WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |
  • Теоретический расчет и экспериментальное подтверждение оптимальных параметров микрооптических волоконных элементов - фоконов, микролинз, градиентных линз, при которых в 3-10 раз снижаются энергетические потери в оптических трактах волоконных датчиков.
  • Метод измерения предельно малых потерь в волоконном световоде, основанный на многопроходном зондировании исследуемого световода в кольцевой системе и накоплении сигнала рэлеевского рассеяния, обеспечивает снижение порога обнаружения наведенных в световоде потерь по сравнению с однопроходными измерениями в 2-3 раза, что приводит к существенному повышению чувствительности датчиков механических деформаций.
  • Технология изготовления одномодовых разветвителей из волокон с градиентным профилем показателя преломления, основанная на контроле толщины удаляемой части светоотражающей оболочки по величине туннелирующего оптического излучения, позволяющая изготавливать элементы с наперед заданными амплитудными и спектральными характеристиками и с потерями менее 1 дБ.
  • Волоконные переключатели и модуляторы (амплитудные и фазовые), с пленками VO2, нанесенными на торец волоконного световода, при оптическом индуцировании фазового перехода полупроводник-металл, позволяют при управляющей оптической мощности 0.5-7 мВт дистанционно перестраивать параметры волоконной измерительной системы.
  • Принцип построения измерительных систем для измерения перемещений на основе одноволоконных датчиков отражательного типа, обеспечивает расширение диапазона измерений и, в случае некогерентного источника излучения, обеспечивает динамический диапазон более 60дБ при перемещении до 400 мкм, а в случае когерентного источника излучения - динамический диапазон более 95дБ (в режиме измерения динамических перемещений до 17 мм).
  • Возможность работы полупроводниковых светодиодных структур AlGaAs-GaAs в качестве фотовольтаических преобразователей при эффективности преобразования монохроматического излучения, длина волны которого сдвинута относительно максимума электролюминесценции на 20-60 нм в коротковолновую область, в электрическую мощность с КПД более 45%, напряжением более 1,2 В при токе нагрузки до100 мА, что позволяет создавать гибридные волоконно-оптические измерительные системы с питанием электронных модулей оптическим излучением малой мощности.
  • Практическая значимость проведенных исследований и разработок заключается в следующем:

    Разработанные на основе лучевой оптики в Гамильтоновой формулировке методы расчета эффективности ввода излучения в многомодовые волоконные световоды с произвольным профилем показателя преломления позволили получить основные аналитических соотношения для выбора конструктивных параметров узлов сопряжения источников излучения со световодами. Важным для практического использования является теоретический и анализ и результаты экспериментальных исследований микрооптических элементов для формирования световых пучков с заданными характеристиками на основе фоконов, и выяснение влияния их конструктивных параметров на характеристики световых пучков. Это позволяет создавать на их основе согласующие элементы для эффективного сопряжения различных элементов волоконных трактов, включая согласования различных излучателей (в первую очередь полупроводниковых лазеров и светодиодов) с оптическими волокнами.

    Полученные формулы для расчёта градиентных линз позволяют оптимизировать их длину и другие конструктивные параметры и, как следствие, существенно уменьшить угловую расходимость пучка при его коллимировании или диаметр фокального пятна при фокусировке излучения, что обеспечивает существенное снижение потерь в оптическом тракте.

    Полученные соотношения для расчёта туннелирования излучения из световодов с частично удалённой оболочкой позволили разработать контролируемую на всех стадиях технологию изготовления одномодовых разветвителей с заданными амплитудными и спектральными характеристиками.

    Эффективность разработанных методов и устройств продемонстрирована на примере их применения в различных образцах волоконно-оптических датчиков.

    На основе проведенных исследований впервые созданы волоконно-оптические элементы (переключатели и модуляторы) управляемые оптическим излучением малой (1 - 2 мВт) мощности. Такие элементы могут найти применение как в системах связи, так и в волоконно-оптических датчиках, примером которых может являться волоконно-оптический датчики (ВОД) температуры и скорости газового потока разработанные в данной работе.

    Проведенные исследования взрывобезопасности волоконных трактов позволили впервые сформулировать критерии абсолютной взрывобезопасности при передаче по световодам мощного оптического излучения. Исходя из ограничений передаваемой по световодам мощности, в данной работе разработаны высокоэффективные фотовольтаические преобразователи для применений в гибридных волоконно-оптических датчиках. Примером построения таких датчиков с применением разработанных элементов является многофункциональный датчик тока, позволяющий одновременно с высокой точностью измерять четыре физических параметра при полной гальванической развязке измеряемой цепи с блоком отображения информации.

