WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 |

Малые уровни передаваемой мощности требуют высокоэффективных фотовольтаических преобразователей для питания электронных схем датчиков. В настоящей работе детально исследованы фотовольтаические характеристики многопроходных гетерострктур AlGaAs предназначенных для изготовления светодиодов. Особенность фотовольтаического эффекта в таких структурах состоит в том, что он характеризуется высоким (1,2 В) напряжением холостого хода и значительной величиной тока короткого замыкания в максимуме спектральной чувствительности (до 60 мА при мощности оптического излучения 130-140мВт). Максимум фоточувствительности таких структур смещен относительно максимума электролюминесценции на 20-60 нм в коротковолновую область. Проведенные исследования позволили создать одноэлементные фотовольтаические преобразователи монохроматического излучения с КПД до 45%, что делает их пригодными для питания электронных модулей гибридных волоконных датчиков. Примером реализации гибридных волоконно-оптических датчиков на основе разработанных фотовольтаических преобразователей являются многофункциональный датчик тока, позволяющий одновременно измерять амплитудное значение тока в высоковольтной цепи, частоту, фазу и температуру токонесущего провода и гибридные волоконно-оптические датчики для спектральных измерений, основанные на преобразовании излучения, для которого кварцевое волокно является прозрачным, в излучение соответствующее основным линиям поглощения исследуемых веществ в ИК диапазоне.

Такие датчики позволяют измерять концентрацию веществ, не имеющих линий поглощения в полосе прозрачности стандартных световодов.

В восьмой главе приведены результаты исследований некоторых типов волоконно-оптических датчиков, разработанных с применением разработанных в работе микрооптических элементов. Это датчики перемещений отражательного типа, в том числе с компенсацией фоновых отражений, позволяющие с точностью до 0,3 мкм измерять смещения отражающего объекта в пределах 0-400 мкм при использовании стандартных многомодовых волокон. На основе таких датчиков разработан анализатор состава газовой бинарной смеси, в котором волоконный датчик измеряет частоту колебаний мембраны, которая зависит от плотности (состава) возбуждающего ее газового потока. Другим примером построения газоанализаторов является волоконно-оптический датчик метана, основанный на измерении интенсивности поглощения излучения в области 1,66мкм. Реализован опытный образец датчика, позволяющий измерять концентрацию метана в диапазоне 0-5% с точностью до 0,1% при длине волоконного тракта до 2 км. В работе приведены также результаты некоторых исследований по разработке датчиков температуры на основе пленок окислов ванадия. В первом варианте датчика применяется пленка, полученная окислением намыленного на торец волокна слоя ванадия. В результате окисления образуется пленка с сильно размытым фазовым переходом, что позволяет использовать ее в качестве чувствительного элемента для волоконного индикатора температуры. В другом варианте датчика в качестве чувствительного элемента применялась пленка VO2 с резким фазовым переходом. Время остывания пленки определяет частоту колебаний релаксационного генератора и зависит как от внешней температуры, так и от условий теплообмена пленки с окружающей средой. Это позволило реализовать на этом принципе образцы датчиков температуры и датчиков расхода газов, которые вносят слабые возмущения в исследуемую среду.

В заключении сформулированы основные результаты работы, которые состоят в следующем:

  1. На основе лучевой оптики в гамильтоновой формулировке сформулирован общий подход к решению задач сопряжения различных элементов многомодовых волоконных трактов. Этот подход основывается на том, что многомодовые волоконные световоды можно охарактеризовать величиной и формой четырехмерного апертурного объема, который определяет их потенциальную «энергетическую емкость». В работе получены выражения для апертурных объемов волокон с произвольным (степенным) профилем показателя преломления с учетом всех типов лучей распространяющихся в световодах. Максимально возможная эффективность сопряжения различных элементов волоконных трактов определяется отношением апертурного объема элемента принимающего излучение к апертурному объему элемента являющегося источником излучения. В то же время при непосредственной стыковке двух элементов эффективность их сопряжения определяется объемом пересечения апертурных объемов приемника и источника излучения. Эффективность сопряжения можно увеличить, если ввести между приемником и источником излучения согласующий элемент, обеспечивающий такое преобразование светового пучка, при котором упомянутый объем пересечения будет максимальным.
  2. Развитый в работе подход позволил в аналитическом виде решить задачи о технологических допусках величины разъюстировок на эффективность ввода излучения в световоды со ступенчатым и параболическим профилями показателя преломления как от ламбертовых источников, так и от источников полосковой геометрии.

    Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными, что подтверждает достоверность выполненных расчетов.

  3. Теоретически и экспериментально исследовано преобразование световых пучков расширяющимися и сужающимися фоконами, а также микролинзами полученными оплавлением торцов волокон. Показано, что преобразование пучка лучей расширяющимся фоконом определяется соотношением Лагранжа-Гельмгольца только при бесконечно малом угле конусности. Теоретически и экспериментально определены параметры диэлектрических фоконов, приемлемые для их применения в качестве согласующих элементов. Экспериментально показано, что выбор оптимальных параметров фоконов позволяет существенно увеличить эффективность ввода излучения в многомодовые световоды от излучателей полосковой геометрии. На основе разработанного согласующего элемента впервые в стране были выпущены (и выпускаются до сих пор) источники излучения для волоконных систем (ИЛПН-301, ИЛПН-304). Теоретически и экспериментально показано также, что особенностью сужающихся фоконов при определенном выборе их параметров является возможность полного внутреннего отражения излучения на их торце, что позволяет применять их в качестве чувствительных элементов волоконных датчиков использующих эффект НПВО. Выбором параметров сужающихся фоконов возможно также обеспечить их эффективное применение в качестве согласованной (неотражающей) нагрузки для волоконных трактов. Теоретически и экспериментально изучены особенности преобразования световых пучков микролинзами полученными оплавлением торца волокна. Предложена технология изготовления микролинз с воспроизводимыми параметрами основанная на непрерывном контроле их характеристик в процессе изготовления, которые позволяют при оптимальной юстировке существенно повысить эффективность ввода излучения как для многомодовых, так и для одномодовых источников излучения. Теоретически рассмотрено преобразование непараксиальных световых пучков градиентными линзами. Показано, что учет непараксиальности светового пучка позволяет более точно определить длину линзы, при которой достигаются наилучшие условия коллимирования и фокусировки излучения. При оптимальной длине линзы расходимость коллимированного пучка уменьшается в четыре раза, а диаметр фокального пятна при фокусировке излучения также уменьшается в 4 раза. Учитывая, что энергетические потери, как правило, пропорциональны квадрату упомянутых величин, выбор параметров линз в соответствии с точным расчетом позволяет существенно уменьшить потери в волоконной системе.
  4. Теоретически и экспериментально исследованы особенности технологии изготовления шлифованных многомодовых и одномодовых волоконных разветвителей. Для одномодовых шлифованных ответвителей теоретически получены основные соотношения позволяющие контролировать технологические параметры на всех стадиях изготовления разветвителя. Полученные соотношения, определяющие туннелирование излучения из волокон с частично сошлифованной оболочкой применимы также для технологического контроля в процессе изготовления и других волоконных элементов (например, поляризаторов). Особенностью шлифованных разветвителей является то, что при их изготовлении не предъявляется специфических требований к профилю показателя преломления волокна, как это имеет место при изготовлении сплавных одномодовых разветвителей. Результаты теоретических расчетов подтверждаются экспериментальными данными. Теоретически и экспериментально рассмотрены особенности технологии изготовления сплавных многомодовых разветвителей Y-типа с избыточными потерями менее 1 дБ. Характеристики разработанных ответвителей позволяют строить на их основе разветвленные волоконно-оптические системы передачи информации. Для применения ответвителей в волоконно-оптических датчиках, где важна стабильность их характеристик при изменении модового состава излучения, разработаны стабилизатор модового состава излучения и смеситель мод, применение которых позволяет улучшить метрологические характеристики амплитудных волоконных датчиков.
  5. Теоретически и экспериментально исследовано формирование сигналов рэлеевского рассеяния в кольцевых системах сформированных с помощью разветвителей Y-типа. Показано, что многократный проход зондирующего импульса по кольцевой системе и, связанное с этим, накопление сигнала позволяют существенно увеличить чувствительность и точность при измерении потерь в волоконном тракте (в том числе, наведенных).
  6. Теоретически и экспериментально исследован волоконно-оптический датчик динамических перемещений выполненный на основе разработанных одномодовых разветвителей по схеме интерферометра Физо.
