Микрооптические элементы и устройства для волоконно-оптических измерительных систем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

СОКОЛОВСКИЙ АЛЕКСАНДР АЛЕКСЕЕВИЧ

МИКРООПТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Специальность 01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2009

003467010

Работа выполнена во Фрязинском филиале Учреждения Российской академии наук Института радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Наний Олег Евгеньевич

доктор технических наук, профессор

Берикашвили Валерий Шалвович

доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Антонов Сергей Николаевич

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное

предприятие

"Научно-исследовательский институт "Полюс" имени М.Ф. Стельмаха".

Защита диссертации состоится «26» июня 2009 г. в 10 часов на заседании Диссертационного совета Д 002.231.03 Учреждения Российской Академии наук Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН по адресу: 125009, г.Москва, ГСП-9, ул. Моховая, д.11, корп.7

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

Автореферат разослан «25» мая 2009 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета ^ Перцовский М.И.

Актуальность темы.

Волоконно-оптические измерительные системы представляют собой отдельный класс измерительных систем. Они обладают набором особых свойств, которым не обладают системы других типов. Эти свойства обусловлены высокой помехозащищенностью волоконного тракта передачи оптического сигнала, гальванической развязкой точек измерения и индикации, возможностью использования самого волокна в качестве первичного преобразователя измеряемой величины.

Конфигурация конкретной измерительной системы, использующей оптическое волокно либо в качестве тракта передачи излучения, либо в качестве элемента первичного преобразователя (датчика), подвержена значительным изменениям, обусловленным спецификой решаемой измерительной задачи.

В связи с этим является актуальной проблема создания волоконных элементов и устройств, которые бы являлись основными строительными «кубиками» при создании любой волоконно-оптической системы.

Элементная база волоконно-оптических измерительных систем включает в себя устройства согласования элементов оптического тракта, устройства деления, переключения и модуляции оптического сигнала. Эти устройства, выполняемые чаще всего на основе волоконных световодов, отличаются миниатюрными размерами, поскольку должны сопрягаться со световодами, характерные размеры свеговедущих жил которых 3-100 мкм, и требуют не только разработки специфических методов расчета их оптико-физических характеристик, но и детального исследования особенностей их применения в волоконно-оптических измерительных системах.

Исторически, развитие волоконных систем начиналось с использованием многомодовых волоконных световодов, что было обусловлено более простыми требованиями к их соединению, а также существовавшими источниками и приемниками излучения. Многомодовые волоконные световоды, широко применяются и в настоящее время для решения многих прикладных задач

метрологического, связного и промышленного применения. В связи с этим разработка микрооптических элементов и устройств для многомодовых волоконных систем является весьма актуальной проблемой.

Волоконные микрооптические элементы и устройства во многих случаях функционируют на принципах, отличающихся от принципов работы обычных оптических элементов (например, линз) и требуют разработки специальных методов расчета их конструктивных параметров, исходя из необходимых оптических характеристик. Очевидно, что для одномодовых и многомодовых систем эти методы существенно различаются. Теория диэлектрических волноводов, частным случаем которых являются волоконные световоды, достаточно хорошо развита и хорошо описывает одномодовые системы. В то же время характеристики многомодовых волоконных систем рассчитывались, как правило, численными методами на основе традиционного аппарата геометрической оптики, что не давало полного физического представления об особенностях оптимального построения многомодовых волоконных систем.

Разработка методов расчета энергетических характеристик многомодовых систем, позволяющих в аналитическом виде решать задачи, необходимые для определения конструктивных параметров волоконных трактов при которых энергетические потери минимальны, являлась одной из целей диссертационной работы.

Важной, как в теоретическом, так и в экспериментальном плане, является также задача формирования с помощью микрооптических элементов световых пучков о заданными характеристиками (угловой расходимостью, диаметром фокального пятна и т.д.). Несмотря на то, что некоторые из этих элементов были известны к началу настоящей работы, особенности их применения в волоконных системах были изучены недостаточно. Так, например, не было полной ясности в выборе параметров диэлектрических фоконов, позволяющих с максимальной эффективностью осуществлять преобразование пучков при коллимировании и фокусировке излучения, а характеристики градиентных линз рассчитывались только в параксиальном приближении и не учитывали влияние

на четвертьволновую длину линзы параметров входного пучка. Указанные выше задачи требовали как теоретических, так и экспериментальных исследований, которые также являлись предметом настоящей работы.

Волоконно-оптические датчики амплитудного типа требуют амплитудной стабильности приёмно-передающих волоконных трактов. В связи с этим актуальной является задача разработки волоконных устройств деления и объединения световых пучков, с минимальной чувствительностью к модовому составу излучения. Важной задачей является также разработка волоконных переключателей и модуляторов, дистанционно управляемых оптическим излучением малой мощности.

Наряду с разработкой микрооптических элементов на основе световодов, актуальными являются также проблемы поиска новых принципов построения волоконно-оптических датчиков, поиск и исследование новых миниатюрных чувствительных элементов, разработка принципов регистрации и обработки оптических сигналов, обеспечивающих высокую точность и стабильность измерений и реализация этих принципов в конкретных образцах волоконных датчиков. Решение перечисленных выше задач и являлось предметом исследований и разработок в настоящей работе.

Основной целью диссертационной работы являлась разработка принципов построения оптических трактов волоконно-оптических датчиков с минимальными энергетическими потерями, разработка новых принципов измерения ряда физических величин и создание лабораторных образцов приборов, реализующих эти принципы.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• Разработка методов расчета энергетических характеристик многомодовых волоконных систем, учитывающих различные конструктивные и оптические параметры системы.

