Определение механических воздействий гидротехнических сооружений с помощью радиационных процессов в оптических волокнах



Определение и постоянный контроль механических воздействий типа давление, механических напрежений, различные деформации являются важным фактором при строении гидротехнических сооружений. Точность и диапазон определения физических параметров механических и электромагнитных датчиков сушественно расширялся после появления мощных источников света, как лазеров.

Изучение процессов взаимодействия когерентных излучений с прозрачной средой, особенно с оптическим волокном резко расширило область практического применения световодов. В настоящее время оптические волокна применяются не только в телекоммуникационной технике, а нашли широкое применение в отраслях науки как, изучение радиационных процессов, протекающие внутри вещества, контроль процессов, возникающие в атмосфере под действием космических лучей и т. д. В том числе, разработка высокоточных датчиков температуры и давления.

Волоконно-оптический датчик (ВОД) — датчик физических величин, в конструкции которого в качестве чувствительного элемента и передающее оптическое излучение среды, используется волоконный световод. Чувствительный элемент ВОД преобразует определенное физическое воздействие в изменение свойств прошедшего, отраженного или рассеянного излучения. По принципу действия ВОД можно разделить на группы в соответствии с тем, какой параметр оптической волны измеряется для получения информации о физическом воздействии: интенсивность, фаза, состояние поляризации, спектральный или мoдовый состав излучения [1].

По принципу работы и конструктивным особенностям датчики можно разделить на четыре группы:

1. Оптопары с открытым каналом, где размещается или контролируемая среда, или промежуточный элемент.
2. Волоконно-оптические датчики, в которых чувствительным элементом является само волокно, оптические свойства которого изменяются под действием внешних факторов.
3. Интегрально-оптические датчики, использующие в качестве чувствительного элемента планарный световод, изготовленный методами интегральной оптики; принцип действия такого датчики основан на нарушении полного внутреннего отражения для лучей, распространяющихся вдоль световода, и «вытекание» их через границу раздела за счет приближения к ней среды или изменения ее показателя преломления.
4. Датчики с волоконно-оптическими связями, в которых чувствительный элемент располагается в месте разрыва оптического волокна и воздействует на его светопередачу.

Современные ВОД позволяют измерять деформацию, давление, температуру, расстояние, положение в пространстве, скорость линейного перемещения и скорость вращения, ускорение, параметры колебаний и звуковых волн, уровень жидкостей, показатель преломления, электрическое и магнитное поле, дозу радиационного излучения, а также ряд других физических величин.

Использование ВОД основывается на таких явлениях, как электрооптический, магнитооптический, упругооптический, термооптический эффекты, люминесценция, комбинационное рассеяние, рассеяние Рэлея и Мандельштама-Бриллюэна, межмодовое взаимодействие и других.

Преимуществами ВОД являются: защищенность от воздействия электромагнитных полей, высокая чувствительность, надежность, воспроизводимость и широкий динамический диапазон измерений, малые габариты и вес, высокая коррозионная и радиационная стойкость, электроизоляционная прочность, пожаробезопасность, возможность спектрального и пространственного мультиплексирования чувствительных элементов, расположенных в одном или в нескольких световодах, значительное расстояние до места проведения измерений, малое время отклика [3–4].

Определение температуры вещества основано на резисторных и термопарных датчиков, которым влияние внешних электромагнитных полей существенно снижает точность и скорости получения информации. Таким образом, применение оптических датчиков приобретают особую важность, так как у них устраняются вышеуказанные недостатки. Такие датчики имеют высокую точность, стабильность на внешнее поле, легкость, минимальное энергопотребность и максимальное скорость обмена информации.

Первый патент на волоконнооптических сенсоров получен в 1960 году. Но как датчики, они широко использованы только в середине 80-их годов. Температурные оптические контактные датчики созданы на основе волноводов, записанные Брэгговские дифракционные решетки (БР) коэффициента преломления лучей. Эта решетка имеет точное пространственное распределение и период — Λ. Пространственная решетка Брэгга установлен только на основание, а внешняя оболочка остается неизменный. Такая структура имеет уникальное спектральное свойство, такое как низкополосные коэффициент отражение излучения и очень узкую относительную спектральную ширину (10–⁶).

