Wykład 7 Czujniki Optyczne PDF

Wykład 7 Czujniki optyczne  Pola TE, TM, TEM Pole typu TE – (transverse electric) pole elektromagnetyczne charakteryzujące się brakiem składowej wektora pola elektrycznego, zgodnej z kierunkiem rozchodzenia się fal, przy jednoczesnej obecności takiej składowej w przypadku wektora pola magnetyczn...

Wykład 7 Czujniki optyczne  Pola TE, TM, TEM Pole typu TE – (transverse electric) pole elektromagnetyczne charakteryzujące się brakiem składowej wektora pola elektrycznego, zgodnej z kierunkiem rozchodzenia się fal, przy jednoczesnej obecności takiej składowej w przypadku wektora pola magnetycznego. Pole typu TM - (transverse magnetic) pole elektromagnetyczne charakteryzujące się brakiem składowej wektora pola magnetycznego, zgodnej z kierunkiem rozchodzenia się fal, przy jednoczesnej obecności takiej składowej w przypadku wektora pola elektrycznego. Pole typu TEM (transverse electromagnetic) pole elektromagnetyczne charakteryzujące się brakiem składowych wektora pola elektrycznego i magnetycznego, zgodnych z kierunkiem rozchodzenia się fal. 3  Mod - rozkład fali promieniowania Mod - rozkład fali promieniowania el-mag. (np. laserowego) odpowiadający określonym rodzajom drgań elektromagnetycznych wzbudzających się w rezonatorze optycznym (ośrodek aktywny lasera, kanał transmisyjny). Mod charakteryzuje się określoną konfiguracją pola na powierzchni zwierciadeł rezonatora (dla lasera) lub na powierzchni światłowodu oraz określoną liczbą połówek fali wewnątrz rezonatora. Ogólnie istnieją mody TEMm,n,q gdzie m,n liczby całkowite określające liczbę zmian pola w dwóch prostopadłych kierunkach na powierzchni zwierciadeł ,q - liczba określa liczbę połówek fali wzdłuż rezonatora. Typy modów propagujących w laserze uzależnione są od geometrii ośrodka aktywnego. Mod TEM00 (transverse electro-magnetic) - mod podstawowy lasera, laser pracujący w tym modzie to laser jednomodowy. Natężenie poprzeczne fali - obwiednia krzywej Gaussa. 4 Odbicie i refrakcja spolaryzowanej Odbicie i refrakcja spolaryzowanej wiązki światła TE (transverse electric) wiązki światła TM (transverse magnetic) 5  Cechy włókna światłowodowego n0 sin  0 = n1 sin 1  1 = − 2 2 n2 sin  2 = n12 − n22 n1  0   a = arc sin n0 0  a warunek całkowitego wewnętrznego odbicia promienia - możliwa propagacja światła wzdłuż włókna, 0  a część światła przejdzie do płaszcza, po kilku odbiciach światło zostanie wytłumione, NA  n0 sin  a = n12 − n22 apertura numeryczna - wartość krytyczna kąta (przy założeniu n0 = 1 dla powietrza), poniżej którego możliwa jest transmisja światła wzdłuż włókna. 6  Propagacja światła przez włókno Włókno - kanał transmisyjny dla fali elektromagnetycznej spełniający równania Maxwell’a. Analiza warunków brzegowych na granicy rdzenia i płaszcza włókna. d - średnica rdzenia, l - różnica dróg między wiązką padającą i odbitą (lub jej obrazem). l = d sin  Warunki brzegowe muszą dawać rozwiązanie dla  m l = m  sin  = przypadku wygaszania się interferujących fal na 2 2d granicy rdzenia i płaszcza, tzn. - różnica dróg musi być równa całkowitej wielokrotności połowy długości fali: m - l. całkowita 7 Propagacja modów poprzecznych Najniższa liczba modów może propagować wzdłuż włókna, gdy dzieje się to dla kąta padania równego: m  m sin  a n =1 = = n12 − n22 = 0 2d d 2 n12 − n22 Aby propagował najniższy mod (m=0) należy spełnić warunek (optyka geom.):  1  d 2 n12 − n22 Rozwiązując równania Maxwell’a dla identycznego przypadku, otrzymujemy:  2,405 2,405 0,383 dn n12 − n22  = = V= d 2 n12 − n22 2 ( NA) NA  n12 V 50 oraz L/W > 50 ze względu na dyfrakcję wiązki. 