• Теоретическое и экспериментальное исследование методов формирования волоконными микрооптическими элементами световых пучков с заданными характеристиками.

• Разработка и исследование волоконно-оптических устройств, управляемых оптическим излучением.

• Теоретическое и экспериментальное исследование волоконных датчиков рефлектометрического типа (в том числе на основе кольцевых систем) и волоконных интерферометров.

• Разработка новых принципов измерения с помощью волоконно-оптических датчиков ряда физических величин (перемещений, температуры, скорости газовых потоков, концентрации в атмосфере взрывоопасных газов, люминесцентного анализа биоткани).

• Разработка элементов гибридных волоконно-оптических датчиков для измерений, требующих гальванической развязки микроэлектронных первичных преобразователей и блока индикации.

Научно-техническая новизна работы состоит, прежде всего, в разработке новых методов расчета энергетических потерь в волоконно-оптических измерительных системах, разработке волоконных микрооптических элементов с оптимальными характеристиками, применение которых позволяет существенно снизить потери в оптическом тракте, разработке волоконных устройств, управляемых оптическим излучением и расширяющих функциональные возможности измерительных систем, а также разработке новых принципов измерения некоторых физических величин.

К наиболее существенным новым результатам, полученным в работе, относятся следующие:

• Разработаны методы расчета энергетических характеристик многомодовых волоконных трактов основанные на гамильтоновой формулировке лучевой оптики, которые позволили впервые решить в аналитическом виде основные задачи ввода излучения в многомодовые световоды и рассчитывать конструктивные параметры волоконных трактов при которых потери в них минимальны.

• Теоретически и экспериментально определены оптические и конструктивные параметры микрооптических элементов (фоконов, микролинз)

при которых достигается оптимальное согласование элементов волоконного тракта. Впервые показано, что четвертьволновая длина градиентных линз зависит от параметров входных световых пучков и отличается от длины определяемой в параксиальном приближении.

• Впервые получены аналитические выражения для расчета туннелирования излучения из изогнутых волокон с частично удаленной оболочкой., что позволяет использовать их в качестве чувствительных элементов датчиков для определений показателя преломления среды, датчиков на эффекте НПВО, а также использовать для контроля параметров заготовок в процессе изготовления волоконных разветвителей с заданным коэффициентом деления и спектральными характеристиками.

• Впервые теоретически и экспериментально показано, что накопление сигнала рэлеевского рассеяния в замкнутых кольцевых волоконных системах позволяет существенно повысить чувствительность при измерении малых потерь в световодах, в том числе обусловленных внешними деформациями световода.

• Теоретически и экспериментально исследованы волоконно-оптические датчики перемещений как амплитудного, так и интерференционного типа. Получены основные соотношения для расчёта крутизны преобразования. Созданы опытные образцы таких датчиков. Разработан газоанализатор для измерения состава бинарной газовой смеси, основанный на измерении зависимости частоты колебаний мембраны от плотности газа, причем частота колебаний мембраны измеряется волоконным датчиком, что делает газоанализатор взрывобезопасным.

• Впервые проведены исследования оптических свойств пленок У02 полученных на торцах волоконных световодов и определены их параметры, при которых достигается максимальный контраст оптических характеристик при фазовом переходе, индуцированном оптическим излучением. Разработаны волоконные переключатели и модуляторы, управляемые оптическим излучением. Разработаны и исследованы волоконно-оптические датчики

температуры и скорости газового потока на базе релаксационного генератора с чувствительным элементом на основе плёнок УОг,

• Впервые показано, что гетероструктуры АЮаАв предназначенные для изготовления светодиодов при определенных условиях могут эффективно (КПД>45%) работать в режиме фотовольтаического преобразователя. На основе разработанного преобразователя созданы образцы гибридных волоконно-оптических датчиков для измерения концентрации углеводородных газов и многофункциональный датчик тока, которые работают при взрывобезопасных уровнях оптической мощности.

• Разработаны методы построения волоконно-оптических измерительных систем для люминесцентной диагностики патологических состояний биоткани. Разработаны методы расчета волоконных зондов для таких систем. Экспериментально показана высокая чувствительность разработанной аппаратуры применительно к задачам стоматологии.

Положения выносимые на защиту:

1. Применение гамильтоновой формулировки лучевой оптики позволило получить аналитические выражения для расчета конструктивных параметров узлов ввода излучения от полупроводниковых излучателей в многомодовые оптические волокна, при которых реализуются оптимальные условия согласования, и снижается зависимость вносимых потерь от разброса технологических параметров.

2. Теоретический расчет и экспериментальное подтверждение оптимальных параметров микрооптических волоконных элементов - фоконов, микролинз, градиентных линз, при которых в 3-10 раз снижаются энергетические потери в оптических трактах волоконных датчиков.

3. Метод измерения предельно малых потерь в волоконном световоде, основанный на многопроходном зондировании исследуемого световода в кольцевой системе и накоплении сигнала рэлеевского рассеяния, обеспечивает снижение порога обнаружения наведенных в световоде потерь по сравнению с

однопроходными измерениями в 2-3 раза, что приводит к существенному повышению чувствительности датчиков механических деформаций.

4. Технология изготовления одномодовых разветвителей из волокон с градиентным профилем показателя преломления, основанная на контроле толщины удаляемой части светоотражающей оболочки по величине туннелирующего оптического излучения, позволяющая изготавливать элементы с наперед заданными амплитудными и спектральными характеристиками и с потерями менее 1 дБ.

