Волоконно-оптический торцевой интерферометр - универсальный элемент построения датчиков смещения.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”
Òîì 75, ¹ 1, ÿíâàðü 2008
ÑÎÄÅÐÆÀÍÈÅ
ÔÈÇÈ×ÅÑÊÀß ÎÏÒÈÊÀ
3 Âîëîêîííî-îïòè÷åñêèé òîðöåâîé èíòåðôåðîìåòð – óíèâåðñàëüíûé ýëåìåíò ïîñòðîåíèÿ äàò÷èêîâ ñìåùåíèÿ Âåòðîâ À.À., Êîìèññàðîâ Ñ.Ñ., Ñåðãóøè÷åâ À.Í.
7 ÈÊ ôóðüå-ñïåêòðîñêîïè÷åñêîå èññëåäîâàíèå ìåõàíèçìà ïàðîôàçíîé ýêñòðàêöèè èç âîäíûõ ðàñòâîðîâ Áåõòåðåâ Â.Í., Áåõòåðåâ À.Í., Çîëîòàðåâ Â.Ì.
ËÀÇÅÐÍÀß ÔÈÇÈÊÀ È ÒÅÕÍÈÊÀ
11 Îïòèìèçàöèÿ âîçäåéñòâèÿ ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ íà ìÿãêèå áèîòêàíè Áåëèêîâ À.Â., Êàðàñåâ Â.Á., Ïóøêàðåâà À.Å., Ñêðèïíèê À.Â., Ñìèðíîâ Ì.Ç., Îâ÷àðåíêî ß.Ñ., Õðàìîâ Â.Þ.
15 Íåëèíåéíûå ÿâëåíèÿ â îïòè÷åñêèõ âîëîêíàõ ñ ïðèìåñüþ Ñàâèí Å.Ç., Îñèïîâà Í.Ã., Ëèâàøâèëè À.È.
ÐÀÑ×ÅÒ, ÏÐÎÅÊÒÈÐÎÂÀÍÈÅ È ÏÐÎÈÇÂÎÄÑÒÂÎ ÎÏÒÈ×ÅÑÊÈÕ ÑÈÑÒÅÌ
19 Îïòèìèçàöèÿ ñèñòåìû òåëåâèçèîííîé âèçóàëèçàöèè ëþìèíåñöèðóþùèõ îáúåêòîâ ìåòîäîì êîìïüþòåðíîãî ìîäåëèðîâàíèÿ Êîðíûøåâ Í.Ï., Òèìîôååâ À.Â.
ÈÊÎÍÈÊÀ – ÍÀÓÊÀ ÎÁ ÈÇÎÁÐÀÆÅÍÈÈ
22 Ñîâðåìåííûå ìåòîäû èçìåðåíèÿ ðàçðåøàþùåé ñïîñîáíîñòè çðèòåëüíîé ñèñòåìû Êîñêèí Ñ.À., Áîéêî Ý.Â., Øåëåïèí Þ.Å.
28 Ìîäåëèðîâàíèå òåïëîâèçèîííûõ èçîáðàæåíèé íàçåìíûõ îáúåêòîâ Ìî÷àëèí Â.Ä.
ÎÏÒÈ×ÅÑÊÎÅ ÏÐÈÁÎÐÎÑÒÐÎÅÍÈÅ È ÒÅÕÍÎËÎÃÈß
32 Ôëóîðåñöåíòíûé âèäåîäåðìàòîñêîï Kang Uk, Ïàïàÿí Ã.Â., Bae Soo-Jin, Áåðåçèí Â.Á., Êèì Ñ.
39 Îöåíêà äèàïàçîíà èçìåðåíèé òåëåâèçèîííîãî ìîíîõðîìàòè÷åñêîãî ïèðîìåòðà Êóçíåöîâ À.Â.
ÎÏÒÈ×ÅÑÊÎÅ ÌÀÒÅÐÈÀËÎÂÅÄÅÍÈÅ È ÒÅÕÍÎËÎÃÈß
43 Îïòè÷åñêèå ñâîéñòâà íàíî÷àñòèö äèîêñèäà âàíàäèÿ â íàíîïîðèñòûõ ñòåêëàõ Ñèäîðîâ À.È., Âèíîãðàäîâà Î.Ï., Õðóøåâà Ò.À., Îáûêíîâåííàÿ È.Å., Åðìîëàåâà Ã.Í., Øèëîâ Â.Á.
49 Ìåõàíèçì ïðîñâåòëåíèÿ ïàññèâíûõ ëàçåðíûõ çàòâîðîâ YAG:V3+ ïðè ÂÊÐ ïðåîáðàçîâàíèè â êðèñòàëëàõ KGW:Nd3+ Òèòîâ À.Í., Èâàíîâ Â.Í., Âåòðîâ Â.Í., Èãíàòåíêîâ Á.À., Ñòîðîùóê Î.Á., Êðóòîâà Ë.È., Äóêåëüñêèé Ê.Â., Ìåäîâîëêèí Â.Â., Óðáàíîâè÷ Å.Â., Èâàíîâ Ä.Â.
53 Ê òåîðèè ýëëèïñîìåòðèè ðåàëüíîé ïîâåðõíîñòè Ãàéíóòäèíîâ È.Ñ., Íåñìåëîâ Å.À., Øàéìàðäàíîâ Ð.Ã., Èâàíîâ Â.À., Ìèõàéëîâ À.Â.
57 Êîððåëÿöèÿ ñïåêòðàëüíûõ ïàðàìåòðîâ è öâåòîâûõ õàðàêòåðèñòèê èíòåðôåðåíöèîííûõ ôèëüòðîâ Àçàìàòîâ Ì.Õ., Ãàéíóòäèíîâ È.Ñ., Ìèõàéëîâ À.Â., Ñàáèðîâ Ð.Ñ., Ñàôèí Ð.Ã.
63 Ïðîñâåòëåíèå îïòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ â îáëàñòè ñïåêòðà 2,5–3,5 ìêì Ñàáèðîâ Ð.Ñ., Ãàéíóòäèíîâ È.Ñ., Àëèàêáåðîâ Ð.Ä., Ãàðååâ Ð.Ð., Êàðèìîâ Ð.Ò., Øóâàëîâ Í.Þ., Ìèõàéëîâ À.Â.
66 Îöåíêà ïàðàëëàêñà èçîáðàæåíèÿ ìåíèñêà âûðàùèâàåìîãî êðèñòàëëà Ìèõëÿåâ Ñ.Â.
ÏÐÀÊÒÈ×ÅÑÊÈÅ ÏÐÎÁËÅÌÛ ÏÐÎÈÇÂÎÄÑÒÂÀ
71 Óñòàíîâêà äëÿ èçìåðåíèÿ ñïåêòðàëüíîãî êîýôôèöèåíòà íàïðàâëåííîãî ïðîïóñêàíèÿ øèðîêîàïåðòóðíûõ îïòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ Äìèòðèåâ Å.È., Ôèëèïïîâ Î.Ê., Ôèëèïïîâ Â.Ã.
73 Îïòè÷åñêèé äàò÷èê óãëà ïîëîæåíèÿ àâòîìàòèçèðîâàííîãî òåëåñêîïà ÇÀ-320Ì Ïóëêîâñêîé îáñåðâàòîðèè Äåâÿòêèí À.Â., Âåðåùàãèíà È.À., Êóëèø À.Ï., Øóìàõåð À.Â., Êóïðèÿíîâ Â.Â., Áåõòåâà À.Ñ.
ÏÈÑÜÌÀ Â ÐÅÄÀÊÖÈÞ
80 Êâàçèëó÷åâîå îïèñàíèå ìåæìîäîâîé èíòåðôåðåíöèè èçëó÷åíèÿ îïòè÷åñêèõ âèõðåé â êîðîòêèõ âîëîêîííûõ ñâåòîâîäàõ Êèçåâåòòåð Ä.Â.
83 Óïðî÷íåíèå ïðîçðà÷íûõ ïðîâîäÿùèõ ïîêðûòèé è “ìÿãêèõ” ìàòåðèàëîâ ÈÊ-äèàïàçîíà ñïåêòðà ïðè ïðèìåíåíèè íàíîòåõíîëîãèé Êàìàíèíà Í.Â., Âàñèëüåâ Ï.ß., Ñòóäåíîâ Â.È., Óñàíîâ Þ.Å.
ÈÍÔÎÐÌÀÖÈß
85 Ìåæäóíàðîäíàÿ êîíôåðåíöèÿ “Îïòîèíôîðìàòèêà 2008” 86 Êîëëåêòèâíàÿ ìîíîãðàôèÿ “Îïòèêà íàíîñòðóêòóð”
Ñäàíî â íàáîð 01.10.07. Ïîäïèñàíî â ïå÷àòü 00.00.06. Ôîðìàò áóìàãè 60×84/8. Áóìàãà îôñåòíàÿ ¹ 1. Ãàðíèòóðà Times New Roman. Ïå÷àòü îôñåòíàÿ. Çàêàç ¹ 00. Îòïå÷àòàíî â ÎÎÎ «ÖÒÒ». Òèðàæ 300 ýêç. Öåíà ïîäïèñíàÿ. Àäðåñ òèïîãðàôèè: 199034, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã, Áèðæåâàÿ ëèíèÿ, ä. 16.
Êà÷åñòâî ãðàôè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ ñîîòâåòñòâóåò ïðåäñòàâëåííûì îðèãèíàëàì.
Íàó÷íûé ðåäàêòîð Â.Ï. Áåëîøååâ Êîððåêòîð Ò.Ë. Øèðîêîâà
ÔÈÇÈ×ÅÑÊÀß ÎÏÒÈÊÀ
ÓÄÊ 681.586.5:621.395
ÂÎËÎÊÎÍÍÎ-ÎÏÒÈ×ÅÑÊÈÉ ÒÎÐÖÅÂÎÉ ÈÍÒÅÐÔÅÐÎÌÅÒÐ – ÓÍÈÂÅÐÑÀËÜÍÛÉ ÝËÅÌÅÍÒ ÏÎÑÒÐÎÅÍÈß ÄÀÒ×ÈÊΠÑÌÅÙÅÍÈß
© 2008 ã.
