 |
|
КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА БАЗЕ СВЕТОВОДНОЙ ТЕХНИКИ
ВВЕДЕНИЕ
Стремительное развитие электроники и вычислительной техники оказалось предпосылкой для широкой автоматизации самых разнообразных процессов в промышленности, в научных исследованиях, в быту. Однако реализация этой предпосылки в значительной мере определяется возможностями устройств для получения информации о регулируемом параметре или процессе. Описанию таких устройств – датчиков – и посвящена данная книга. Разумеется, применение датчиков не ограничивается только автоматизированными системами, поскольку они могут выполнять также функции просто измерительных элементов и систем.
По определению к датчикам относятся все основные узлы оптоэлектронной схемы для измерения неэлектрических величин, расположенные непосредственно у объекта. Необходимость преобразования измеряемой неэлектрической величины в адекватный ей электрический сигнал послужила позднее основанием для введения термина «измерительный преобразователь», вместо термина «датчик».
Общие тенденции к миниатюризации и компьютеризации определить то, что сигнал датчика, в большинстве случаев аналоговый, для обработки в микропроцессоре или микро-ЭВМ должен быть представлен в цифровом виде. Это осуществляется обычно интерфейсным устройством, включающим в себя АЦП. В последнее время наряду с созданием датчиков, имеющих цифровой выходной сигнал, наблюдается тенденция к конструктивному объединению датчиков с микропроцессорными устройствами.
Совершенствование технологий изготовления позволило также расширить сферы применения датчиков и к тому же повысить их точность, быстродействие, надежность, долговечность, удобство сопряжения с электронными измерительными схемами. Массовый характер производства датчиков способствует снижению их цены, что также является немаловажным фактором, определяющим их внедрение в практику.
В свете изложенного предлагаемая читателю книга служит пособием для вводного ознакомления с проблемой, в обобщенном виде называемой «сенсорикой». Сенсорика рассматривает технику конструирования, изготовления и применения датчиков. В доступной форме здесь изложены физические принципы и практическое устройство широкого спектра оптоэлектронных первичных преобразователей различного назначения. Основное внимание при этом уделено их современным разновидностям на основе световодной техники, принцип действия которой базируется на изменении амплитуды, фазы, поляризации, частоты оптических сигналов, распространяющихся по световоду, при различных изменениях сигналов от параметров технологических процессов.
В последнее десятилетие сформировалось направление, использующее оптическое излучение и уникальные свойства оптических сред для регистрации различных физических воздействий. Этому способствовали также успехи в технологии волоконных световодов, которые привели к широкому их использованию для передачи информационных сигналов.
В середине 60-х годов было отмечено, что факторы, препятствующие качественной передаче направленных потоков излучения через световоды (изменение условий полного внутреннего отражения, рассеяние излучения на микродефектах и даже обрыв светопроводящих волокон), могут стать источниками измерительной информации. Именно влияние этих факторов служит основой для построения преобразователей различных физических величин (оптоэлектронных волоконно-оптических преобразователей), в которых световод, расположенный между источником излучения и фотоприемником, является одновременно чувствительным элементом и каналом, связывающим объект измерений с регистрирующей аппаратурой.
Развитие волоконно-оптических датчиков (ВОД) идет по пути замены традиционных датчиков, когда потребителя не удовлетворяют их параметры, или по пути получения новых функций. Они оказываются конкурентоспособными в тех случаях, когда необходимо обеспечить работу в условиях сильных электромагнитных полей, в агрессивных и взрывоопасных средах совместно с волоконно-оптическими линиями связи. В настоящее время это уже признанное направление развития измерительных преобразователей, в рамках которого созданы датчики давления, усилия, перемещения, скорости, акустических нагрузок, напряженности электрического и магнитного полей и т. д.