5. Волоконные переключатели и модуляторы (амплитудные и фазовые), с пленками У02, нанесенными на торец волоконного световода, при оптическом индуцировании фазового перехода полупроводник-металл, позволяют при управляющей оптической мощности 0.5-7 мВт дистанционно перестраивать параметры волоконной измерительной системы.

6. Принцип построения измерительных систем для измерения перемещений на основе одноволоконных датчиков отражательного типа, обеспечивает расширение диапазона измерений и, в случае некогерентного источника излучения, обеспечивает динамический диапазон более бОдБ при перемещении до 400 мкм, а в случае когерентного источника излучения - динамический диапазон более 95дБ (в режиме измерения динамических перемещений до 17 мм).

7. Возможность работы полупроводниковых светодиодных структур АЮаАв-СаАэ в качестве фотовольтаических преобразователей при эффективности преобразования монохроматического излучения, длина волны которого сдвинута относительно максимума электролюминесценции на 20-60 нм в коротковолновую область, в электрическую мощность с КПД более 45%, напряжением более 1,2 В при токе нагрузки до 100 мА, что позволяет создавать гибридные волоконно-оптические измерительные системы с питанием электронных модулей оптическим излучением малой мощности.

Практическая значимость проведенных исследований и разработок заключается в следующем:

Разработанные на основе лучевой оптики в Гамильтоновой формулировке методы расчета эффективности ввода излучения в многомодовые волоконные световоды с произвольным профилем показателя преломления позволили получить основные аналитических соотношения для выбора конструктивных параметров узлов сопряжения источников излучения со световодами. Важным для практического использования является теоретический и анализ и результаты экспериментальных исследований микрооптических элементов для формирования световых пучков с заданными характеристиками на основе фоконов, и выяснение влияния их конструктивных параметров на характеристики световых пучков. Это позволяет создавать на их основе согласующие элементы для эффективного сопряжения различных элементов волоконных трактов, включая согласования различных излучателей (в первую очередь полупроводниковых лазеров и светодиодов) с оптическими волокнами. Полученные формулы для расчёта градиентных линз позволяют оптимизировать их длину и другие конструктивные параметры и, как следствие, существенно уменьшить угловую расходимость пучка при его коллимировании или диаметр фокального пятна при фокусировке излучения, что обеспечивает существенное снижение потерь в оптическом тракте.

Полученные соотношения для расчёта туннелирования излучения из световодов с частично удалённой оболочкой позволили разработать контролируемую на всех стадиях технологию изготовления одномодовых разветвителей с заданными амплитудными и спектральными характеристиками.

Эффективность разработанных методов и устройств продемонстрирована на примере их применения в различных образцах волоконно-оптических датчиков. На основе проведенных исследований впервые созданы волоконно-оптические элементы (переключатели и модуляторы) управляемые оптическим излучением малой (1-2 мВт) мощности. Такие элементы могут найти

применение, как в системах связи, так и в волоконно-оптических датчиках, примером которых может являться волоконно-оптический датчики (ВОД) температуры и скорости газового потока разработанные в данной работе.

Проведенные исследования взрывобезопасности волоконных трактов позволили впервые сформулировать критерии абсолютной взрывобезопасности при передаче по световодам мощного оптического излучения. Исходя из ограничений передаваемой по световодам мощности, в данной работе разработаны высокоэффективные фотовольтаические преобразователи для применений в гибридных волоконно-оптических датчиках. Примером построения таких датчиков с применением разработанных элементов является многофункциональный датчик тока, позволяющий одновременно с высокой точностью измерять четыре физических параметра при полной гальванической развязке измеряемой цепи с блоком отображения информации.

Разработанные методы построения высокочувствительных волоконно-оптических фотометров позволили создать ВОД метана с удалением газовой кюветы от места расположения регистрирующей аппаратуры до 2 км, датчики температуры, нечувствительные к электромагнитным полям, волоконно-оптические устройства для контроля люминесценции биотканей с целью определения их отклонения от нормального состояния.

Результаты диссертационной работы внедрены в ряде промышленных организаций, в частности, в ФГУП «НИИ ПОЛЮС им. М.Ф. Стельмаха», ОАО НПО «Химавтоматика», ГУ МОНИКИ им. М.Ф. Владимирского.

Апробация работы Материалы исследований и разработок докладывались на следующих Всесоюзных, Российских и международных конференциях: 2-я Всесоюзная конференция по проблеме "Волоконно-оптические линии связи", Москва, 1978; 3-я Всесоюзная научно-техническая конференция "Фотометрия и её метрологическое обеспечение", Москва 1979; 3-я Всесоюзная конференция по ВОЛС, Москва, 1981; Всесоюзная конференция "Волоконно-оптические линии связи", Киев, 1982; Всесоюзная научно-техническая

