляет ее к меньшей (рис. 4.20А), где располагается чувствительный элемент. Теоретический максимум для коэффициента С можно найти при помощи выражения:
где θt — половина максимального входного угла. При выполнении этого условия лучи света могут выходить из концентратора под любыми углами вплоть до 90° относительно нормали к выходному отверстию. Это значит, что диаметр выходной апертуры будет меньше диаметра входного отверстия в sin θt раз. Входные лучи, попадающие в концентратор под углом θ, создают на его выходе излучение в виде конуса. Угол выхода каждого луча определяется местоположением его точки входа. Концентраторы могут изготавливаться с отражающими (зеркальными) или преломляющими поверхностями, а также быть комбинированными. На рис. 4.20Б показана форма отражающего параболического концентратора. Интересно отметить, что конические рецепторы света в сетчатке человеческого глаза имеют такие же очертания [6].
Глава 4. Оптические компоненты датчиков
Наклонные параболические концентраторы обладают очень высокой эффективностью (Предполагается, что отражающая способность внутренней поверхности концентратора является идеальной). Они могут собирать и концентрировать свыше 90% входящего излучения. Если приемлема меньшая эффективность, применяются конические концентраторы в которых некоторая часть входящих лучей возвращается назад после нескольких отражений внутри конуса. Полная эффективность конических концентраторов, как правило, не превышает 80%. Поскольку конические концентраторы изготавливать проще, чем параболические, они получили более широкое распространение.