Разрывные акустические ВОД.

Этот подкласс акустических ВОД включает датчики: шторочный, решеточный, с подвижным зеркалом, с нарушенным полным внутренним отражением, на связанных волокнах.

Шторочный датчик. Одним из наиболее изученных типов разрывных ВОД интенсивности является шторочный датчик (рис. 3.1). Механизм действия этого прибора заключается в том, что световой поток, выходящий из волокна 1 в пространство между торцами волокон 1 и 5, частично перекрывается подвижной шторкой 4, жестко скрепленной с гибким элементом (мембраной) 3 (2 - корпус). При колебаниях мембраны шторка модулирует интенсивность световой волны, попадающей в выходное волокно.

Получим выражения для модуляционной функции шторочного ВОД, исходя из следующих предположений.

1. Световой поток, выходящий из волокна 1 в зазор между торцами волокон, ограничен телесным углом соответствующим числовой апертуре волокна [см. формулу (2.5)],

2. В плоскости торца выходного волокна 5 световая энергия распределена равномерно по площади круга радиусом

где — зазор между торцами волокон; а — радиус сердцевины волокон.

Рис. 3.1. Конструкция (а) и оптическая схема (б) шторочного датчика

3. Поскольку числовые апертуры волокон согласованы, весь световой поток, попадающий на торец сердцевины волокна 5, регистрируется как сигнальный при открытой шторке 4, т. е. не выходит в оболочку волокна.

4. Шторка перемещается на расстоянии, достаточно близком к торцу волокна 5 (это позволит не учитывать дифракционные эффекты на срезе шторки).

5. Возможная разъюстировка волокон 1 и 5 выражается либо в вертикальном (т. е. совпадающем с направлением перемещения шторки) смещении осей волокон либо в перпендикулярном ему (горизонтальном) смещении осей либо в наличии обоих - смещений одновременно.

6. Шторка 4 перемещается в вертикальной плоскости, причем ее переменные смещения малы по сравнению с характерными размерами сечения волокон начальное смещение х отсчитывается от оси сердцевины волокна 5.

Таким образом, расчет функции будем производить сначала для двух случаев: (рис. 3.2, а) (рис. 3.2, б). На рис. 3.2, а, б заштрихована область на торце сердцевины волокна 5, через которую световой поток из. волокна 1 попадает в сердцевину волокна 5, а двойной штриховкой показана область, затеняемая шторкой 4.

Рассмотрим случай полного согласования осей Ясно, что интенсивность света на торце волокна 5 при открытой шторке 4 определяется размерами зазора между торцами волокон, числовой апертурой и интенсивностью света на торце волокна 1

Рис. 3.2 Возможные случаи рассогласования волокон и модуляционные функции шторочного датчика в зависимости от начального положения шторки для различных радиусов сердцевины волокон а и зазоров между их торцами

Край шторки 4, располагаясь на расстоянии х от верхнего среза сердцевины волокна 5, экранирует часть сердцевины, площадь которой равна

Пользуясь выражениями (3.7) и (3 8), легко подсчитать суммарную интенсивность света, попадающего в незакрытую шторкой часть сердцевины волокна 5, и функцию [см формулу (3.1)]

Модуляционная функция

Графики функции (3.10) для различных при а, равном 25 и 100 мкм, и равном 0,19, приведены на рис. 3 2, в. Из рис. 3 2, в можно сделать вывод, что чем меньше диаметр сердцевины 2а, тем более высокие значения могут быть достигнуты. При этом зависимость от величины зазора сказывается тем слабее, чем больше диаметр сердцевины волокна 2а. На практике, однако, трудно добиться, чтобы зазор был меньше 40—50 мкм, так как шторка будег слишком тонкой и механически непрочной.

Рис. 3.3 Зависимость модуляционной функции от положения шторки для вертикального и горизонтального рассогласования волокон.

Рис. 3.4. Форма модуляционных зависимостей — полное согласование, вертикальное рассогласование, — горизонтальное рассогласование, — общее рассогласование

Если нельзя гарантировать, что зазор будет менее 100 мкм, то не имеет смысла использовать волокна с малым диаметром сердцевины, поскольку в случае их применения сильнее оказывается сдвиг между осями волокон.