конференция по источникам тока, Москва 1983; 4~я Всесоюзная конференция СССПМ, Москва, 1984; Всесоюзное совещание "Совершенствование средств связи на основе внедрения стекловолоконной и процессорной техники" Кишинёв, 1986; Всесоюзная конференция "Аналитическое приборостроение. Методы и приборы для анализа жидких сред", Тбилиси, .1986; Всесоюзный семинар "Измерение перемещений в динамическом режиме", Каунас, 1987; 5-я Международная школа по когерентной оптике, Ужгород, 1989; Всесоюзная конференция "Волоконно-оптические преобразователи в приборостроении", Севастополь, 1983; Всесоюзная конференция "Быстродействующие элементы и устройства волоконно-оптических и лазерных информационных систем", Севастополь, 1990; Научно-технический семинар по волоконно-оптическим системам и средствам, Калининград Московская обл., 1990; 5-я Всесоюзная Конференция. ВОСПИ-88, Москва, 1988г; 1-я Всесоюзная конференция "Оптические методы исследования потоков", Новосибирск, 1991; Всесоюзная конференция "Проблемы измерительной техники в волоконной оптике", Нижний Новгород, 1991; 3-й Всесоюзный семинар "Химические методы обработки поверхности", Москва, 1991; Международная конференция ISFOC-91, Санкт-Петербург, 1991; Международная конференция ISFOC-93, Санкт-Петербург, 1993; Международная конференция Eurosensors-X, Leuven, Belgium, 1996; 10th International Symposium on Advances of Measurement Science Saint-Petersburg, 2004; Всероссийская конференция по волоконной оптике, Пермь, 2007; International Instrumentation and Measurement Technology Conference, Canada, 2008; 21st Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, 2008 Ontario, Canada; Conference on Power Systems, Winnipeg, Canada, 2008.

Результаты диссертационной работы опубликованы 89 работах, из которых 32 статьи в рецензируемых изданиях, 13 авторских свидетельств и патентов РФ и 44 доклада на международных, всесоюзных и всероссийских конференциях.

Личный вклад автора. Представленные в диссертации результаты получены лично автором или при его непосредственном участии и руководстве. Методы расчета согласования элементов многомодовых волоконных трактов на основе лучевой оптики в гамильтоновой формулировке разработаны автором совместно с Шатровым А.Д. и Потаповым В.Т.. Расчеты, представленные в главах 1 и 2 выполнены автором лично. Часть результатов представленных в гл.З и 4 получены автором при участии Седых Д.А.. Результаты гл.5 в части физических исследований получены автором совместно с Егоровым Ф.А., в части практической реализации устройств результаты получены автором лично. Результаты, приведенные в главах 6 и 8, получены лично автором. Медицинские особенности применения разработанных автором волоконных систем для люминесцентной диагностики изучены автором совместно с Александровым М.Т. и Масычевым В.И.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав и заключения.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы основные цели работы и определены основные направления исследований.

В первой главе, на основе лучевой оптики в гамильтоновой формулировке развит общий подход к решению задач согласования элементов многомодовых оптических трактов. Для волоконных световодов при равномерном возбуждении всех мод мерой «энергетической ёмкости» является величина апертурного объема в четырехмерном фазовом пространстве р,, ру, х, у , где обобщенные импульсы рх,ру связаны с углами наклона распространяющегося луча к соответствующим координатным осям, а х,у, определяют координаты луча в некотором сечении г. Для волокон с профилем показателя преломления (ППП), определяемом формулой:

п1{г) = п1(\-2М-У\г<а

а

пг(г) - и„(1-2Д),г > а

(где а - радиус световедущей жилы, а Д = - относительная разность

показателей преломления жилы и оболочки световода)

апертурные объемы при учете как поверхностных, так и туннелирующих мод определяются выражениями

где .¿„-числовая апертура световода, Г -гамма функция, ш=2 соответствует волокну с параболическим 111111, т ~ соответствует волокну со ступенчатым

Если все лучи, исходящие из источника, переносят одинаковую мощность (ламбертов источник) максимально возможная эффективность ввода излучения в волокно определяется отношением апертурного объема волокна к апертурному объему источника излучения. Эта эффективность реализуется при условии, что апертурный объем волокна полностью содержится в апертурном объеме источника. Если это условие не выполняется, то реальная эффективность ввода излучения в волокно определяется отношением объема пересечения апертурного объема волокна с апертурным объемом источника к апертурному объему источника. В случае, когда упомянутый объем пересечения меньше апертурного объема волокна эффективность ввода излучения может быть увеличена с помощью микрооптических согласующих элементов.

В общем случае эффективность ввода излучения определяется выражением:

(2)

ппп.

где р(рх,ру,х,у,) функция плотности, пропорциональная яркости источника.

Если по условиям задачи источник можно рассматривать как точечный с диаграммой направленности /(#,<?), то для эффективности ввода излучения справедлива формула:

Достоинство подхода, основанного на гамильтоновой формулировке геометрической оптики, состоит в том, что при решении типичных задач возбуждения волоконных световодов отпадает необходимость учета траекторий всех световых лучей распространяющихся в системе, а необходимо учитывать только лучи, определяющие границы апертурного объема. Вычисление интегралов (3) и (4) (причем, интегралы, стоящие в числителе, вычисляются по объему пересечения в сечении ъ апертурных областей источника и возбуждаемого волокна), дает аналитическую зависимость эффективности ввода излучения в волоконные световоды с произвольным (степенным) профилем показателя преломления от полупроводниковых источников излучения с учетом продольных разъюстировок. На основе проведенных расчетов сформулированы требования к технологическим допускам при вводе излучения от ламбертовых источников (светодиодов) и источников полосковой геометрии в многомодовые световоды с учетом как продольных, так и поперечных разъюстировок.

Вторая глава посвящена рассмотрению основных микрооптических элементов (диэлектрических фоконов, микролинз, градиентных линз) предназначенных для преобразования световых пучков при которых достигается максимальный объем пересечения апертурных областей источника и приемника излучения. Эти элементы предназначены, в первую очередь, для согласования элементов многомодовых волоконных трактов, включая согласование источников и приемников излучения со световодами, а также световодов с различными оптическими характеристиками. Как было показано,

\\ке,<р)(1а

(4)

согласование различных элементов волоконного тракта, т.е. передача оптической мощности с минимальными потерями от источника приемнику излучения возможно только в том случае, если апертурный объем приемника излучения не меньше апертурного объема источника.

