Главная | Обратная связь

Поглощение оптического излучения

Если излучение, проходя через слой вещества, не ослабляется, то достаточно рассматривать лишь показатель преломления п вещества. Если же излучение ослабляется, то вводится другая константа вещества – коэффициент экстинкции k. Пусть на слой вещества толщиной d_в падает поток излучения мощностью Р_вх. В общем случае выходная мощность излучения Р_вых определится выражением

Р_вых = Р_вх ехр(–kd_в).

Коэффициент экстинкции k определяет потери оптического излучения за счет поглощения и рассеяния света. Если рассеяние не играет существенной роли по сравнению с поглощением, то коэффициент экстинкции называется коэффициентом поглощения. Если же можно пренебречь поглощением по сравнению с рассеянием, то говорят о коэффициенте экстинкции, обусловленном рассеянием. При пользовании понятиями экстинкция или коэффициент экстинкции не определяется, какая доля приходится на поглощение и какая на рассеяние. Рассмотрим вещества с поглощением, преобладающим над рассеянием.

Величина, обратная коэффициенту поглощения k, определяет глубину w, на которой мощность параллельного пучка падает в е раз. Глубина w = 1/k называется средней глубиной проникновения излучения.

При описании поглощающих свойств вещества используют также понятия показатель поглощения k_п, который связан с коэффициентом экстинкции (в данном случае он определяется коэффициентом поглощения вещества) выражением

k_п = (1/4π)kλ,

где λ – длина волны излучения в вакууме.

Наличие у вещества поглощающих свойств приводит к необходимости использования комплексного показателя для описания процессов отражения и преломления падающей на границу с этим веществом волны. Его так и называют: комплексный показатель преломления п*:

п* = n – i k_п.

Комплексный показатель преломления п* позволяет использовать выражения для амплитуд и энергий отраженной и преломленной волн путем формальной замены показателя преломления п среды на комплексный показатель преломления п*.

2.3. Принцип действия
оптоэлектронных преобразователей

Одними из универсальных элементов, способных осуществлять преобразование различных физических величин, являются оптоэлектронные преобразователи (ОЭП), в которых измеряемая величина х₁ ... x_n воздействует на оптический канал, изменяя параметр излучаемого потока при его распространении от источника к приемнику (рис. 2.1).

Наиболее просты по конструкции оптоэлектронные преобразователи, где под воздействием физической величины изменяется интенсивность потока некогерентного излучения.

Оптический канал (рис. 2.2) может быть выполнен, например, в виде двух световодов (единичных оптических волокон или жгутов волокон) и промежутка между ними. Поток излучения от источника вводится в передающий световод 1. На выходе передающего световода в зоне измерений формируется поток излучения, заключенный в конусе апертуры световода. Часть потока излучения падает на вход световода 2, выводится из зоны измерений к фотоприемнику и преобразуется в пропорциональный электрический сигнал.

Физическую основу работы таких оптоэлектронных преобразователи составляет изменение (под действием измеряемого параметра) интенсивности излучения, проходящего с выхода передающего световода на вход приемного световода в соответствии с диаграммой направленности, светопропусканием световодов и способами модуляции.

С учетом того, что в данном случае волоконно-оптический канал в значительной степени определяет метрологические и конструктивные характеристики преобразователей, а также того, что модуляция потока излучения осуществляется в промежутке между двумя световодами, эти устройства в литературе часто называют волоконно-оптические преобразователями (ВОП).

Волоконно-оптические преобразователи такого типа имеют такие преимущества, как слабая зависимость результатов измерений от температуры, электромагнитных полей большой интенсивности и вибраций в зоне измерений, стойкость к агрессивным средам и химическая инертность, высокая локальность измерений, возможность получения заданных конструктивных и метрологических характеристик за счет конструкции волоконно-оптических каналов при использовании серийно выпускаемой элементной базы (источников излучения, фотоприемников, оптических волокон).

Для ОЭП характерны два основных способа получения измерительной информации. Первый способ отражает работу ОЭП рефлектометрического типа, для которых наиболее характерно отсутствие контакта с объектом измерений или вспомогательным измерительным звеном. Здесь поток излучения с выхода передающего световода направляется на отражающую поверхность объекта и часть отраженного потока, зависящая от положения поверхности объекта, ее формы и отражающих свойств, воспринимается входным торцом приемного световода.

