Главная | Обратная связь

Особенности метода спектроскопии на основе НПВО

· Выбор оптимальных условий записи спектров в НПВО.

· Техника многократного отражения.

· Контуры и относительные интенсивности полос.

· Определение оптических постоянных по спектрам НПВО.

· Методы количественного анализа в спектроскопии НПВО.

1) Выбор условий записи спектров НПВО зависит от характера поставленной задачи. Наибольшее применение метод нашел в том случае, когда условия записи спектров НПВО таковы, что интенсивность полос подчиняется закону Бугера-Ламберта. При правильном выборе и спектры НПВО в широком интервале значений показателя преломления и поглощения будут иметь высокий контраст, мало отличающийся от оптимального контраста в спектрах поглощения.

Данное выражение:

характеризует наилучшие условия для получения спектров растворов. Из этого выражения следует, что в случае очень малых k для получения контрастного спектра должна выбираться оптическая среда с весьма близким к . Спектры НПВО, полученные с учетом выше указанных требований, будут достаточно хорошо соответствовать спектрам поглощения, полученным при оптимальных толщинах исследуемого образца. Наилучшее соответствие получается для области при угле падения, на несколько градусов превышающем критический, а для области в непосредственной близости к критическому углу. Повышение контраста в спектрах НПВО можно добиться, кроме того, путем использования поляризованного света.

Для усиления полос поглощения, например, при исследовании тонких пленок или слабо поглощающих веществ с успехом применяется метод МНПВО.

2) Исходя из значений показателей преломления и поглощения исследуемого вещества и условия , можно выбрать и измерительного элемента, при которых спектр не будет искажен за счет аномальной дисперсии. Нетрудно установить, что указанное условие выполняется для небольших k, а с увеличением k при .

Однако спектр, записанный при больших углах падения, является мало интенсивным. Для увеличения интенсивности спектра применяют метод МНПВО, с помощью которого удается получить интенсивный неискаженный спектр.

Очевидно, что применение метода МНПВО позволяет не только получить интенсивный спектр, но также повысить чувствительность метода.

Метод МНПВО имеет ряд характерных особенностей. Так, в отличие от обычного метода многократного отражения от металлических зеркал, метод МНПВО дает значительный энергетический выигрыш, так как вне полос поглощения независимо от числа отражений интенсивность радиации не ослабляется, тогда как число отражений от металлического зеркала лимитируется коэффициентом отражения металла подложки. Более принципиальным преимуществом МНПВО является высокая интенсивность электромагнитного поля вблизи поверхности, тогда как интенсивность электромагнитного поля вблизи металлической поверхности мала (поле быстро затухает).

3) При анализе спектров представляет интерес не только положение полос поглощения, но также их контур и относительная интенсивность. Эти характеристики могут быть различны в спектрах НПВО и спектрах пропускания, поскольку на них влияет ряд факторов.

Поглощение, описываемое законом Бугера-Ламберта, при неизменной толщине образца и для данной длины волны есть функция только k:

 

.

Интенсивность спектров НПВО при неизменном для данной длины волны является функцией k и :

.

Поэтому, в отличие от спектра поглощения, если не принимать во внимание тот факт, сто в реальных условиях вид полосы поглощения может быть искажен за счет селективных потерь на отражение и интерференционных эффектов, зависящих от дисперсии k, вид полосы в спектре НПВО зависит от изменения в полосе, т.е. от аномальной дисперсии.

Кроме искажений полос НПВО, связанных с аномальной дисперсией, могут возникать небольшие искажения контура в крыльях из-за изменения с длиной волны.

В случае сильных (k = 0,1 ¸ 0,4), ассиметричных (двойных и более) полос в спектре НПВО может произойти как бы перераспределение интенсивностей, что необходимо учитывать при анализе контура сложных полос, полученных методом НПВО. Эти затруднения могут быть устранены путем вычисления обеих оптических постоянных их спектров НПВО. В этом случае можно непосредственно сравнивать показатели поглощения, определенные из спектров НПВО, с данными спектроскопии поглощения.