Типичные задачи преобразования световых пучков - это коллимирование и фокусировка излучения. В качестве элементов осуществляющих указанные преобразования в данной главе рассмотрены диэлектрические фоконы, микролинзы, выполненные на торце волокон и градиентные линзы, работающие с непараксиальными пучками.

Теоретически и экспериментально исследовано коллимирование излучения расширяющимися фоконами. При малых углах конусности/7 максимальный входной угол <р1Г11Х, в пределах которого будет происходить непрерывное коллимирование излучения при заданной выходной апертуре в, можно приближенно оценить по формуле:

Л

<Р1т = агсяп[—со504(?ёвк -/&£)] при Р«вк. (5)

г

(г и.В.- входной и выходной радиус фокона).

Из формулы (5) следует, что только при ¡3 -» 0 преобразование фоконом пучка лучей будет определяться соотношением Лагранжа-Гельмгольца, а при произвольных углах конусности и заданном значении выходной апертуры 0„.при коллимировании излучения будут иметь место энергетические потери.. Показано, что для применения фоконов в качестве согласующих элементов угол конусности не должен превышать 0,5°. В ходе экспериментальных исследований определены оптимальные для выбранных типов излучателей (ИЛПН301-1, ИЛПН304) параметры согласующих фоконов. Их применение позволило увеличить эффективность ввода излучения в волокно со стандартными характеристиками в 3-3,5 раза. Эффективности применения фоконов в качестве согласующих элементов для ввода излучения в стандартное многомодовое волокно от суперлюминесцентного диода (типа ИЛПН301) показана на рис.1.

О J0°

'К

/ О о

Ч

/

s / с /а

\

\о \

о \

Рис.1 Зависимость увеличения эффективности ввода излучения в волокно от параметров согласующего фокона.

1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 R/r

Разработана технология изготовления согласующих элементов на основе фоконов, которая используется при серийном выпуске излучателей ИЛПН301-1, ИЛПН304.

При фокусировке излучения диэлектрическими фоконами теоретически и экспериментально показана возможность увеличения обратного отражения в фоконе за счет полного внутреннего отражения на торце фокона.

25 20 15 ТО 5

"'!..... 1 ■

0,72_ ,0,09

JIM Г

ч

— .—

Рлаа.Уа

t,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 £,«м 7,5 8,0 вг5 3,0 9,5 ЩО fCtf t,MM

Рис.2.Зависимость ПВО на торце фокона от его длины для двух углов конусности (3° и5°)

Определены параметры фоконов, при которых будет отсутствовать обратноотраженное излучение. В этом случае, возможно их применение в качестве безиммерсионных согласованных нагрузок для волоконных трактов.

В данной главе рассмотрена также фокусировка и коллимирование излучения микролинзами изготовленными на торце волокна. Основной вывод, который следует из теоретических оценок, состоит в том, что для достижения максимальной эффективности ввода необходимо использовать линзы с радиусом кривизны сравнимым с радиусом световедущей жилы световода. Изготовление таких линз, осуществляется при визуальном контроле формы выходного светового пучка в процессе оплавления торца волокна. Это позволяет контролировать процесс формирования линзы на всех этапах и получать линзы с повторяемыми параметрами. Экспериментально исследовалось согласование суперлюминесцентных светодиодов полосковой геометрии со световодами с помощью микролинз. Показано, что применение короткофокусных линз позволяет снизить потери на ввод излучения в волокно в 2,5-2,8 раза, что качественно согласуется с теоретическими оценками.

Экспериментально также показано, что применение линз с оптимальными параметрами позволяет обеспечить эффективность ввода излучения от одномодовых лазеров в одномодовые световоды до 70-80%.

На основе предложенной в первой главе методики расчетов решена задача фокусировки и коллимирования излучения градиентными линзами для пучков с произвольной апертурой. С учетом непараксиальности световых пучков получены уточненные выражения для четвертьволновой длины градана, при которой размеры фокального пятна минимальны:

(6)

2? 8

Размер фокального пятна при этом определяется формулой:

а угол расходимости излучения на выходе линзы дается выражением вша = п^Гц. Существенным выводом из этих расчетов является зависимость четвертьволновой длины градиентной линзы от параметров входного оптического пучка (га,%).

Применение граданов с «правильной» длиной позволяет в четыре раза уменьшить расходимость выходного пучка при коллимировании излучения и в четыре раза уменьшить диаметр фокального пятна при фокусировке излучения, что обеспечивает существенное снижение энергетических потерь в волоконной системе.

Третья глава диссертации посвящена волоконным устройствам деления излучения. Эти элементы являются базовыми для волоконно-оптических датчиков рефлектометрического типа и их параметры в значительной степени определяют метрологические характеристики датчиков.

Детально описана технология изготовления шлифованных многомодовых и одномодовых ответвителей и выяснено влияние конструктивных характеристик, в частности, глубины и длины сошлифованного участка волокна, на потери и коэффициент направленности ответвителя.

Экспериментальное исследование характеристик изготовленных ответвителей показало, что ответвители такого типа имеют низкий уровень обратнорассеяного излучения, что является ключевым параметром для волоконных устройств рефлектометрического типа.

