Домашня електрика
зультате темнового струму. Але розподіл амплітуд імпульсів від темнового струму зазвичай зрушено у бік малих напруг. Дискримінатор повинен виділяти тільки імпульси від фотоелектронів, розподіл амплітудних значень яких зрушений у бік вищої напруги. Виділені імпульси посилюються і потім підраховуються. За допомогою такого способу можна вимірювати інтенсивність тим слабкішого світла, чим вище відношення сигнал - шум.
Метод рахунку фотонів за допомогою високочутливих фотоелектронних помножувачів застосовувався і раніше виявлення слабкого світла - інтенсивністю приблизно 10 фотонів в секунду. У лавинних фотодіодів поки що великі шуми, тому при даному методі вони зазвичай не використовуються, хоча останнім часом у цьому напрямі зроблено деякі спроби.
Як мовилося раніше на початку глави, на параметри напівпровідникових светоизлучающих і світлоприймальних приладів надають сильний вплив обрані їм матеріали, конструкція і технологія, але поки що не розглядалося у цій главі.
Останнім часом технічні характеристики приладів помітно покращали, відповідно до цього розширилася сфера їх застосування, у тому числі і для волоконно-оптичних датчиків.
До цього часу оптичні прилади в основному призначалися для систем оптичного зв'язку, а спеціально розроблених для датчиків було недостатньо. І в майбутньому одне з важливих завдань у проектуванні сенсорних систем – створення спеціальних оптичних приладів із новими можливостями.
Для того щоб техніка волоконно-оптичних датчиків вступила в зрілий період і щоб значно розширився їхній ринок, необхідна розробка конструкцій та технології світлових приладів, які відрізнялися б від приладів для оптичного зв'язку. Вважається, що врозробці цих приладів, зокрема напівпровідникових лазерів, для датчиків можна виділити принаймні два напрями (рис. 3.45).
Перший напрямок - розробка спеціалізованих лазерів, призначених для тієї чи іншої сенсорної системи. У зв'язку з цим очікується появи оригінальних лазерів, що повністю змінюють уявлення про світловипромінюючі прилади і сприяють поліпшенню характеристик сенсорних систем.
Другий напрямок - ретельне дослідження моделі
Мал. 3.45. Можливості напівпровідникових лазерів
ідеального лазера та проектування сенсорних систем на його основі. Реалізація ідеальних приладів, що поєднують різні характеристики є магістральною лінією в даному напрямку. Цей принцип завжди був рушійною силою, починаючи з винаходу лазера в 1960 р. Тим, хто займається дослідженням та розробкою датчиків, теж належить створювати системи на основі ідеальних лазерів і таким чином розширювати крок за кроком можливості датчиків.
Поява лазерів, чиї характеристики задовольнятимуть обом зазначеним напрямам розвитку, призведе до необхідності розробки оптичних схем, приладів, що найбільш повно використовують можливості цих лазерів. Тому в майбутньому посилиться взаємозв'язок техніки обробки сигналів, світловипромінюючих та світлоприймальних приладів, оптичних схем та оптичних волокон.
Розділ четвертий ОПТИЧНІ СХЕМИ ДЛЯ ДАТЧИКІВ
У цьому розділі розглядається техніка оптичних схем на прикладі різних оптичних елементів волоконно-оптичних датчиків. У § 4.2 увага приділяється стрижневим лінзам, які особливо часто використовуються в оптичних схемах, розщеплювачів променя, що розділяють світлову потужність, хвильових пластин та інших елементів. У § 4.3 описуютьсяоптичні ізолятори, що послаблюють флюктуації випромінювання напівпровідникового лазера, які зазвичай обумовлені зворотним світлом, а § 4.4 - розділові та сполучні фільтри, хвильові мультиплексори та диплексори для оптичного діапазону хвиль. У § 4.5 показано, що оптичний модулятор є необхідним елементом виявлення дуже слабких світлових сигналів, а § 4.6 йдеться про частотному зсувнику, застосовуваному для гетеродинного виявлення. В даний час проводяться дослідження щодо створення інтегральних тонкоплівкових хвилеводних елементів, про які розказано в § 4.7.
У розділі описуються принцип впливу і показники типових елементів оптичних схем, крім вже розглянутих оптичних волокон, джерел та приймачів світла. Оскільки серед цих елементів не всі є у продажу, корисно розглянути їх технічні особливості, щоб врахувати їх при створенні схеми датчика. Оптична схема зазвичай складається з безлічі елементів, тому виникає проблема стабілізації характеристик та узгодження оптичних осей. Одним із напрямків вирішення цієї проблеми вважається інтеграція на одному кристалі декількох тонкоплівкових оптичних елементів. Вироби в такому виконанні поки не надійшли на ринок, але оскільки вони є перспективними, то їм присвячено кілька сторінок. При створенні схеми датчика необхідно враховувати можливість появи в найближчому майбутньому нових оптичних інтегральних схем.