Разработке волоконно-оптических датчиков способствовали и способствуют прежде всего достижения в изготовлении стеклянных волокон и их системных компонентов (разъемов, источников света, детекторов и т. п.). Попадающий в волоконно-оптический детектор световой пучок от источника света под действием измеряемого параметра (например, давления, температуры, уровня и т. п.) претерпевает в детекторе изменение по интенсивности, поляризации, фазе или цвету и тем самым обеспечивает получение информации. Распространение световых волн внутри датчика осуществляется по стеклянным волокнам, применяемым, например, в технике связи. Эти датчики новых типов находят применение, прежде всего в условиях, характеризуемых наличием агрессивных паров или взрывоопасных газовых смесей, в зонах повышенной радиоактивности и сильных электромагнитных полей.
Успехи оптоэлектроники, связанные с появлением высокоэффективных полупроводниковых источников излучения, фотоприемников, а также развитие и совершенствование технологии оптических волокон (световодов) для передачи направленных потоков оптического излучения на значительное расстояние позволили расширить возможности генерации, переноса, преобразования и хранения информации.
Параметры многих ВОД превосходят аналогичные показатели традиционных приборов, кроме того, волоконные датчики идеально стыкуются с телеметрическими системами в волоконном исполнении.
Всевозможные нерегулярности, вызываемые внешними воздействиями, в принципе могут быть использованы для регистрации этого воздействия. На этом, а также на использовании разного рода нелинейных эффектов, возникающих при взаимодействии излучения с веществом волокна, и базируется принцип действия большинства датчиков.
Датчики на основе нарушения полного внутреннего отражения обладают высокой чувствительностью, позволяют использовать однократное отражение, что в значительной степени уменьшает габариты устройства.
Одним из направлений развития волоконно-оптических преобразователей (ВОП) являются исследование и разработка устройств, в которых полезный эффект достигается изменением интенсивности некогерентного оптического излучения в разрыве волоконно-оптического канала. В преобразователях такого типа, получивших название ВОП с внешней модуляцией, изменение интенсивности потока излучения, проходящего от источника к фотоприемнику, осуществляется либо за счет введения в разрыв волоконно-оптического канала объекта контроля, либо за счет взаимного перемещения каналов под действием измеряемой величины.
Приоритетной областью применения ВОП с внешней модуляцией являются бесконтактные измерения параметров движения в диапазоне частот до сотен килогерц, размерный контроль, контроль сил, давлений и других механических величин, контроль качества поверхностей объектов и состояния прозрачных сред в сложных условиях окружающей среды.
В последние годы появилось достаточное количество литературы, в которой в той или иной степени затрагиваются вопросы, связанные с волоконно-оптическими преобразователями. Однако в них недостаточно изложены особенности проектирования оптических каналов ВОД, влияние их конструкции на метрологические и эксплуатационные характеристики для различных конкретных применений, вопросы уменьшения влияния неинформативных факторов, а также особенности применения как компонента аппаратуры технологического контроля.
Основными задачами при написании были: изложить принцип работы волоконно-оптических датчиков, а также функционирование отдельных классов, указать их основные особенности, предельные возможности и ограничения; дать примеры наиболее успешных технических реализаций и очертить перспективы развития этой области оптического приборостроения.
КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР
Среди всех отраслей физической науки оптика занимает поистине ведущее место. Уместно напомнить крылатые слова У. Брэгга: «В слове «свет» заключена вся физика, и тем самым, все науки».
На стыке оптики, квантовой механики и электроники в последние годы (началом работ принято считать 1961 г.) возникло и интенсивно развивается новое направление в оптике – оптоэлектроника, и которой используются электронно-фотонные способы получения передачи, хранения и воспроизведения информации. В основе работы оптоэлектронных приборов лежат процессы преобразования электрических сигналов в световые и световых в электрические. Если в обычных радиотехнических и электронных приборах трансформация (передача и преобразование) информации осуществляется электронными потоками (электрический ток, электронный пучок), то в оптоэлектронике функции потока электронов выполняются световым потоком. Оптоэлектронные приборы по сравнению с классическими радиоэлектронными и электронными системами отличаются более высокими быстродействием, надежностью, значительно меньшими габаритами, малым потреблением энергии, более широким диапазоном рабочих частот, низким уровнем шумов (ложной информации и помех) и другими преимуществами.
Оптоэлектроника – раздел электроники, охватывающий эффекты взаимодействия оптического излучения с электронами в веществах (главным образом в твердых телах) и методы создания приборов и устройств, использующих эти эффекты для получения, преобразования, передачи, хранения и отображения информации.
