Введение
С появлением оптоволокна стало возможным передавать сигнал на большие расстояния с минимальными потерями до 0.2 дБ/км. Именно тогда началось активное развитие оптической телекоммуникации. Было выявлено преимущество пред электрическими аналогами в передаче большего количества информации волоконнооптическим путем. Это дало толчок к развитию передаче информации и цифровых технологий. В конце прошлого века экспериментально было открыто фоточувствительность волоконных световодов, речь зашла о возможности влиять и изменять показатель преломления, легированного германием кварцевого стекла, составляющего основу сердцевины волоконных световодов под действием высокоэнергетического оптического излучения, что позволило формировать внутриволоконные периодические структуры, названные по аналоги с эффектом Брэгга Вульфа брэгговскими [1]. Волоконно брэгговская структура или решетка - представляет из себя участок оптического волокна, в сердцевине которого показатель преломления периодически изменяется в продольном направлении (рис.1).
Методология
Рисунок 1 – Волоконно брэгговская структура Волоконно брэгговская решетка может выполнять роль узкополосного оптического фильтра, который отражает из приходящей длины волны определенную длину волны - волну брэгга [2]. Задавать и контролировать длину отражений волны можно при помощи периода структуры брэгговской решетки. А амплитуда отраженной волны зависит от длины волоконно брэгговской структуры и модуляции показателя преломления. В свою очередь ширина отраженный волны завит от длины и амплитуды решетки. Спектральные значения, которые приходят на спектроанализатор, позволяют увидеть отраженную волну и по косвенным признакам сделать вывод об изменения среднего показателя преломления в сердцевине оптоволокна [13]. Для создания брэгговской решетки используют обычно два типа методов: интерференционные и направленные. Эти методы отличают и по полученному результату и по физическим принципам записи решетки. К интерференционным методам относится запись решетки с помощью когерентного источника света, как правило ультрафиолетового лазера [3-5]. Этот метод не универсален, так как основан на фоточувствительности оптоволокна. Но зато он позволяет делать решетки с очень высоким качеством спектральных характеристик. В методах направленной записи как правило используют фемтосекундные лазеры. Короткий мощный импульс фемтосекундного лазера позволяет в оптоволокне создавать решетки, не смотря на то что волокно не является фоточувствительным [7,8]. Экспериментальных статей по интерференционным и направленным методам много, но исследований по многопроходной поточечный записи решетки при помощи фемтосекундного лазера особенно никто не делает, так как подобные записи решетки могут сделать только в нашей лаборатории. Несмотря на то, что брэгговскую решетку можно сделать разными способами и в разной комплектации установок, уникальность моей работы заключается именно в многопроходной поточечной записи при помощи фемтосекундного лазера. Для непосредственной записи решетки оптическое волокно фиксируется на подвижной платформе. Это нужно поскольку важно чтобы волокно имело постоянное напряжение. Поскольку от механического сжатии или растяжения, нагрева, или изменения оптических свойства структуры оптоволокна, длина отраженной волны будет изменятся, ведь она зависит от периода структуры решетки [13]. Этот проект отвечает на два вопроса.
Результаты
Во-первых, нам нужно провести измерения в различных образцах оптических волокон, которые заключаются в сборе трех типов спектральных данных: амплитуда брэгговской решётки, её ширина и длина волны брэгга. Во-вторых, необходимо изучение изменения среднего показателя преломления. Основная часть моего проекта — понять, как именно постепенно меняется показатель преломления вещества, используя специальные методы. Такие как спектральные характеристики прошедшего сигнала сквозь оптоволокно, представляющего собой график зависимости мощности Im (dBm) от длины волны Re (wavelength nm), рис.2. Рисунок 2 – Принцип работы решетки Брэгга с вытравленной оболочкой. Изучение механизмов фоточувствительности волокон и разработка методов формирования брэгговских структур с заданными свойствами являются основными направлениями работы многих научных групп по всему миру. В настоящее время датчики, основанные на брэгговских решетках, активно применяются в различных областях промышленности и строительства для мониторинга различных ключевых технологических параметров и состояния элементов сложных инженерных сооружений, что ведет к практическому вытеснению существующих электрических аналогов [10,11]. Кроме того, брэгговские решетки играют критическую роль в современной технологии волоконных лазеров [1]. Использование брэгговских решеток эффективно применяется в биосенсорике, рис.3, рис.4, рис.5. Рисунок 3 – Управляемая решетка Брэгга 1 – пластина из электрооптического материала; 2 – оптический волновод; 3 - решетка Брэгга; 4 – электроды; 5 – контакты для подключения потенциала V1 и V2/
Результаты
Рисунок 4 – Волоконно-оптический тензометр На одно волокно может быть нанесено несколько решеток Брэгга, каждая из них откликается на свою длину волны. Благодаря этому получается мультиплексная, распределенная система регистрации [12]. На рис. 5. Оптоволоконного датчика, полученного на базе многомодового оптоволоконного кабеля.
Обсуждение
Рисунок 5 – Оптоволоконный датчик Несмотря на значительное прогрессивное развитие данного научного и инженерного направления в течение последних тридцати лет, остаются открытыми и актуальными многие важные вопросы, среди которых выделяются создание и применение новых принципов в области волоконной сенсорики, а также разрешение ключевых проблем, препятствующих внедрению брэгговских датчиков в сложных эксплуатационных условиях,
Обсуждение
включая высокие температуры и воздействие интенсивного ионизирующего излучения [6,10, 11].
Выводы
В настоящее время мы проводим исследования диапазона применения этого метода при измерении скорости движения водо-воздушного потока.