    Показано, что чувствительность датчика в режиме счета полос позволяет измерять динамические перемещения до 2 мм с разрешением 0,3 мкм. Для применения в волоконных Фурье спектрометрах разработаны оптико-механические модуляторы разности хода двух световых пучков и сканирующий интерферометр, позволяющие за время 5-10 мс регистрировать оптический спектр в полосе прозрачности световодов с разрешением 10-20 нм.
  7. Предложены и исследованы волоконно-оптические элементы управляемые оптическим излучением. Основу этих элементов составляют тонкие пленки VO2 выращенные на торце волоконного световода. Оптимизация технологии их получения позволила получить высокий (сравнимый с монокристаллами) контраст изменения оптических характеристик при фазовом переходе полупроводник-металл. Вследствие малости объема пленки ФП легко индуцируется оптическим излучением мощностью 1-2мВт для многомодовых волокон и 0,2-1 мВт для одномодовых. Характерные времена переключения пленки из одного состояния в другое определяются, главным образом теплоотводом через световод и составляют 0,1-2 мкс в зависимости от конкретной реализации устройства. На основе пленок VO2 предложены и исследованы амплитудные и фазовые модуляторы, а также переключатели управляемые оптическим излучением. В работе сформулированы требования к параметрам пленок, при которых возможна оптически индуцированная бистабильность в области собственного поглощения. Эффект оптической бистабильности пленок VO2 детально исследован экспериментально и может служить основой для создания нового класса волоконных устройств управляемых оптическим излучением.
  8. На основе методов расчета, развитых в первой главе теоретически исследованы особенности применения световодов и световодных жгутов для исследования характеристик рассеивающих и люминесцирующих сред, в первую очередь биоткани. Изготовленные в соответствии с расчетами световодные системы применялись в составе разработанной аппаратуры для различных видов диагностики патологического состояния биоткани. В частности, разработанная аппаратура для люминесцентной диагностики и ее предварительные клинические испытания для диагностики стоматологических патологий показало рекордную, по сравнению с известными, чувствительность метода для определения патологических изменений биоткани.
  9. Выполнен ряд экспериментальных исследований по созданию элементной базы гибридных волоконно-оптических датчиков. Впервые экспериментально определены уровни оптической мощности передаваемой по многомодовому волокну, при котором волоконный тракт можно считать абсолютно взрывобезопасным. Исходя из ограничений передаваемой мощности во взрывоопасной среде, впервые в стране разработан одноэлементный фотовольтаический преобразователь для монохроматического излучения в волоконном исполнении с КПД 45-50% и разработана лабораторная технология его сборки.
  10. Применение разработок, выполненных в диссертационной работе, продемонстрировано на примерах создания некоторых практических образцов волоконно-оптических датчиков. Простой амплитудный датчик перемещений рефлектометрического типа, позволяющий измерять перемещения в пределах 0-400мкм с точностью не хуже 1 мкм является базовой измерительной системой для датчика бинарной газовой смеси. Основой принципа работы этого датчика является зависимость частоты колебаний мембраны возбуждаемой газовым потоком от плотности (и, следовательно, состава) газа. Разработаны высокочувствительные волоконные фотометры, на основе которых реализованы образцы датчиков метана и биофотометры (в том числе люминесцентные) для целей медицинской диагностики. Разработанные элементы с пленками VO2 послужили основой для создания различных вариантов датчиков температуры (в том числе с частотным выходом), а также измерителя скорости газового потока, вносящего минимальные искажения в исследуемый поток. Такой датчик может найти применение в технологических установках, в которых необходимо точно контролировать малые расходы газов. Достоинства гибридной технологии при создании волоконно-оптических датчиков продемонстрированы на примере многофункционального датчика тока, который одновременно позволяет измерять амплитуду тока в высоковольтной цепи, частоту, фазу и температуру токонесущего провода.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих рецензируемых изданиях:

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 |






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