Как самостоятельный раздел науки и техники оптоэлектроника начала формироваться в 60-х годах XX века. Это начало технологической реализации первых волоконных элементов с приемлемыми для использования в приборостроении характеристиками: светопропусканием, разрешающей способностью, габаритами и некоторыми другими. Это привело к бурному развитию приборостроения и, соответственно, к резкому росту потребности в новых волоконных изделиях. Появились первые лазеры и излучающие диоды – приборы, в достаточной мере связанные как с электроникой, так и с оптикой, но обладающие уникальными техническими характеристиками, отличными от параметров других излучателей. Очевидно, что к этой пограничной области правомерно было отнести и большинство уже известных фотоприемников – фотосопротивлений, фотодиодов, фотоэлементов и т.д. В последующее десятилетие были созданы первые образцы новых приборов оптоэлектроники, таких, как жидкокристаллические индикаторы (1966 – 1968); основной тип многоэлементного фотоприемника – прибор с зарядовой связью (1969); оптические запоминающие устройства (1966 – 1967). Идея создания волоконно-оптических светопроводов возникла в 1966 г., а ее практическая реализация началась с 1970 г. К этому же времени относится зарождение технологий микроминиатюризации элементов и устройств оптоэлектроники, положивших начало интегральной оптике.
Использование электромагнитных волн светового диапазона для связи и передачи информации является естественным способом общения человека с окружающей средой. Известно, что подавляющее количество информации об окружающем его мире (свыше 90 %) человек получает с помощью органов зрения. Поэтому, когда у людей появилась необходимость передавать сигналы на большие расстояния, одним из оперативных видов связи стала оптическая. Однако со времен Римской империи, когда сигналы передавались с помощью огня и дыма, до начала XIX в. методы оптической связи оставались практически неизменными.
Распространение света по прозрачным стержням путем многократных полных внутренних отражений, по-видимому, было известно давно. Вполне возможно, что древние мастера наблюдали это явление и использовали его при изготовлении декоративных деталей. Так, в древних «миллефиоровых» изделиях декоративным элементом в массе основного стекла являются беспорядочно разбросанные кусочки цветного стекла. При филигранном способе выработки стеклянных предметов, авторами которого являются венецианские мастера, декоративные элементы представляют собой белые или цветные волокна, образующие внутри основного стекла иногда очень сложный, но всегда правильный рисунок.
Прием вытягивания стекла в виде волокон, стержней и полосок был знаком человеку с давних времен, вероятно, ранее, чем другие способы выработки стекла. Старинные бусы и сосуды, декорировка их волокнами и полосками, изготовление многоцветных изделий миллефиори (тысяча цветов) в Египте за много сотен лет до Венеции позволяют утверждать, что древние мастера умели вырабатывать из размягченных стекол необходимые полуфабрикаты. Размягченное стекло может тянуться в зависимости от вязкости в виде тончайших волокон, стержней и полосок, причем пока стекло жидкое, волокна не обрываются, если не прилагать к этому специального усилия.
Для изготовления волокон и стержней древние мастера использовали простые приемы, не требовавшие сложного оборудования. Они вытягивали волокна непосредственно из тигля с расплавом стекла при помощи железного стержня. Поскольку железо не «смачивается» жидким стеклом и не приплавляется к нему, если его температура ниже 500 – 600° С, то брали железный стержень с предварительно нагретым до красного каления концом, опускали его в расплавленное стекло, поднимали вверх и тем самым вытягивали приставшее к стержню стекло в волокно или штабик. Для получения толстого штабика использовали более густой, вязкий расплав стекла. Железный стержень, применявшийся древними мастерами, был предшественником понтии, упоминаемой средневековыми авторами и применяющейся в настоящее время.
При другом способе изготовления волокон кусок стекла разогревался в горне, подобном кузнечному, и подвергался последующему растягиванию. Египтяне пользовались такими горнами в основном для обработки металла. Широко известны снимки стенной росписи на гробнице XII династии в Бени-Гассане (Египет). На этих снимках изображены ремесленники с трубками, раздувающие огонь в горне. В таком горне разогревался кусок стекла, после размягчения к нему присоединяли железные стержни, и стекло растягивали в разные стороны в виде волокон на любую длину и на любую толщину.