À. À. Âåòðîâ*, êàíä. òåõí. íàóê; Ñ. Ñ. Êîìèññàðîâ*, À. Í. Ñåðãóøè÷åâ**, êàíä. òåõí. íàóê
** Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé ýëåêòðîòåõíè÷åñêèé óíèâåðñèòåò ** (ËÝÒÈ), Ñàíêò-Ïåòåðáóðã
** Ñåêöèÿ ïðèêëàäíûõ ïðîáëåì ïðè Ïðåçèäèóìå ÐÀÍ, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã ** E-mail: a_vetrov@mail.ru
Ðàññìîòðåíà îïòè÷åñêàÿ ñõåìà âîëîêîííî-îïòè÷åñêîãî òîðöåâîãî èíòåðôåðîìåòðà, â êîòîðîì ïðîèñõîäèò èíòåðôåðåíöèÿ äâóõ ïó÷êîâ – îòðàæåííîãî îò ñâîáîäíîãî òîðöà îïòè÷åñêîãî âîëîêíà è âîçâðàùåííîãî â âîëîêíî âíåøíèì îòðàæàòåëåì. Ïðîâåäåí òåîðåòè÷åñêèé àíàëèç è ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ èíòåðôåðîìåòðà, óêàçàíû åãî îïòèìàëüíûå ïàðàìåòðû ñ òî÷êè çðåíèÿ “âèäíîñòè” èíòåðôåðåíöèîííîé êàðòèíû. Ýêñïåðèìåíòàëüíî îïðåäåëåíà ÷óâñòâèòåëüíîñòü ê ïåðåìåùåíèþ âíåøíåãî çåðêàëà, ðàâíàÿ 0,014 íì, â øèðîêîé ïîëîñå ÷àñòîò. Îòìå÷åíà ïåðñïåêòèâíîñòü äàííîé ñõåìû äëÿ ïîñòðîåíèÿ ðàçëè÷íûõ òèïîâ âîëîêîííî-îïòè÷åñêèõ ñåíñîðîâ.
Êîäû OCIS: 060.0060.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 19.06.2007.
Ââåäåíèå
Èíòåðôåðîìåòðè÷åñêèå îïòè÷åñêèå ñõåìû øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ ïðè ñîçäàíèè âûñîêîòî÷íûõ èçìåðèòåëüíûõ ñèñòåì ëèíåéíîãî ïåðåìåùåíèÿ, à òàêæå äàò÷èêîâ äðóãèõ ôèçè÷åñêèõ âåëè÷èí (âèáðàöèé, äàâëåíèÿ, òåìïåðàòóðû, ñêîðîñòè è ò. ï.), îïðåäåëåíèå êîòîðûõ ìîæåò áûòü ñâåäåíî ê èçìåðåíèþ ïåðåìåùåíèÿ ñîîòâåòñòâóþùåãî ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà. Ê íåñîìíåííûì äîñòîèíñòâàì èíòåðôåðîìåòðîâ îòíîñÿòñÿ î÷åíü âûñîêèå ÷óâñòâèòåëüíîñòü è òî÷íîñòü, ïîñêîëüêó ýòàëîíîì ñðàâíåíèÿ â íèõ ñëóæèò äëèíà âîëíû îïòè÷åñêîãî èçëó÷åíèÿ, à òàêæå âûñîêîå áûñòðîäåéñòâèå ïðè ôîòîýëåêòðè÷åñêîé ðåãèñòðàöèè îòêëèêà.
 òî æå âðåìÿ êëàññè÷åñêèå èíòåðôåðîìåòðû – ýòî, êàê ïðàâèëî, äîñòàòî÷íî ñëîæíûå è ãðîìîçäêèå óñòðîéñòâà, òðåáóþùèå ïðåöèçèîííîé ìåõàíèêè è îïòèêè, òùàòåëüíîé íàñòðîéêè è ñïåöèàëüíûõ ìåð çàùèòû îò âíåøíèõ âîçäåéñòâèé. Ýòè îáñòîÿòåëüñòâà ïðèâîäÿò ê âûñîêîé ñòîèìîñòè, íåóäîáñòâàì ïðè óñòàíîâêå è ðàáîòå òàêèõ óñòðîéñòâ, è â êîíå÷íîì ñ÷åòå ê îãðàíè÷åíèþ îáëàñòè èõ âîçìîæíîãî èñïîëüçîâàíèÿ.
Ñîçäàíèå èíòåðôåðîìåòðîâ íà îñíîâå âîëîêîííî-îïòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ ïîçâîëÿåò â îñíîâíîì óñòðàíèòü îòìå÷åííûå íåäîñòàòêè è ñîçäàâàòü ïðîñòûå, êîìïàêòíûå è íåäîðîãèå óñòðîéñòâà. Êðîìå òîãî, ñîâðåìåííûé ïðîãðåññ â îáëàñòè îïòè÷åñêîé ñâÿçè è òåëåêîììóíèêàöèé îáåñïå÷èë øèðîêóþ ðûíî÷íóþ äîñòóïíîñòü íåîáõîäèìûõ ýëåìåíòîâ äëÿ
ðåàëèçàöèè âîëîêîííî-îïòè÷åñêèõ èíòåðôåðîìåòðîâ: èçëó÷àòåëåé, ïðèåìíèêîâ, êîííåêòîðîâ, ðàçâåòâèòåëåé è ò. ä.
Îäíèì èç ïðîñòåéøèõ óñòðîéñòâ òàêîãî òèïà ìîæíî ñ÷èòàòü âîëîêîííî-îïòè÷åñêèé òîðöåâîé èíòåðôåðîìåòð (ÂÎÒÈ) [1, 2], ïî ñóòè ÿâëÿþùèéñÿ äâóõëó÷åâûì èíòåðôåðîìåòðîì Ôàáðè–Ïåðî, â êîòîðîì îïòè÷åñêîå èçëó÷åíèå ÷àñòè÷íî îòðàæàåòñÿ îò òîðöà âîëîêíà (ïåðâûé ëó÷), à ÷àñòè÷íî âûõîäèò â ñâîáîäíîå ïðîñòðàíñòâî è âîçâðàùàåòñÿ â òîðåö âîëîêíà âíåøíèì îòðàæàòåëåì (âòîðîé ëó÷). Òàêîé èíòåðôåðîìåòð, íàðÿäó ñ âûñîêîé ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ, îòëè÷àåòñÿ ïðîñòîé êîíñòðóêöèåé, êîìïàêòíîñòüþ, óñòîé÷èâîñòüþ ê âíåøíèì âîçäåéñòâèÿì è íåâûñîêîé ñòîèìîñòüþ. Îí ìîæåò ñëóæèòü îñíîâîé äëÿ øèðîêîãî êëàññà äàò÷èêîâ ôèçè÷åñêèõ âåëè÷èí.
 äàííîé ðàáîòå äàí êðàòêèé òåîðåòè÷åñêèé àíàëèç ÂÎÒÈ, ïðèâåäåíû ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû åãî ëàáîðàòîðíûõ èññëåäîâàíèé, à òàêæå íàìå÷åíû âîçìîæíûå îáëàñòè åãî ïðèìåíåíèÿ.
1. Òåîðåòè÷åñêîå îïèñàíèå ñõåìû ÂÎÒÈ
Ïðèíöèï äåéñòâèÿ ÂÎÒÈ ñîñòîèò â ñëåäóþùåì (ðèñ. 1). Èçëó÷åíèå ëàçåðíîãî äèîäà 1 ââîäèòñÿ â îïòè÷åñêîå âîëîêíî 2 è ÷åðåç ðàçâåòâèòåëü 3 ïåðåäàåòñÿ íà âîëîêíî 4. Ïðè ýòîì ÷àñòü èçëó÷åíèÿ îòðàæàåòñÿ îò òîðöà îïòîâîëîêíà 4, à äðóãàÿ åãî ÷àñòü, îòðàæàÿñü îò çåðêàëà 5, âîçâðàùàåòñÿ îáðàòíî â îïòîâîëîêíî 4. Èçëó÷åíèå, îòðàæåííîå îò òîðöà
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
3
12 34
6
5
Ðèñ. 1. Ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà âîëîêîííî-îïòè÷åñêîãî èíòåðôåðîìåòðà.
îïòîâîëîêíà, èíòåðôåðèðóåò ñ èçëó÷åíèåì, îòðàæåííûì îò çåðêàëà, è íà ôîòîïðèåìíèêå 6 ðåãèñòðèðóåòñÿ èíòåíñèâíîñòü èçó÷åíèÿ, èçìåíÿþùàÿñÿ â çàâèñèìîñòè îò ðàññòîÿíèÿ ìåæäó òîðöîì âîëîêíà è çåðêàëîì (d),
I = I1 + I2 + 2γ
I1 I 2
cos
⎛ ⎜⎝
4π
d λ
⎞ ⎟⎠
,
(1)
ãäå I1 è I2 – èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèé, îòðàæåííîãî îò òîðöà âîëîêíà è âîçâðàùåííîãî â âîëîêíî ïîñëå
îòðàæåíèÿ îò çåðêàëà ñîîòâåòñòâåííî; γ – ñòåïåíü êîãåðåíòíîñòè èçëó÷åíèé I1 è I2, λ – äëèíà âîëíû èçëó÷åíèÿ ëàçåðà.
 îáùåì ñëó÷àå γ èçëó÷åíèÿ ëàçåðà îïðåäåëÿåòñÿ ñîîòíîøåíèåì
γ = sinβ, β
ãäå
β
=
πl lêîã
,
(2)
ãäå lêîã – äëèíà êîãåðåíòíîñòè èçëó÷åíèÿ ëàçåðà, l – ðàçíîñòü õîäà èíòåðôåðèðóþùèõ ëó÷åé.
Îäíàêî íà ïðàêòèêå äëÿ ìàëûõ ðàññòîÿíèé îò
çåðêàëà äî òîðöà âîëîêíà è âûñîêîé êîãåðåíòíîñòè ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ ìîæíî ïîëàãàòü γ ≈ 1.
Èç ñîîòíîøåíèÿ (1) âèäíî, ÷òî ñìåùåíèå çåðêàëà íà ïîëîâèíó äëèíû âîëíû ñâåòà èçìåíÿåò ðàçíîñòü ôàç èíòåðôåðèðóþùèõ ëó÷åé íà 2π, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò îäíîìó ïåðèîäó èçìåíåíèÿ èíòåíñèâíîñ-
òè èçëó÷åíèÿ íà ôîòîïðèåìíèêå. Çàâèñèìîñòü óðîâíÿ ñèãíàëà íà ôîòîïðèåìíèêå îò ðàññòîÿíèÿ
ìåæäó òîðöîì âîëîêíà è çåðêàëîì ïðèâåäåíà íà ðèñ. 2. Î÷åâèäíî, ÷òî äëÿ äîñòèæåíèÿ ìèíèìóìà èñêàæåíèé ñèãíàëà íåîáõîäèìî ðàáî÷óþ òî÷êó âûáèðàòü íà ðàññòîÿíèè, êðàòíîì λ/4, à àìïëèòóäà ïåðåìåùåíèé çåðêàëà äîëæíà íàõîäèòüñÿ â ëèíåéíîé îáëàñòè èçìåíåíèÿ óðîâíÿ ñèãíàëà.
