Волоконно-оптический преобразователь

ОЮЗ СОВЕТСКИХОЦИАЛИСТИЧЕСКИЕСПУБЛИК 1744 б 7 б А 1 9) Я 2 В 6/24 51)5 ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТПРИ ГКНТ СССР ъ1) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН е ф. ТЕЛЬСТВУ ВТОРСКОМ око ачи е конструкторское дством Отдела тепХуршудян и Л, М 1985, М 12, р п. Етого р, 345-34 Совввп, Орт., еее)Е) К нед относятся обусловле тур волоко стояния м потери изл фиксацией стного устроиства потери излучения, ованностью апердов, наличием расветоводов, а также вленные неполнойна стыке оптичестдткдм изве ущественн ые ные несогла нных светово жду торцами сния, обусло тека ющего уче вь(71) Специализированнбюро с опытным произвлофизики АН УЗССР(56) А 081 га Еессгоп. Е41 - 44.Ргос. СоСаппез, 1982,Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам, предназначенным для преобразования части оптического сигнала в волоконно-оптиче-. ских системах сбора, передачи и обработки информации.Известно устройство для преобразования части распространяющегося по волоконно-оптической системе оптического излучения в электрический сигнал,Известное устройство содержит расположенные соосно входной и выходной оптические каналы, выполненные из волоконных световодов и фотоприемное устройство с фоточувствительным элементом и электрическим выходным каналом, который расположен непосредственно у места стыковки волоконных световодов. Оптическое излуче-ние от источника вводится во входной оптический канал, а затем попадает в выходной, оптический канал, причем часть излучения, вытекающего на стыке между световодами входного и выходного каналов, фиксируется(57) Использование; в вол нно-оптических системах сбора, переди обработки информации. Сущность изобретения; преобразователь содержит входной и выходной световоды и фотоприемник, выполненный в виде плоской фоточувствительной площадки с круглым отверстием, в котором установлен входной световод, торец которого совмещен с плоскостью фоточувствительной поверхности и с торцом выходного световода, при этом диаметр световедущей жилы выходного световода больше диаметра световедущей жилы входного световода, 2 ил. фотоприемным устройством с фоточувствительным элементом и электрическим выходным каналом, Следовательно, часть оптического излучения, распространяющегося по волоконно-оптическому тракту, фиксируется фотоприемным устройством с фоточувствительным элементом и электрическим выходным каналом, т. е, преобразовывается в электрический сигнал, По величине этого сигнала (при фиксированном положении входного и выходного каналов и фоточувствительного элемента относительно друг друга) можно судить о мощности излучения, протекающего по волоконно-оптическому тракту,5 10 15 20 30 35 40 45 50 55 ского излучения с помощью фоточувствительного элемента,Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому волоконно-оптическому преобразователю является волоконно-оптический преобразователь (ВОП) входного оптического канала в выходной оптический канал с фотоприемным устройством и фоточувствительным элементом, состоящий из одного волоконного световода (ВС), небольшой участок которого помещался в специальный желоб в стеклянной трубке и фиксировался там с помощью клея, Желоб изготовлен таким образом, что расположенный в нем участок ВС изогнут так, что его ось составляла определенный угол с осью неизогнутой части ВС. Перед изгибом ВС, где наблюдалось вытекание излучения, вплотную к изгибу ВС, в стеклянной трубке располагался фоточувствительный элемент фотоприемного устройства с электрическим выходным каналом, с помощью которого вытекающее из изгиба ВС оптическое излучение преобразовывалось в электрический сигнал,Известный ВОП позволяет выводить часть излучения в нескольких местах вдоль одного и того же ВС, благодаря чему он широко используется в волоконно-оптических распределительных системах. Необходимо отметить, что известный ВОП нечувствителен к электромагнитным наводкам, имеет высокое быстродействие, обусловленное высокой скоростью распространения света, и может использоваться в агрессивных средах.Однако известный ВОП имеет ряд существенных недостатков, основным из которых является наличие потерь оптического излучения на изгибе ВС из-за различия углов выхода оптичсского излучения из изгиба по отношению к оси неизогнутой части ВС и непопадания части вытекающего из изгиба излучения на фоточувствительный элемент фотоприемного устройства, Другой причиной потерь мощности оптического излучения и, соответственно, ухудшения чувствительности ВОП, является наличие участка стеклянной трубки между чувствительным к вытекающему из изгиба ВС оптическому излучению фоточувствительным элементом фотоприемного устройства и непосредственно изгибом ВС. Выходящее из изгиба излучение частично рассеивается и поглощается стеклом, что приводит к ослаблению оптического сигнала с фотоприемного устройства. Потери оптической мощности вызывают ограничение количества ВОП, расположенных на одном ВС, необходимость использования мощных источников излучения и, как следствие, сужение функциональных возможностей и области применения ВОП известной конструкции.