WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

Учреждение Российской академии наук

ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

им. В.А.КОТЕЛЬНИКОВА РАН

Фрязинский филиал

На правах рукописи

Соколовский Александр Алексеевич

МИКРООПТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА

ДЛЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Специальность 01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва 2009

Работа выполнена во Фрязинском филиале Учреждения Российской Академии наук Института радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор

Наний Олег Евгеньевич

доктор технических наук,

профессор

Берикашвили Валерий Шалвович

доктор технических наук,

Антонов Сергей Николаевич

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие

"Научно - исследовательский институт "Полюс" имени М.Ф. Стельмаха".

Защита диссертации состоится «26» июня 2009 г. в 10 часов на заседании Диссертационного совета Д 002.231.03 Учреждения Российской Академии наук Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН по адресу: 101999, г.Москва, ГСП-9, ул. Моховая, д.11, корп.7

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института радиотехники и электроники РАН

Автореферат разослан «25» мая 2009 г.

еный

Ученый секретарь

Диссертационного совета Перцовский М.И.

Актуальность темы.

Волоконно-оптические измерительные системы представляют собой отдельный класс измерительных систем. Они обладают набором особых свойств, которым не обладают системы других типов. Эти свойства обусловлены высокой помехозащищенностью волоконного тракта передачи оптического сигнала, гальванической развязкой точек измерения и индикации, возможностью использования самого волокна в качестве первичного преобразователя измеряемой величины.

Конфигурация конкретной измерительной системы, использующей оптическое волокно либо в качестве тракта передачи излучения, либо в качестве элемента первичного преобразователя (датчика), подвержена значительным изменениям, обусловленным спецификой решаемой измерительной задачи.

В связи с этим является актуальной проблема создания волоконных элементов и устройств, которые бы являлись основными строительными «кубиками» при создании любой волоконно-оптической системы.

Элементная база волоконно-оптических измерительных систем включает в себя устройства согласования элементов оптического тракта, устройства деления, переключения и модуляции оптического сигнала. Эти устройства, выполняемые чаще всего на основе волоконных световодов, отличаются миниатюрными размерами, поскольку должны сопрягаться со световодами, характерные размеры световедущих жил которых 3-100 мкм, и требуют не только разработки специфических методов расчета их оптико-физических характеристик, но и детального исследования особенностей их применения в волоконно-оптических измерительных системах.

Исторически, развитие волоконных систем начиналось с использованием многомодовых волоконных световодов, что было обусловлено более простыми требованиями к их соединению, а также существовавшими источниками и приемниками излучения. Многомодовые волоконные световоды, широко применяются и в настоящее время для решения многих прикладных задач метрологического, связного и промышленного применения. В связи с этим разработка микрооптических элементов и устройств для многомодовых волоконных систем является весьма актуальной проблемой.

Волоконные микрооптические элементы и устройства во многих случаях функционируют на принципах, отличающихся от принципов работы обычных оптических элементов (например, линз) и требуют разработки специальных методов расчета их конструктивных параметров, исходя из необходимых оптических характеристик. Очевидно, что для одномодовых и многомодовых систем эти методы существенно различаются. Теория диэлектрических волноводов, частным случаем которых являются волоконные световоды, достаточно хорошо развита и хорошо описывает одномодовые системы. В то же время характеристики многомодовых волоконных систем рассчитывались, как правило, численными методами на основе традиционного аппарата геометрической оптики, что не давало полного физического представления об особенностях оптимального построения многомодовых волоконных систем.

Разработка методов расчета энергетических характеристик многомодовых систем, позволяющих в аналитическом виде решать задачи, необходимые для определения конструктивных параметров волоконных трактов при которых энергетические потери минимальны, являлась одной из целей диссертационной работы.

Важной, как в теоретическом, так и в экспериментальном плане, является также задача формирования с помощью микрооптических элементов световых пучков о заданными характеристиками (угловой расходимостью, диаметром фокального пятна и т.д.). Несмотря на то, что некоторые из этих элементов были известны к началу настоящей работы, особенности их применения в волоконных системах были изучены недостаточно. Так, например, не было полной ясности в выборе параметров диэлектрических фоконов, позволяющих с максимальной эффективностью осуществлять преобразование пучков при коллимировании и фокусировке излучения, а характеристики градиентных линз рассчитывались только в параксиальном приближении и не учитывали влияние на четвертьволновую длину линзы параметров входного пучка. Указанные выше задачи требовали как теоретических, так и экспериментальных исследований, которые также являлись предметом настоящей работы.

Волоконно-оптические датчики амплитудного типа требуют амплитудной стабильности приёмно-передающих волоконных трактов. В связи с этим актуальной является задача разработки волоконных устройств деления и объединения световых пучков, с минимальной чувствительностью к модовому составу излучения. Важной задачей является также разработка волоконных переключателей и модуляторов, дистанционно управляемых оптическим излучением малой мощности.

Наряду с разработкой микрооптических элементов на основе световодов, актуальными являются также проблемы поиска новых принципов построения волоконно-оптических датчиков, поиск и исследование новых миниатюрных чувствительных элементов, разработка принципов регистрации и обработки оптических сигналов, обеспечивающих высокую точность и стабильность измерений и реализация этих принципов в конкретных образцах волоконных датчиков. Решение перечисленных выше задач и являлось предметом исследований и разработок в настоящей работе.