Äëÿ âîëîêîííî-îïòè÷åñêîãî èíòåðôåðîìåòðà Ôàáðè–Ïåðî èíòåíñèâíîñòü ñâåòà, îòðàæåííîãî îò òîðöà âîëîêíà,
I1 = R1I0,
(3)
à èíòåíñèâíîñòü ñâåòà, îòðàæåííîãî îò çåðêàëà,
I2 = (1 – R1)2RT(d)I0,
(4)
ãäå I0 – èíòåíñèâíîñòü èçëó÷åíèÿ, ïîäâîäèìîãî ê òîðöó âîëîêíà; R1 è R – êîýôôèöèåíòû îòðàæåíèÿ
4
òîðöà âîëîêíà è çåðêàëà ñîîòâåòñòâåííî.  ñëó÷àå êâàðöåâîãî âîëîêíà R1 = 0,036 – ôðåíåëåâñêèé êîýôôèöèåíò îòðàæåíèÿ ãðàíèöû ðàçäåëà êâàðö– âîçäóõ, T(d) – ïîòåðè, âîçíèêàþùèå èç-çà ðàñõîäèìîñòè èçëó÷åíèÿ â ñâîáîäíîì ïðîñòðàíñòâå è çàâèñÿùèå îò ðàññòîÿíèÿ d. Äëÿ ïëîñêîãî çåðêàëà è îäíîìîäîâîãî âîëîêíà ýòîò ñîìíîæèòåëü èìååò âèä [3]
T(d) = 1/[1+(d/d0)2],
(5)
ãäå d0 = πnω2/λ; n – ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ, λ – äëèíà âîëíû îïòè÷åñêîãî èçëó÷åíèÿ, à ω – ðàäèóñ ïîëÿ îïòè÷åñêîé ìîäû â âîëîêíå. ×èñëåííî äëÿ ñòàíäàðò-
íîãî îäíîìîäîâîãî âîëîêíà ïðè λ = 1,55 ìêì d0 ≈ ≈ 80 ìêì.
Ñîâìåñòíîå ðàññìîòðåíèå ñîîòíîøåíèé (1)–(5)
ïîçâîëÿåò ïðîàíàëèçèðîâàòü ôóíêöèþ îòêëèêà I
ÂÎÒÈ â øèðîêîì äèàïàçîíå ðàññòîÿíèé d. Íåòðóä-
íî âèäåòü, ÷òî îíà ñîäåðæèò áûñòðî îñöèëëèðóþ-
ùèé èíòåðôåðåíöèîííûé êîìïîíåíò, ïðîïîðöèî-
íàëüíûé cos(4πd/λ), îãðàíè÷åííûé ñâåðõó è ñíèçó îãèáàþùèìè ëèíèÿìè èíòåðôåðåíöèîííûõ ìàê-
ñèìóìîâ Imax è ìèíèìóìîâ Imin, îïðåäåëÿåìûõ èç óñëîâèé
Imax = I1 + I2 + I1I2 , Imin = I1 + I2 − I1I2. (6)
Èçâåñòíî, ÷òî “âèäíîñòü” èíòåðôåðåíöèîííîé êàðòèíû îïðåäåëÿåòñÿ ñîîòíîøåíèåì [4]
V
=
Imax − Imax +
Imin . I min
(7)
Àíàëèç ñîîòíîøåíèÿ (7) ñ ó÷åòîì (3)–(6) ïîêàçûâàåò, ÷òî íàèëó÷øàÿ “âèäíîñòü” ïîëåçíîãî ñèãíàëà íà âûõîäå ôîòîïðèåìíèêà áóäåò íàáëþäàòüñÿ â ñëó÷àå ðàâåíñòâà èíòåíñèâíîñòåé I1 è I2 èíòåðôå-
1
Ðàáî÷àÿ òî÷êà
Óðîâåíü ñèãíàëà Ëèíåéíàÿ îáëàñòü
0 λ/4 λ/2 3λ/4 λ 5λ/4 6λ/4 7λ/4 d
Ðèñ. 2. Çàâèñèìîñòü óðîâíÿ ñèãíàëà îò ïåðåìåùåíèé çåðêàëà.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
ðèðóþùèõ ëó÷åé, ò. å. ïðè íåêîòîðîì îïòèìàëüíîì ðàññòîÿíèè d îò çåðêàëà äî òîðöà âîëîêíà. Ïðè ýòîì ñëåäóåò çàìåòèòü, ÷òî V(d) èçìåíÿåòñÿ äîñòàòî÷íî ìåäëåííî ïî ñðàâíåíèþ ñ èíòåíñèâíîñòüþ èçëó÷åíèÿ íà ôîòîïðèåìíèêå I(d) è ìîæåò áûòü îïðåäåëåíà ýêñïåðèìåíòàëüíî.
2. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû
Äëÿ èññëåäîâàíèÿ ïàðàìåòðîâ ÂÎÒÈ áûëà ñîçäàíà ëàáîðàòîðíàÿ óñòàíîâêà, ôóíêöèîíàëüíàÿ ñõåìà êîòîðîé ïðèâåäåíà íà ðèñ. 3.
Óñòàíîâêà ñîäåðæèò ïîëóïðîâîäíèêîâûé ëàçåðíûé äèîä 2, óïðàâëÿåìûé áëîêîì ïèòàíèÿ 1. Âûõîäíîå èçëó÷åíèå ÷åðåç îïòè÷åñêóþ ðîçåòêó ïîñòóïàåò â ïëå÷î âîëîêîííî-îïòè÷åñêîãî ðàçâåòâèòåëÿ 3 ôîðìàòà 2×1, èçãîòîâëåííîãî íà îñíîâå îäíîìîäîâîãî îïòè÷åñêîãî âîëîêíà. Òîðåö îáùåãî âîëîêíà ðàçâåòâèòåëÿ 3 óêðåïëåí íåïîäâèæíî. Îòðàæàþùåå çåðêàëî 4 óêðåïëåíî íà ïüåçîñòîëáèêå 5, êîòîðûé èñïîëüçóåòñÿ äëÿ òî÷íîé ïîäñòðîéêè è ìîäóëÿöèè ðàññòîÿíèÿ d. Ñìåùåíèå ïüåçîñòîëáèêà 5 íà ðàññòîÿíèå 750 íì ïðîèñõîäèò ïðè ïîäà÷å íà íåãî íàïðÿæåíèÿ 260 Â. Çåðêàëî 4 ñ ïüåçîñòîëáèêîì 5 ñíàáæåíû óãëîâûìè è ëèíåéíûìè þñòèðîâî÷íûìè ïîäâèæêàìè. Ëèíåéíàÿ ïîäâèæêà 6 ñíàáæåíà ñòðåëî÷íûì èíäèêàòîðîì äëÿ ãðóáîãî èçìåíåíèÿ ðàññòîÿíèÿ d (òî÷íîñòü îòñ÷åòà 10 ìêì).
Äëÿ òî÷íîé ïîäñòðîéêè ðàññòîÿíèÿ d, íàñòðîéêè íà ìàêñèìóìû è ìèíèìóìû èíòåðôåðåíöèîííîãî ñèãíàëà è íà ðàáî÷èå ó÷àñòêè ñ ìàêñèìàëüíîé êðóòèçíîé õàðàêòåðèñòèêè èñïîëüçóåòñÿ èñòî÷íèêè ïîñòîÿííîãî è ïåðåìåííîãî íàïðÿæåíèÿ áëîêà óïðàâëåíèÿ 9. Èñòî÷íèêè íàïðÿæåíèé áëîêà 9 ðàçâÿçàíû ìåæäó ñîáîé ðåçèñòèâíî-åìêîñòíûì äåëèòåëåì è ìîãóò ðàáîòàòü íåçàâèñèìî äðóã îò äðóãà. Ðåãèñòðàöèÿ èíòåðôåðåíöèîííîãî ñèãíàëà ïðîâîäèòñÿ ôîòîïðèåìíèêîì 7 ñ óñòðîéñòâîì ñìåùåíèÿ íàïðÿæåíèÿ (íà ñõåìå íå ïîêàçàíî). Âûõîäíîé ñèãíàë ôîòîïðèåìíèêà 7 ðåãèñòðèðóåòñÿ ïî ïîñòîÿííîìó òîêó ìèêðîàìïåðìåòðîì (èíòåíñèâíîñòü èçìåðÿåòñÿ â îòíîñèòåëüíûõ åäèíèöàõ), à ïî ïåðåìåííîìó ñèãíàëó – ïîëîñîâûì âîëüòìåòðîì áëîêà ðåãèñòðàöèè 8.
Íîðìèðîâàííàÿ èíòåíñèâíîñòü, îòí. åä.
Âåñü êîìïëåêñ àïïàðàòóðû ñìîíòèðîâàí â âèäå ýêñïåðèìåíòàëüíîé óñòàíîâêè íà îïòè÷åñêîì ñòîëå.
Ýêñïåðèìåíòû ïî èññëåäîâàíèþ çàâèñèìîñòè óðîâíÿ ñèãíàëà è “âèäíîñòè” V îò ðàññòîÿíèÿ d ïðîâîäèëèñü ïóòåì ôèêñèðîâàííûõ ïåðåìåùåíèé çåðêàëà ïîäâèæêîé 6 è ïîñëåäóþùåé ïîäñòðîéêîé ðàññòîÿíèÿ äî ïîëó÷åíèÿ Imax è Imin áëîêîì óïðàâëåíèÿ 9 è ïüåçîñòîëáèêîì 5 ïî ïîñòîÿííîìó òîêó. Ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé ïðèâåäåíû íà ðèñ. 4 ñîâìåñòíî ñ òåîðåòè÷åñêèìè ðàñ÷åòíûìè êðèâûìè ñîãëàñíî ñîîòíîøåíèþ (7).
Èç ðàññìîòðåíèÿ ãðàôèêîâ, ïðèâåäåííûõ íà ðèñ. 4, ìîæíî çàêëþ÷èòü, ÷òî ìàêñèìàëüíàÿ “âèäíîñòü” äîñòèãàåòñÿ íà ðàññòîÿíèè d ≈ 5d0 è ñîñòàâëÿåò ~ 0,1 ìì. Çîíà ñ êîíòðàñòîì ïî óðîâíþ 0,9 ñîñòàâèëà äèàïàçîí d îò 2,5d0 äî 8d0, à ïî óðîâíþ 0,5 – îò 0,6d0 äî 21d0.
Ýêñïåðèìåíò ïî îïðåäåëåíèþ ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÂÎÒÈ ê ëèíåéíîìó ïåðåìåùåíèþ ïðîâîäèëñÿ ïóòåì ïîäà÷è íà ïüåçîñòîëáèê 5 ïåðåìåííîãî íàïðÿæåíèÿ îò áëîêà óïðàâëåíèÿ 9 ÷àñòîòîé ~ 1 êÃö. ×àñòîòà âûáðàíà âäàëè îò ñîáñòâåííûõ ðåçîíàíñíûõ ÷àñòîò ïüåçîýëåìåíòà. Ñåëåêòèâíûé óñèëèòåëü 8 îáåñïå÷èâàë ýôôåêòèâíóþ ïîëîñîâóþ ôèëüòðàöèþ âûõîäíîãî ñèãíàëà. Ðàáî÷åå ðàññòîÿíèå d áûëî
1 0,1 0,01 0,001 0
1
0,5
(a) Imax Imin
0,4 0,8
1,2 1,4
Óðîâåíü 0,9
(á)
Óðîâåíü 0,5
Âèäíîñòü, îòí. åä.