Цель изобретения - уменьшение потерь мощности оптического излучения и повышение чувствительности,Поставленная цель достигается тем, что в волоконно-оптическом преобразователе (ВОП), содержащем соосно расположенныевходной и выходной оптические каналы, выполненные из волоконных световодов, фотоприемное устройство с фоточувствительным элементом и электрическим выходным каналом, волоконный световод выходного оптического канала выполнен диаметром О световедущей жилы, большим диаметра б световедущей жилы волоконного световода входного оптического канала. фоточувствительныйэлемент фотоприемного устройства выполнен в виде плоской фоточувствительной поверхности с круглым отверстием в центре с диаметром, равным диаметру световедущей жилы входного оптического канала, в отверстии установлен волоконный световод входного оптического канала, плоскость торца которого совмещена с плоскостью фоточувствительной поверхности и с плоскостью торца волоконного световода выходного оптического канала.В зависимости от соотношения размеров диаметров О и б световедущих жил обоих световодов(см. ВС 2 и ВС 3 на фиг, 1) ВОП может использоваться для различных целей. При выполнении условия бО, вытекание излучения на стыке ВС в направлении распространения излучения по волоконнооптическому тракту практически нет и фоточувствительная поверхность регистрирует оптическое излучение, отраженное от торца волоконного световода выходного оптического канала. В случае соизмеримости диаметров световедущих жил ВС 2 и ВС 3, т, е. при ФО наблюдается несогласованность апертур ВС и вытекание оптического излучения, вследствие чего фоточувствительная поверхность регистрирует оптическое излучение, вытекающее на стыке двух световодов при прохождении излучения по волоконно-оптическому тракту в направлении первоначального распространения излучения. Следовательно, выбирая соотношения диаметров б и О световьдущих жил ВС 2 и ВС 3, можно использовать сигнал электрического выходного канала в качестве сигнала опорного канала для определенияпротекающей по волоконно-оптическому тракту оптической мощности, так идля регистрации излучения, отраженного отторца ВС 3 выходного оптического канала. Задаваясь определенным соотношением диаметров б и О световедущих жил, можно создавать многофункциональные ВОП, в которых электрический выходной канал может быть использован как опорный канал для определения величины оптической мощности, протекающей по волоконно-оптическому тракту, в то время как по мощности оптического излучения, отраженного от выходного торца ВС выходного оптического канала, можно судить о физических параметрах окружающей торец ВС среды.Из сопоставления известного (прототипа) и предлагаемого технических решений следует, что предлагаемое изобретение обеспечивает расширение функциональных возможностей и области применения ВОП путем уменьшения потерь мощности оптического излучения и повышения чувствительности.На фиг, 1 представлена схема предлагаемого ВОП; на фиг.2 - представлена схема экспериментальной установки с ВОП, используемым для исследования параметровжидких сред,Устройство содержит (см. фиг. 1) корпус 1, входной оптический канал 2, выходной оптический канал 3, фоточувствительную по верхность 4 фоточувствительного элемента с электрическими контактами 5 и предусилитель (на фиг. 1 не показан).Корпус 1 выполнен, например, в виде полой трубки, В противоположных торцах корпуса 1 закреплены (например, с помощью клея) светоподводящий ВС 1 и светоотводящий ВС 2. Их торцы соединены внутри корпуса 1 друг с другом (например, посредством склейки) и расположены соосно. Светоподводящий ВС 2 имеет диаметр световедущей жилы б меньший, чем диаметр световедущей жилы 0 светоотводящего ВС 3. Фоточувствительная поверхность 4 имеет в центре круглое отверстие, диаметр которого равен диаметру световедущей жилы б ВС 2, В отверстии расположен свето- подводящий ВС 2, Фоточувствительная поверхность 4 фотоприемного устройства имеет диаметр не меньше диаметра О светоотводящего ВС 3, обращена в сторону от торца ВС 3 и находится в контакте с ним, Фоточувствительная поверхность 4 установлена перпендикулярно оптической оси ВС 3 и закреплена в корпусе (например, при помощи клея) или может быть выполнена в виде фоточувствительного слоя, нанесенного на ту поверхность торца светоотводящего ВС 3, которая остается свободной после стыковки (например, путем склеивания) светоподводящего ВС 2 и светоотводящего ВС30 35 40 45 50 55 5 10 15 20 25 3, Электрические контакты 5 фоточувствительной поверхности 4 выведены из корпуса 1 (например, со стороны светоотводящего ВС 3).Предлагаемое устройство работает следующим образом.