Метод вытягивания применялся и при изготовлении бус. Для этого из расплава стекла, находящегося в тигле, вытягивали тонкие стержни. Последние размягчались в печи или в горне и навивались вокруг отрезка медной проволоки до тех пор, пока не образовывался стеклянный комочек требуемого размера. Некоторые ученые высказывают предположение, что древние мастера до изобретения способа выдувания стекла стеклянные полые трубки изготовляли подобно бусам, т. е. методом навивания волокон или полоски стекла на медную проволоку или керамический сердечник.
Метод вытягивания волокон и стержней из размягченных стекол наряду с другими технологическими приемами применялся на Усть-Рудицкой стеклянной фабрике в середине XVIII века для производства «пряденого стекла». Эта фабрика была построена по инициативе и под руководством М. В. Ломоносова.
Свои знаменитые и яркие мозаичные картины М. В. Ломоносов изготовлял из «тянутой мозаики», т. е. из вытянутых стержней, имевших многоугольное сечение. После вытягивания стержни разрезались на определенные размеры и закреплялись на цементе. Тянутая мозаика изготовлялась из стекол, составы которых были разработаны самим М. В. Ломоносовым, и хотя со времени их изготовления прошло более 200 лет, мозаика М. В. Ломоносова и сегодня сохранила свежесть и яркость красок.
Из изложенного видно, что волоконная оптика возникла и начала свое развитие не на пустом месте. Это справедливо, по крайней мере, в части технологических приемов вытягивания волокон и стержней из размягченного стекла, а мозаичные картины М. В. Ломоносова можно назвать отдаленным прообразом мозаичной структуры современных волоконных элементов.
В истории развития световодной техники можно проследить несколько этапов и направлений.
Изобретение оптического телеграфа в 1791 г. можно считать первой значительной вехой на пути развития современной оптической связи. Значительными явлениями стали также создание А. Беллом оптического телефона и пионерские работы А. Г. Столетова в области фотоэффекта, заложившие основы нового направления физики – оптоэлектроники.
Впервые возможность осуществления световодов – устройств для передачи света на расстояние по прямому или изогнутому каналу – была высказана русским инженером В. Н. Чиколевым в шестидесятых годах прошлого столетия. Уже в 1874 г. он осветил четыре помещения одного магазина одной угольной дугой. В то время еще не существовало маломощных и экономичных электрических ламп. «От каждого источника электрического тока, какой бы силы он ни был, получали всего один источник света» – писал В. Н. Чиколев. В 1876 г. он использовал передачу света по световодам для освещения пороховых погребов крупнейшего по тем временам Охтинского порохового завода угольными дугами, расположенными вне взрывоопасного помещения. Световоды В. Н. Чиколева представляли собой полые металлические трубы с внутренней зеркальной поверхностью. Луч света благодаря отражениям от внутренней поверхности трубы распространялся по световоду и выходил из противоположного конца.
Осветительная система В. Н. Чиколева действовала по следующему принципу: источник света был помещен в стеклянном фонаре на вышке и освещал местность вокруг вышки и здания. В здание свет направлялся при помощи трех собирательных линз, посылавших свет по трем жестяным трубам. По световодной трубе свет проходил до первого зеркала, серебряный слой которого был нанесен только на периферийную часть стеклянной пластины и отражал часть света. Свет рассеивался в помещении при помощи матового полушара. Лучи, прошедшие сквозь прозрачное стекло, шли дальше по световоду до следующего зеркала. В. Н. Чиколев предложил также ряд других применений световодов, в том числе и освещение широкой театральной рампы одной свечой Яблочкова. Интересно отметить, что наряду со световодами с постоянным по длине сечением он предлагал применение световодов и с переменным по длине сечением.