12 87
3
d 4
65
9
Ðèñ. 3. Ôóíêöèîíàëüíàÿ ñõåìà ýêñïåðèìåíòàëüíîé óñòàíîâêè.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
0 0 0,4 0,8 1,2 1,4 d, ìì
Ðèñ. 4. Çàâèñèìîñòè ìàêñèìàëüíûõ è ìèíèìàëüíûõ óðîâíåé ñèãíàëîâ èíòåðôåðîìåòðà (à) è “âèäíîñòè” (á) îò ðàññòîÿíèÿ d. Êðóæêè íà ãðàôèêå – ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòà, ñïëîøíûå ëèíèè – ðàñ÷åòíûå çàâèñèìîñòè.
5
âûáðàíî â ñåðåäèíå ðàáî÷åãî äèàïàçîíà, à åãî ïîäñòðîéêà ïðîèçâîäèëàñü ïîñòîÿííûì ñìåùåíèåì, ôîðìèðóåìûì áëîêîì 9 òàê, ÷òîáû ïîñòîÿííûé óðîâåíü âûõîäíîãî ñèãíàëà ñîîòâåòñòâîâàë
Iconst = (Imax + Imin)/2,
ò. å. ðàáîòà âåëàñü íà ó÷àñòêå íàèáîëüøåé êðóòèçíû ðàáî÷åé õàðàêòåðèñòèêè.
 ðåçóëüòàòå ýêñïåðèìåíòà çàôèêñèðîâàíà óâåðåííàÿ ðåãèñòðàöèÿ ïåðåìåííîãî ñèãíàëà (ïðåâûøåíèå åãî íàä óðîâíåì øóìîâ â ðàáî÷åé ïîëîñå ÷àñòîò ~ 8 êÃö) ïðè ïîäà÷å ïåðåìåííîãî óïðàâëÿþùåãî íàïðÿæåíèÿ îò áëîêà óïðàâëåíèÿ 9 âåëè÷èíîé 5 ìÂ.
Ó÷èòûâàÿ êîýôôèöèåíò ëèíåéíîãî ñìåùåíèÿ ïüåçîñòîëáèêà, ðàâíûé 750 íì/260 Â, áûëà ïîëó÷åíà îêîí÷àòåëüíàÿ îöåíêà ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÂÎÒÈ ê ëèíåéíûì ïåðåìåùåíèÿì âíåøíåãî çåðêàëà ïðè ðåãèñòðàöèè óçêîïîëîñíûõ ñèãíàëîâ δd = 0,014 íì.
Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî â øèðîêîïîëîñíîì ðåæèìå ðåãèñòðàöèè ñõåìà óñòàíîâêè âåñüìà ÷óâñòâèòåëüíà ê áûòîâûì è òåõíîãåííûì øóìàì (âèáðàöèÿ ñàìîãî çäàíèÿ, ïåðåìåùåíèÿ ëþäåé, çàêðûâàíèå äâåðåé è äð.), âñëåäñòâèå ÷åãî èçìåðåíèå ÷óâñòâèòåëüíîñòè â íèçêî÷àñòîòíîé îáëàñòè (äî äåñÿòêîâ ãåðö) çàòðóäíèòåëüíî è òðåáóåò ñïåöèàëüíûõ ìåð ïî âèáðîçàùèòå èçìåðèòåëüíîãî ñòåíäà.
Òàêèì îáðàçîì, â ðåçóëüòàòå âûïîëíåííûõ èçìåðåíèé óñòàíîâëåíî, ÷òî ÷óâñòâèòåëüíîñòü âîëîêîííî-îïòè÷åñêîãî òîðöåâîãî èíòåðôåðîìåòðà ê ïåðåìåùåíèþ âíåøíåãî çåðêàëà â ñåëåêòèâíîì ðåæèìå ñîñòàâëÿåò 0,014 íì. Ïðè ýòîì îïðåäåëåí îïòèìàëüíûé (2,5–8)d0 è ðàáî÷èé (0,6–21)d0 äèàïàçîíû ðàññòîÿíèé d îò âíåøíåãî çåðêàëà äî òîðöà âîëîêíà.
Çàêëþ÷åíèå
Ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ âîëîêîííîîïòè÷åñêîãî òîðöåâîãî èíòåðôåðîìåòðà, â êîòîðîì ïðîèñõîäèò èíòåðôåðåíöèÿ äâóõ ïó÷êîâ – îòðàæåííîãî îò ñâîáîäíîãî òîðöà îïòè÷åñêîãî âîëîêíà è âîçâðàùåííîãî â âîëîêíî âíåøíèì îòðàæàòåëåì, ïîêàçàëè åãî óâåðåííóþ ðàáîòîñïîñîáíîñòü è âûñîêóþ ÷óâñòâèòåëüíîñòü.
 ðåæèìå èçìåðåíèÿ ëèíåéíûõ ïåðåìåùåíèé ÷óâñòâèòåëüíîñòü âîëîêîííî-îïòè÷åñêîãî òîðöåâîãî èíòåðôåðîìåòðà ê ïåðåìåùåíèþ ñîñòàâèëà 0,014 íì (ïðè ðåãèñòðàöèè â ïîëîñå ÷àñòîò ~ 8 êÃö).
Ïóòåì èçìåðåíèÿ “âèäíîñòè” èíòåðôåðåíöèîííîé êàðòèíû îïðåäåëåíû îïòèìàëüíûé (2,5–8)d0 è ðàáî÷èé (0,6–21)d0 äèàïàçîíû ðàññòîÿíèé îò âíåøíåãî çåðêàëà äî òîðöà âîëîêíà.
Ñëåäóåò îñîáî ïîä÷åðêíóòü, ÷òî ïðè ïîñòðîåíèè îïòèêî-âîëîêîííîé ñõåìû èíòåðôåðîìåòðà èñïîëüçîâàíû ýëåìåíòû (ëàçåð, ðàçâåòâèòåëü, êîííåêòîðû è ò. ä.), äîñòóïíûå â ñâîáîäíîé ïðîäàæå. Ýòî îáñòîÿòåëüñòâî äàåò âîçìîæíîñòü êîíñòðóèðîâàíèÿ óíèâåðñàëüíîãî âûñîêî÷óâñòâèòåëüíîãî âîëîêîííî-îïòè÷åñêîãî ìîäóëÿ, ïðèãîäíîãî äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ â êà÷åñòâå ðàçëè÷íûõ âèäîâ ñåíñîðîâ [5, 6]. Ó ýòèõ ñåíñîðîâ èçìåðÿåìàÿ âåëè÷èíà (íàïðèìåð, äàâëåíèå), ïîðîã ÷óâñòâèòåëüíîñòè è äèàïàçîí èçìåðåíèé áóäóò îïðåäåëÿòüñÿ êîíñòðóêöèåé ïåðâè÷íîãî ïðåîáðàçîâàòåëÿ è ìîãóò âàðüèðîâàòüñÿ â øèðîêèõ ïðåäåëàõ.
Îñíîâíîé òåõíè÷åñêîé ïðîáëåìîé ïðè èñïîëüçîâàíèè ðàññìîòðåííîãî â ñòàòüå èíòåðôåðîìåòðà ÿâëÿåòñÿ ñòàáèëèçàöèÿ ïîëîæåíèÿ ðàáî÷åé òî÷êè íà ñåðåäèíå ëèíåéíîãî ó÷àñòêà õàðàêòåðèñòèêè. Îíà ìîæåò áûòü ðåøåíà ëèáî ïóòåì óïðàâëåíèÿ äëèíîé âîëíû ëàçåðà (ñì., íàïðèìåð, [7]), ëèáî çà ñ÷åò ìíîãîêðàòíîãî äóáëèðîâàíèÿ èçìåðèòåëüíûõ êàíàëîâ, èìåþùèõ ðàçëè÷íûå ïîëîæåíèÿ ðàáî÷èõ òî÷åê. Êîíêðåòíûå ïðèìåðû òàêèõ ðåøåíèé áóäóò äàíû â ïîñëåäóþùèõ ïóáëèêàöèÿõ.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Davis P.G., Bush I.J., Maurer G.S. Fiber Displasement Sensor // Proc. SPIE. 1998. V. 3489.
12. Meller S.A. et al. Development of Fiber Optic Sensors for Advanced Aircraft Testing and Controls // Proc. SPIE. 1998. V. 3541. P. 134–139.
13. Êîçàííå À., Ôëåðå Æ., Ìýòð Ã., Ðóññî Ì. Îïòèêà è ñâÿçü. Ì.: Ìèð, 1984. 254 ñ.
14. Áóñóðèí Â.È., Íîñîâ Þ.Ð. Âîëîêîííî-îïòè÷åñêèå äàò÷èêè: ôèçè÷åñêèå îñíîâû, âîïðîñû ðàñ÷åòà è ïðèìåíåíèÿ. Ì., 1990.
15. Âåòðîâ À.À., Êîìèññàðîâ Ñ.Ñ., Ñåðãóøè÷åâ À.Í. Ìàëîãàáàðèòíûé óíèôèöèðîâàííûé èíòåãðèðîâàííûé ìîäóëü äëÿ îïòè÷åñêèõ èíòåðôåðåíöèîííûõ äàò÷èêîâ // ÌÍÒÊ “Äàò÷èêè è ñèñòåìû-2005”, 6–10 èþíÿ 2005. ã. Ïåíçà. Ñáîðíèê äîêëàäîâ. Ñ. 192–195.
16. Âåòðîâ À.À., Êîìèññàðîâ Ñ.Ñ., Ëó÷èíèí Â.Â., Ñåðãóøè÷åâ À.Í. Âîëîêîííî-îïòè÷åñêèé ìèêðîèíòåðôåðîìåòð êàê îñíîâà ïîñòðîåíèÿ âûñîêî÷óâñòâèòåëüíûõ ñåíñîðîâ // 6-ÿ ÌÍÒÊ “Êâàíòîâàÿ ýëåêòðîíèêà-2006”, 14–17 íîÿáðÿ 2006. ã. Ìèíñê. Áåëîðóññèÿ. Ñáîðíèê äîêëàäîâ. Ñ. 117.
17. Âåòðîâ À.À., Êîìèññàðîâ Ñ.Ñ., Ëó÷èíèí Â.Â., Ñåðãóøè÷åâ À.Í. Âîëîêîííî-îïòè÷åñêàÿ ñåíñîðíàÿ ñèñòåìà. Ïàòåíò ÐÔ ¹ 2 279 112. Áþë. èçîáð. ¹ 18. 2006.