4) В основе методов определения оптических постоянных исследуемого вещества лежат формулы Френеля, которые являются наиболее общими выражениями для определения отраженной интенсивности и справедливы для всех значений k, и . Из формул Френеля следует, что интенсивность отраженного света является функцией трех переменных k, и .

Существует два основных метода определения оптических постоянных из спектров НПВО: первый, заключается в измерении отраженной интенсивности при двух точно известных углах падения (метод двух углов); второй, состоит в измерении отражения с использованием призм с различными и (метод двух сред).

Первый метод требует точного определения по меньшей мере двух углов падения, т.е., практически, наличия точного механизма изменения угла . Второй – не менее двух призм с разными и точного воспроизведения условий записи спектров при смене призм. Поскольку принципиальных преимуществ друг перед другом эти два метода не имеют, выбор определяется конкретными условиями эксперимента.

Определение и k может быть выполнено аналитическим или графическим путем. Аналитическое решение достаточно сложно, поэтому решение обычно ищется графическим путем.

Оба метода позволяют использовать поляризаторы и естественный свет. Применение естественного света дает энергетический выигрыш, так как свет не теряется на поляризаторе. Однако, использование естественного света связано с трудностями определения собственной поляризации спектрофотометра. При использовании поляризованного света спектр с меньшим значением (или меньшим ) обычно записывается в свете, поляризованном перпендикулярно плоскости падения, другой же спектр может записываться как при перпендикулярно, так и при параллельно поляризованном свете. Использование разных поляризаций может дать определенный выигрыш в точности вычисления оптических постоянных исследуемого вещества.

5) Наряду с решениями задач связанных с регистрацией спектров и проведением качественного анализа, спектроскопия НПВО с достаточным успехом может быть использована и для получения количественных данных. Но при использовании спектроскопии НПВО для количественного анализа приходиться сталкиваться с рядом особенностей, присущих только этому методу. Отметим эти особенности.

Величина относительного показателя преломления сильно влияет на характер спектра. При увеличении интенсивность спектра резко возрастает, но при углах, близких к , спектры заметно искажаются. Когда же значение уменьшается, то начинает выполняться линейная зависимость «оптической плотности от концентрации», но интенсивность спектра падает.

Влияние угла падения светового потока сказывается также как и относительного показателя преломления .

Поглощение света веществом пропорционально числу отражений N в измерительном элементе МНПВО, поэтому N является важным параметром в спектроскопии НПВО. Следует, однако, отметить, что при большом N понятия угла падения и числа отражений принимают некое условное значение, которое можно определить через контрастность спектра.

Площадь образца на измерительном элементе эквивалентна толщине поглощающего слоя. Поэтому в зависимости от характера спектра, меняя площадь. Можно добиться оптимальных условий записи спектра.

Хороший контакт – одно из важнейших условий получения контрастного спектра НПВО. Обеспечение эффективного контакта образца с поверхностью измерительного элемента является непременным условием повторяемости результатов.

Результаты, полученные на порошках кремнеземов (объекты, отличающиеся по характеристикам дисперсности), показывают, что форма полос поглощения мало зависит от степени измельчения образца. Полученный результат пока не нашел объяснения.

Среди задач количественного анализа в особую группу можно выделить вопросы, связанные с определением оптических постоянных из спектров НПВО. Измерение оптических постоянных в случае чистых сильно поглощающих жидкостей позволяют более корректно определить такие характеристики, как молекулярный коэффициент поглощения, интегральную интенсивность и другие характеристики. Знание оптических постоянных необходимо также для правильного учета процессов взаимодействия поля световой волны с веществом и определения спектроскопических характеристик молекул в конденсированных средах.

4.4.3. Сравнение метода спектроскопии НПВО
с классическими методами отражения и поглощения

Составим три вида спектровисследуемого вещества: спектр поглощения, спектр обычного отражения и спектр НПВО.