В 1878 г. англичанин Томсон, возможно, не зная о работе В. Н. Чиколева, высказал мысль о выгодах оптического раздробления электрического света. Американцы Молера и Цибриан в 1879 г. описывают принцип передачи света. По этому поводу В. Н. Чиколев пишет: «В июльском номере 1879 г. «Сайнтифик Америкэн» помещен рисунок канализации электрического света, изобретенной будто бы гг. Молера и Цибриан в Америке. Весьма возможно, что им было неизвестно о моих опытах (есть некоторые к тому доводы) в России, но почтенные американцы так пересолили, что мне вполне ясно, что они никогда не делали опытов канализации».
В дальнейшем световоды В. Н. Чиколева находят применение в работах других инженеров. Так, в 1901 г. О. Б. Г. Ганнеборг и в 1913 г. С. Божилов разработали устройства для освещения подвальных помещений концентрированными солнечными лучами, передаваемыми с крыши по трубе с внутренней зеркальной поверхностью.
Светопотери в полом световоде определяются в основном числом отражений, испытываемых лучами, поэтому В. Н. Чиколев стремился уменьшить количество отражений лучей от стенок световодов. Он вынужден был применять трубы относительно большого диаметра и несветосильные линзы. Громоздкость полых световодов, низкое светопропускание при высокоапертурных потоках и больших длинах, а также необходимость иметь большие металлические поверхности с высоким коэффициентом отражения явились причиной относительно малого распространения световодов В. Н. Чиколева. Однако интерес к ним не ослабевает. Так, уже в шестидесятых годах нашего столетия советские ученые В. К. Баранов, В. В. Новиков, Д. М. Крупп, А. Р. Дайч, Ю. А. Цирлин, Л. Э. Паргаманик и многие другие проводят исследования основных светотехнических характеристик полых световодов. Последние находят ряд интересных применений в работах гоштских ученых И. Б. Кейрим, 3. П. Лисицына (1957 г.), француза Коехина (1955 г.), американских ученых Охлмана, Рихардса, Тинкхама (1958 г.) и многих других.
Впервые распространение света путем полных внутренних отражений было продемонстрировано Тиндалем в Королевском обществе в Англии в 1870 г. В опыте Тиндаля из крана, расположенного в нижней части сосуда, вода, наполнявшая сосуд, вытекает сплошной струей и не разбивается на протяжении всего пути до чашки. В стенку сосуда против крана вставлена линза, фокусирующая световой пучок от угольной дуги, помещенной снаружи сосуда, внутрь вытекающей струи. Свет распространяется по струе воды благодаря многократным полным внутренним отражениям, испытываемым лучами на границе вода – воздух. В опытах Тиндаля из-за рассеяния света и неровностей поверхности струи нарушается условие полного внутреннего отражения, и струя светится по всей длине.
Принцип жидкостных световодов сегодня широко используется в фонтанах, например, при освещении струй фонтанов сквозь сопло, особенно с использованием цветного меняющегося освещения. При таком способе освещения ярко светится только струя, образуя высокий контраст с окружающим темным фоном.
Твердый прозрачный световод. Впервые он упоминается в 1905 г. в «Физической оптике» Р. Вуда, где автор пишет, что «свет без больших потерь энергии можно перевести из одной точки к другой, пользуясь внутренним отражением от стенок палочки из стекла или лучше из плавленного кварца».
В начале нынешнего столетия в Германии были проведены исследования распространения электромагнитных волн по прозрачным световодам. В 1920 г. О. Шривер сделал обзор этих исследований с анализом основных результатов. У. Брэгг в 1931 г. в своей книге «Мир света» пишет о том, что распространение света благодаря многократным полным внутренним отражениям «в изогнутой стеклянной палочке используют в качестве световода для передачи светового пучка, освещающего объект под микроскопом». В 1936 г. советский ученый А. М. Халфин предложил применение изогнутых световодов с переменным по длине диаметром для осуществления обратной световой связи в фотоэлектрическом усилителе.