В основе использования волоконных брэгговских решеток (ВБР) лежит зависимость резонансной длины волны λ БР от температуры световода и от приложенных к нему механических растягивающих или сжимающих напряжений.

Предложено большое число способов измерения смещения λ БР. Наиболее прямым из них является измерение спектра пропускания-отражения решетки с помощью широкополосного источника излучения и спектроанализатора либо с помощью узкополосного перестраиваемого лазера и фотоприемника. Такой способ является нечувствительным к оптическим потерям, которые могут возникать в оптическом тракте при проведении измерений, и обеспечивает высокую точность измерений λ БР. Вместе с тем такая схема регистрации использует достаточно дорогостоящее оборудование и имеет ограниченное быстродействие.

Указанные схемы позволяют измерить физическую величину в месте нахождения ВБР, вместе с тем часто возникают задачи измерения пространственного распределения этой величины. Для этого разработаны схемы, позволяющие мультиплексировать чувствительные элементы, в том числе расположенные в одном световоде. К числу таких схем следует отнести:

‒ спектральное мультиплексирование каналов, при котором чувствительные элементы разнесены на различные длины волн;

‒ использование оптических переключателей, подключающих тот или иной чувствительный элемент к системе измерения;

‒ пространственно-временное мультиплексирование, при котором отклик от каждой из решеток регистрируется в различные моменты времени;

‒ комбинированные схемы, включающие в себя несколько принципов мультиплексирования каналов, перечисленных выше.

Перечисленные схемы измерения λ БР, как правило, обеспечивают точность измерения температуры ~0.1ºС и относительного удлинения ~10–6.

Резонансная длина волны БР зависеть от температуры и вложенный в ней внешней механической напряжений. На это и основывается работа волноводных датчиков. Сдвиг резонансных волн измеряется с помощью анализа спектров поглощения и пропускания широкополосных источников излучения или узкополосных лазеров.

Величина нелинейного коэффициента преломления для кварцевых световодов принимает разные значения в зависимости от длины волны света, состава, концентрации и поперечного распределения легирующих примесей, длительности импульса. Для длины волны 1550 нм значения коэффициента преломления находятся в пределах (2,2–4)10–²⁰ м²/Вт. Эта величина в кварце, по сравнению с другими нелинейными средами, по крайней мере, на 2 порядка меньше.

То же относится к коэффициентам ВКР (вынужденного комбинационного рассеяния) и ВРМБ (вынужденного рассеяния Мандельштама–Бриллюэна) усилений. Тем не менее, в кварцевых световодах нелинейные эффекты могут наблюдаться при относительно низких мощностях. Это возможно благодаря двум важным характеристикам световода, а именно: малого размера моды (несколько мкм для одномодового световода) и чрезвычайно низким потерям (1 дб/км), что обеспечивает большие длины взаимодействий.

Часто для записи ВБР используют интерферометры с пространственным разделением пучка, которые имеют меньшее количество оптических элементов и, следовательно, большую временную стабильность. Такой интерферометр может быть создан, например, с использованием диэлектрического зеркала, которое делит фронт пучка на две равные части (интерферометр Ллойда, рис. 1б). Перестройка угла a в данном случае осуществляется путем поворота зеркала вместе с закрепленным на нем световодом, что значительно проще в сравнении с тем, как это делается в интерферометре, изображенном на рис. 1а. Отметим, что цилиндрическая линза, используемая в обеих схемах, представленных на рис. 1б, служит для фокусировки излучения на волоконный световод (в ряде случаев на его сердцевину), что, как правило, необходимо для увеличения плотности УФ — излучения при записи брэгговских решеток.

Рис. 1. Схемы записи брэгговских решеток в интерферометрах с амплитудным (а) и пространственным (б) разделением пучка УФ-излучения

Указанные типы интерферометров обладают гибкостью в выборе параметров (период, длина) записываемых решеток, однако требуют высокую пространственную и временную когерентность записывающего излучения [5].