Спектры поглощения и НПВО характеризуются тем, что как прошедший, так и отраженный (НПВО) свет тем интенсивнее, чем слабее поглощает вещество. В спектре же обычного отражения наблюдается обратное соотношение: отраженный свет тем менее интенсивнее, чем слабее поглощает вещество. И хотя спектр НПВО представляет разновидность спектра отражения, он имеет гораздо больше общего со спектром поглощения, нежели со спектром обычного отражения.

Классические методы спектроскопии поглощения и отражения при исследовании объектов, значение показателя поглощения которых находится в интервале встречают серьезные затруднения.

Кроме необходимости измерять толщину тонких пленок в спектроскопии поглощения, необходимо учитывать селективное отражение в полосе, интерференционные эффекты, а также возможную анизотропию в расположении молекул в пленке. Метод НПВО позволяет избавиться от большинства из выше перечисленных трудностей, приводящих к необходимости введения поправок, и, одновременно, дает возможность определить спектральный ход оптических постоянных ( и k).

Метод НПВО дает наилучшие результаты при исследовании веществ с показателем поглощения в пределах . Спектры НПВО, полученные для веществ с k в указанных пределах, имеют достаточно контрастные полосы и могут служить для определения оптических постоянных. При имеет место эффект, сходный с эффектом обычного отражения, когда отраженная интенсивность растет с увеличением k.

Различие в чувствительности метода НПВО и обычного отражения весьма заметно и характерно. Метод НПВО обеспечивает высокую воспроизводимость регистрирующих спектров, тогда как метод пропускания встречает в этом отношении затруднения, связанные с контролем толщины слоев в несколько мкм.

Однако существуют области, в которых спектроскопию НПВО либо вообще не следует использовать, либо нужно применять очень осторожно, четко представляя механизм явления.

Подчеркнем, что спектр НПВО МО отражает лишь его тонкий поверхностный слой, нередко отличающийся по свойствам от материала в объеме.

Следует учитывать возможное коррозионное воздействие образца на измерительный элемент и необходимость периодической замены его из-за повреждения в эксплуатации. Измерительные элементы зачастую дороги, требуется высокое качество их поверхностной обработки.

Поскольку достижимая эффективная толщина даже при большом числе отражений не превышает долей миллиметра, метод НПВО не следует применять для анализа очень слабо поглощающих образцов. Это относится к исследованию газов, опытам по титрованию растворов и т.д., где для спектрального исследования требуется образец в несколько миллиметров.

При отсутствии достаточно хорошего контакта между образцом и измерительным элементом получаемые значения относительной интенсивности полос нельзя считать надежными.

Следует напомнить еще раз, что для количественных измерений целесообразно работать с поляризованным светом.

Несмотря на указанные недостатки, метод НПВО во многих случаях расширил области применения оптической спектроскопии и упростил методику измерений. Области применения оптической спектроскопии значительно расширились благодаря открывшейся возможности получать спектры НПВО объектов без их разрушения.

4.4.4. Датчики на основе нарушения
полного внутреннего отражения (ПВО)

Принцип действия датчиков с нарушением полного внутреннего отражения (ПВО) основан на уменьшении световой энергии, передаваемой по оптическому каналу в виде направляемых мод, при нарушении ПВО излучения от границ протяженного световода (рис. 4.5). Условие ПВО излучения, определяемое неравенством q > arcsin(n₂/n₁),гдеq – угол распространения излучения в световоде; n₂, n₁ – показатели преломления световода и внешней среды легко нарушить при изменении n₁илиn₂,изменении переменного зазора d между световодом и внешней средой (разделенных, например, воздушным промежутком) или переменной площади оптического контакта S внешней среды со световодом, а также при изменении геометрии оптического канала.

Изменения показателя преломления световода или внешней среды (последнее зачастую более удобно) под действием внешнего возмущения можно добиться как при использовании материалов с переменным показателем преломления (электрооптических, магнитооптических, фотоупругих и т. д.), так и при механическом перемещении внешней среды (замене одной среды на другую). Применение материалов с переменным показателем преломления позволяет создавать модуляторы оптического излучения, переключатели, дефлекторы. Для управления световым лучом часто используются жидкие кристаллы, которые вследствие большого электрооптического эффекта не столь чувствительны к направлению распространения излучения и допускают работу со слабо коллимированными световыми потоками.