Рис. 2.1. Схема канала преобразования
информации оптических преобразователей

Рассмотрим зависимость выходного сигнала ОЭП на примере преобразования светового потока, отражающегося (без потерь и рассеяния) от движущейся плоской поверхности. Поверхность перемещается относительно торцов приемного и передающего световодов, лежащих в одной плоскости. Если торец световода контактирует с отражающей поверхностью, то поток к фотоприемнику практически не проходит. При увеличении расстояния поток излучения, заключенный в конусе апертуры световода, падает на все большую площадь на объекте измерений и, по сути, эта площадь становится «источником» вторичного потока, который возвращается к приемному световоду.

В соответствии с диаграммой излучения световода лучи, выходящие под наибольшим углом к торцу передающего световода, переносят меньшую часть излучаемого потока и при небольших расстояниях до поверхности воспринимаемая часть отраженного потока растет медленно. С увеличением площади отраженного «пятна» и входом в торец лучей с большей энергией наблюдается резкий рост принимаемого потока. При определенном соотношении размеров торцов крутизна изменения потока растет до тех пор, пока границы отраженного «пятна» не выходят за пределы торца приемного световода. Когда рост принимаемого потока из-за увеличения интенсивности элементарных потоков, попадающих в приемный световод, частично компенсируется потерями зависимость между расстоянием до поверхности и потоком, попадающим в приемный световод, остается существенно линейной. При увеличении расстояния потери преобладают, рост зависимости замедляется и вблизи которого расстояния поток, проходящий к фотоприемнику, остается практически постоянным. В дальнейшем преобладают потери за счет выхода отраженного потока за пределы торца приемного световода и поток, приходящий к фотоприемнику, убывает. Таким образом, функция преобразования такого ОЭП имеет квазилинейный участок наибольшей крутизны, участок максимума и падающий участок. При начальной установке световода на участок с наибольшей крутизной изменение потока на фотоприемнике практически линейно связано с изменением расстояния до отражающей поверхности. Вблизи максимума выходной сигнал ОЭП практически не зависит от расстояния до отражающей поверхности и будет определяться мощностью источника излучения, потерями в световодах и отражающими свойствами поверхности.

Рис. 2.2. Схема ОЭП с внешней модуляцией

Второй способ характерен для ОЭП проходящего типа, где поток излучения, выходящий с торца передающего световода, направляется на торец приемного световода и модуляция осуществляется либо изменением взаимного расположения торцов под действием физической величины, либо изменением условий распространения потока между неподвижными каналами. В ряде случаев конструкция ОЭП проходящего типа содержит дополнительное механическое звено, обеспечивающее преобразование физической величины в перемещение одного из каналов.

Формирование отклика ОЭП проходящего типа можно показать на примере с ортогональным перемещением торцов световодов. Если торцы параллельны и оси совпадают, то поток, передаваемый к фотоприемнику, максимален. При ортогональном перемещении торцов начинается выход лучей, переносящих большую часть общего потока излучения за пределы торца приемного световода. Однако эти потери частично компенсируются потоком, создаваемым лучами, переносящими меньшие элементарные потоки. Дальнейшее смещение приводит к тому, что уменьшается принимаемый поток. При еще больших смещениях это изменение становится более плавным.

При конструировании световодных датчиков должны выполняться также следующие требования:

а) в конструкции датчика должны содержаться элементы, обеспечивающие осуществление выбранного вида модуляции – изменения параметров светового потока под влиянием исследуемого эффекта;

б) конструкция датчика должна предусматривать возможно более узкую специализацию его использования в заданном диапазоне измерения значений исследуемого эффекта (а не универсальность его применения).

Оптические волноводы, соединяющие модулятор, с одной стороны, с источником света, а с другой – с фотоприемником, должны быть пассивными и, по возможности, нечувствительными к каким-либо внешним физическим возмущениям.

В световодных датчиках могут модулироваться интенсивность проходящего через датчик излучения (амплитудная модуляция), фаза (фазовая модуляция), состояние поляризации света, спектральный состав излучения.

2.4. Преобразования входной
физической величины в ОЭП

Общая структура преобразований в оптическом (волоконно-оптическом) датчике представлена на рис. 2.3. В процессе измерения внешнего воздействия в ОЭП происходит ряд взаимосвязанных преобразований: предварительное, физического эффекта, модуляционное и фотоприемное.

Рис. 2.3. Общая структура преобразований

В качестве внешнего воздействия F_вхмогут выступать напряженность электрического и магнитного полей Е и Н, ток I, температура Т,линейное ускорение а,угловая и линейная скорости (ω и v), сила F,давление р и др., т. е. внешнее воздействие может быть электрического, магнитного, теплового, механического, химического, радиационного и других типов.