Действительно, если провести аналогичные расчеты для случая (вертикальный сдвиг осей при разных зазорах то, как видно из рис. 3.3, значительно сокращается область начальных положений шторки х, при которых можно добиться нужной чувствительности При горизонтальном рассогласовании осей волокон область допустимых начальных смещений шторки сокращается незначительно (рис. 3.3), но падает максимально достижимое значение

Для общего случая модуляционная функция меняется в зависимости от х, как показано на рис. 3.4, т. е. она

одновременно становится асимметричной и опускается ниже исходной кривой (в случае ). Для трех различных участков пунктирнои кривой на рис. 3.4 выведены следующие зависимости 119] для участка

т. е. форма кривой описывается выражением, аналогичным формуле (3.10);

для участка CD

для промежуточною участка

Рис. 3.5. Решеточный датчик: 1 — входное волокно, 2 — корпус, 3 — диафрагма; 4 — подвижная решетка; 5 — выходное волокно, 6,8 — градиентные стержни, 7 — неподвижная решетка

Таким образом, при оптимальном положении шторки, незначительных (меньше, чем поперечных рассогласованиях осей волокон и зазоре между торцами мкм типичными значениями можно считать

Решеточный датчик. Описанный в работах [353, 370] решеточный датчик (рис. 3.5) по конструкции сходен со шторочным за исключением того, что в пространстве между волокнами расположено четыре дополнительных элемента, а не один. Дифракционные решетки 4 и 7 образуют в параллельных световых пучках пару взаимно дополняющих оптических масок. При полном совпадении положений штрихов на этих близко расположенных решетках система обладает максимальным пропусканием Т, при рассогласовании на 1/2 периода прозрачность системы минимальна Если решетки представляют собой чередование прозрачных и непрозрачных штрихов равной толщины (так называемые «прямоугольные амплитудные решетки»), то зависимость для разных значений периода приобретает вид, показанный на рис. 3.6, а. Очевидно, что чем меньше период решеток, тем выше значение коэффициента определяющего чувствительность датчика, так как

Из рис. 3.6, а также ясно, что оптимальный режим работы достигается при начальном сдвиге подвижной и неподвижной решеток, равном [рабочая точка лежит на середине линейного участка кривой ]. Если одна из решеток неподвижна, а вторая соединена с мембраной, то изменение внешнего давления модулирует световой сигнал.

Выбор периода решеток должен осуществляться с учетом квантовой эффективности и шумов фотоприемника [см. формулу (3.29)]. Однако ясно, что уменьшение периода , хотя и повышает чувствительность, но приводит к сокращению динамического диапазона линейного отклика который для оптимальной рабочей точки равен

Рис. 3.6. Зависимость пропускания решеточного датчика Т. а — от х; б — от х и ; 1 — при нулевом зазоре между решетками; 2 — при конечном

Кроме того, при малых периодах решетки возникают дифракционные эффекты, приводящие к искажению формы передаточной функции

Четвертьволновые градиентные стержни 6 и 8 (рис. 3.5) позволяют создавать в рабочем пространстве сколлимированный пучок и фокусировать ту часть лучей, которая прошла через систему решеток, в сердцевину выходного волокна. Вместо стержней можно использовать микролинзы (см гл. 4).

На рис. 3.7 приведены экспериментально измеренные значения минимального обнаружимого давления полученные с помощью датчика на решетках с мкм [353]. Данные получены в гпдрофонном режиме работы. Датчик на решетках хорошо подходит для работы в этих условиях, так как его рабочая характеристика воспроизводится при постоянных деформациях диафрагмы, возникающих при погружении, при условии, если эти деформации приводят к смещению подвижной решетки на расстояния, кратные На самом деле, если не задаваться целью получить максимальный динамический диапазон, а работать в режиме обнаружения малого сигнала, то датчик пригоден к использованию при любых постоянных деформациях мембраны, кроме тех, которые соответствуют экстремумам функции

Возвращаясь к рис. 3.7, отметим, что резкое ухудшение чувствительности датчика на частотах обусловлено малыми механическими перемещениями подвижной части ВОД вместе с решеткой на высоких частотах и не является недостатком собственно датчика. Дело в том, что масса подвижной дифракционной решетки может быть сделана весьма малой и, следовательно, частотный диапазон датчика определяется конструкцией гибкой мембраны.

Помимо выравнивания частотной характеристики датчика, путем доработки конструкции решеточных ВОД должна быть решена и еще одна проблема.

Рис. 3.7. Частотная зависимость порога обнаружения решеточного датчика, работающего в режиме гидрофона [353]: — шумы океана

Приведенные на рис. 3.6, а характеристики получены в предположении, что зазор между неподвижной и движущейся решетками бесконечно мал. Естественно, это предположение идеализирует реальную ситуацию, так как отсутствие зазора между решетками вызывает трение, что может повлиять на частотные свойства, а также привести к появлению царапин на поверхностях решеток и вызвать искажение характеристики

Проведенный на ЭВМ расчет характеристики для различных значений зазоров между решетками позволил построить двумерную диаграмму (рис. 3.6, б), где — зазор между решетками. Из этой диаграммы видно, как треугольная функция имеющая место при (рис. 3.6, а), трансформируется в квазисинусоидальную, т. е. нелинейную, имеющую к тому же значительно меньшую амплитуду. Следовательно, для решеток с шагом мкм уже при зазоре мкм передаточная функция становится нелинейной и появляется постоянная составляющая светового потока. Эффект, наблюдаемый на торце выходного градиентного отрезка, можно уподобить явлению, вызываемому нерегулярностью решеток, т. е. различием поперечных размеров прозрачных и непрозрачных штрихов. Действительно, если ширина прозрачных штрихов больше ширины непрозрачных, то эффекта полного «затемнения» систем решеток (т. е. ) нельзя достичь ни при каких относительных перемещениях х.

