Волоконно-оптические устройства технологического назначения.-1
.pdf
2
В.М. Шандаров
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Учебное пособие
Рекомендовано Сибирским региональным отделением
учебно-методического объединения высших учебных заведений РФ по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации
для межвузовского использования в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 210300 «Радиотехника», 200100 «Приборостроение»
Томск
2012
3
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
В.М. Шандаров
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Учебное пособие
Для студентов специальности 210401 – « Физика и техника оптической связи» по дисциплине «Волоконно-оптические устройства и системы технологического назначения и управления»
Томск
2012
4
ДК 681.7.068(075.8) ББК 32.86я73
Ш20
Рецензенты:
профессор Томского государственного университета А.П. Коханенко;
профессор Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники В.А. Бурдовицин
Шандаров В.М.
Ш20 Волоконно-оптические устройства технологического назначения: учеб. пособие / В.М. Шандаров. − Томск : Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2012. –
198с.
ISBN 978-5-86889-377-3
Представлен лекционный материал, относящийся к физическим принципам и вопросам построения устройств и приборов на основе волоконно-оптических элементов. Рассмотрены принципы построения волоконно-оптических датчиков физических воздействий при амплитудной, поляризационной, частотной и фазовой модуляции световых полей в волоконно-оптических элементах; распределенных волоконно-оптических измерительных систем; волоконно-оптических лазеров. Приведены характеристики некоторых современных волоконно-оптических устройств и приборов, выпускаемых зарубежными и отечественными компаниями.
Для студентов специальности 210401 – Физика и техника оптической связи по дисциплине «Волоконно-оптические устройства и системы технологического назначения и управления», а также направлений подготовки 210300 «Радиотехника», 200100 «Приборостроение» и аспирантов оптических специальностей, инженерно-технических работников, специализирующихся в области волоконной оптики и оптических технологий.
УДК 681.7.068(075.8)
ББК 32.86я73
© Шандаров В.М., 2012 ISBN 978-5-86889-377-3 © Томск. гос. ун-т систем упр.
и радиоэлектроники, 2012
5
Оглавление
Предисловие................................................................................ |
8 |
Введение...................................................................................... |
9 |
1. Плоские световые волны |
|
1.1. Волновое уравнение для безграничной среды................ |
11 |
1.2. Решение волнового уравнения — плоские волны.......... |
12 |
1.3. Гармонические плоские волны ........................................ |
13 |
1.4. Распространение плоской волны в произвольном |
|
направлении................................................................................... |
14 |
1.5. Поляризация плоских электромагнитных волн.............. |
16 |
2. Основные элементы теории и техники волоконно- |
|
оптических устройств и систем |
|
2.1. Основные характеристики оптического излучения........ |
20 |
2.2. Общие достоинства волоконных световодов ................. |
23 |
2.3. Преобразование физической величины в волоконно- |
|
оптических датчиках..................................................................... |
24 |
2.4. Основные параметры ВОД............................................... |
27 |
3. Оптические элементы волоконно-оптических датчиков |
|
3.1. Градиентные линзы........................................................... |
30 |
3.2. Делители и сумматоры световых пучков........................ |
32 |
3.3. Поляризаторы .................................................................... |
33 |
3.4. Фазовые пластинки ........................................................... |
35 |
3.5. Оптические изоляторы...................................................... |
36 |
3.6. Модуляторы света............................................................. |
38 |
3.7. Устройства сдвига частоты света .................................... |
41 |
3.8. Некоторые интегрально-оптические компоненты ........ |
42 |
3.9. Волоконные световоды..................................................... |
48 |
4. Волоконно-оптические датчики с волокном |
|
в качестве линии передачи |
|
4.1. Принцип построения......................................................... |
61 |
4.2. Модуляция параметров световых волн |
|
и используемые для этого эффекты............................................. |
62 |
4.3. Амплитудные датчики (датчики на основе изменения |
|
интенсивности света) .................................................................... |
64 |
4.4. Поляризационные датчики............................................... |
78 |
4.5. Датчики на основе сдвига частоты света........................ |
85 |
6 |
|
5. Волоконно-оптические датчики с волокном |
|
в качестве чувствительного элемента |
|
5.1. Деление по способу модуляции....................................... |
90 |
5.2. ВОД не интерферометрического типа............................. |
90 |
5.3. Волоконно-оптические интерферометрические |
|
датчики ........................................................................................... |
98 |
6. Датчики на основе волоконно-оптических брэгговских |
|
решеток |
|
6.1. Методы формирования волоконно-оптических |
|
брэгговских решеток................................................................... |
121 |
6.2. Длиннопериодные волоконные решетки |
|
и методы их изготовления .......................................................... |
124 |
6.3. Источники излучения, используемые |
|
для индуцирования волоконных решеток................................. |
126 |
6.4. Фоточувствительные стекла........................................... |
127 |
6.5. Информативные параметры отклика волоконно- |
|
оптических брэгговских решеток .............................................. |
129 |
6.6. Отклик волоконно-оптических брэгговских решеток |
|
на воздействия ............................................................................. |
130 |
6.7. Обработка спектров сигналов в волоконно- |
|
оптических брэгговских решетках............................................. |
132 |
6.8. Обработка сигналов волоконно-оптических |
|
брэгговских решеток управляемыми |
|