6 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
Òîì 75, ¹ 1, ÿíâàðü 2008
ÑÎÄÅÐÆÀÍÈÅ
ÔÈÇÈ×ÅÑÊÀß ÎÏÒÈÊÀ
3 Âîëîêîííî-îïòè÷åñêèé òîðöåâîé èíòåðôåðîìåòð – óíèâåðñàëüíûé ýëåìåíò ïîñòðîåíèÿ äàò÷èêîâ ñìåùåíèÿ Âåòðîâ À.À., Êîìèññàðîâ Ñ.Ñ., Ñåðãóøè÷åâ À.Í.
7 ÈÊ ôóðüå-ñïåêòðîñêîïè÷åñêîå èññëåäîâàíèå ìåõàíèçìà ïàðîôàçíîé ýêñòðàêöèè èç âîäíûõ ðàñòâîðîâ Áåõòåðåâ Â.Í., Áåõòåðåâ À.Í., Çîëîòàðåâ Â.Ì.
ËÀÇÅÐÍÀß ÔÈÇÈÊÀ È ÒÅÕÍÈÊÀ
11 Îïòèìèçàöèÿ âîçäåéñòâèÿ ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ íà ìÿãêèå áèîòêàíè Áåëèêîâ À.Â., Êàðàñåâ Â.Á., Ïóøêàðåâà À.Å., Ñêðèïíèê À.Â., Ñìèðíîâ Ì.Ç., Îâ÷àðåíêî ß.Ñ., Õðàìîâ Â.Þ.
15 Íåëèíåéíûå ÿâëåíèÿ â îïòè÷åñêèõ âîëîêíàõ ñ ïðèìåñüþ Ñàâèí Å.Ç., Îñèïîâà Í.Ã., Ëèâàøâèëè À.È.
ÐÀÑ×ÅÒ, ÏÐÎÅÊÒÈÐÎÂÀÍÈÅ È ÏÐÎÈÇÂÎÄÑÒÂÎ ÎÏÒÈ×ÅÑÊÈÕ ÑÈÑÒÅÌ
19 Îïòèìèçàöèÿ ñèñòåìû òåëåâèçèîííîé âèçóàëèçàöèè ëþìèíåñöèðóþùèõ îáúåêòîâ ìåòîäîì êîìïüþòåðíîãî ìîäåëèðîâàíèÿ Êîðíûøåâ Í.Ï., Òèìîôååâ À.Â.
ÈÊÎÍÈÊÀ – ÍÀÓÊÀ ÎÁ ÈÇÎÁÐÀÆÅÍÈÈ
22 Ñîâðåìåííûå ìåòîäû èçìåðåíèÿ ðàçðåøàþùåé ñïîñîáíîñòè çðèòåëüíîé ñèñòåìû Êîñêèí Ñ.À., Áîéêî Ý.Â., Øåëåïèí Þ.Å.
28 Ìîäåëèðîâàíèå òåïëîâèçèîííûõ èçîáðàæåíèé íàçåìíûõ îáúåêòîâ Ìî÷àëèí Â.Ä.
ÎÏÒÈ×ÅÑÊÎÅ ÏÐÈÁÎÐÎÑÒÐÎÅÍÈÅ È ÒÅÕÍÎËÎÃÈß
32 Ôëóîðåñöåíòíûé âèäåîäåðìàòîñêîï Kang Uk, Ïàïàÿí Ã.Â., Bae Soo-Jin, Áåðåçèí Â.Á., Êèì Ñ.
39 Îöåíêà äèàïàçîíà èçìåðåíèé òåëåâèçèîííîãî ìîíîõðîìàòè÷åñêîãî ïèðîìåòðà Êóçíåöîâ À.Â.
ÎÏÒÈ×ÅÑÊÎÅ ÌÀÒÅÐÈÀËÎÂÅÄÅÍÈÅ È ÒÅÕÍÎËÎÃÈß
43 Îïòè÷åñêèå ñâîéñòâà íàíî÷àñòèö äèîêñèäà âàíàäèÿ â íàíîïîðèñòûõ ñòåêëàõ Ñèäîðîâ À.È., Âèíîãðàäîâà Î.Ï., Õðóøåâà Ò.À., Îáûêíîâåííàÿ È.Å., Åðìîëàåâà Ã.Í., Øèëîâ Â.Á.
49 Ìåõàíèçì ïðîñâåòëåíèÿ ïàññèâíûõ ëàçåðíûõ çàòâîðîâ YAG:V3+ ïðè ÂÊÐ ïðåîáðàçîâàíèè â êðèñòàëëàõ KGW:Nd3+ Òèòîâ À.Í., Èâàíîâ Â.Í., Âåòðîâ Â.Í., Èãíàòåíêîâ Á.À., Ñòîðîùóê Î.Á., Êðóòîâà Ë.È., Äóêåëüñêèé Ê.Â., Ìåäîâîëêèí Â.Â., Óðáàíîâè÷ Å.Â., Èâàíîâ Ä.Â.
53 Ê òåîðèè ýëëèïñîìåòðèè ðåàëüíîé ïîâåðõíîñòè Ãàéíóòäèíîâ È.Ñ., Íåñìåëîâ Å.À., Øàéìàðäàíîâ Ð.Ã., Èâàíîâ Â.À., Ìèõàéëîâ À.Â.
57 Êîððåëÿöèÿ ñïåêòðàëüíûõ ïàðàìåòðîâ è öâåòîâûõ õàðàêòåðèñòèê èíòåðôåðåíöèîííûõ ôèëüòðîâ Àçàìàòîâ Ì.Õ., Ãàéíóòäèíîâ È.Ñ., Ìèõàéëîâ À.Â., Ñàáèðîâ Ð.Ñ., Ñàôèí Ð.Ã.
63 Ïðîñâåòëåíèå îïòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ â îáëàñòè ñïåêòðà 2,5–3,5 ìêì Ñàáèðîâ Ð.Ñ., Ãàéíóòäèíîâ È.Ñ., Àëèàêáåðîâ Ð.Ä., Ãàðååâ Ð.Ð., Êàðèìîâ Ð.Ò., Øóâàëîâ Í.Þ., Ìèõàéëîâ À.Â.
66 Îöåíêà ïàðàëëàêñà èçîáðàæåíèÿ ìåíèñêà âûðàùèâàåìîãî êðèñòàëëà Ìèõëÿåâ Ñ.Â.
ÏÐÀÊÒÈ×ÅÑÊÈÅ ÏÐÎÁËÅÌÛ ÏÐÎÈÇÂÎÄÑÒÂÀ
71 Óñòàíîâêà äëÿ èçìåðåíèÿ ñïåêòðàëüíîãî êîýôôèöèåíòà íàïðàâëåííîãî ïðîïóñêàíèÿ øèðîêîàïåðòóðíûõ îïòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ Äìèòðèåâ Å.È., Ôèëèïïîâ Î.Ê., Ôèëèïïîâ Â.Ã.
73 Îïòè÷åñêèé äàò÷èê óãëà ïîëîæåíèÿ àâòîìàòèçèðîâàííîãî òåëåñêîïà ÇÀ-320Ì Ïóëêîâñêîé îáñåðâàòîðèè Äåâÿòêèí À.Â., Âåðåùàãèíà È.À., Êóëèø À.Ï., Øóìàõåð À.Â., Êóïðèÿíîâ Â.Â., Áåõòåâà À.Ñ.
ÏÈÑÜÌÀ Â ÐÅÄÀÊÖÈÞ
80 Êâàçèëó÷åâîå îïèñàíèå ìåæìîäîâîé èíòåðôåðåíöèè èçëó÷åíèÿ îïòè÷åñêèõ âèõðåé â êîðîòêèõ âîëîêîííûõ ñâåòîâîäàõ Êèçåâåòòåð Ä.Â.
83 Óïðî÷íåíèå ïðîçðà÷íûõ ïðîâîäÿùèõ ïîêðûòèé è “ìÿãêèõ” ìàòåðèàëîâ ÈÊ-äèàïàçîíà ñïåêòðà ïðè ïðèìåíåíèè íàíîòåõíîëîãèé Êàìàíèíà Í.Â., Âàñèëüåâ Ï.ß., Ñòóäåíîâ Â.È., Óñàíîâ Þ.Å.
ÈÍÔÎÐÌÀÖÈß
85 Ìåæäóíàðîäíàÿ êîíôåðåíöèÿ “Îïòîèíôîðìàòèêà 2008” 86 Êîëëåêòèâíàÿ ìîíîãðàôèÿ “Îïòèêà íàíîñòðóêòóð”
Ñäàíî â íàáîð 01.10.07. Ïîäïèñàíî â ïå÷àòü 00.00.06. Ôîðìàò áóìàãè 60×84/8. Áóìàãà îôñåòíàÿ ¹ 1. Ãàðíèòóðà Times New Roman. Ïå÷àòü îôñåòíàÿ. Çàêàç ¹ 00. Îòïå÷àòàíî â ÎÎÎ «ÖÒÒ». Òèðàæ 300 ýêç. Öåíà ïîäïèñíàÿ. Àäðåñ òèïîãðàôèè: 199034, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã, Áèðæåâàÿ ëèíèÿ, ä. 16.
Êà÷åñòâî ãðàôè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ ñîîòâåòñòâóåò ïðåäñòàâëåííûì îðèãèíàëàì.
Íàó÷íûé ðåäàêòîð Â.Ï. Áåëîøååâ Êîððåêòîð Ò.Ë. Øèðîêîâà
ÔÈÇÈ×ÅÑÊÀß ÎÏÒÈÊÀ
ÓÄÊ 681.586.5:621.395
ÂÎËÎÊÎÍÍÎ-ÎÏÒÈ×ÅÑÊÈÉ ÒÎÐÖÅÂÎÉ ÈÍÒÅÐÔÅÐÎÌÅÒÐ – ÓÍÈÂÅÐÑÀËÜÍÛÉ ÝËÅÌÅÍÒ ÏÎÑÒÐÎÅÍÈß ÄÀÒ×ÈÊΠÑÌÅÙÅÍÈß
© 2008 ã.
