моментом в розвитку оптоелектроніки є створення оптичних волокон. Особливо інтенсивними дослідження стали в кінці 1960-х років, а розробка в 1970 р. американською фірмою "Корнінг" кварцового волокна з малим загасанням (20 дБ/км) з'явилася епохальною подією і послужила стимулом для збільшення темпів досліджень і розробок на все 1970-е роки.
На мал. 2 показано зниження мінімальних втрат передачі для різних оптичних волокон впродовж минулих десяти з гаком років. Можна помітити, що для кварцових оптичних волокон втрати за 10 років (у 1970-е роки) зменшилися приблизно на два порядки.
Початковою і головною метою розробки оптичних волокон було забезпечення ними оптичних систем зв'язку. Проте в 1970-е роки, коли в техніці оптичних волокон стосовно оптичних систем зв'язку були досягнуті вже значні успіхи, вплив волокон на розвиток волоконно-оптичних датчиків, про яких піде мова в цій книзі, виявився дещо несподіваним.
Одно- і багатомодові оптичні волокна.
Мал. 3. Одномодове (а) і багатомодове (б) оптичне волокно
Оптичне волокно звичне буває одного з двох типів: одномодове, в якому розповсюджується тільки одна мода (тип розподілу передаваного електромагнітного поля), і багатомодове — з передачею безлічі (близько сотні) мод. Конструктивно ці типи волокон розрізняються тільки діаметром сердечника — световедущей частини, усередині якої коефіцієнт заломлення трохи вищий, ніж в периферійній частині — оболонці (мал. 3).
У техніці використовуються як багатомодові, так і одномодові оптичні волокна. Багатомодові волокна мають великий (приблизно 50 мкм) діаметр сердечника, що полегшує їх з'єднання один з одним. Але оскільки групова швидкість світла для кожної моди різна, то при передачі вузького світлового імпульсу відбувається його розширення (збільшення дисперсії). В порівнянні з багатомодовими у одномодових волокон переваги і недоліки міняються місцями: дисперсія зменшується, але малий (5...10 мкм) діаметр сердечника значно утрудняє з'єднання волокон цього типу і введення в них світлового променя лазера.
Внаслідок цього одномодові оптичні волокна знайшли переважне застосування в лініях зв'язку, вимагаючих високої швидкості передачі інформації (лінії верхнього рангу в ієрархічній структурі ліній зв'язку), а багатомодові найчастіше використовуються в лініях зв'язку з порівняно невисокою швидкістю передачі інформації. Є так звані когерентні волоконно-оптичні лінії зв'язку, де придатні тільки одномодові волокна. У багатомодовому оптичному волокні когерентність світлових хвиль, що приймаються, падає, тому його використовування в когерентних лініях зв'язку непрактичне, що і зумовило застосування в подібних лініях тільки одномодових оптичних волокон.
Навпаки, хоча при використовуванні оптичних волокон для датчиків вищезгадані чинники теж мають місце, але у багатьох випадках їх роль вже інша. Зокрема, при використовуванні оптичних волокон для когерентних вимірювань, коли з цих волокон формується інтерферометр, важливою перевагою одномодових волокон є можливість передачі інформації про фазу оптичної хвилі, що нездійсненно за допомогою багатомодових волокон. Отже, в даному випадку необхідне тільки одномодове оптичне волокно, як і в когерентних лініях зв'язку. Проте, на практиці застосування одномодового оптичного волокна при вимірюванні нетипове через невелику його дисперсію. Коротше кажучи, в сенсорній оптоелектроніці, за винятком датчиків-інтерферометрів, використовуються багатомодові оптичні волокна. Ця обставина пояснюється ще і тим, що в датчиках довжина використовуваних оптичних волокон значно менше, ніж в системах оптичного зв'язку.
Характеристики оптичного волокна як структурного елементу датчика і систем зв'язку
Перш ніж оцінювати значущість цих характеристик для обох областей застосування, відзначимо загальні достоїнства оптичних волокон:
широкосмугова (передбачається до декількох десятків терагерц);
малі втрати (мінімальні 0,154 дБ/км);
малий (близько 125 мкм) діаметр;
мала (приблизно 30 г/км) маса;
еластичність (мінімальний радіус вигину 2 MM);
механічна міцність (витримує навантаження на розрив приблизно 7 кг);
відсутність взаємної інтерференції (перехресних перешкод типу відомих в телефонії "перехідних розмов");
безіндукційність (практично відсутній вплив електромагнітної індукції, а отже, і негативні явища, пов'язані з грозовими розрядами, близькістю до лінії електропередачі, імпульсами струму в силовій мережі);
вибухобезпечність (гарантується абсолютною нездатністю волокна бути причиною іскри);
висока електроізоляційна міцність (наприклад, волокно завдовжки 20 см витримує напругу до 10000 B);
висока корозійна стійкість, особливо до хімічних розчинників, масел, води.
У області оптичного зв'язку найбільш важливі такі достоїнства волокна, як широкосмугова і малі втрати, причому в будівництві внутрішньоміських мереж зв'язку разом з цими властивостями особливе значення придбавають малий діаметр і відсутність взаємної інтерференції, а в електрично несприятливому навколишньому середовищі — безіндукційність. Останні ж три властивості в більшості випадків тут не виконують якої-небудь помітної ролі.
У практиці використовування волоконно-оптичних датчиків мають найбільше значення останні чотири властивості. Достатньо корисні і такі властивості, як еластичність, малі діаметр і маса. Широкосмугова ж і малі втрати значно підвищують можливості оптичних волокон, але далеко не завжди ці переваги усвідомлюються розробниками датчиків. Проте, з сучасної точки зору, у міру розширення функціональних можливостей волоконно-оптичних датчиків в найближчому майбутньому ця ситуація потроху виправиться.
Як буде показано нижче, у волоконно-оптичних датчиках оптичне волокно може бути застосоване просто як лінія передачі, а може грати роль найвідчутнішого елементу датчика. У останньому випадку використовуються чутливість волокна до електричного поля (ефект Керра), магнітного поля (ефект Фарадея), до вібрації, температури, тиску, деформацій (наприклад, до вигину). Багато хто з цих ефектів в оптичних системах зв'язку оцінюється як недоліки, в датчиках же їх поява вважається швидше перевагою, яка слідує розвивати.
Слід також відзначити, що оптичні волокна істотно покращують характеристики пристроїв, заснованих на ефекті Саньяка.
Класифікація волоконно-оптичних датчиків і приклади їх застосування
Сучасні волоконно-оптичні датчики дозволяють вимірювати майже все. Наприклад, тиск, температуру, відстань, положення в просторі, швидкість обертання, швидкість лінійного переміщення, прискорення, коливання, масу, звукові хвилі, рівень рідини, деформацію, коефіцієнт заломлення, електричне поле, електричний струм, магнітне поле, концентрацію газу,