Схема предварительного преобразования необходима, если нельзя непосредственно измерить внешнее воздействие (например, линейное ускорение) или если в наличии уже имеется датчик для измерения другого физического параметра.

Для того чтобы полнее использовать ОЭП, важно знать методы, применяя которые, внешнее воздействие F_вхможно преобразовать в измеряемую величину F_изм,например температуру – в давление. Здесь одним из способов является использование происходящего при нагреве расширения газа, жидкости или твердого тела, которое сдерживается каким-либо образом, благодаря чему возникает давление.

Одним из наиболее характерных измеряемых параметров является перемещение, которое относительно просто вызывается различными физическими эффектами (рис. 2.4).

Схема предварительного преобразования может использовать разнообразные физические принципы и быть электромеханической, магнитомеханической, механической, электромагнитной и т. д.

Рис. 2.4. Взаимосвязь параметров при измерении

Измеряемая величина (Е, H, I, Т, F, р идр.) с помощью какого-либо физического эффекта (электро- или магнитооптического, пьезоэлектрического, акусто- или пьезооптического и др.) приводит к изменению оптических параметров х_i среды, по которой распространяется излучение (показателя преломления n,коэффициента поглощения света k, линейных размеров l).

Оптическая схема, в которой осуществляется амплитудная, фазовая, поляризационная, частотная, спектральная, временная или пространственная модуляция, связывает изменение оптического параметра х_i среды, индуцированное измеряемой физической величиной, с параметром проходящей через датчик оптической волны у_i (амплитудой А, фазой φ, поворотом плоскости поляризации а, длиной волны λ, временем задержки импульса отклика t, пространственными координатами регистрируемого излучения х, у). Среди используемых принципов действия оптических схем модуляции следует отметить изменение отражательной или пропускательной способности среды, нарушение полного внутреннего отражения, управляемую связь волноводов, изменение поглощения среды (амплитудная модуляция); изменение длины ячейки или оптической длины среды, поперечных размеров волновода (фазовая модуляция); поворот плоскости поляризации и изменение типа поляризации (поляризационная модуляция); смещение края полосы поглощения и перемещение светофильтров (спектральная модуляция).

Для детектирования и измерения изменений оптического параметра среды могут использоваться различные фотоприемные схемы. Они осуществляют непосредственное измерение мощности сигнала либо содержат дополнительные устройства: интерферометрическую схему или анализатор угла поворота плоскости поляризации, светофильтр или спектрально-чувствительный фотоприемник (для измерения длины волны), позиционно-чувствительные фотоприемник и светофильтр (для измерения пространственных координат излучения). Практически во всех случаях окончательно регистрируемой величиной является амплитуда тока на выходе фотоприемника I_фп. Многообразие физических эффектов, схем модуляции и фотоприемных схем обусловливает обилие возможных вариантов реализации даже при регистрации одной физической величины.

В основу классификации оптических датчиков целесообразно положить различие в оптических схемах модуляции, которое во многом предопределяет существо не только преобразования измеряемого воздействия F_измв изменение параметров оптического излучения, но и предварительного и фотоприемного преобразований.

Математическую основу ОЭП составляет модель функции преобразования, которая по аналогии с моделью оптрона может быть представлена зависимостью тока фотоприемника от множества параметров внешних факторов.

Параметры ОЭП

Функция преобразования ОЭП представляет собой сложную многоступенчатую зависимость тока фотоприемника I_фп ОЭП от внешнего воздействия F_вх:

I_фп = Р_ии(I_ии)f_фп{y_j[x_i(F_изм(F_вх))]}S_фп k_п,

где Р_ии(I_ии)– мощность оптического излучения, создаваемого источником излучения (ИИ) при протекании по нему тока I_ии, Вт;

f_фп – функция фотоприемного преобразования;

S_фп – интегральная чувствительность фотоприемника, мкА/Вт;

k_п– коэффициент потерь мощности оптического излучения при F_вх= 0.

Качество того или иного датчика принято оценивать по следующим основным параметрам:

1) диапазону входных воздействий F_вх: F_{вх. мин}¸ F_{вх.макс};

2) основной погрешности, %,

δ = |(U_p – U_и)_макс/U_макс|·100,

где U_p, U_и – реальное и идеальное значения выходного сигнала (I_фп) датчика;

3) нелинейности характеристики, %,

δ_нел = |(U_p – U_и)/U_и|_макс ·100;

4) температурному диапазону Т_мин ¸ Т_макс;

5) дополнительной температурной погрешности, %/(10К),

δ_Тд = |(U_{Т + 10К}– U_Т)/U_Т| ·100;