В этой главе также подробно рассмотрена технология изготовления сплавных многомодовых разветвителей У -типа. Исследованы механизмы возникновения потерь в таких ответвителях при различных условиях их изготовления. Экспериментально исследовано влияние на параметры ответвителей модового состава излучения. На основе разработанной технологии изготовления сплавных разветвителей У -типа с малыми потерями показана возможность создания разветвленных блочно-модульных систем передачи данных.

Для амплитудных волоконно-оптических датчиков

рефлектометрического типа чрезвычайно важно, чтобы модовый состав излучения введенного в волокно после взаимодействия с внешним чувствительным элементом, оставался стабильным. Несоблюдение этого условия может приводить к нежелательным флуктуациям мощности на входе

фотоприемника и заметно снижать точность датчика. Для обеспечения стабильности модового состава излучения в работе предложен и экспериментально исследован стабилизатор модового состава, который при минимальных (для устройств такого назначения) вносимых потерях обеспечивает практически неизменный модовый состав излучения в многомодовом световоде при различных условиях его возбуждения (Рис.3).

Рис.3. Диаграммы направленности излучения выходящего из волокна без стабилизатора (а) и со стабилизатором (б) для разных условий ввода

излучения.

Теоретически и экспериментально рассмотрены особенности изготовления шлифованных одномодовых ответвителей. Одномодовые световоды с частично удаленной оболочкой могут являться базовыми элементами микрооптических одномодовых устройств, (например, управляемых переключателей и поляризаторов). Основным параметром, определяющим характеристики такого устройства, является толщина оставшейся (после шлифовки) части светоотражающей оболочки световода.

В диссертации предложено контролировать этот параметр по мощности излучения туннелирую щего из световедущей жилы одномодового волокна с частично удаленной оболочкой. Получены практические формулы для вычисления потерь Ь мощности моды для важного случая туннелирования излучения из изогнутого по радиусу волокна с частично удаленной оболочкой.

L = 1 - exp

2SU 2кVRexp (- 2W h/) a3K2pKf(W)-V2(n?-n"Vh

(8)

Где Ь -минимальная толщина оставшейся после шлифовки оболочки световода Правильность выбранного подхода и полученных расчетных соотношений подтверждена экспериментально. Так расчет потерь по приведенной формуле при \УЬ/а >1,9 совпадает с экспериментальными данными с точностью не хуже 5%.

1 - L, дБ

Рис.4. Зависимость потерь в волокне от толщины оставшейся части оболочки: Сплошные кривые - расчет по формуле (8). Точки экспериментальные данные (Journ. Lightwave Tech., 1985 V.LT3, №4, p. 864-867)

h„, мкм

6,0

7,0 8,0 9,0 10,0

Это позволяет применять полученные формулы для расчета технологических параметров заготовок для одномодовых ответвителей и других устройств и контролировать эти параметры в процессе изготовления элемента по величине мощности излучения выходящего из сошлифованного участка световода, что обеспечивает воспроизводимую технологию изготовления рассматриваемых устройств. Важной особенностью разработанной технологии является то, что она применима для изготовления ответвителей из волокон с произвольным профилем показателя преломления, в то время как сплавные одномодовые ответвители требуют для изготовления световодов со специфическим профилем показателя преломления.

Для того, чтобы полученные расчетные формулы были применимы для

21

одномодовых волокон с произвольным профилем показателя преломления разработана модифицированная методика определения эквивалентных «ступенчатых» параметров одномодового волокна, основанная на измерении дальнего поля излучения выходящего из волокна. В отличие от известных методик, предложенная методика основанная на методе переменного масштаба требует существенно меньшего динамического диапазона регистрирующей аппаратуры и позволяет качественно оценить степень совпадения реального распределения поля с распределением поля для световода со ступенчатым профилем показателя преломления.

В четвертой главе диссертации рассмотрены кольцевые волоконные системы для измерения малых потерь в световодах рефлектометрическими методами. Подробно проанализированы особенности формирования сигнала в таких системах и зависимость его характеристик при различных параметрах волоконного разветвителя У - типа на основе которого строится кольцевая система. Сущность предложенного способа измерения потерь в световодах методом релеевского рассеяния состоит в том, что зондирующий импульс многократно пропускают через исследуемый световод, измеряют ослабление мощности сигнала релеевского рассеяния в начале первого прохода зондирующего импульса измеряют ослабление мощности сигнала

релеевского рассеяния в конце М-го прохода , измеряют ослабление мощности сигнала между концом первого и началом №го прохода, суммируют

.ч-1

их и определяют ослабление сигнала в световоде по формуле:

Я=1

« = 10-ЕЗ--(9)

N к '

где число проходов зондирующего импульса по волоконно-оптическому кольцу. Типичная форма сигнала рэлеевского рассеяния в кольцевой системе показана на рис.5.

В этой главе также рассмотрены особенности волоконного интерферометра Физо для измерения динамических перемещений. С учетом угловых

'9рк 1П

Рис.5. Характерная форма сигнала рэлеевского рассеяния в замкнутой кольцевой системе.

1

N

разъюстировок для опорной и сигнальной волн получены формулы (10) определяющие видность интерференционной картины, которая с учетом чувствительности фотоприемника определяет динамический диапазон датчика динамических перемещений.

к

Где

¡IV

ЛФ = 2 Ы -<р- апшп-

разность

(Ю) фаз

2 Я^+са^Ун—)

интерферирующих волн,

Ай

коэффициент

связи

интерферирующих волн с учетом угловых разъюстировок отражающего объекта.