Фотоупругие свойства некоторых материалов позволяют создавать датчики давления и усилия с нарушением ПВО. Так, если использовать волоконные световоды с полимерным покрытием, то флуктуации давления, воздействующего на световод, приведут к амплитудной модуляции выходного оптического сигнала. Это связано с тем, что изменение показателя преломления полимерной оболочки увеличивается при приложении давления значительно сильнее, чем у стеклянной сердцевины. В результате растет критический угол на границе сердцевина-оболочка, что приводит к выходу части световой энергии из сердцевины в оболочку.

Замена одной внешней среды, контактирующей с волноводом, на другую (с отличным от первой показателем преломления) также приводит к изменению условий отражения лучей на границе. Показатели преломления внешних сред могут существенно отличаться друг от друга (Δп > 0,1), что позволяет создавать датчики с нарушением ПВО, работающие на одном-двух отражениях и выполненные в виде призм. Такие датчики могут быть использованы в индикаторах уровня и вида жидкости, бесконтактных переключателях, реагирующих на прикосновение (тактильных датчиках).

Если необходимо регистрировать внешнее воздействие, приводящее к незначительному изменению показателя преломления внешней среды, то, как и в случае электро- и магнитооптических материалов, нужно увеличивать протяженность области взаимодействия излучения с перестраиваемой внешней средой.

Для регистрации изменений показателя преломления внешней среды используются также ВС с крутыми изгибами, на которых направляемые моды световода преобразуются в оболочечные и излучательные, что приводит к уменьшению сигнала на выходе световода.

Известно, что светопропускание прямолинейных участков ВС практически неизменно в области положительных температур Т и уменьшается (особенно сильно для кварц-полимерных волокон) при отрицательных температурах. Однако для изогнутых участков кварц-полимерных световодов зависимость светопропускания от температуры явно выражена и в области Т > 0° С. При нагреве участка изгиба показатель преломления светоотражающей полимерной оболочки уменьшается заметно быстрее, чем кварцевой сердцевины, что приводит к увеличению числовой апертуры изогнутого участка и к увеличению светопропускания всего световода. Температурная зависимость светопропускания волоконных световодов может быть положена в основу работы ряда амплитудных датчиков температуры, действующих как при отрицательных, так и при положительных температурах.

Как правило, применяются изгибы с радиусом R_изг, меньшим некоторого критического R_кр, при котором все излучение покидает сердцевину ВС и выходит в оболочку.

Пусть в ВС (рис. 4.6), имеющий изгиб с радиусом R_изг≤ R_кр, вводится излучение со спектральным распределением мощности Р_вх (λ).На участке с изгибом после выхода излучения в оболочку оно падает на границу раздела оболочка – внешняя среда в некотором диапазоне углов падения θ₁ ≤ θ_i ≤θ₂.

Рис. 4.5. Нарушение полного внутреннего отражения 1 – волноводный канал, 2 – внешняя среда, 3 – промежуток, 4 – подложка.	Рис. 4.6. Изогнутый световод, погруженный во внешную среду

Граничные углы падения θ₁ и θ₂ определяются с использованием показателя преломления внешней среды п_t = п_t1, при котором начинается ослабление сигнала на выходе ВС, и показателя п_t = п_t2, при котором сигнал на выходе ВС обращается в нуль:

θ₁₂ = arcsin(n _{t1 t2}/n₂),

где n₂– показатель преломления оболочки ВС.

Если вся мощность распределяется по углам падения θ, в этом диапазоне в соответствии с некоторой функцией распределения f(θ_i) то, не учитывая потери в материале ВС, для n_t < n_i имеем

 

(4.3)

Если изогнутый ВС погружен во внешнюю среду, то спектр мощности излучения на его выходе определится как

 

(4.4)

где R(θ_i,λ) – отражательная способность границы раздела оболочка – внешняя среда, определяемая формулами Френеля. Функция R(θ_i, λ) может быть с достаточной точностью аппроксимирована выражением

 

(4.5)

где k_п – показатель поглощения внешней среды (n_t^* = n_t – ik_п).

