Волоконно-оптические датчики
Курсовой проект - Физика
Другие курсовые по предмету Физика
?кает использование интерферометров с высокой добротностью и лазерных источников. В этом примере длина волны лазера сопровождает сдвиг резонанса интерферометра. Белые источники света могут использоваться, если в наличии имеется спектрофотометр или его эквиваленты. Светодиоды наиболее распространены и могут применяться с интерферометрами и считывающими устройствами различных конструкций. В некоторых датчиках могут использоваться два источника для уменьшения ошибок, связанных с потерями и неопределенностями в интерферометре.
4. Многомодовые дифракционные датчики
Волоконно-оптические датчики можно разделить на два класса: датчики, в которых исследуемое явление воздействует на свет во время его распространения по оптическому волокну, и датчики с внешним чувствительным элементом, в которых свет выводится из оптического волокна, подвергается воздействию и снова запускается в волокно для передачи в блок обработки сигнала[4]. Здесь мы рассмотрим датчики с внешним чувствительным элементом, механизм преобразования которых основан на эффекте, создаваемом дифракционной решеткой. Многие наиболее удачные многомодовые волоконно-оптические датчики, которые были продемонстрированы, основаны на свойствах решеток. Решетка представляет собой оптически прозрачную основу с чередующимися прозрачными и поглощающими областями. Решетки применяются при измерении множества параметров, при этом для измерений используются как интенсивность, так и длина волны. Принцип работы решеток основан на модуляции, которая может проявляться как изменение интенсивности, длины волны или того и другого. Выполняется большая работа по развитию датчиков этого типа. Продемонстрированы дифракционные датчики для измерения смещения, давления, а также гидрофоны. В этой главе приведено описание основ теории методов дифракционной модуляции и датчиков, основанных на взаимном движении пары решеток и на нестандартной структуре решеток. Далее подробно описаны примеры возможного использования этих методов для измерения множества различных физических параметров.
Рисунок - 6 Дифракция света на сплошном объекте
Прежде чем анализировать свойства оптических решеток, необходимо изучить дифракцию. В явлении дифракции проявляются свойства света, существенно отличающиеся от тех, которые можно было бы ожидать на основании лучевой геометрической оптики. Самый простой пример дифракции можно наблюдать, изучая тень, отбрасываемую каким-либо предметом правильной четкой формы, таким как монета, при освещении квазимонохроматическим источником (рисунок 6). Геометрическая оптика предсказывает, что тень, отбрасываемая монетой, должна быть идеальным темным кругом с контуром, соответствующим периметру монеты. Такая тень видна, но если более внимательно изучить ее края, обнаружится, что они не так уж отчетливо очерчены. Скорее они состоят из множества чередующихся темных и светлых областей (полос). При дальнейшем рассмотрении обнаружится, что сама тень не однородно темная, а постепенно темнеет по мере приближения к центру. В целом дифракцию можно определить как воздействие препятствий на проходящее излучение.
Существует два вида дифракции - дифракция Фраунгофера и дифракция Френеля. Дифракцию Френеля называют дифракцией ближнего поля, а дифракцию Фраунгофера проявлениями дальнего поля. Во втором случае предполагается параллельный коллимированный пучок света, а первый - не содержит такого ограничения. Таким образом, дифракция Фраунгофера - это частный случай дифракции Френеля, но, поскольку ее намного проще описать аналитически, мы будем ее рассматривать для демонстрации определенных характерных проявлений дифракции.
Самый простой для изучения случай - это дифракция на одной щели. В этом случае свет проходит через узкую щель и проецируется на экран. Наблюдается центральный максимум I0 - В других областях экрана происходит интерференция между светом, дифрагированным верхним и нижним краями щели. Все пары лучей света, проходящие через фрагменты щели на расстоянии а/2 один от другого, будут иметь одинаковую разность дальностей распространения b. При этом, в частности, ослабляющая интерференция возникнет при b, равном целому числу, умноженному на ?/2. Однако, поскольку sin ? - b/(a/2), получаем
asin? = m? (4.1)
где т - целое, с абсолютной величиной, равной или большей 1. Уравнение (4.1) - это уравнение для минимумов дифракции Фраунгофера на одной щели. Изучение этого уравнения позволяет обнаружить два существенных момента. Во-первых, при уменьшении а (сужении щели) минимумы появляются при большем значении в. Во-вторых, при постоянном значении ширины щели а в увеличивается вместе с длиной волны (т. е. красный свет преломляется сильнее, чем синий). Это противоположно тому, что происходит при преломлении, когда это явление обусловлено общим уменьшением показателя преломления в оптических материалах при уменьшении длины волны (хроматическая дисперсия).
Разрешающая способность оптических систем часто ограничена дифракцией. Примером этого может служить проблема, возникающая при попытке с помощью телескопа разделить изображения двух отдельных звезд, расположенных в непосредственной близости. Дифракционные картины света двух звезд, создающиеся в телескопе, перекрывают одна другую. Если центральные максимумы расположены достаточно близко, они выглядят, как один. Если максимум, созданный светом одной звезды, совпадает