В 1949 г. В. В. Новиков в комментарии к книге В. Н. Чиколева «Избранные труды» пишет, что принцип оптической канализации ныне широко рекомендуется для освещения маскированным светом приборов на неосвещенных приборных досках. Каналом для светового потока служит тело стеклянного полукольца, в торец которого поступает световой поток от маленькой электрической лампочки. Во избежание рассеяния на начальный участок канала наносится зеркальное покрытие. Последующая часть канала со стороны шкалы имеет матированную поверхность, причем густота матировки увеличивается по мере отдаления от лампочки. Эта поверхность, рассеивая свет, создает вполне надежное освещение шкалы.
В 1946 г. Каррериор, а в 1957 г. – Б.Ф. Дикий и Б. П. Иващенко используют прозрачный изогнутый световод для разработки высокочувствительных фоторефрактометров.
В настоящее время в нашей стране выпускаются изящно оформленные ночники в форме лилии, лепестки-световоды которой, выполненные из бесцветного метилмета-крилата, подсвечены через зеленый и розовый светофильтры от миниатюрной лампы, расположенной вместе с трансформатором в основании светильника. Лепестки равномерно светятся и создают мягкое ночное освещение. Во всех перечисленных работах используются одножильные световоды, не имеющие оболочки. Роль отражающей оболочки выполняет воздух вокруг световода. Многожильные световоды. Явление, продемонстрированное Тиндалем, полые световоды, успешно использованные В. Н. Чиколевым, и прозрачные световоды, описанные Вудом, привели в 1927 г. Байрда в Англии и Ханзела в США к идее использования большого количества волокон в телевидении для передачи и развертки изображения. Передача изображения с помощью регулярно уложенных в жгут волокон была впервые реализована в 1930 г. в эксперименте Ламма (Германия), который на пучке из кварцевых волокон диаметром 40 мкм продемонстрировал основное свойство регулярного пучка прозрачных световодов – передавать на расстояние свет и изображение. В дальнейшем появляются предложения Гольдшмита (1944 г.), Рейнея (1946 г.), Джордана и Белла (1949 г.) и других по использованию жгутов из стеклянных волокон для трансформации оптического изображения.
Однако все эти предложения и результаты экспериментов Ламма не нашли практического применения из-за отсутствия технологии изготовления волоконных изделий и, в частности, световодов – исходного и основного элемента любой волоконной детали. До 1951 г. никакие разработки по технологии волоконной оптики не проводились. Исключение составляет лишь работа Сауттера, попытавшегося в 1911 – 1912 гг. получить тонкие сплошные волокна из прутка и капиллярные из трубки. Пруток или трубка подвешивались в середине печи и при помощи груза, прикрепленного к нижнему концу заготовки, вытягивалось волокно. Для снижения скорости падения груз опускался в глицерин и выполнялся в форме тарелки.
Новый этап в развитии волоконной оптики начался в 1951 г., когда Ван Хиил в Голландии, Капани и Хопкинс в Англии независимо друг от друга начали работу по созданию гибких волоконных гастроскопов и по исследованию закономерности передачи изображения гибкими регулярными жгутами стеклянных волокон. Уже первые эксперименты со жгутами волокон выдвинули две основные технологические задачи: необходимость светоизоляции элементарных световедущих волокон относительно друг друга и плотной, регулярной укладки их в жгут. Объясняется это следующим. Если сблизить два прозрачных волокна до расстояния, приблизительно равного половине длины волны распространяющегося в них света, то будет происходить утечка света из одного волокна в другое. Просачивание света увеличивается с уменьшением диаметра волокон, так как при близком расположении площадь их «оптического» соприкосновения увеличивается. Возникающее при этом перекрестное просачивание света явилось серьезной проблемой: реальные жгуты волокон передавали изображение с очень низким контрастом.
Крупнейшей заслугой Ван Хиила является решение задачи светоизоляции световедущих волокон. В 1953 г. он разработал стеклянные волокна в светоизолирующей оболочке из пластика с показателем преломления 1,47. Идея Ван Хиила, заключающаяся в том, чтобы с целью устранения перекрестного просачивания света изолировать волокна друг от друга путем покрытия каждого волокна тонким слоем прозрачного материала, имеющего показатель преломления, меньший показателя преломления материала волокна, была в 1958 – 1959 гг. усовершенствована Капани и Хиршовицем. Они разработали стеклянные волокна в светоизолирующей оболочке из стекла с низким показателем преломления. В этих волокнах по сравнению с волокнами в оболочке из пластика светопотери уменьшились.