Выражение (4.5) справедливо для ТЕ – и ТН – поляризации оптического излучения в области углов θ_i ≥ θ_кр, где θ_кр = arcsin(n_t /n₂), и при k_п ≤ 0,004.

Если k_п = 0 и принято, что при θ_i ≥ θ_кр R(θ_i,λ)= 1, а при θ_i < θ_кр R(θ_i,λ)= 0, то выражение (4.4) запишется в виде

 

(4.6)

Определить зависимость распределения мощности излучения по углам, равным критическим, f(θ_i) можно, используя выражение

 

(4.7)

Если предположить, что мощность излучения на изгибе равномерно распределена по углам падения, т. е. при θ₁ ≤ θ_i ≤ θ₂ f(θ_i) = const, а вне этого диапазона f(θ_i) = 0, то мощность на выходеВС

 

(4.8)

В случае изменения показателя преломления внешней среды n_t на Δnмощность выходного излучения приближенно можно представить в виде

 

(4.9)

где:

Таким образом, при отсутствии поглощения во внешней среде мощность излучения на выходе ВС линейно зависит от малых изменений ее показателя преломления.

При слабом поглощении (k_п≈ 0,001) выражение (4.4) можно представить в виде

(4.10)

где В_и – некоторая постоянная.

Следовательно, в линейном приближении мощность на выходе изогнутогоВС, окруженного внешней поглощающей средой, будет пропорциональна дисперсии ее показателя преломления Δn(λ)ипоглощению k_п(λ), т. е.

 

(4.11)

Для получения сведений о поглощении вещества в оптический канал вводят поглощающий фильтр с раствором той же концентрации, что и в случае определения Р_вых(λ). Мощность на выходе ВС в этом случае

 

(4.12)

где: I_ф– размер фильтра.

Мощность Р_вых(λ) ввиду малости Δn(λ)и k_п(λ) представим в виде

(4.13)

или

(4.14)

Таким образом, при значении l_ф= B_и/2k₀логарифм отношения мощностей излучения Р_вых(λ) и Р_вых.ф(λ) на выходе ВС будет пропорционален дисперсии поглощающего вещества.

Для количественной оценки различных конструкций датчиков на основе изогнутых многомодовых ВС требуется определять зависимость светопропускания ВС от радиуса изгиба, апертуры ВС, диаграммы направленности вводимого излучения.

Число направляемых ВС мод

(4.15)

где а – радиус сердцевины ВС; k₀ = 2π/λ;

θ_м = arcsin[1 – (n₂/n₁)²]^{1/2 –} критический угол распространения высшей моды;

n₁ – показатель преломления сердцевины ВС.

СветопропусканиеВС оценим с помощью относительного коэффициента передачи мощности возбужденных мод

 

(4.16)

где ΔР_i – парциальная мощность i-й моды;

N и N_изг – число мод прямого и изогнутого ВС.

Парциальная мощность ΔР_i зависит от диаграммы направленности источника излучения. В ряде случаев диаграмму направленности можно аппроксимировать функциями вида I(θ) = cos^mθ_и, где θ_и – угол распространения излучения относительно оптической оси; т – константа, зависящая от направленности излучения. Поэтому выражение (4.16) можно привести к виду

 

(4.17)

где θ_{и i} – угол ввода излучения вВС, при котором возбуждается i-я мода.

Общее количество мод изогнутогоВС

(4.18)

где θ_эфi – эффективный пороговый угол i-й моды низшего порядка в прямомВС, энергия которой в результате изгиба с радиусом R_{изг i} перешла в высшую моду с критическим углом θ_м:

 

(4.19)

Следовательно,

(4.20)

т. е.

(4.21)

Таким образом, светопропускание ВС зависит от радиуса изгиба R_изг и параметров ВС и не зависит от длины волны используемого излучения.