Основной целью диссертационной работы являлась разработка принципов построения оптических трактов волоконно-оптических датчиков с минимальными энергетическими потерями, разработка новых принципов измерения ряда физических величин и создание лабораторных образцов приборов, реализующих эти принципы.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

  • Разработка методов расчета энергетических характеристик многомодовых волоконных систем, учитывающих различные конструктивные и оптические параметры системы.
  • Теоретическое и экспериментальное исследование методов формирования волоконными микрооптическими элементами световых пучков с заданными характеристиками.
  • Разработка и исследование волоконно-оптических устройств, управляемых оптическим излучением.
  • Теоретическое и экспериментальное исследование волоконных датчиков рефлектометрического типа (в том числе на основе кольцевых систем) и волоконных интерферометров.
  • Разработка новых принципов измерения с помощью волоконно-оптических датчиков ряда физических величин (перемещений, температуры, скорости газовых потоков, концентрации в атмосфере взрывоопасных газов, люминесцентного анализа биоткани).
  • Разработка элементов гибридных волоконно-оптических датчиков для измерений, требующих гальванической развязки микроэлектронных первичных преобразователей и блока индикации.

Научно-техническая новизна работы состоит, прежде всего, в разработке новых методов расчета энергетических потерь в волоконно-оптических измерительных системах, разработке волоконных микрооптических элементов с оптимальными характеристиками, применение которых позволяет существенно снизить потери в оптическом тракте, разработке волоконных устройств, управляемых оптическим излучением и расширяющих функциональные возможности измерительных систем, а также разработке новых принципов измерения некоторых физических величин.

К наиболее существенным новым результатам, полученным в работе, относятся следующие:

  • Разработаны методы расчета энергетических характеристик многомодовых волоконных трактов основанные на гамильтоновой формулировке лучевой оптики, которые позволили впервые решить в аналитическом виде основные задачи ввода излучения в многомодовые световоды и рассчитывать конструктивные параметры волоконных трактов при которых потери в них минимальны.
  • Теоретически и экспериментально определены оптические и конструктивные параметры микрооптических элементов (фоконов, микролинз) при которых достигается оптимальное согласование элементов волоконного тракта. Впервые показано, что четвертьволновая длина градиентных линз зависит от параметров входных световых пучков и отличается от длины определяемой в параксиальном приближении.
  • Впервые получены аналитические выражения для расчета туннелирования излучения из изогнутых волокон с частично удаленной оболочкой., что позволяет использовать их в качестве чувствительных элементов датчиков для определений показателя преломления среды, датчиков на эффекте НПВО, а также использовать для контроля параметров заготовок в процессе изготовления волоконных разветвителей с заданным коэффициентом деления и спектральными характеристиками.
  • Впервые теоретически и экспериментально показано, что накопление сигнала рэлеевского рассеяния в замкнутых кольцевых волоконных системах позволяет существенно повысить чувствительность при измерении малых потерь в световодах, в том числе обусловленных внешними деформациями световода.
  • Теоретически и экспериментально исследованы волоконно-оптические датчики перемещений как амплитудного, так и интерференционного типа. Получены основные соотношения для расчёта крутизны преобразования. Созданы опытные образцы таких датчиков. Разработан газоанализатор для измерения состава бинарной газовой смеси, основанный на измерении зависимости частоты колебаний мембраны от плотности газа, причем частота колебаний мембраны измеряется волоконным датчиком, что делает газоанализатор взрывобезопасным.
  • Впервые проведены исследования оптических свойств пленок VO2 полученных на торцах волоконных световодов и определены их параметры, при которых достигается максимальный контраст оптических характеристик при фазовом переходе, индуцированном оптическим излучением. Разработаны волоконные переключатели и модуляторы, управляемые оптическим излучением. Разработаны и исследованы волоконно-оптические датчики температуры и скорости газового потока на базе релаксационного генератора с чувствительным элементом на основе плёнок VO2,
  • Впервые показано, что гетероструктуры AlGaAs предназначенные для изготовления светодиодов при определенных условиях могут эффективно (КПД>45%) работать в режиме фотовольтаического преобразователя. На основе разработанного преобразователя созданы образцы гибридных волоконно-оптических датчиков для измерения концентрации углеводородных газов и многофункциональный датчик тока, которые работают при взрывобезопасных уровнях оптической мощности.
  • Разработаны методы построения волоконно-оптических измерительных систем для люминесцентной диагностики патологических состояний биоткани. Разработаны методы расчета волоконных зондов для таких систем. Экспериментально показана высокая чувствительность разработанной аппаратуры применительно к задачам стоматологии.

Положения выносимые на защиту:

  1. Применение гамильтоновой формулировки лучевой оптики позволило получить аналитические выражения для расчета конструктивных параметров узлов ввода излучения от полупроводниковых излучателей в многомодовые оптические волокна, при которых реализуются оптимальные условия согласования, и снижается зависимость вносимых потерь от разброса технологических параметров.
    Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»