где U_Т+10К– значение выходного сигнала при приращении, температуры на 10К;

6) дополнительной погрешности от давления, %/Па,

δ_р = [(U _{Р0+ ΔР} – U_Р0)/U _Р0 ](100/ΔР),

где P₀, ΔP – начальное значение и приращение давления;

7) минимально детектируемому воздействию F_{мин.дет}– определяется шумами фотоприемной схемы и (при наличии) нормирующего преобразователя;

8) частотному диапазону работы ƒ_мин ¸ ƒ_макс;

9) динамическому, диапазону датчика,

D = 20 lg [(F_{вх. макс} – F_{вх. мин})/F_{мин. дет}];

10) собственным потерям оптического излучения в датчике, дБ,

В₀ = 10 lg (Р_ии /Р _вых.0) = 10 lg (1/ k_п),

где Р_вых.0 – выходная мощность оптического излучения на выходе датчика при F_вх= 0;

11) индуцированным потерям оптического излучения, дБ,

ΔВ = 10 lg (Р _вых.0/ Р _вых);

12) суммарным потерям оптического излучения, дБ,

В = В₀ + ΔВ.

К этому следует добавить важнейшие эксплуатационные характеристики, такие как влагостойкость, устойчивость к вибрационным и ударным механическим нагрузкам, долговечность, надежность. Важны, разумеется, и такие свойства датчиков, как габариты и масса, потребляемая мощность, простота эксплуатации, стоимость.

 

3. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА
ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ
ПРИБОРОВ И УСТРОЙСТВ

Все многообразие оптоэлектронных элементов подразделяют на следующие группы изделий: источники и приемники излучения, индикаторы, элементы оптики и световоды, а также оптические среды, позволяющие создавать элементы управления, отображения и запоминания информации. Учитывая это, возможно хотя бы в общих чертах дать три отличия оптоэлектроники, которые характеризуют ее как научно-техническое направление.

1. Физическую основу оптоэлектроники составляют явления, методы, средства, для которых принципиальны сочетание и неразрывность оптических и электронных процессов. В широком смысле оптоэлектронное устройство определяется как прибор, чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной (ИК) или ультрафиолетовой (УФ) областях, или прибор, излучающий и преобразующий некогерентное или когерентное излучение в этих же спектральных областях.

2. Техническую основу оптоэлектроники определяют конструктивно-технологические концепции современной микроэлектроники: миниатюризация элементов; предпочтительное развитие твердотельных плоскостных конструкций; интеграция элементов и функций.

3. Функциональное назначение оптоэлектроники состоит в решении задач информатики: генерации (формировании) информации путем преобразования различных внешних воздействий в соответствующие электрические и оптические сигналы; переносе информации; переработке (преобразовании) информации по заданному алгоритму; хранении информации, включающем такие процессы, как запись, собственно хранение, неразрушающее считывание, стирание; отображение информации, т.е. преобразование выходных сигналов информационной системы к воспринимаемому человеком виду.

Элементная база ОЭП содержит серийно выпускаемые световоды, источники излучения, фотоприемники, оптимальное сочетание параметров которых позволяет получить заданные метрологические и эксплуатационные характеристики. Общими требованиями к элементам ОЭП являются надежность и стабильность при низкой стоимости, а также возможность конструктивной совместимости.

Световоды

Действие волоконных световодов основано на эффекте полного внутреннего отражения света. Этот эффект возникает на границе двух оптических прозрачных сред, когда наклонно падающий световой поток из среды с большим показателем преломления достигает границы раздела со средой с меньшим показателем преломления.

При некотором угле падения, называемом предельным, луч уже не проходит в соседнюю среду, а распространяется по границе раздела. Дальнейшее увеличение угла падения приводит к полному внутреннему отражению. Если световой поток будет поступать в оптическую среду под углом, большим, чем предельный, то свет, не выходя из данной среды, будет распространяться вдоль и внутри нее, до противоположного конца, где может быть установлен приемник излучения. На этом принципе основано действие световодов.

Параметры оптических волокон могут быть разделены на «внешние» и «внутренние». К внешним можно отнести те параметры волокна, которыми можно варьировать в процессе проектирования. К ним относятся длина волокна, его диаметр и номинальная апертура. К внутренним относятся априорно заданные параметры: коэффициент поглощения в материале волокна, потери на отражение от торцов волокна и коэффициент отражения на границе жила – оболочка.