При изотропном возбуждении мод (m = 0)

(4.22)

Изменение пропускания оптического канала при управлении его геометрией может быть положено в основу работы ряда ОЭП перемещения, давления, усилия. Пропускание в этом случае изменяется, например, при обжатии, а также при возникновении изгиба или микроизгиба световода.

Ослабление выходного сигнала связано с разностью показателей преломления сердцевины и оболочки световода, которая может быть значительно менее чувствительной к температуре, чем для отдельно взятого показателя преломления сердцевины.

Для регистрации процессов, приводящих к микроперемещениям тел относительно друг друга, удобно использовать также оптический туннельный эффект. Известно, что при полном внутреннем отражении электромагнитная волна проникает в среду, граничащую со световодом, на некоторое расстояние h, различное для ТЕ- и ТН-волн. Глубина проникновения п имеет порядок длины волны излучения. Перемещения внешних тел на таком небольшом расстоянии от чувствительной поверхности световода будут изменять исходные условияПВО, что приведет к модуляции отраженного потока излучения. Так как высокий коэффициент модуляции достижим даже при однократном взаимодействии луча с внешней средой, то для дальнейшей обработки можно использовать как отраженный, так и преломленный поток излучения. В качестве перемещаемых сред часто используются металлические пленки, хорошо поглощающие энергию оптического излучения при определенном размере зазора. Зазор d можно изменять с помощью пьезоэлектрических устройств и акустических полей.

Для увеличения области оптического контакта более удобно осуществлять туннелирование энергии оптического излучения из световода непосредственно в мембрану, воспринимающую изменение внешнего давления. Световод в этом случае должен быть без оболочки, эффективный оптический контакт может быть обеспечен, если световоду придать форму плоской спирали, расположенной под мембраной.

Чувствительность к весьма малым перемещениям предъявляет высокие требования к технологии изготовления датчиков с нарушением ПВО за счет переменного зазора d.

Амплитудные датчики с переменной площадью оптического контакта световода или световедущего канала с внешней средой, зависящей от значения внешнего воздействия, предполагают наличие протяженной чувствительной поверхности канала. Условие ПВО выполняется на той ее части, которая не входит в контакт с внешней перемещающейся средой и нарушается в зоне оптического контакта. Расширение этой зоны приводит к уменьшению канализуемого потока излучения, регистрация которого позволяет определять значение внешнего воздействия. Использование протяженной чувствительной поверхности приводит к необходимости анализа распределения полей излучения по этой поверхности. В качестве примеров преобразователей с переменной площадью оптического контакта можно привести уровнемеры жидкости и датчики давления и усилия. В уровнемерах такого типа площадь контакта световедущего канала с жидкостью зависит от ее уровня; профилирование полей излучения по поверхности световода позволяет реализовать желаемую функцию преобразования. Датчики давления и усилия используют в качестве перемещающейся внешней среды упругие материалы, площадь контакта которых с поверхностью световедущего канала зависит от прикладываемого к ним усилия. При анализе работы датчиков с упругими материалами следует учитывать вклад микро- и макронеровностей внешней среды и увеличение площади оптического контакта.

Амплитудные датчики с нарушением ПВО допускают работу с пространственно некогерентным и неполяризованным, а в ряде схем и с неколлимированным излучением, что позволяет использовать в качестве источников излучения не только лазеры, но и светодиоды.

Рассмотрим два примера.

1. Световодные поляризационные ОЭП с нарушением ПВО.

При прохождении излучения через оптический канал с нарушением ПВО в результате изменения уровня жидкости изменяются амплитуды двух ортогональных составляющих вектора напряженности электрического поля. В качестве чувствительного элемента в преобразователях, реализующих данный принцип, может быть использована плоская стеклянная пластина, контактирующая с образцом. Для данного устройства обязательным является наличие поляризатора и анализатора излучения. При отсутствии жидкости поляризованный луч света, распространяющийся в световоде, испытывает ПВО на всей его длине. Выходящее из световода излучение разделяется призмой на две взаимно перпендикулярные поляризованные волны, которые по двум каналам попадают на фотоприемники, а затем электрические сигналы с них поступают на вход устройства вычисления, выходной сигнал которого соответствует нулевому уровню. С появлением в резервуаре жидкости на некотором участке световода изменяется показатель преломления окружающей среды (воздух или жидкость) и происходит нарушение ПВО. При этом изменяется соотношение амплитуд параллельной Е_вых║ и перпендикулярной Е_вых┴ на границе раздела световод – окружающая среда составляющих вектора напряженности электрического поля, выделяемых анализатором:

