Оценка характеристик излучаемых мод световодов в составе датчиковых устройств измерения продольных механических воздействий

• Автор: Алексеев, Андрей Викторович
• Шифр специальности: 05.13.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Астрахань
• Количество страниц: 141 с. : ил.

Введение.

Глава 1. Излучение оптической энергии из волповедущих структур.

1.1. Анализ внешних воздействий на световод, выбор оптимального воздействия

1.2. Вывод оптического излучения из волновода путем его одноосного механического сжатия.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Анализ характеристик излучаемых мод планарных волноводов

2.1. Возбуждение симметричного планарного волновода.

2.1.1. Распределение внешнего электрического поля на торце световода

2.1.2. Энергии направляемых мод слабонаправляющего планарного световода

2.2. Вывод излучения из планарного волновода, подвергнутого механическому сжатию. Характеристики излучаемых мод волновода.

2.2.1. Определение направления преломленной обыкновенной волны

2.2.2. Определение направлений преломленных волнового вектора и лучевого Пойнтинга необыкновенной волны.
2.3. Энергия излучаемых мод волновода
2.4. Зависимость излучаемой энергии от величины сжатия
Выводы по главе 2.
Глава 3. Анализ характеристик излучаемых мод круглых слабонаправляющих
волоконных световодов.
3.1. Моделирование возбуждения круглого слабонаправляющего волновода со ступенчатым профилем показателя преломления.
3.1.1. Распределение внешнего электрического поля на торце круглого световода.
3.1.2. Вывод выражений, определяющих энергии направляемых мод круглого световода.
3.2. Вывод излучения из круглого волновода, подвергнутому одноосному механическому напряжению. Направления соответствующих лучей.
3.2.1. Расчет углов вывода лучевого вектора Пойнтинга необыкновенной волны.
3.2.2. Определение поляризации необыкновенной волны.
3.2.3. Расчет направления хода и поляризации обыкновенной волны
3.2.4. Вывод выражений, характеризующих направление и поляризацию отраженной волны
3.3. Энергетические характеристики излучаемых мод волновода. Регулирование мощности излучаемых мод.
3.4. Методы и алгоритм выполнения численных расчетов
Выводы по главе 3.
Глава 4. Использование излучаемых мод, индуцированных механическим сдавливанием волновода, в датчике веса.
4.1. Оптический волновод как чувствительный элемент. Процесс преобразований в исследуемом датчике веса.
4.2. Эффекты, происходящие в чувствительном элементе датчика, и процедура их расчета
4.3. Макет конструкции датчика веса.
4.4. Особенности использования датчика веса.
4.5. Анализ погрешности исследуемого датчика веса
Выводы по главе
Заключение
Литература


В настоящее время для измерения оптической энергии очень малой мощности применяются лавинные АРЭ фотодиоды , и более чувствительные микропикссльныс лавинные фотодиоды МЛР1Э . Как показывают расчеты, приведенные в работе, уровень чувствительности даже лавинных фотодиодов достаточен для регистрации выводимого излучения. Теоретически возможные воздействия, приводящие к излучению направляемой энергии из световода, принципы измерения и изменяющиеся параметры световода приведены в таблице 1. Таблица 1. Основные результаты работы получены из предположения возникновения искусственной анизотропии материала оболочки световода при внешнем воздействии на него. В большинстве возникающих случаев, представленные в таблице 1 воздействия приводят к возникновению анизотропии материала. В диссертационной работе ставится задача нахождения методики расчета излучаемой энергии из световода и получения зависимости этой энергии от величины внешнего воздействия. В этом смысле при выборе способа воздействия на световод необходимо исходить из принципа наглядности и простоты, поскольку с применением соотношений, описывающих эффекты, приводимые в таблице 1, можно получить зависимости, определяющие изменение показателя преломления материала световода от величины любого прикладываемого воздействия. Будем рассматривать механические воздействия, как наиболее простые и приводящие, повидимому, к наиболее значимым изменениям характеристик волновода. Например, воздействие теплового поля на световод потребует значительного изменения температуры порядка сотен градусов для обеспечения изменения показателя преломления на величину, сравнимую с изменением при механическом воздействии. Отметим, что все результаты практически остаются неизменными при изменении температуры на несколько десятков градусов ввиду того, что температурные коэффициен ты показателя преломления и линейного расширения очень малы для кварцевых стекол, соответственно 5 С1 при С и 4 7 С1 в интервале 0 г С . Другие типы воздействий являются предметом других исследований и, безусловно, тоже представляют интерес. Механические воздействия на волновод могут порождаться различными способами, требующими измерения, например, статические вес предмета или динамические нагрузки удар. Наиболее неразрушающий тип механического воздействия направленное сжатие. При этом прикладываемые нагрузки могут быть значительными, ведь теоретически кварцевое стекло способно выдерживать давления в сотни МПа . Кроме того, механические воздействия реализуются в большом спектре условий и ситуаций использования оптических волноводов. В частности при высоких и низких температурах, радиационных воздействиях, электромагнитных полях. Поэтому в дальнейшем при проведении исследования основное внимание уделяется механическому неразрушающему воздействию на световод. Итак, в работе рассматривается задача выявления зависимостей между характеристиками излучаемых мод оптических волноводов от величины продольного механического воздействия и формирование на этой основе чувствительного элемента датчика. Отметим, что именно показатели преломления обыкновенной и необыкновенной волн функционально связаны с величиной внешнего воздействия. Эта зависимость будет получена в следующем параграфе. В качестве практического воплощения предлагаемой модели чувствительного элемента в работе приводится макет датчика веса. Вывод оптического излучения из волновода путем его одноосного механического сжатия. Электромагнитное поле в оптическом волноводе условно можно разделить на два режима пространствсннонеустановившийся и пространственноустановившийся . Пространственнонеустановившийся режим формируется в начале волновода вблизи источника излучения и образован совокупностью направляемых мод, распространяющихся без потерь по волноводу, и поля излучения. Я длина волны оптического излучения. В рамках геометрического подхода, этот непрерывный спектр аналогичен угловому спектру плоских волн поля в вакууме, удовлетворяющий условию р агссоъп0псХ где р угол, образуемый волной с осью световода П1.