À. À. Âåòðîâ*, êàíä. òåõí. íàóê; Ñ. Ñ. Êîìèññàðîâ*, À. Í. Ñåðãóøè÷åâ**, êàíä. òåõí. íàóê
** Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé ýëåêòðîòåõíè÷åñêèé óíèâåðñèòåò ** (ËÝÒÈ), Ñàíêò-Ïåòåðáóðã
** Ñåêöèÿ ïðèêëàäíûõ ïðîáëåì ïðè Ïðåçèäèóìå ÐÀÍ, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã ** E-mail: a_vetrov@mail.ru
Ðàññìîòðåíà îïòè÷åñêàÿ ñõåìà âîëîêîííî-îïòè÷åñêîãî òîðöåâîãî èíòåðôåðîìåòðà, â êîòîðîì ïðîèñõîäèò èíòåðôåðåíöèÿ äâóõ ïó÷êîâ – îòðàæåííîãî îò ñâîáîäíîãî òîðöà îïòè÷åñêîãî âîëîêíà è âîçâðàùåííîãî â âîëîêíî âíåøíèì îòðàæàòåëåì. Ïðîâåäåí òåîðåòè÷åñêèé àíàëèç è ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ èíòåðôåðîìåòðà, óêàçàíû åãî îïòèìàëüíûå ïàðàìåòðû ñ òî÷êè çðåíèÿ “âèäíîñòè” èíòåðôåðåíöèîííîé êàðòèíû. Ýêñïåðèìåíòàëüíî îïðåäåëåíà ÷óâñòâèòåëüíîñòü ê ïåðåìåùåíèþ âíåøíåãî çåðêàëà, ðàâíàÿ 0,014 íì, â øèðîêîé ïîëîñå ÷àñòîò. Îòìå÷åíà ïåðñïåêòèâíîñòü äàííîé ñõåìû äëÿ ïîñòðîåíèÿ ðàçëè÷íûõ òèïîâ âîëîêîííî-îïòè÷åñêèõ ñåíñîðîâ.
Êîäû OCIS: 060.0060.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 19.06.2007.
Ââåäåíèå
Èíòåðôåðîìåòðè÷åñêèå îïòè÷åñêèå ñõåìû øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ ïðè ñîçäàíèè âûñîêîòî÷íûõ èçìåðèòåëüíûõ ñèñòåì ëèíåéíîãî ïåðåìåùåíèÿ, à òàêæå äàò÷èêîâ äðóãèõ ôèçè÷åñêèõ âåëè÷èí (âèáðàöèé, äàâëåíèÿ, òåìïåðàòóðû, ñêîðîñòè è ò. ï.), îïðåäåëåíèå êîòîðûõ ìîæåò áûòü ñâåäåíî ê èçìåðåíèþ ïåðåìåùåíèÿ ñîîòâåòñòâóþùåãî ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà. Ê íåñîìíåííûì äîñòîèíñòâàì èíòåðôåðîìåòðîâ îòíîñÿòñÿ î÷åíü âûñîêèå ÷óâñòâèòåëüíîñòü è òî÷íîñòü, ïîñêîëüêó ýòàëîíîì ñðàâíåíèÿ â íèõ ñëóæèò äëèíà âîëíû îïòè÷åñêîãî èçëó÷åíèÿ, à òàêæå âûñîêîå áûñòðîäåéñòâèå ïðè ôîòîýëåêòðè÷åñêîé ðåãèñòðàöèè îòêëèêà.
 òî æå âðåìÿ êëàññè÷åñêèå èíòåðôåðîìåòðû – ýòî, êàê ïðàâèëî, äîñòàòî÷íî ñëîæíûå è ãðîìîçäêèå óñòðîéñòâà, òðåáóþùèå ïðåöèçèîííîé ìåõàíèêè è îïòèêè, òùàòåëüíîé íàñòðîéêè è ñïåöèàëüíûõ ìåð çàùèòû îò âíåøíèõ âîçäåéñòâèé. Ýòè îáñòîÿòåëüñòâà ïðèâîäÿò ê âûñîêîé ñòîèìîñòè, íåóäîáñòâàì ïðè óñòàíîâêå è ðàáîòå òàêèõ óñòðîéñòâ, è â êîíå÷íîì ñ÷åòå ê îãðàíè÷åíèþ îáëàñòè èõ âîçìîæíîãî èñïîëüçîâàíèÿ.
Ñîçäàíèå èíòåðôåðîìåòðîâ íà îñíîâå âîëîêîííî-îïòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ ïîçâîëÿåò â îñíîâíîì óñòðàíèòü îòìå÷åííûå íåäîñòàòêè è ñîçäàâàòü ïðîñòûå, êîìïàêòíûå è íåäîðîãèå óñòðîéñòâà. Êðîìå òîãî, ñîâðåìåííûé ïðîãðåññ â îáëàñòè îïòè÷åñêîé ñâÿçè è òåëåêîììóíèêàöèé îáåñïå÷èë øèðîêóþ ðûíî÷íóþ äîñòóïíîñòü íåîáõîäèìûõ ýëåìåíòîâ äëÿ
ðåàëèçàöèè âîëîêîííî-îïòè÷åñêèõ èíòåðôåðîìåòðîâ: èçëó÷àòåëåé, ïðèåìíèêîâ, êîííåêòîðîâ, ðàçâåòâèòåëåé è ò. ä.
Îäíèì èç ïðîñòåéøèõ óñòðîéñòâ òàêîãî òèïà ìîæíî ñ÷èòàòü âîëîêîííî-îïòè÷åñêèé òîðöåâîé èíòåðôåðîìåòð (ÂÎÒÈ) [1, 2], ïî ñóòè ÿâëÿþùèéñÿ äâóõëó÷åâûì èíòåðôåðîìåòðîì Ôàáðè–Ïåðî, â êîòîðîì îïòè÷åñêîå èçëó÷åíèå ÷àñòè÷íî îòðàæàåòñÿ îò òîðöà âîëîêíà (ïåðâûé ëó÷), à ÷àñòè÷íî âûõîäèò â ñâîáîäíîå ïðîñòðàíñòâî è âîçâðàùàåòñÿ â òîðåö âîëîêíà âíåøíèì îòðàæàòåëåì (âòîðîé ëó÷). Òàêîé èíòåðôåðîìåòð, íàðÿäó ñ âûñîêîé ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ, îòëè÷àåòñÿ ïðîñòîé êîíñòðóêöèåé, êîìïàêòíîñòüþ, óñòîé÷èâîñòüþ ê âíåøíèì âîçäåéñòâèÿì è íåâûñîêîé ñòîèìîñòüþ. Îí ìîæåò ñëóæèòü îñíîâîé äëÿ øèðîêîãî êëàññà äàò÷èêîâ ôèçè÷åñêèõ âåëè÷èí.
 äàííîé ðàáîòå äàí êðàòêèé òåîðåòè÷åñêèé àíàëèç ÂÎÒÈ, ïðèâåäåíû ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû åãî ëàáîðàòîðíûõ èññëåäîâàíèé, à òàêæå íàìå÷åíû âîçìîæíûå îáëàñòè åãî ïðèìåíåíèÿ.
1. Òåîðåòè÷åñêîå îïèñàíèå ñõåìû ÂÎÒÈ
Ïðèíöèï äåéñòâèÿ ÂÎÒÈ ñîñòîèò â ñëåäóþùåì (ðèñ. 1). Èçëó÷åíèå ëàçåðíîãî äèîäà 1 ââîäèòñÿ â îïòè÷åñêîå âîëîêíî 2 è ÷åðåç ðàçâåòâèòåëü 3 ïåðåäàåòñÿ íà âîëîêíî 4. Ïðè ýòîì ÷àñòü èçëó÷åíèÿ îòðàæàåòñÿ îò òîðöà îïòîâîëîêíà 4, à äðóãàÿ åãî ÷àñòü, îòðàæàÿñü îò çåðêàëà 5, âîçâðàùàåòñÿ îáðàòíî â îïòîâîëîêíî 4. Èçëó÷åíèå, îòðàæåííîå îò òîðöà
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
3
12 34
6
5
Ðèñ. 1. Ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà âîëîêîííî-îïòè÷åñêîãî èíòåðôåðîìåòðà.
îïòîâîëîêíà, èíòåðôåðèðóåò ñ èçëó÷åíèåì, îòðàæåííûì îò çåðêàëà, è íà ôîòîïðèåìíèêå 6 ðåãèñòðèðóåòñÿ èíòåíñèâíîñòü èçó÷åíèÿ, èçìåíÿþùàÿñÿ â çàâèñèìîñòè îò ðàññòîÿíèÿ ìåæäó òîðöîì âîëîêíà è çåðêàëîì (d),
I = I1 + I2 + 2γ
I1 I 2
cos
⎛ ⎜⎝
4π
d λ
⎞ ⎟⎠
,
(1)
ãäå I1 è I2 – èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèé, îòðàæåííîãî îò òîðöà âîëîêíà è âîçâðàùåííîãî â âîëîêíî ïîñëå
îòðàæåíèÿ îò çåðêàëà ñîîòâåòñòâåííî; γ – ñòåïåíü êîãåðåíòíîñòè èçëó÷åíèé I1 è I2, λ – äëèíà âîëíû èçëó÷åíèÿ ëàçåðà.
 îáùåì ñëó÷àå γ èçëó÷åíèÿ ëàçåðà îïðåäåëÿåòñÿ ñîîòíîøåíèåì
γ = sinβ, β
ãäå
β
=
πl lêîã
,
(2)
ãäå lêîã – äëèíà êîãåðåíòíîñòè èçëó÷åíèÿ ëàçåðà, l – ðàçíîñòü õîäà èíòåðôåðèðóþùèõ ëó÷åé.
Îäíàêî íà ïðàêòèêå äëÿ ìàëûõ ðàññòîÿíèé îò
çåðêàëà äî òîðöà âîëîêíà è âûñîêîé êîãåðåíòíîñòè ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ ìîæíî ïîëàãàòü γ ≈ 1.
Èç ñîîòíîøåíèÿ (1) âèäíî, ÷òî ñìåùåíèå çåðêàëà íà ïîëîâèíó äëèíû âîëíû ñâåòà èçìåíÿåò ðàçíîñòü ôàç èíòåðôåðèðóþùèõ ëó÷åé íà 2π, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò îäíîìó ïåðèîäó èçìåíåíèÿ èíòåíñèâíîñ-
òè èçëó÷åíèÿ íà ôîòîïðèåìíèêå. Çàâèñèìîñòü óðîâíÿ ñèãíàëà íà ôîòîïðèåìíèêå îò ðàññòîÿíèÿ
ìåæäó òîðöîì âîëîêíà è çåðêàëîì ïðèâåäåíà íà ðèñ. 2. Î÷åâèäíî, ÷òî äëÿ äîñòèæåíèÿ ìèíèìóìà èñêàæåíèé ñèãíàëà íåîáõîäèìî ðàáî÷óþ òî÷êó âûáèðàòü íà ðàññòîÿíèè, êðàòíîì λ/4, à àìïëèòóäà ïåðåìåùåíèé çåðêàëà äîëæíà íàõîäèòüñÿ â ëèíåéíîé îáëàñòè èçìåíåíèÿ óðîâíÿ ñèãíàëà.