2 n 3 r L  (t ) = V (t )  2 d Typowy modulator: Pasmo 3dB f=500MHz, C = 6pF,  = 1,3um,  L=2cm, W=d=2mm, n3r=3x10-10 m/V V = n3r ( L / d ) V = 425V. 15 Elektrooptyczny modulator natężenia Modulator zawierający wejściowy polaryzator nachylony pod kątem 45 ° do osi modulatora, modulator fazy o zmiennej polaryzacji, modulator wyjściowy nachylony pod kątem 90° do wejściowego modulatora. Wiązka opuszczająca modulator może być spolaryzowana liniowo, eliptycznie lub kołowo w zależności od różnicy faz  fali składowych prostopadłych do siebie (propagacja wzdłuż osi x i y) Pout V (t ) = sin 2 V (t ), L Pin 2 Typowy modulator (LiNbO3):  d  = 1,3um, L=2cm, W=d=2mm, V = V = 630V. n3r L 16 Akustooptyczne przesuwanie częstotliwości Modulatory akustooptyczne używane do przesuwania częstotliwości. Zmiany współczynnika refrakcji materiału modulatora wywołane są przez falę akustyczną przemieszczającą się w strukturze (f = n x 10MHz - n x 10GHz). Dwa tryby pracy zależne od wymiarów geometrycznych: tryb Raman’a-Nath’a (powstaje wiele wiązek światła uległego dyfrakcji, natężenie światła zmienne, zależne od drogi oddziaływania ze strukturą) i Bragg’a (jedna wiązka światła). va  a f - szerokość pasma modulatora, f  L va - prędkość fali akustycznej w ośrodku (6x103 m/s), a - długość fali akustycznej w ośrodku (dla 1GHz a = 6um) 17 Modulatory zintegrowane Wytwarzane jako optyczne kanały transmisyjne wytwarzane na powierzchni substancji optycznie czynnej. Znaczna przewaga jakościowa w stosunku do modulatorów blokowych: mniejsze wymiary, brak zjawisk dyfrakcyjnych, sterowanie niskimi napięciami, szerokie pasmo, łatwość sprzęgu modulatora z włóknem. Możliwość komponowania złożonych struktur dostarczających całkowitych bloków przetwarzających sygnał optyczny. E1,1 n1 kanał transmisyjny n2 mod podstawowy n3 E2,1 E2,2 Monolityczny żyroskop włóknowy E1,2 18  Modulator fazy Zmiana współczynnika refrakcji spowodowana jest obecnością napięcia między elektrodami - rezultatem jest zmiana fazy. Modulator fazy 2 n 3 r   - współczynnik z zakresu od 0,5 do 1 wiążący pole  (t ) = LV (t )  2 d elektryczne z modem optycznym,  L/d > 1000 ze względu na brak dyfrakcji w strukturze, V = Stosowanie dużo mniejszych napięć sterujących (pojedyncze [V]), n 3 r ( L / d ) możliwość kontroli polaryzacji wejściowej, 19 Modulator natężenia Pout 1  V (t )  = 1 + cos2 +B  Pin 2  V   d V = 2n 3r L B - faza początkowa traktowana jako punkt pracy układu 20  Modulatory „na włóknie” Modulator fazy - uzwojenia z włókna optycznego nawinięte na piezoelektrycznym pierścieniu z PZT. Napięcie przyłożone w poprzek pierścienie prowadzi do zmian jego średnicy i w wyniku do zmian długości włókna. Czułość zależna od f modulacji, ilości zwojów, geometrii PZT (ok. 50mrad/V/zw. dla modulacji fali 632nm przy 2 cm średnicy). 2  (t ) = Ln(t ) + nL(t )  Modulator fazy - włókno na pewnej długości pokryte piezoelektrycznym polimerowym płaszczem. Zmiany napięcia powodują zarówno zmiany współczynnika refrakcji jak i długości włókna. 18cm płaszcza przy 632nm ma czułość 30mrad/V/m, dla f 10kHz - 2,5MHz. Wada: niska czułość. Przesuwnik częstotliwości - fala akustyczna o częstotliwości a wstrzyknięta do włókna powoduje zmiany profilu współczynnika refrakcji, dając w rezultacie sprzęganie modów i przesunięcie częstotliwości o a. 22  Czujniki włóknowe zewnętrzne Enkodery Odbiciowe, Płytki/Dyski Transmisyjne przesunięcia liniowego i kątowego ciśnienia, przepływu, uszkodzeń Siatki, kraty Fluorescencyjne ciśnienia, akustyczne, wibracji temperatury, wilgotności, analizy chemicznej Całkowitego wewnętrznego odbicia Pola zanikającego poziomu cieczy, ciśnienia temperatury, naprężeń Z powłokami aktywnymi (np. absorpcyjne) Pirometryczne temperatury temperatury Z efektem fotoelastyczności Dopplerowska anemometria fazowa ciśnienia, przyspieszenia, drgań, pozycji pomiar przepływu 23  Czujniki włóknowe wewnętrzne mikronaprężeń interferometryczne naprężenia, ciśnienia, drgań różnorodne ciała doskonale czarnego o parametrach rozłożonych temperatury Rayleigh'a naprężeń, temperatury, zewnętrznego