Механический внешний фактор, как, давление, температурный перепад, деформация изменяют характеристику излучения, проходящее через образец, которые в своей очередь проявляются на характеристиках обратного сигнала. Проанализировав спектры интенсивности проходящего и отраженного из БР излучения, можно определить с большой точности механических параметров.

При попадание света на молекулярной решетки с термическим вибрациям возникает взаимодействие фотонов и электронов. Рассеяние такого рода в световоде с БР можно увидеть в Рамановском спектре. Реэлейское рассеяние аналогично с лазерным излучением. Стоксовый компоненты Рамановского спектра появляются при поглощении (когда длина волны лазерного излучения больше чем длина волны стоксового компонента) или излучения (когда длина волны лазерного излучения меньше чем длина волны стоксового компонента). Антистоксовые излучения оптического волокна зависеть от температуры, но стоксовые смешения практически не зависеть от температуры. Изучая отношение интенсивности этих компонентов можно определить температуру образца.

Вынужденное рассеяние Брюэллена имеет наинизшую пороговую мощность. Порог SBS может изменяться в зависимости от типа волокна и даже среди отдельных волокон. Как правило, он имеет порядок 5–10 мВт для узкополосных источников света с внешней модуляцией. Для лазеров с непосредственной модуляцией эта мощность может быть порядка 20–30 мВт.

Физическая причина явления вынужденного рассеяния Брюэллена состоит в том, что интенсивная волна света, распространяющегося в прямом направлении, и первоначально слабая волна рассеянного назад света, а также тепловая упругая волна нелинейно взаимодействуют друг с другом (за счет явления электрострикции). В результате такого взаимодействия в волокне возникают волны показателя преломления, движущиеся со скоростью звука.

Линии Брилюэна по отношение линии Стокса интенсивнее, но имеет слабое спектральное смешение. Это смешение происходить из-за акустического колебания кристаллической решетки и даёт информации о механическом напряжение.

Лазерное или рентгеновское излучение при прохождение по световоду возбуждает индуцированного излучения. Под действием радиационного излучения на основание световода (диоксид кремния SiO₂) в энергетически запрещённых зонах появляется дополнительные энергетические зоны, благодаря которым происходить поглощения или люминесценция света. Изменения интенсивности света отрицательно влияет на качества и точность получаемого информация.

Анализ рентгеновских спектров в оптической волокне проводится по методике разделение образца на элементарной ячейки. Если, интенсивность индуцированное излучение на каждой элементарной ячейке равно I₀(λ), коэффициент i- ячейке определяется из условия [1]:

Для образца с длиной l, реальное значение интенсивность индуцированного излучения равно:

Изучение зависимость длина образца на интенсивности Черенковского излучения даёт возможность, оценит интенсивности поглощения и рассеяния первичного сигнала. Если, при входе световода интенсивность Черенковского излучения I₀(λ), при входе I_l(λ), то коэффициент оптической потери А(λ) можно определить из уравнение [2]:

В заключение, можно сказать, что изучение радиационные процессы в оптических волокнах резко расширяет прикладной возможности этих неорганических соединений, и создаются новые- новые приборы зарегистрирующих сверх тонких физических процессов в космосе, земле и под водой.

Литература:

1. E.Udda. Fiber Optic Sensors, Wiley Intersciense, 2006, 520 p.
2. M.Kh.Ashurov, M. I. Baydjanov, et.al.Jap.J. Appl.Phys.:18, 2008.
3. Jose Miguel Lopez-Higuera «HANDBOOK OF OPTICAL FIBRE SENSING TECHNOLOGY», John Wiley & Sons Ltd, 2002. 245 р.
4. «Волоконно-оптические датчики», под ред Э. Удда, Техносфера, 2008. с.57–83
5. А. Н. Пихтин «Оптическая и квантовая электроника», Москва, Высшая школа, 2001. с.107–151.
6. В. Г. Воронин, О. Е. Наний Основы нелинейной волоконной оптики. Москва «Университетская книга». 2011 г. стр.65–74.