Проведенный анализ и результаты экспериментальных исследований показывают, что при использовании фазовой модуляции одной из интерферирующих волн динамический диапазон датчика превышает 95дБ, что позволяет в режиме счета полос измерять смещения подвижного отражающего объекта в пределах до 17мм с точностью 0,3 мкм. Для применения в волоконных Фурье спектрометрах разработаны два варианта устройств

сканирования разности хода двух оптических пучков. Эти устройства обеспечивают диапазон сканирования до 1,5мм за время 10-20мс, что позволяет в режиме Фурье спектрометра регистрировать спектр излучения с помощью осциллографа. Разработанные устройства могут служить базовыми элементами для построения волоконно-оптических датчиков со спектральным представлением информации.

Пятая глава диссертации посвящена волоконно-оптическим элементам управляемым оптическим излучением. Основой этих элементов являются пленки У02 выращенные непосредственно на торце волокна и имеющие фазовый переход металл-полупроводник при температуре около 67С°. Фазовый переход сопровождается значительным изменением оптических характеристик пленки (Рис.6), что и позволяет управлять оптическим излучением.

30

; Î- 8 ^^

Л' \ \

■ А Л V

"я \ 9 V V Л \v

пу.

75

50

25

SO

70

SO 'С

Рис.6. Температурные зависимости коэффициентов отражения R(t) (А, В) и пропускания П(Т) (А1, В') для пленок VO2 с толщинами: кривые А и А' -150 А, В и В'- 200 А.

Специальный выбор толщины пленки позволяет за счет включения интерференционных эффектов обеспечивать либо преимущественное изменение коэффициента пропускания, либо коэффициента отражения. Это позволяет формировать элементы, работающие как «на проход», так и отражательного типа. Фазовый переход в пленке индуцируется оптическим излучением мощностью 1,5-2 мВт для многомодовых волокон и менее 0,5 мВт

для одномодовых.

Приведены результаты исследования оптических свойств пленок полученных методом пиролиза и влияния термоциклирования на характеристики пленок. На основе пленок УСЬ разработаны оптические схемы волоконных модуляторов и переключателей, управляемых оптическим

Рис.7. Различные схемы построения ОУВП. СИД - светодиод 1=1.6 мкм, Ф - фильтры из пластин баАя, ФП -фотоприемники с германиевыми фотодиодами, Лазер -управляющий Не - № лазер, Л -0.63 мкм.

' Пленка У02

Предложенные схемы построения элементов управляемых оптическим излучением могут применяться и при использовании других материалов с фазовым переходом. При выборе параметров пленки так, чтобы поглощение в полупроводниковой фазе было меньше поглощения в металлической фазе (это возможно в диапазоне толщин пленок 0,02-0,2 мкм), а также малых значениях температурного размытия и гистерезиса ФП возможен эффект оптической бистабильности при комнатных температурах в области собственного поглощения. Указанный эффект впервые наблюдался в настоящей работе и также может быть использован для создания оптически управляемых волоконных устройств.

излучением.

СИД □

ФП

<7

/

Пленка УО„

Ф

Лазер

аз

з ФП

го

ф

6 в)

N

В

0.8

1.6

-I__!_I_I_' '_к

1 г 1г з ц 4 6

температурах.

излучения при различных

падающего на пленку

интенсивности

проходящего через

пленку У02 от

Рис.8. Зависимость

интенсивности света

о

1в,тВт

Шестая глава посвящена расчету параметров волоконных зондов для фотометрии биотканей. На основе методики расчета развитой в первой главе рассмотрены особенности конструктивных параметров волоконных зондов для регистрации рассеянного излучения, как одиночными световодами, так и цилиндрически симметричными волоконными жгутами. Рассчитаны конструктивные параметры зондов, позволяющих регистрировать излучение с наперед заданной глубины.

Разработанные зонды применялись как для биофотометрии с целью получения диагностической информации, так и для люминесцентной диагностики биотканей. Для решения последней задачи был разработан сопряженный с волоконным зондом флюориметр, чувствительность которого позволяла регистрировать спектр эндогенной люминесценции здоровых биотканей и получать уникальную диагностическую информацию, связанную с повышенным уровнем люминесценции патологических биотканей. Уникальные возможности метода продемонстрированы, в частности, результатами предварительных клинических испытаний флюориметра в стоматологии. Чувствительность метода при диагностике начального кариеса превосходит все существующие методы и подтверждается только результатами гистологических исследований.

Седьмая глава диссертации посвящена разработке ключевого элемента гибридных волоконно-оптических датчиков - высокоэффективного фотовольтаического преобразователя. Особенностью гибридных волоконно-оптических датчиков является питание их электронной части с помощью оптического излучения, которое преобразуется в электрическую мощность. В работе экспериментально показано, что обеспечить абсолютную взрывобезопасность волоконных систем можно только при ограничении мощности передаваемой по волоконному световоду. Для стандартных многомодовых световодов с диаметром световедущей жилы 62,5 мкм взрывобезопасная мощность составляет 30-35 мВт.

Малые уровни передаваемой мощности требуют высокоэффективных фотовольтаических преобразователей для питания электронных схем датчиков. В настоящей работе детально исследованы фотовольтаические характеристики многопроходных гетерострктур АЮаАв предназначенных для изготовления светодиодов. Особенность фотовольтаического эффекта в таких структурах состоит в том, что он характеризуется высоким (1,2 В) напряжением холостого хода и значительной величиной тока короткого замыкания в максимуме спектральной чувствительности (до 60 мА при мощности оптического излучения 130-140мВт). Максимум фоточувствительности таких структур смещен относительно максимума электролюминесценции на 20-60 нм в коротковолновую область. Проведенные исследования позволили создать одноэлементные фотовольтаические преобразователи монохроматического излучения с КПД до 45%, что делает их пригодными для питания электронных модулей гибридных волоконных датчиков. Примером реализации гибридных волоконно-оптических датчиков на основе разработанных фотовольтаических преобразователей являются многофункциональный датчик тока, позволяющий одновременно измерять амплитудное значение тока в высоковольтной цепи, частоту, фазу и температуру токонесущего провода и гибридные волоконно-оптические датчики для спектральных измерений, основанные на преобразовании излучения, для которого кварцевое волокно является прозрачным, в излучение соответствующее основным линиям поглощения исследуемых веществ в ИК диапазоне.