Е_вых║ = Е_вх R^N_║ r ^k_║,

Е_вых┴ = Е_вхR^N_┴ r ^k_┴,

где N, k – число отражений на участке световода, находящегося в воздухе и жидкости соответственно;

Е_вх – амплитуда входного сигнала;

R_┴, R_║ – коэффициенты отражения от границы световод – воздух для перпендикулярной и параллельной составляющих вектора напряженности электрического поля;

r_┴, r_{║ –} коэффициент отражения от границы световод – жидкость для двух составляющих вектора напряженности электрического поля (рис. 4.7).

По соотношению амплитуд Е_вых║ и Е_вых┴ можно судить об уровне жидкости в резервуаре.

Использование поляризованного излучения и разделение его на две составляющие позволяют устранить главные источники погрешности с нарушением ПВО, – нестабильность параметров источника и приемника излучения, изменение в процессе измерений свойств жидкости. Так, например, при реализации блоком вычислений функции Е²_вых║/Е²_вых┴ результат измерения уровня не зависит от мощности оптического излучения, вводимой в световод.

2. Световодные ОЭП с сохранением полного внутреннего отражения.

На сохранении ПВО луча в световоде при контакте его как с воздухом, так и с образцом могут быть построены преобразователи, принцип работы которых основан на определении состояния поляризации оптического излучения.

У поляризованной электромагнитной волны оптического диапазона, распространяющейся в прямоугольном световоде, скачкообразно изменяется фаза параллельной и перпендикулярной границе раздела внешняя среда – световод составляющих вектора напряженности электрического поля. Причем размер этого сдвига фаз различен для каждой составляющей и зависит от разности показателей преломления окружающей среды и световода, от угла падения светового луча на границу световода:

 

q₁₁ = 2arctg{[sin²θ – (n₂ /n₁)²]^1/2/cosθ}

q_^ = 2arctg{[sin²θ – (n₂ /n₁)²]/[(n₂ /n₁)cos²θ],

где q₁₁, q_^ – сдвиг фазы для параллельной и перпендикулярной составляющих, соответственно, при однократном отражении от границы раздела «световод-окружающая среда»,

θ – угол падения света на границу раздела сред,

n₁ – показатель преломления материала световода,

n₂ – показатель преломления окружающей среды.

Рис. 4.7. Схема световодного поляризационного ПУЖ с нарушением ПВО: 1 – источник излучения; 2 – поляризатор; 3 – световод; 4 – контролируемая жидкость; 5 – разделительная призма; 6 – приемники излучения; 7 – блок вычисления	Рис. 4.8. Схема светового поляризационного ПУЖ с сохранением ПВО: 1 – источник излучения; 2 – поляризатор; 3 – световод; 4 – контролируемая жидкость; 5 – измеритель параметров Стокса; 6 – блок вычисления.

Характерным примером световодного ОЭП с сохранением ПВО в нем является поляризационный преобразователь. Если контакт с измерительным элементом (ИЭ) отсутствует, т. е. на всей длине световода n₀= n_{воздуха} результирующая разность фаз q_∑ = q_{║∑ –} q_^∑ для многократного полного внутреннего отражения луча от границы световода остается постоянной и ее значение соответствует нулю. С появлением контакта с образцом на некотором участке световода изменяется показатель преломления окружающей среды (n₀= n_{жидкости}). При этом изменяются сдвиг фазы каждой из составляющих электрического вектора и соответственно их разность, которая и является мерой заполнения образцом поверхности ИЭ. Определение сдвига фаз каждой составляющей на выходе световода и их разности осуществляется в таком ОЭП с помощью обработки результатов измерения (рис. 4.8).