Распространяющееся по светоподводящему ВС 2 оптические излучение, выходя из его торца, вводится в торец светоотводящего ВС 3, а остальная его часть попадает на фоточувствительную поверхность 4. Электрические сигналы с помощью электрических контактов 5 поступают в цепь предусилителя (на фиг, не показан). В данном ВОП распространяющееся по светоподводящему ВС 2 оптическое излучение перераспределяется между выходным оптическим каналом (В С 3) и фоточувствительной поверхностью 4 фотоприемного устройства, представляющей собой электрический выходной канал,В случае выполнения соотношения бО для диаметров светоподводящего и светоотводящего ВС, потери оптический интенсивности ВОП равны А=1009(о/11+ 12) (1) где 1 - интенсивность излучения на выходе ВС 2 в отсутствие ВОП;1 - интенсивность излучения на выходе ВСЗ;12 - интенсивность излучения, поступающего в выходной электрический канал.Потери оптической мощности для данного ВОП, обусловленные непараллельно- стью плоскостей, стыкуемых ВС (когда эти поверхности неперпендикулярны осям световодных волокон), относительно невелики, а потери, связанные с несогласованностью апертур ВС 2 и ВС 3, практически не имеют места. При выполнении соотношения (1) ВОП можно использовать в качестве устройства для исследования параметров жидких сред. Эта возможность проверялась с помощью экспериментальной установки (см, фиг. 2),Экспериментальная установка содержит источник излучения - лазер Л, модулятор М, узел ввода У, - для оптического сопряжения с выходным торцом ВС А(многомодовым кварцевым ВС с диаметром световедущей жилы бф 50 мкм; длиной 1 м). ВС А состыкован с ВС Б(многомодовым световодом с диаметром 0=400 мкм и длиной 0,5 м), В качестве канала, подводящего излучение к кювете 2, использовался волоконнооптический тракт, составленный из ВС А и ВС Б, а в качестве сигнального электрического канала - фоточувствительная поверхность 1 с электрическими контактами 4.1744676 50 55 предусилителем электрических сигналов 5 и вольтметром 6, Излучение по ВС А проходило от лазера Л через ВС Б и до его выходного торца, который герметично фиксировался в кювете 2 так, чтобы напротив торца на рас стоянии Х располагалась внутренняя зеркальная стенка кюветы 2 (коэффициент отражения от зеркальной стенки Кф 1), отражалось обратно в ВС Б и фиксировалось фоточувствительной пластинкой 1 с по мощью предусилителя 5 и вольтметра 6.В приведенном датчике торцового типа для измерения показателя преломления жидкости изменение интенсивности происходит преимущественно вследствие изме нения расходимости светового пучка а, причем результат можно определить по формуле:2 гх1). (2) 204 КХ п 1(п - п) где п 1, п 2, пх - показатели преломления световедущей жилы ВС Б, оболочки ВС Б и исследуемой среды соответственно, 25Используя схему фиг. 2 для измерения показателя преломления растворов сахара с концентрациями от 0,1 до 1,0 Ои со значениями показателей преломления раство- . ров сахара от 1,3318 до 1,3330, 30 соответственно,чувствительность датчика к изменению показателя преломления растворов сахара Ь и, измеряемая величина которого составляла 10 показателя преломления пх 35Лг пх(3)Дп гК ХЬ(п 1 - п 3) В случае п 1 - и =100=400 мкм, Х=50 мкм и измерения с погрешностью порядка 40 10минимально регистрируемые величины бп= 10, Выбирая диаметры б и О световедущих жил ВС А и ВС Б близкими по величине, можно использовать сигналы электрического выходного канала при про хождении оптического импульса от источника в качестве опорного сигнала, а этот же импульс, отраженный назад в ВС Б, регистрировать также с помощью электрического выходного канала и судить по его величине о состоянии окружающей торец ВС 6 среды,Таким образом, комбинируя несколько описанных выше ВОП, можно создавать многоточечные волоконно-оптические системы сбора, передачи и обработки информа- . ции,Согласно приведенным данным можно сделать вывод, что с помощью предлагаемого устройства можно расширить область применения ВОП, на их основе создавать новые типы волоконно-оптических систем сбора, передачи и обработки оптической информации,Формула изобретения Волоконно-оптический преобразователь, содержащий соосно расположенные входной и выходной оптические каналы, выполненные из волоконных световодов, фотоприемное устройство с фоточувствительным элементом и электрическим выходным каналом, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью уменьшения потерь мощности оптического излучения и повышения чувствительности, волоконный световод выходного оптического канала выполнен с диаметром световедущей жилы, большим диаметра световедущей жилы волоконного световода входного оптического канала, фоточувствительный элемент фотоприемного устройства выполнен в виде плоской фоточувствительной поверхности с круглым отверстием в центре с диаметром, равным диаметру световедущей жилы входного оптического канала, в отверстии установлен волоконный световод входного оптического канала, плоскость торца которого совмещена с плоскостью фоточувствительной поверхности и с плоскостью торца волоконного световода выходного оптического канала,1744676 оставитель Н.Дашевецехред М,Моргентал Коррек М,Недолужен Ред к Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 10 аказ 2197 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Рэушская наб 4/5