Выявилась и вторая положительная роль оболочки: она защищает полированную отражающую поверхность волокна от внешних механических воздействий, так как для минимальности светопотерь при многократных внутренних отражениях боковые стенки каждого волокна всегда должны быть гладкими и чистыми. Минимально необходимая толщина светоизолирующей оболочки равна длине волны передаваемого излучения, т. е. около 0,5 – 1,0 мкм. Работами Ван Хиила, Капани и Хиршовица задача светоизоляции световодов была решена. Стеклянные волокна в светоизолирующей стеклянной оболочке и в настоящее время являются основным элементом любого волоконного изделия.
Решение задачи плотной и регулярной укладки волокон в жгут оказалось более сложным. На начальном этапе развития волоконной оптики разрабатывались процессы изготовления гибких изделий из одножильных волокон. Так, в 1954 г. Капани в США из волокон диаметром 50 мкм изготовил гибкий жгут с разрешающей способностью 4 лин/мм вместо теоретических 10 лин/мм. Реальная разрешающая способность волоконных деталей до 1960 г. оставалась низкой (около 5 – 10 лин/мм), хотя уже в 1951 г. Ван Хиил, Капани и Хопкинс получили элементарные волокна диаметром 10 мкм, которые при плотной и регулярной укладке могли бы дать разрешение около 50 лин/мм. Это объясняется исключительной трудностью регулярной укладки «неосязаемых» тонких волокон диаметром в 5 ¸ 15 мкм.
Таким образом, вторая из вышеуказанных технологических задач по существу превратилась в проблему получения высокоразрешающих волоконных элементов.
Большой заслугой советского ученого В. Б. Вейнберга и американского специалиста Капани является разработка ими независимо друг от друга в 1959 – 1961 гг. технологии изготовления многожильных «осязаемых» световодов. В световоде сечением, например, 1 мм содержалось несколько тысяч элементарных (единичных) световедущих жил диаметром несколько микрон, каждая из которых окружена светоизолирующей оболочкой. За счет осязаемости многожильных световодов упростилось решение задачи плотной регулярной укладки, а многожильность такого световода (т. е. малость сечения каждой жилы) позволила получать волоконные элементы с высокой разрешающей способностью. Метод Вейнберга-Капани дал возможность изготавливать высокоразрешающие вакуумоплотные спеченные волоконные окна для электронно-оптических приборов, и в настоящее время является наиболее распространенным и широко применяемым для изготовления жестких и гибких регулярных жгутов волокон с разрешающей способностью до 80 – 100 лин/мм. Более чем в 96% отечественных и зарубежных предприятий, занимающихся технологией или производством элементов волоконной оптики, в качестве основного используется метод Вейнберга-Капани для изготовления многожильных световодов и волокон.
В развитии световодной техники очень большую роль играли крупнейшие советские ученые, и, в первую очередь, академики В. А. Котельников, А. М. Прохоров, Н. Г. Басов, В. М. Тучкевич и Ж. И. Алферов. Им принадлежат многие капитальные работы, выполненные в этой области, ими внесен значительный вклад в теоретические основы современной оптической сенсорики, так как без соответствующих волоконных световодов, полупроводниковых источников света, фотоприемников создание световодных датчиков невозможно.
Подводя итог вышесказанному, можно заметить, что в развитии световодной техники прослеживаются три основных направления:
· приборостроение на основе полых световодов – световоды В.Н. Чиколева (начало развития примерно с 1870 г.);
· прозрачные одножильные безоболочечные световоды для передачи излучения (начало развития примерно с 1900 г.);
· волоконная оптика как регулярный жгут прозрачных волокон-световодов, каждый из которых имеет свою светоизолирующую оболочку (начало развития с 1927 г., начало технологической реализации – примерное 1960 г.).
Итак, началом современного этапа волоконной оптики можно считать 1960 г. – год технологической реализации первых волоконных элементов с приемлемыми для использования в приборостроении характеристиками: светопропусканием, разрешающей способностью, габаритами и некоторыми другими.
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