    Разработанные методы построения высокочувствительных волоконно-оптических фотометров позволили создать ВОД метана с удалением газовой кюветы от места расположения регистрирующей аппаратуры до 2 км, датчики температуры, нечувствительные к электромагнитным полям, волоконно-оптические устройства для контроля люминесценции биотканей с целью определения их отклонения от нормального состояния.

    Результаты диссертационной работы внедрены в ряде промышленных организаций, в частности, в ФГУП «НИИ ПОЛЮС им. М.Ф. Стельмаха», ОАО НПО «Химавтоматика», ГУ МОНИКИ им. М.Ф. Владимирского.

    Апробация работы

    Материалы исследований и разработок докладывались на следующих Всесоюзных, Российских и международных конференциях:

    2-я Всесоюзная конференция по проблеме "Волоконно-оптические линии связи", Москва,1978; 3-я Всесоюзная научно-техническая конференция "Фотометрия и её метрологическое обеспечение", Москва 1979; 3-я Всесоюзная конференция по ВОЛС, Москва, 1981; Всесоюзная конференция "Волоконно-оптические линии связи", Киев, 1982; Всесоюзная научно-техническая конференция по источникам тока, Москва 1983; 4~я Всесоюзная конференция СССПМ, Москва, 1984; Всесоюзное совещание "Совершенствование средств связи на основе внедрения стекловолоконной и процессорной техники" Кишинёв, 1986; Всесоюзная конференция "Аналитическое приборостроение. Методы и приборы для анализа жидких сред", Тбилиси,.1986; Всесоюзный семинар "Измерение перемещений в динамическом режиме", Каунас, 1987; 5-я Международная школа по когерентной оптике, Ужгород, 1989; Всесоюзная конференция "Волоконно-оптические преобразователи в приборостроении", Севастополь, 1983; Всесоюзная конференция "Быстродействующие элементы и устройства волоконно-оптических и лазерных информационных систем", Севастополь, 1990; Научно-технический семинар по волоконно-оптическим системам и средствам, Калининград Московская обл., 1990; 5-я Всесоюзная Конференция. ВОСПИ-88, Москва, 1988г; 1-я Всесоюзная конференция "Оптические методы исследования потоков", Новосибирск, 1991; Всесоюзная конференция "Проблемы измерительной техники в волоконной оптике", Нижний Новгород, 1991; 3-й Всесоюзный семинар "Химические методы обработки поверхности", Москва, 1991; Международная конференция ISFOC-91, Санкт-Петербург, 1991; Международная конференция ISFOC-93, Санкт-Петербург, 1993; Международная конференция Eurosensors-X, Leuven, Belgium, 1996; 10th International Symposium on Advances of Measurement Science Saint-Petersburg, 2004; Всероссийская конференция по волоконной оптике, Пермь, 2007; International Instrumentation and Measurem. Technology Conference, Canada, 2008; 21st Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, 2008 Ontario, Canada; Conference on Power Systems, Winnipeg, Canada, 2008.

    Результаты диссертационной работы опубликованы в центральных научных журналах и защищены 13 авторскими свидетельствами и патентами РФ.

    Личный вклад автора.

    Представленные в диссертации результаты получены лично автором или при его непосредственном участии и руководстве. Методы расчета согласования элементов многомодовых волоконных трактов на основе лучевой оптики в гамильтоновой формулировке разработаны автором совместно с Шатровым А.Д. и Потаповым В.Т.. Расчеты, представленные в главах 1 и 2 выполнены автором лично. Часть результатов представленных в гл.3 и 4 получены автором при участии Седых Д.А.. Результаты гл.5 в части физических исследований получены автором совместно с Егоровым Ф.А., в части практической реализации устройств результаты получены автором лично. Результаты, приведенные в главах 6 и 8, получены лично автором. Медицинские особенности применения разработанных автором волоконных систем для люминесцентной диагностики изучены автором совместно с Александровым М.Т. и Масычевым В.И.

    Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав и заключения.

    Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы основные цели работы и определены основные направления исследований.