Общим недостатком шторочного и решеточного датчиков с точки зрения рационального использования подводимого к ним светового потока является то, что оптимальный режим работы

реализуется в них при т. е. половина световой энергии поглощается в датчике.

Датчик с подвижным зеркалом. Изменения акустического поля можно фиксировать не только модулируя интенсивность светового потока за счет его частичного перекрытия (как в шторочном и решеточном ВОД), но и изменяя расстояние, проходимое расширяющимся пучком между выходным и входным торцами волокон. Этот принцип воплощен в одной из ранних разработок — датчике с подвижным зеркалом.

На рис. 3.8 представлена одна из конструкций такого датчика на спаренном волокне.

Рис. 3.8. Датчик с подвижным зеркалом на спаренном волокне: 1 — входное волокно; 2 — корпус; 3 — мембрана, 4 — зеркало; 5 — разветвитель; 6 — выходное волокно

Рис. 3.9. Зависимость модуляционной функции датчика с Подвижным зеркалом от зазора между торцом волокна и зеркалом: 1 — диаметр волокна мкм

Расходящийся световой пучок с углом расходимости, определяемым числовой апертурой [см. формулу (2.5)]

выходит из торца спаренного волокна и отражается от зеркала на торец того же волокна. Часть энергии света, возвращенная в виде энергии направляемых мод в выходное волокно 6, зависит от расстояния между торцами волокна и зеркалом (при условии, что Поэтому интенсивность света в выходном волокне равна:

Для связи зеркального датчика с фотоприемником необходимо поставить в волоконном тракте полупрозрачный светоделитель или волоконный ответвитель на 3 дБ. Тогда чувствительность зеркального датчика равна

и максимальна при малых расстояниях от торца волокна до зеркала 4 (рис. 3.9).

Поскольку в выражении (3.15) находится в пределах для мкм и мкм (при ), датчик с колеблющимся зеркалом уступает по чувствительности другим ВОД с модуляцией интенсивности. Кроме того, как следует из формулы (3.15), модуляционная функция такого датчика существенно нелинейна, что ограничивает его динамический диапазон.

Тем не менее простота конструкции зеркального ВОД продолжает привлекать исследователей, предлагающих разного рода дифференциальные схемы регистрации с использованием моноволокон [130] или волоконных жгутов [251]. В последнем случае оптическая схема датчика предполагает использование кольцевой зоны на торце жгута в качестве источника, освещающего деформируемую мембрану.

Рис. 3.10. Датчик на нарушенном полном внутреннем отражении: 1 — входное волокно; 2 — мембрана; 3 — толкатель; 4 — выходное волокно, 5 — пружина

Отраженный мембраной свет собирается и порознь фиксируется двумя концентрическими частями жгута и присоединенными к ним фотодетекторами. Одна собирающая часть расположена внутри освещающего кольца, другая окружает это кольцо. Если под действием давления мембрана из плоской становится слегка вогнутой или выпуклой, соотношение между мощностями отраженного света, собираемого двумя отводящими участками жгута, меняется. Таким образом, данный метод позволяет фиксировать не поршневые перемещения мембраны, а локальные изгибные деформации, связанные с прогибом в центре.

Датчик на нарушенном полном внутреннем отражении (НПВО). Конструктивное сходство с вышеописанными ВОД шторочного и решеточного типов имеет датчик, в котором используется эффект нарушенного полного внутреннего отражения.

В этом датчике также имеется разрыв между входным и выходным волокнами (рис. 3.10). Причем оптическая передаточная функция пространства между торцами волокон модулируется в соответствии с измеряемым акустическим сигналом. Однако физический механизм, управляющий модуляцией светового потока между входным 1 и выходным 4 волокнами, здесь принципиально иной. Торцы волокон отполированы под таким углом, что световой поток, распространяющийся по сердцевине входного волокна, претерпевает полное внутреннее отражение на его скошенном выходном торце и, следовательно, не проходит в выходное волокно. Однако зазор между торцами волокон сделан столь

небольшим, что под действием мембраны 2 и толкателя 3 скошенный торец выходного волокна 4, укрепленного на пружине 5, может приближаться к торцу волокна 1 на расстояния, сравнимые с длиной волны. Возникающий при этом эффект в классической оптике называется нарушенным полным внутренним отражением и характеризуется резким возрастанием потока световой энергии, проникающей в примыкающую среду (в данном случае — в выходное волокно) через малый оптический зазор. В волноводной оптике это явление называется оптическим туннелированием и часто используется в ВОД ФВ

Поскольку показатель преломления для кварцевого волокна приблизительно равен 1,46, а для воздушного зазора между торцами — 1, волокна обрабатываются так, чтобы скос торцов был около 45°.