współczynnika odbicia Raman'a temperatury ze sprzęganiem modów naprężeń, ciśnienia, temperatury pseudorozłożone akustyczne, przyspieszenia, naprężeń, pola magnetycznego, temp. 24  Interferometryczne czujniki włóknowe ze sprzęganiem modów Sagnac'a naprężeń, temperatury obrotów, przyspieszenia, naprężeń, akustyczne, długości fali, pola magnetycznego, prądu Mach'a-Zehnder'a Polaryzacyjne akustyczne, pola magnetycznego, akustyczne, elektrycznego, ciśnienia, przyspieszenia, przyspieszenia, naprężeń, temperatury, prądu naprężeń Michelson'a Rezonatory pierścieniowe akustyczne, pola magnetycznego, obrotów, przyspieszenia elektrycznego, temperatury, naprężeń Fabry'ego-Perot'a Wielomodowe Jednomodowe współczynnika refrakcji, akustyczne, ciśnienia, temperatury, 25 temperatury ciśnienia Cechy czujników światłowodowych zazwyczaj pasywne - izolatory, niska masa, niewielkie wymiary, niewrażliwe na interferencje el. - mag., szeroki zakres temperatur pracy, szerokie pasmo, niewrażliwość na czynniki środowiskowe - drgania, udary mechaniczne, możliwość mieszania czujników optycznych i elektrycznych bez ich wzajemnych interferencji, 26  Czujniki natężenia światła Różnicowy czujnik natężenia i jego charakterystyka wyjściowa. Jednowłóknowy czujnik natężenia światła z ruchomym reflektorem. Czujnik niewielkich naprężeń, deformacji. 27 Modulacja elastooptyczna światła spolaryzowanego.  Czujniki natężenia światła Czujnik przemieszczenia z Czujnik podziałem czasowym poziomu cieczy (time-division encoder). Czujnik przemieszczenia z podziałem długości fali Czujnik temperatury - dłuższe fale niż 900nm (wavelength division encoder). (fotony o energii mniejszej od pasma zabronionego) są transmitowane bez strat. Fale krótsze od 900nm są pochłaniane. Zmiana położenia krawędzi przerwy zabronionej jest zależna od temperatury 0,5nm/deg. Zastosowanie filtrów pasmowych pozwala wykrywać zmiany temperatur granicznych. 28 Interferometr Fabry’ego - Perot’a 1 I1 : I 2 : I3 :... = 1: R2 : R4 :... I - natężenie wiązek wychodzących, R - współczynnik odbicia n Kolejne promienie przechodzące przesunięte są w fazie ze względu na różnicę dróg optycznych propagujących promieni. W płaszczyźnie ogniskowej soczewki powstaje obraz prążków. 29  Czujniki interferometryczne Fabry’ego - Perot’a Czujniki temperatury ze szczelinami regulacyjnymi. a - czujnik ciśnienia, b - czujnik temperatury, c - analizator współczynnika refrakcji cieczy 30  Czujniki interferometryczne Fabry’ego - Perot’a Wielomodowe czujniki interferencyjne - używanie światła białego, jednomodowe - światło laserowe, Cechy, które można wykorzystać przy konstrukcji czujników różnych wielkości: - liniowe rozszerzanie się pierścienia dystansowego, - zmiana współczynnika refrakcji substancji Sposoby odczytu danych z czujników: a - między zwierciadłami, pryzmat dokonujący analizy widma odpowiedzi - rozszerzalność ośrodka miedzy czujnika; b - uproszczony układ do analizy zwierciadłami, dwóch składowych z filtrem dichroicznym. - uginanie się zwierciadła, - zmiana współczynnika absorpcji lub odbicia zwierciadła, - widmowa absorpcja lub rozproszenie w ośrodku między zwierciadłami. 31 Czujniki interferometryczne Fabry’ego - Perot’a a - czujnik ciśnienia (zewnętrzny) jednomodowy, b - czujnik temperatury 32  Sposób analizy danych z czujnika jednomodowego Długość fali lasera jest zmieniana w zakresie działania czujnika. Zakres pracy odczytywany dzięki fotodiodzie. Układ funkcjonalnie zbliżony do spektrofotometru, lecz dużo prostszy. Czujniki z blokowym interferometrem mogą mieć długość większą nieco od długości koherencji lasera - pozwala to na wykonanie w jednym włóknie kilku różniących się długością czujników (odczyt multipleksowany). Możliwa analiza polaryzacji (możliwa analiza przez to dwóch wielkości mierzonych równocześnie np. naprężenia i temperatury) 33 40 41