Фазовые ОЭП

Из классификации рис. 4.9 следует, что типы датчиков с АМ очень разнообразны и в силу своей относительной простоты и подготовленности элементарной базы вполне доступны для промышленного производства.

Однако наиболее чувствительные датчики, использующие оптическое излучение, могут быть построены на основе схем, регистрирующих изменения фазы электромагнитной волны, распространяющейся по оптическому каналу, т.е. датчики фазовой модуляции. Эти изменения возникают при внешнем воздействии на материал канала и регистрируются интерферометрическим методом при наложении сигналов измерительного и контрольного каналов. Техника оптической интерферометрии позволяет фиксировать изменение фазы колебания вплоть до 10^-8 рад. Поскольку используются оптические сигналы с длинами волн порядка микрометра, можно регистрировать ничтожно малые изменения оптической длины канала.

В общем случае изменение фазы Δφ, обусловленное внешним воздействием на световод, складывается из изменения постоянной распространения волны β и изменения его длины L:

 

Δφ ~ βΔL + LΔβ.

В свою очередь Δβ зависит от разности показателей преломления сердцевины и оболочки (т.е. образца на поверхности) световода Δn, а также от поперечных геометрических размеров и для световода с радиусом сердцевины а равно

Δβ = Δndβ/dn + Δаdβ/da.

В ряде случаев приложение механического напряжения вызывает незначительные изменения поперечного сечения световода и его показателей преломления. Основной вклад в изменение фазы вносит изменение длины световода. Изменение таких внешних воздействий, как температура, давление, магнитное поле, частота вращения витка световода и т.д., также приводит к изменению фазы колебания.

Датчики фазовой модуляции строятся по одной из следующих схем (рис. 4.9).

Фазовые (интерферометрические) датчики являются наиболее чувствительными к изменению показателей преломления и конструктивных размеров световода. Это обусловливает возможность эффективного измерения многих внешних воздействий, приводящих к индуцированному изменению показателя преломления, поперечных размеров и длины волоконного световода.

Наиболее широкое распространение получили фазовые датчики на основе интерферометра Маха-Цендера, однако они имеют такие недостатки, как сложность оптической схемы, необходимость использования одномодовых волоконных световодов. Кроме того, такие датчики чувствительны к вибрациям.

Требования, предъявляемые к покрытиям ВС таких датчиков, зависят от вида измеряемого физического воздействия. Поэтому материалы покрытий для различных ОЭП должны быть разными. Для измерения температуры наиболее часто используются алюминиевые покрытия, магнитного поля – никелевые и никель-кобальтовые, акустических колебаний – тефлоновые; электрического поля – поливинилиденхлоридные и т. д.

Рис. 4.9. Классификация фазовых ОЭП

Датчики с межмодовой интерференцией в отличие от датчиков на основе интерферометра Маха-Цендера позволяют использовать не два, а одно волокно, причем мало- или многомодовое. Применение одного световода позволяет частично устранить влияние внешних вредных воздействий. Датчики обладают достаточно простой конструкцией. Однако математическое описание характеристик этого вида фазовых датчиков в большинстве случаев отсутствует, что существенно затрудняет их расчет.

Одноволоконные интерферометрические датчики с двунаправленной оптической связью являются единственным типом волоконно-оптических преобразователей, позволяющих измерять угловую скорость. Они отличаются хорошей чувствительностью, позволяют получить как аналоговый, так и цифровой выходной сигнал, значительно проще и дешевле по сравнению с известными инерционными гироскопами. Теоретические расчеты показывают возможность достижения минимально детектируемой угловой скорости 0,1 град/ч и меньше.

В целом фазовые (интерферометрические) датчики являются весьма сложными оптическими преобразователями, практическая реализация которых в определенной мере сдерживается наличием фазовых шумов, возникающих из-за ухода частоты излучения лазерных источников и изменений эффективной длины пути оптических лучей в контрольном плече интерферометра.