4.2. ОПТИЧНІ ЕЛЕМЕНТИ
У цьому вся параграфі розглядаються оптичні елементи пасивного типу.
4.2.1. Стрижневі лінзи. На відміну від звичайної лінзи, поверхні якої з обох боків криволінійні, стрижнева
лінза має циліндричну форму з плоскими торцевими поверхнями для входу та виходу світлових променів, авластивості лінзи як такої забезпечуються з допомогою сформованого у ній розподілу коефіцієнта заломлення. Ці лінзи подібні до оптичного волокна типу GI, опнсаному в гол. 2, причому коефіцієнт заломлення в них змінюється симетрично оптичної осі вздовж радіусу за квадратичним законом, що досягається методом іонного обміну з точним регулюванням у процесі виготовлення лінзи.
Розподіл коефіцієнта заломлення за квадратичним законом (рис. 4.1) описується формулою
п (г) = По (1 "про (1 - Y ") )
де g -параметр фокусування, мм-, що характеризує концентрацію світла.
З рівняння траєкторії світлового променя у площині меридіана лінзи
слід, що між радіальними координатами рходу та виходу світлового променя г\ п Гч п кутами г/ і гч існує матрична залежність
Звідси видно, що траєкторія світлового променя усередині лінзи має синусоїдальну форму. Крок Р цієї траєкторії дорівнює 2nlg і є основним параметром лінзи. Стрижневі лінзи найчастіше бувають довжиною Я/4 та Р/2. Типові для цих лінз траєкторії світлових променів, що входять по осі зі зміщенням від неї, показано на рис. 4.2.
Такі лінзи мають діаметр 1. 2 мм, довжину Р/4 (3. 6 мм), параметр фокусування 0,2. 0,5 мм-, тобто вибір
Мал. 4.1. Траєкторія світлового променя та розподіл коефіцієнта заломлення у стрижневій лінзі
Мал. 4.2. Типові траєкторії світлових променів у стрижневих лінзах різної довжини
Мал. 4.3. Узгодження напівпровідникового лазера з оптичним волокном
Для різних цілей застосування досить широкий. Стрижневі лінзи малогабаритні, що зручно для узгодження світловипромінювальних та світлоприймальних приладів, наприклад оптичних волокон та лавинних фотодіодів. Крім того, оскільки зображенняформується всередині лінзи, між її торцевими поверхнями, світлові промені не виходять у навколишню атмосферу, що дозволяє об'єднувати лінзи в монолітну конструкцію з іншими оптичними елементами.
Стрижневі лінзи знайшли широке застосування в коліматорних системах, які збирають в паралельний пучок промені, що виходять з напівпровідникового лазера і волокна, а також у системах формування зображення, які, фокусуючи промені напівпровідникового лазера, узгодять його з оптичним волокном (рис. 4.3). В останньому випадку, підбираючи довжину стрижневої лінзи та відстані Л, /г, можна підвищити ефективність світлового зв'язку.
4.2.2. Призми та фазозсувні елементи. Розглянемо оптичні елементи, найхарактерніші для вимірів.
Прямокутна призма. Як показано на рис. 4.4 така призма має один прямий кут. Якщо вона виконана зі скла, для якого, наприклад, при коефіцієнті заломлення 1,5 критичний кут відбиття дорівнює 41,5°, то при куті відбиття 45° виходить повне відбиття. Таку призму зручно використовуватиме зміни напряму оптичних променів.
Куточкова призма. Ця призма з трьома взаємно перпендикулярними поверхнями, що відбивають (рис. 4.5). Вона має таку властивість, що звідки б не прийшов світловий промінь, він позначиться в тому ж напрямку. Цю призму називають також кутовим відбивачем, і вона часто використовується як дзеркало для лазерного інтерференційного виміру довжини хвилі.
Мал. 4.4. Прямокутна призма
Мал. 4.5. Кутовий відбивач
Призматичний розщеплювач променя. Як показано на рис. 4.6, а такий розщеплювач являє собою дві прямокутні призми з напівпрозорою плівкою на найбільших («косих») гранях, з'єднані цими гранями один з одним. Напівпрозорі плівкизазвичай багатошарові, і шляхом оптимального вибору товщини плівок, їх коефіцієнта проникності та числа шарів можна досягти поділу світлової потужності у співвідношенні 1:1, 1: 10 і т. д. Крім того, як показано на рис. 4.6,6, якщо надати цим плівкам поляризаційні властивості, то вийде розщеплювач поляризованих променів, який поділяє вхідний світловий промінь за потужністю залежно від його поляризації. При цьому для перпендикулярно падаючого на призму вхідного променя складові з вертикальною та горизонтальною поляризацією утворюють між собою прямий кут.
Поляризаційна призма. Розрізавши кристал з подвійним променезаломленням (наприклад, кристал вапняного шпату або кварцу) під певним кутом щодо його опти-