спектральными фильтрами......................................................... |
133 |
6.9. Разделение вкладов изменения температуры и упругих |
|
деформаций в датчиках на основе брэгговских решеток ....... |
135 |
7. Волоконно-оптические гироскопы |
|
7.1. Гироскоп как элемент инерциальных |
|
навигационных систем................................................................ |
138 |
7.2. Принцип действия оптического гироскопа................... |
139 |
7.3. Предельные возможности измерения |
|
угловой скорости......................................................................... |
142 |
7.4. Методы повышения чувствительности волоконно- |
|
оптических гироскопов............................................................... |
143 |
7.5. Повышение стабильности волоконно-оптических |
|
гироскопов.................................................................................... |
147 |
7 |
|
7.6. Факторы, ограничивающие разрешающую |
|
способность волоконно-оптических гироскопов ..................... |
148 |
7.7. Волоконно-оптические гироскопы |
|
компании «Оптолинк» ................................................................ |
148 |
8. Распределенные волоконно-оптические датчики |
|
и измерительные системы |
|
8.1. Классификация волоконно-оптических |
|
измерительных систем................................................................ |
154 |
8.2. Квазираспределенные волоконно-оптические |
|
датчики ......................................................................................... |
155 |
8.3. Волоконно-оптические датчики на основе эффектов |
|
рассеяния света............................................................................ |
157 |
8.4. Метод оптической импульсной временной |
|
рефлектометрии........................................................................... |
166 |
8.5. Распределенные волоконно-оптические |
|
измерительные системы.............................................................. |
173 |
9. Волоконно-оптические лазеры |
|
9.1. Достоинства волоконно-оптических лазеров ............... |
176 |
9.2. Особенности конструкции непрерывных волоконных |
|
лазеров.......................................................................................... |
176 |
9.3. Мощные непрерывные волоконные лазеры.................. |
178 |
9.4. Характеристики современных волоконно- |
|
оптических лазеров российского производства ....................... |
181 |
9.5. Волоконные рамановские лазеры.................................. |
183 |
9.6. Применение волоконных лазеров в медицине ............. |
188 |
Заключение................................................................................... |
192 |
Список литературы...................................................................... |
193 |
Список основных сокращений и обозначений ......................... |
196 |
8
Предисловие
Учебное пособие отражает основные разделы лекционного курса по дисциплине «Волоконно-оптические устройства и системы технологического назначения» специальности 210401 «Физика и техника оптической связи». Цель пособия — изложить физические основы построения волоконно-оптических датчиков различных физических воздействий, использующих разные типы модуляции параметров оптического излучения, а также познакомить читателя с разными конструкциями подобных устройств, в том числе с конструкциями и характеристиками элементов и устройств выпускаемых промышленностью.
Материал курса разбит на 9 тематических разделов: «Плоские световые волны», «Основные элементы теории и техники волоконно-оптических устройств и систем», «Оптические элементы ВОД», «Волоконно-оптические датчики с волокном в качестве линии передачи», «Волоконно-оптические датчики с волокном — чувствительным элементом», «Датчики на основе волоконно-оптических брэгговских решеток», «Волоконно-оптиче- ские гироскопы», «Распределенные волоконно-оптические датчики и измерительные системы», «Волоконно-оптические лазеры».
Учебное пособие может быть полезно студентам, обучающимся по специальностям направлений «Телекоммуникации» и «Радиотехника», а также аспирантам и инженерам,
специализирующимся в области волоконной оптики и оптоэлектроники.
9
Введение
Волоконная оптика вошла в нашу жизнь, и мы сталкиваемся с ней очень часто, иногда даже не догадываясь об этом. Так, работая в Internet, мы не задумываемся о том, что дает нам такую возможность. А ее обеспечивают, наряду с современными, ставшими уже привычными, высокопроизводительными компьютерами и сложным электронным оборудованием связных систем, линии передачи, использующие в большинстве случаев оптическое волокно.
Системы связи — основная область применения волоконной оптики. Основная, но не единственная. Они относятся к более широкому классу систем сбора, обработки и
распределения измерительной информации. Одними из важнейших элементов измерительных систем являются чувствительные
элементы, т.е. датчики измеряемых величин. Информационно-
измерительные системы должны органично сочетать каналы передачи информации с чувствительными элементами, поэтому предпочтительно получать в чувствительных элементах сигналы той же природы, что используются в канале передачи. Для волоконно-оптических систем, таким образом, желательно иметь чувствительные элементы оптического типа. Поэтому появление волоконно-оптических датчиков (ВОД) можно считать закономерным шагом в развитии современной науки и техники. Естественно, что существенную роль в этом сыграло изобретение самого оптического волокна и бурное развитие оптоэлектроники в 70-е годы прошлого века. В последнее время предложен и реализован целый ряд волоконно-оптических распределенных
измерительных систем, что явилось результатом прогресса в области разработки ВОД.
Наряду с ВОД на основе волоконно-оптических элементов к настоящему времени создан целый ряд оптических устройств и приборов научно-технического и медицинского назначения. Это волоконно-оптические лазеры и усилители,
10
терапевтические и хирургические лазерные приборы, волоконно-оптические устройства памяти для оптических процессоров. В последние два-три года достигнут значительный прогресс в технологии получения фотонно-кристаллических волоконных световодов, что открывает новые возможности для реализации различных нелинейно-оптических эффектов и устройств, в частности для генерации сверхширокополосного оптического излучения с высокой пространственной когерентностью (supercontinuum
generation).