Äëÿ âîëîêîííî-îïòè÷åñêîãî èíòåðôåðîìåòðà Ôàáðè–Ïåðî èíòåíñèâíîñòü ñâåòà, îòðàæåííîãî îò òîðöà âîëîêíà,
I1 = R1I0,
(3)
à èíòåíñèâíîñòü ñâåòà, îòðàæåííîãî îò çåðêàëà,
I2 = (1 – R1)2RT(d)I0,
(4)
ãäå I0 – èíòåíñèâíîñòü èçëó÷åíèÿ, ïîäâîäèìîãî ê òîðöó âîëîêíà; R1 è R – êîýôôèöèåíòû îòðàæåíèÿ
4
òîðöà âîëîêíà è çåðêàëà ñîîòâåòñòâåííî.  ñëó÷àå êâàðöåâîãî âîëîêíà R1 = 0,036 – ôðåíåëåâñêèé êîýôôèöèåíò îòðàæåíèÿ ãðàíèöû ðàçäåëà êâàðö– âîçäóõ, T(d) – ïîòåðè, âîçíèêàþùèå èç-çà ðàñõîäèìîñòè èçëó÷åíèÿ â ñâîáîäíîì ïðîñòðàíñòâå è çàâèñÿùèå îò ðàññòîÿíèÿ d. Äëÿ ïëîñêîãî çåðêàëà è îäíîìîäîâîãî âîëîêíà ýòîò ñîìíîæèòåëü èìååò âèä [3]
T(d) = 1/[1+(d/d0)2],
(5)
ãäå d0 = πnω2/λ; n – ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ, λ – äëèíà âîëíû îïòè÷åñêîãî èçëó÷åíèÿ, à ω – ðàäèóñ ïîëÿ îïòè÷åñêîé ìîäû â âîëîêíå. ×èñëåííî äëÿ ñòàíäàðò-
íîãî îäíîìîäîâîãî âîëîêíà ïðè λ = 1,55 ìêì d0 ≈ ≈ 80 ìêì.
Ñîâìåñòíîå ðàññìîòðåíèå ñîîòíîøåíèé (1)–(5)
ïîçâîëÿåò ïðîàíàëèçèðîâàòü ôóíêöèþ îòêëèêà I
ÂÎÒÈ â øèðîêîì äèàïàçîíå ðàññòîÿíèé d. Íåòðóä-
íî âèäåòü, ÷òî îíà ñîäåðæèò áûñòðî îñöèëëèðóþ-
ùèé èíòåðôåðåíöèîííûé êîìïîíåíò, ïðîïîðöèî-
íàëüíûé cos(4πd/λ), îãðàíè÷åííûé ñâåðõó è ñíèçó îãèáàþùèìè ëèíèÿìè èíòåðôåðåíöèîííûõ ìàê-
ñèìóìîâ Imax è ìèíèìóìîâ Imin, îïðåäåëÿåìûõ èç óñëîâèé
Imax = I1 + I2 + I1I2 , Imin = I1 + I2 − I1I2. (6)
Èçâåñòíî, ÷òî “âèäíîñòü” èíòåðôåðåíöèîííîé êàðòèíû îïðåäåëÿåòñÿ ñîîòíîøåíèåì [4]
V
=
Imax − Imax +
Imin . I min
(7)
Àíàëèç ñîîòíîøåíèÿ (7) ñ ó÷åòîì (3)–(6) ïîêàçûâàåò, ÷òî íàèëó÷øàÿ “âèäíîñòü” ïîëåçíîãî ñèãíàëà íà âûõîäå ôîòîïðèåìíèêà áóäåò íàáëþäàòüñÿ â ñëó÷àå ðàâåíñòâà èíòåíñèâíîñòåé I1 è I2 èíòåðôå-
1
Ðàáî÷àÿ òî÷êà
Óðîâåíü ñèãíàëà Ëèíåéíàÿ îáëàñòü
0 λ/4 λ/2 3λ/4 λ 5λ/4 6λ/4 7λ/4 d
Ðèñ. 2. Çàâèñèìîñòü óðîâíÿ ñèãíàëà îò ïåðåìåùåíèé çåðêàëà.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
ðèðóþùèõ ëó÷åé, ò. å. ïðè íåêîòîðîì îïòèìàëüíîì ðàññòîÿíèè d îò çåðêàëà äî òîðöà âîëîêíà. Ïðè ýòîì ñëåäóåò çàìåòèòü, ÷òî V(d) èçìåíÿåòñÿ äîñòàòî÷íî ìåäëåííî ïî ñðàâíåíèþ ñ èíòåíñèâíîñòüþ èçëó÷åíèÿ íà ôîòîïðèåìíèêå I(d) è ìîæåò áûòü îïðåäåëåíà ýêñïåðèìåíòàëüíî.
2. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû
Äëÿ èññëåäîâàíèÿ ïàðàìåòðîâ ÂÎÒÈ áûëà ñîçäàíà ëàáîðàòîðíàÿ óñòàíîâêà, ôóíêöèîíàëüíàÿ ñõåìà êîòîðîé ïðèâåäåíà íà ðèñ. 3.
Óñòàíîâêà ñîäåðæèò ïîëóïðîâîäíèêîâûé ëàçåðíûé äèîä 2, óïðàâëÿåìûé áëîêîì ïèòàíèÿ 1. Âûõîäíîå èçëó÷åíèå ÷åðåç îïòè÷åñêóþ ðîçåòêó ïîñòóïàåò â ïëå÷î âîëîêîííî-îïòè÷åñêîãî ðàçâåòâèòåëÿ 3 ôîðìàòà 2×1, èçãîòîâëåííîãî íà îñíîâå îäíîìîäîâîãî îïòè÷åñêîãî âîëîêíà. Òîðåö îáùåãî âîëîêíà ðàçâåòâèòåëÿ 3 óêðåïëåí íåïîäâèæíî. Îòðàæàþùåå çåðêàëî 4 óêðåïëåíî íà ïüåçîñòîëáèêå 5, êîòîðûé èñïîëüçóåòñÿ äëÿ òî÷íîé ïîäñòðîéêè è ìîäóëÿöèè ðàññòîÿíèÿ d. Ñìåùåíèå ïüåçîñòîëáèêà 5 íà ðàññòîÿíèå 750 íì ïðîèñõîäèò ïðè ïîäà÷å íà íåãî íàïðÿæåíèÿ 260 Â. Çåðêàëî 4 ñ ïüåçîñòîëáèêîì 5 ñíàáæåíû óãëîâûìè è ëèíåéíûìè þñòèðîâî÷íûìè ïîäâèæêàìè. Ëèíåéíàÿ ïîäâèæêà 6 ñíàáæåíà ñòðåëî÷íûì èíäèêàòîðîì äëÿ ãðóáîãî èçìåíåíèÿ ðàññòîÿíèÿ d (òî÷íîñòü îòñ÷åòà 10 ìêì).
Äëÿ òî÷íîé ïîäñòðîéêè ðàññòîÿíèÿ d, íàñòðîéêè íà ìàêñèìóìû è ìèíèìóìû èíòåðôåðåíöèîííîãî ñèãíàëà è íà ðàáî÷èå ó÷àñòêè ñ ìàêñèìàëüíîé êðóòèçíîé õàðàêòåðèñòèêè èñïîëüçóåòñÿ èñòî÷íèêè ïîñòîÿííîãî è ïåðåìåííîãî íàïðÿæåíèÿ áëîêà óïðàâëåíèÿ 9. Èñòî÷íèêè íàïðÿæåíèé áëîêà 9 ðàçâÿçàíû ìåæäó ñîáîé ðåçèñòèâíî-åìêîñòíûì äåëèòåëåì è ìîãóò ðàáîòàòü íåçàâèñèìî äðóã îò äðóãà. Ðåãèñòðàöèÿ èíòåðôåðåíöèîííîãî ñèãíàëà ïðîâîäèòñÿ ôîòîïðèåìíèêîì 7 ñ óñòðîéñòâîì ñìåùåíèÿ íàïðÿæåíèÿ (íà ñõåìå íå ïîêàçàíî). Âûõîäíîé ñèãíàë ôîòîïðèåìíèêà 7 ðåãèñòðèðóåòñÿ ïî ïîñòîÿííîìó òîêó ìèêðîàìïåðìåòðîì (èíòåíñèâíîñòü èçìåðÿåòñÿ â îòíîñèòåëüíûõ åäèíèöàõ), à ïî ïåðåìåííîìó ñèãíàëó – ïîëîñîâûì âîëüòìåòðîì áëîêà ðåãèñòðàöèè 8.
Íîðìèðîâàííàÿ èíòåíñèâíîñòü, îòí. åä.
Âåñü êîìïëåêñ àïïàðàòóðû ñìîíòèðîâàí â âèäå ýêñïåðèìåíòàëüíîé óñòàíîâêè íà îïòè÷åñêîì ñòîëå.
Ýêñïåðèìåíòû ïî èññëåäîâàíèþ çàâèñèìîñòè óðîâíÿ ñèãíàëà è “âèäíîñòè” V îò ðàññòîÿíèÿ d ïðîâîäèëèñü ïóòåì ôèêñèðîâàííûõ ïåðåìåùåíèé çåðêàëà ïîäâèæêîé 6 è ïîñëåäóþùåé ïîäñòðîéêîé ðàññòîÿíèÿ äî ïîëó÷åíèÿ Imax è Imin áëîêîì óïðàâëåíèÿ 9 è ïüåçîñòîëáèêîì 5 ïî ïîñòîÿííîìó òîêó. Ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé ïðèâåäåíû íà ðèñ. 4 ñîâìåñòíî ñ òåîðåòè÷åñêèìè ðàñ÷åòíûìè êðèâûìè ñîãëàñíî ñîîòíîøåíèþ (7).
Èç ðàññìîòðåíèÿ ãðàôèêîâ, ïðèâåäåííûõ íà ðèñ. 4, ìîæíî çàêëþ÷èòü, ÷òî ìàêñèìàëüíàÿ “âèäíîñòü” äîñòèãàåòñÿ íà ðàññòîÿíèè d ≈ 5d0 è ñîñòàâëÿåò ~ 0,1 ìì. Çîíà ñ êîíòðàñòîì ïî óðîâíþ 0,9 ñîñòàâèëà äèàïàçîí d îò 2,5d0 äî 8d0, à ïî óðîâíþ 0,5 – îò 0,6d0 äî 21d0.
Ýêñïåðèìåíò ïî îïðåäåëåíèþ ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÂÎÒÈ ê ëèíåéíîìó ïåðåìåùåíèþ ïðîâîäèëñÿ ïóòåì ïîäà÷è íà ïüåçîñòîëáèê 5 ïåðåìåííîãî íàïðÿæåíèÿ îò áëîêà óïðàâëåíèÿ 9 ÷àñòîòîé ~ 1 êÃö. ×àñòîòà âûáðàíà âäàëè îò ñîáñòâåííûõ ðåçîíàíñíûõ ÷àñòîò ïüåçîýëåìåíòà. Ñåëåêòèâíûé óñèëèòåëü 8 îáåñïå÷èâàë ýôôåêòèâíóþ ïîëîñîâóþ ôèëüòðàöèþ âûõîäíîãî ñèãíàëà. Ðàáî÷åå ðàññòîÿíèå d áûëî
1 0,1 0,01 0,001 0
1
0,5
(a) Imax Imin
0,4 0,8
1,2 1,4
Óðîâåíü 0,9
(á)
Óðîâåíü 0,5
Âèäíîñòü, îòí. åä.