Рис. 3.11. Зависимость модуляционной функции датчика на НПВО от вертикальной составляющей зазора между волокнами при

Если это так, то зазор между торцами меняется по закону

С учетом того что вблизи критического угла (т. е. в режиме, когда начинается полное внутреннее отражение) коэффициент отражения от границы раздела кварц—воздух зависит от поляризации, модуляционная функция системы из двух волокон с зазором между скошенными торцами будет сложной функцией поляризации [352]

где — вертикальное смещение толкателя; — длина волны света; — функции поляризации падающей на входной отрезок световой волны;

Из рис. 3.11 видно, что представляет собой ограниченную экспоненциальную функцию, резко изменяющуюся от до 0 при малых изменениях х. Однако выбор и точное поддержание малого начального зазора х, соответствующего рабочей точке на середине крутого спадающего участка представляет собой серьезную конструкторскую проблему и затрудняет изготовление датчика. Кроме того, как видно из того же рис. 3.11, передаточная

характеристика практически не имеет области, где значение постоянно, если не считать области где Следовательно, модуляционная функция датчика существенно нелинейна, и его динамический диапазон ограничен.

Датчик на связанных волокнах. Другим вариантом акустического ВОД, в котором используется оптическое туннелирование, является датчик на связанных волокнах, описанный в работах [102, 109, 331 ]. Два волокна в этом датчике располагают таким образом, чтобы расстояние между их сердцевинами не превышало нескольких микрон (рис. 3.12, а). Этого можно добиться, стравив оболочки на некоторой длине и склеив два параллельных волокна составом с таким же коэффициентом преломления, как у оболочки, либо применив сплавление вочокон, как это делают при изготовлении ответвителей.

Рис. 3.12. Датчик на связанных волокнах: а — устройство; — распределение поля в пространстве взаимодействия для симметричной и антисимметричной мод; 1 — входное волокно; 2 — пространство взаимодействия; 3 — выходное волокно

Принцип работы ответвителя, состоящего из двух близко расположенных одномодовых волокон, заключается в следующем. Система из двух волокон, поля которых взаимодействуют друг с другом, может рассматриваться как волновод сложной конфигурации, для которого характерны определенные собственные типы волн — моды с различными постоянными распространения. Распределения поля для двух основных мод волновода изображены на рис. 3.12, б. Тот факт, что на входе датчика энергия сосредоточена только в левой сердцевине, можно трактовать как сложение полей (рис. 3.12, б). Поскольку постоянные распространения двух мод различны, то, очевидно, на некотором отрезке наблюдается противоположная ситуация: поля складываются в области правой сердцевины и вычитаются в левой. Длина отрезка называется длиной связи и определяется параметрами волокон и расстоянием между сердцевинами. Если сделать длину датчика (т. е. расстояние, на котором возможен максимальный обмен энергией между волокнами), пропорциональной , то датчик будет работать в режиме переключения — вся энергия, введенная в одно

волокно, выводится в другое. Однако под действием акустического поля такие параметры датчика, как расстояние длина коэффициенты и изменяются, а следовательно, изменяется соотношение между

Как следует из работы [331], передаточная функция датчика равна

где и — параметры, зависящие от модовой структуры волокон;

Как мы видим, здесь принимается в расчет, что приложенное давление меняет как расстояние между сердцевинами так и оба показателя преломления а также радиусы волокон и длину датчика Чувствительность устройства прямо пропорциональна

Анализ показывает, что такой датчик может быть пригоден для работы в плотных средах (жидкостях). Точная юстировка и отработка конструкции позволили добиться при работе в водной среде очень низкого для ВОД с модуляцией интенсивности порога детектирования — Однако такие существенные вопросы, как образование продольных нерегулярностей и влияние изменения температур на работу датчика, пока не изучены. Другой трудностью является воспроизведение параметров экспериментальных ВОД на связанных волокнах при их серийном производстве, поскольку технология прецизионного сплавления параллельных волокон на больших длинах еще не разработана.

В работе [117] показано, что датчик на связанных волокнах, работает при применении многомодовых волокон.