Стекловолокна изготовляют из сердечника с показателем преломления n₁ и имеют оболочку из стекла с показателем преломления п₂,причем n₁>п₂
(рис. 3.1). Согласно законам оптики полное внутреннее отражение наступает при переходе луча из оптически более плотной среды (сердечник) в среду менее плотную (оболочка), если луч падает под углом большим или равным предельному углу полного внутреннего отражения – θ_крит, т.е. наименьшему углу падения, при котором наступает полное отражение. Величина этого угла находится из известного соотношения

sin θ_крит = п₂ / n₁.

Рис. 3.1. Распределение лучей в световоде

Предельному углу полного внутреннего отражения соответствует максимальный угол падения луча на входную поверхность сердечника (иначе апертурный угол на рис. 3.1 обозначен как θ_max), который определяется выражением

 

п₀ sin θ_max = (n²₁ – n²₂)^1/2.

Все лучи, сосредоточенные в конусе с углом при вершине 2θ_max (конус падающего излучения), попадают в волокно и распространяются в нем посредством полного внутреннего отражения. Лучи, входящие в сердечник волокна под углом, большим, чем эти, выходят через оболочку волокна наружу или поглощаются материалом оболочки.

Правая часть приведенного выше выражения обозначается символом А и носит название численной апертуры волокна

 

А = (n²₁ – n²₂)^1/2.

Физическим содержанием этой величины является способность волокна интегрировать (собирать) падающий на него лучевой поток. Чем больше разница в величинах п₁и п₂,тем выше численная апертура волокна и тем сильнее его собирательные свойства.

Большое численное значение апертуры является важнейшим показателем качества стекловолокна, благодаря чему волоконная оптика позволяет решать многие задачи, связанные с использованием лучистой энергии. Как и для линзовых систем, численное значение апертуры характеризует максимальный телесный угол конуса собираемых лучей. Однако вершина конуса лежит на торце волокна, а максимальный угол определяется условием полного внутреннего отражения.

В то же время практически не всегда возможно, использовать максимальное значение численной апертуры, так как устройство из оптических волокон в реальных условиях бывает освещено не до полного значения в связи с облучением потоком излучения в ограниченном телесном угле. Тогда величина потока излучения в волокне определяется, кроме указанных факторов, также характером потока на входе волокна.

На выходном торце волокна поток излучения распределяется почти в такой же численной апертуре. Если оба торца волокна или волоконного жгута находятся в одной среде, то апертуры входящего и выходящего световых пучков будут одинаковыми.

Вдоль волокна могут распространяться как меридиальные лучи, распространяющиеся в диаметральных плоскостях, пересекая ось волокна, так и косые, не пересекающие оси волокна. Часть косых лучей в результате внутренних отражений образует след в виде ломаной правовращающейся винтовой линии, а часть – в виде левовращающейся. Поскольку число таких лучей в световоде значительно больше, чем меридианальных, то они являются основными носителями лучистой энергии в волокне.

Потери излучения при прохождении через волоконный световод вызываются рядом причин: поглощением в материале световода, частичным просачиванием через оболочку, отражением на торцах и т. п.

Следует подчеркнуть, что при использовании волоконных деталей важную роль играет выбор рабочей длины волны. Малые потери удается получить при работе с источниками излучения в диапазоне волн 0,8 ¸ 0,94 мкм (на этот диапазон как раз приходится максимум спектральных характеристик арсенид-галлиевых светодиодов и кремниевых фотодиодов).

Эффективность жгута, составленного из многих волокон, конечно меньше, чем однотипного одиночного волокна. Это объясняется наличием в жгуте неиспользуемых промежутков между волокнами и отдельных неисправных волокон. Наибольшее значение для эффективности волокна имеют потери на поглощение.

С учетом упомянутых факторов общая оптическая эффективность волоконной структуры может быть приближенно выражена формулой

 

k_0.эф = Ф/Ф₀ = S₁/S₀ ε(1 – ρ₁)² sin θ_max,

где Ф₀ – поток излучения, падающий на вход структуры;

Ф – поток излучения, прошедший через волокна;

S₁ – суммарная полезная площадь торцов волокон;

S₀ – площадь входного сечения структуры;

ε – коэффициент пропускания волокон;

ρ₁ – коэффициент отражения на входе и выходе волокна;

θ_max – полуапертурный угол максимального входного конуса излучения.

Среднее значение коэффициента, определяемого этой формулой, для волоконно-оптических структур не слишком большой длины (до нескольких метров) лежит в пределах 0,4 ¸ 0,6.

В тех случаях, когда выходной торец световода находится в непосредственном контакте с входным окном фотоприемника, угловое распределение выходного пучка может не учитываться (при условии, что размеры фоточувствительной поверхности приемника излучения превышают размеры выходного торца световода).