    В первой главе, на основе лучевой оптики в гамильтоновой формулировке развит общий подход к решению задач согласования элементов многомодовых оптических трактов. Для волоконных световодов при равномерном возбуждении всех мод мерой «энергетической ёмкости» является величина апертурного объема в четырехмерном фазовом пространстве, где обобщенные импульсы связаны с углами наклона распространяющегося луча к соответствующим координатным осям, а х,у, определяют координаты луча в некотором сечении z. Для волокон с профилем показателя преломления (ППП), определяемом формулой

    (1)

    (где а - радиус световедущей жилы, а - относительная разность показателей преломления жилы и оболочки световода)

    апертурные объемы при учете как поверхностных, так и туннелирующих мод определяются выражениями

    , (2)

    где -числовая апертура световода, Г –гамма функция, m=2 соответствует волокну с параболическим ППП, соответствует волокну со ступенчатым ППП.

    Если все лучи, исходящие из источника, переносят одинаковую мощность (ламбертов источник) максимально возможная эффективность ввода излучения в волокно определяется отношением апертурного объема волокна к апертурному объему источника излучения. Эта эффективность реализуется при условии, что апертурный объем волокна полностью содержится в апертурном объеме источника. Если это условие не выполняется, то реальная эффективность ввода излучения в волокно определяется отношением объема пересечения апертурного объема волокна с апертурным объемом источника к апертурному объему источника. В случае, когда упомянутый объем пересечения меньше апертурного объема волокна эффективность ввода излучения может быть увеличена с помощью микрооптических согласующих элементов.

    В общем случае эффективность ввода излучения определяется выражением:

    (3)

    где функция плотности, пропорциональная яркости источника.

    Если по условиям задачи источник можно рассматривать как точечный с диаграммой направленности, то для эффективности ввода излучения справедлива формула:

    (4)

    Достоинство подхода, основанного на гамильтоновой формулировке геометрической оптики, состоит в том, что при решении типичных задач возбуждения волоконных световодов отпадает необходимость учета траекторий всех световых лучей распространяющихся в системе, а необходимо учитывать только лучи, определяющие границы апертурного объема. Вычисление интегралов (3) и (4) (причем, интегралы, стоящие в числителе, вычисляются по объему пересечения в сечении z апертурных областей источника и возбуждаемого волокна), дает аналитическую зависимость эффективности ввода излучения в волоконные световоды с произвольным (степенным) профилем показателя преломления от полупроводниковых источников излучения с учетом продольных разъюстировок. На основе проведенных расчетов сформулированы требования к технологическим допускам при вводе излучения от ламбертовых источников (светодиодов) и источников полосковой геометрии в многомодовые световоды с учетом как продольных, так и поперечных разъюстировок.

    Вторая глава посвящена рассмотрению основных микрооптических элементов (диэлектрических фоконов, микролинз, градиентных линз) предназначенных для преобразования световых пучков при которых достигается максимальный объем пересечения апертурных областей источника и приемника излучения. Эти элементы предназначены, в первую очередь, для согласования элементов многомодовых волоконных трактов, включая согласование источников и приемников излучения со световодами, а также световодов с различными оптическими характеристиками. Как было показано, согласование различных элементов волоконного тракта, т.е. передача оптической мощности с минимальными потерями от источника приемнику излучения возможно только в том случае, если апертурный объем приемника излучения не меньше апертурного объема источника.

    Типичные задачи преобразования световых пучков – это коллимирование и фокусировка излучения. В качестве элементов осуществляющих указанные преобразования в данной главе рассмотрены диэлектрические фоконы, микролинзы, выполненные на торце волокон и градиентные линзы, работающие с непараксиальными пучками.

    Теоретически и экспериментально исследовано коллимирование излучения расширяющимися фоконами. При малых углах конусности максимальный входной угол, в пределах которого будет происходить непрерывное коллимирование излучения при заданной выходной апертуре можно приближенно оценить по формуле:

    при. (5)

    ( и R – входной и выходной радиус фокона).

    Из формулы (5) следует, что только при преобразование фоконом пучка лучей будет определяться соотношением Лагранжа-Гельмгольца, а при произвольных углах конусности и заданном значении выходной апертуры при коллимировании излучения будут иметь место энергетические потери.. Показано, что для применения фоконов в качестве согласующих элементов угол конусности не должен превышать 0,5о. В ходе экспериментальных исследований определены оптимальные для выбранных типов излучателей (ИЛПН301-1, ИЛПН304) параметры согласующих фоконов. Их применение позволило увеличить эффективность ввода излучения в волокно со стандартными характеристиками в 3-3,5 раза. Эффективности применения фоконов в качестве согласующих элементов для ввода излучения в стандартное многомодовое волокно от суперлюминесцентного диода (типа ИЛПН301) показана на рис.1

    4

    Рис.1 Зависимость увеличения

    эффективности ввода 3 излучения в волокно от

    параметров согласующего

    фокона.

    Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |






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