12 87
3
d 4
65
9
Ðèñ. 3. Ôóíêöèîíàëüíàÿ ñõåìà ýêñïåðèìåíòàëüíîé óñòàíîâêè.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
0 0 0,4 0,8 1,2 1,4 d, ìì
Ðèñ. 4. Çàâèñèìîñòè ìàêñèìàëüíûõ è ìèíèìàëüíûõ óðîâíåé ñèãíàëîâ èíòåðôåðîìåòðà (à) è “âèäíîñòè” (á) îò ðàññòîÿíèÿ d. Êðóæêè íà ãðàôèêå – ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòà, ñïëîøíûå ëèíèè – ðàñ÷åòíûå çàâèñèìîñòè.
5
âûáðàíî â ñåðåäèíå ðàáî÷åãî äèàïàçîíà, à åãî ïîäñòðîéêà ïðîèçâîäèëàñü ïîñòîÿííûì ñìåùåíèåì, ôîðìèðóåìûì áëîêîì 9 òàê, ÷òîáû ïîñòîÿííûé óðîâåíü âûõîäíîãî ñèãíàëà ñîîòâåòñòâîâàë
Iconst = (Imax + Imin)/2,
ò. å. ðàáîòà âåëàñü íà ó÷àñòêå íàèáîëüøåé êðóòèçíû ðàáî÷åé õàðàêòåðèñòèêè.
 ðåçóëüòàòå ýêñïåðèìåíòà çàôèêñèðîâàíà óâåðåííàÿ ðåãèñòðàöèÿ ïåðåìåííîãî ñèãíàëà (ïðåâûøåíèå åãî íàä óðîâíåì øóìîâ â ðàáî÷åé ïîëîñå ÷àñòîò ~ 8 êÃö) ïðè ïîäà÷å ïåðåìåííîãî óïðàâëÿþùåãî íàïðÿæåíèÿ îò áëîêà óïðàâëåíèÿ 9 âåëè÷èíîé 5 ìÂ.
Ó÷èòûâàÿ êîýôôèöèåíò ëèíåéíîãî ñìåùåíèÿ ïüåçîñòîëáèêà, ðàâíûé 750 íì/260 Â, áûëà ïîëó÷åíà îêîí÷àòåëüíàÿ îöåíêà ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÂÎÒÈ ê ëèíåéíûì ïåðåìåùåíèÿì âíåøíåãî çåðêàëà ïðè ðåãèñòðàöèè óçêîïîëîñíûõ ñèãíàëîâ δd = 0,014 íì.
Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî â øèðîêîïîëîñíîì ðåæèìå ðåãèñòðàöèè ñõåìà óñòàíîâêè âåñüìà ÷óâñòâèòåëüíà ê áûòîâûì è òåõíîãåííûì øóìàì (âèáðàöèÿ ñàìîãî çäàíèÿ, ïåðåìåùåíèÿ ëþäåé, çàêðûâàíèå äâåðåé è äð.), âñëåäñòâèå ÷åãî èçìåðåíèå ÷óâñòâèòåëüíîñòè â íèçêî÷àñòîòíîé îáëàñòè (äî äåñÿòêîâ ãåðö) çàòðóäíèòåëüíî è òðåáóåò ñïåöèàëüíûõ ìåð ïî âèáðîçàùèòå èçìåðèòåëüíîãî ñòåíäà.
Òàêèì îáðàçîì, â ðåçóëüòàòå âûïîëíåííûõ èçìåðåíèé óñòàíîâëåíî, ÷òî ÷óâñòâèòåëüíîñòü âîëîêîííî-îïòè÷åñêîãî òîðöåâîãî èíòåðôåðîìåòðà ê ïåðåìåùåíèþ âíåøíåãî çåðêàëà â ñåëåêòèâíîì ðåæèìå ñîñòàâëÿåò 0,014 íì. Ïðè ýòîì îïðåäåëåí îïòèìàëüíûé (2,5–8)d0 è ðàáî÷èé (0,6–21)d0 äèàïàçîíû ðàññòîÿíèé d îò âíåøíåãî çåðêàëà äî òîðöà âîëîêíà.
Çàêëþ÷åíèå
Ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ âîëîêîííîîïòè÷åñêîãî òîðöåâîãî èíòåðôåðîìåòðà, â êîòîðîì ïðîèñõîäèò èíòåðôåðåíöèÿ äâóõ ïó÷êîâ – îòðàæåííîãî îò ñâîáîäíîãî òîðöà îïòè÷åñêîãî âîëîêíà è âîçâðàùåííîãî â âîëîêíî âíåøíèì îòðàæàòåëåì, ïîêàçàëè åãî óâåðåííóþ ðàáîòîñïîñîáíîñòü è âûñîêóþ ÷óâñòâèòåëüíîñòü.
 ðåæèìå èçìåðåíèÿ ëèíåéíûõ ïåðåìåùåíèé ÷óâñòâèòåëüíîñòü âîëîêîííî-îïòè÷åñêîãî òîðöåâîãî èíòåðôåðîìåòðà ê ïåðåìåùåíèþ ñîñòàâèëà 0,014 íì (ïðè ðåãèñòðàöèè â ïîëîñå ÷àñòîò ~ 8 êÃö).
Ïóòåì èçìåðåíèÿ “âèäíîñòè” èíòåðôåðåíöèîííîé êàðòèíû îïðåäåëåíû îïòèìàëüíûé (2,5–8)d0 è ðàáî÷èé (0,6–21)d0 äèàïàçîíû ðàññòîÿíèé îò âíåøíåãî çåðêàëà äî òîðöà âîëîêíà.
Ñëåäóåò îñîáî ïîä÷åðêíóòü, ÷òî ïðè ïîñòðîåíèè îïòèêî-âîëîêîííîé ñõåìû èíòåðôåðîìåòðà èñïîëüçîâàíû ýëåìåíòû (ëàçåð, ðàçâåòâèòåëü, êîííåêòîðû è ò. ä.), äîñòóïíûå â ñâîáîäíîé ïðîäàæå. Ýòî îáñòîÿòåëüñòâî äàåò âîçìîæíîñòü êîíñòðóèðîâàíèÿ óíèâåðñàëüíîãî âûñîêî÷óâñòâèòåëüíîãî âîëîêîííî-îïòè÷åñêîãî ìîäóëÿ, ïðèãîäíîãî äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ â êà÷åñòâå ðàçëè÷íûõ âèäîâ ñåíñîðîâ [5, 6]. Ó ýòèõ ñåíñîðîâ èçìåðÿåìàÿ âåëè÷èíà (íàïðèìåð, äàâëåíèå), ïîðîã ÷óâñòâèòåëüíîñòè è äèàïàçîí èçìåðåíèé áóäóò îïðåäåëÿòüñÿ êîíñòðóêöèåé ïåðâè÷íîãî ïðåîáðàçîâàòåëÿ è ìîãóò âàðüèðîâàòüñÿ â øèðîêèõ ïðåäåëàõ.
Îñíîâíîé òåõíè÷åñêîé ïðîáëåìîé ïðè èñïîëüçîâàíèè ðàññìîòðåííîãî â ñòàòüå èíòåðôåðîìåòðà ÿâëÿåòñÿ ñòàáèëèçàöèÿ ïîëîæåíèÿ ðàáî÷åé òî÷êè íà ñåðåäèíå ëèíåéíîãî ó÷àñòêà õàðàêòåðèñòèêè. Îíà ìîæåò áûòü ðåøåíà ëèáî ïóòåì óïðàâëåíèÿ äëèíîé âîëíû ëàçåðà (ñì., íàïðèìåð, [7]), ëèáî çà ñ÷åò ìíîãîêðàòíîãî äóáëèðîâàíèÿ èçìåðèòåëüíûõ êàíàëîâ, èìåþùèõ ðàçëè÷íûå ïîëîæåíèÿ ðàáî÷èõ òî÷åê. Êîíêðåòíûå ïðèìåðû òàêèõ ðåøåíèé áóäóò äàíû â ïîñëåäóþùèõ ïóáëèêàöèÿõ.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Davis P.G., Bush I.J., Maurer G.S. Fiber Displasement Sensor // Proc. SPIE. 1998. V. 3489.
12. Meller S.A. et al. Development of Fiber Optic Sensors for Advanced Aircraft Testing and Controls // Proc. SPIE. 1998. V. 3541. P. 134–139.
13. Êîçàííå À., Ôëåðå Æ., Ìýòð Ã., Ðóññî Ì. Îïòèêà è ñâÿçü. Ì.: Ìèð, 1984. 254 ñ.
14. Áóñóðèí Â.È., Íîñîâ Þ.Ð. Âîëîêîííî-îïòè÷åñêèå äàò÷èêè: ôèçè÷åñêèå îñíîâû, âîïðîñû ðàñ÷åòà è ïðèìåíåíèÿ. Ì., 1990.
15. Âåòðîâ À.À., Êîìèññàðîâ Ñ.Ñ., Ñåðãóøè÷åâ À.Í. Ìàëîãàáàðèòíûé óíèôèöèðîâàííûé èíòåãðèðîâàííûé ìîäóëü äëÿ îïòè÷åñêèõ èíòåðôåðåíöèîííûõ äàò÷èêîâ // ÌÍÒÊ “Äàò÷èêè è ñèñòåìû-2005”, 6–10 èþíÿ 2005. ã. Ïåíçà. Ñáîðíèê äîêëàäîâ. Ñ. 192–195.
16. Âåòðîâ À.À., Êîìèññàðîâ Ñ.Ñ., Ëó÷èíèí Â.Â., Ñåðãóøè÷åâ À.Í. Âîëîêîííî-îïòè÷åñêèé ìèêðîèíòåðôåðîìåòð êàê îñíîâà ïîñòðîåíèÿ âûñîêî÷óâñòâèòåëüíûõ ñåíñîðîâ // 6-ÿ ÌÍÒÊ “Êâàíòîâàÿ ýëåêòðîíèêà-2006”, 14–17 íîÿáðÿ 2006. ã. Ìèíñê. Áåëîðóññèÿ. Ñáîðíèê äîêëàäîâ. Ñ. 117.
17. Âåòðîâ À.À., Êîìèññàðîâ Ñ.Ñ., Ëó÷èíèí Â.Â., Ñåðãóøè÷åâ À.Í. Âîëîêîííî-îïòè÷åñêàÿ ñåíñîðíàÿ ñèñòåìà. Ïàòåíò ÐÔ ¹ 2 279 112. Áþë. èçîáð. ¹ 18. 2006.
6 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008