Такие датчики позволяют измерять концентрацию веществ, не имеющих линий поглощения в полосе прозрачности стандартных световодов.

В восьмой главе приведены результаты исследований некоторых типов волоконно-оптических датчиков, разработанных с применением разработанных в работе микрооптических элементов. Это датчики перемещений отражательного типа, в том числе с компенсацией фоновых отражений, позволяющие с точностью до 0,3 мкм измерять смещения отражающего объекта в пределах 0-400 мкм при использовании стандартных многомодовых волокон. На основе таких датчиков разработан анализатор состава газовой бинарной смеси, в котором волоконный датчик измеряет частоту колебаний мембраны, которая зависит от плотности (состава) возбуждающего ее газового потока. Другим примером построения газоанализаторов является волоконно-оптический датчик метана, основанный на измерении интенсивности поглощения излучения в области 1,66мкм. Реализован опытный образец датчика, позволяющий измерять концентрацию метана в диапазоне 0-5% с точностью до 0,1% при длине волоконного тракта до 2 км. В работе приведены также результаты некоторых исследований по разработке датчиков температуры на основе пленок окислов ванадия. В первом варианте датчика применяется пленка, полученная окислением намыленного на торец волокна слоя ванадия. В результате окисления образуется пленка с сильно размытым фазовым переходом, что позволяет использовать ее в качестве чувствительного элемента для волоконного индикатора температуры. В другом варианте датчика в качестве чувствительного элемента применялась пленка У02 с резким фазовым переходом. Время остывания пленки определяет частоту колебаний релаксационного генератора и зависит как от внешней температуры, так и от условий теплообмена пленки с окружающей средой. Это позволило реализовать на этом принципе образцы датчиков температуры и датчиков расхода газов, которые вносят слабые возмущения в исследуемую среду.

В заключении сформулированы основные результаты работы, которые состоят в следующем:

1. На основе лучевой оптики в гамильтоновой формулировке сформулирован общий подход к решению задач сопряжения различных элементов

многомодовых волоконных трактов. Этот подход основывается на том, что многомодовые волоконные световоды можно охарактеризовать величиной и формой четырехмерного апертурного объема, который определяет их потенциальную «энергетическую емкость». В работе получены выражения для апертурных объемов волокон с произвольным (степенным) профилем показателя преломления с учетом всех типов лучей распространяющихся в световодах. Максимально возможная эффективность сопряжения различных элементов волоконных трактов определяется отношением апертурного объема элемента принимающего излучение к апертурному объему элемента являющегося источником излучения. В то же время при непосредственной стыковке двух элементов эффективность их сопряжения определяется объемом пересечения апертурных объемов приемника и источника излучения. Эффективность сопряжения можно увеличить, если ввести между приемником и источником излучения согласующий элемент, обеспечивающий такое преобразование светового пучка, при котором упомянутый объем пересечения будет максимальным.

2. Развитый в работе подход позволил в аналитическом виде решить задачи о технологических допусках величины разъюстировок на эффективность ввода излучения в световоды со ступенчатым и параболическим профилями показателя преломления как от ламбертовых источников, так и от источников полосковой геометрии. Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными, что подтверждает достоверность выполненных расчетов.

3. Теоретически и экспериментально исследовано преобразование световых пучков расширяющимися и сужающимися фоконами, а также микролинзами полученными оплавлением торцов волокон. Показано, что преобразование пучка лучей расширяющимся фоконом определяется соотношением Лагранжа-Гельмгольца только при бесконечно малом угле конусности. Теоретически и экспериментально определены параметры диэлектрических фоконов, приемлемые для их применения в качестве согласующих элементов. Экспериментально показано, что выбор оптимальных параметров фоконов позволяет существенно увеличить эффективность ввода излучения в

многомодовые световоды от излучателей полосковой геометрии. На основе разработанного согласующего элемента впервые в стране были выпущены (и выпускаются до сих пор) источники излучения для волоконных систем (ИЛПН-301, ИЛПН-304). Теоретически и экспериментально показано также, что особенностью сужающихся фоконов при определенном выборе их параметров является возможность полного внутреннего отражения излучения на их торце, что позволяет применять их в качестве чувствительных элементов волоконных датчиков использующих эффект НПВО. Выбором параметров сужающихся фоконов возможно также обеспечить их эффективное применение в качестве согласованной (неотражающей) нагрузки для волоконных трактов. Теоретически и экспериментально изучены особенности преобразования световых пучков микролинзами полученными оплавлением торца волокна. Предложена технология изготовления микролинз с воспроизводимыми параметрами основанная на непрерывном контроле их характеристик в процессе изготовления, которые позволяют при оптимальной юстировке существенно повысить эффективность ввода излучения как для многомодовых, так и для одномодовых источников излучения. Теоретически рассмотрено преобразование непараксиальных световых пучков градиентными линзами. Показано, что учет непараксиальности светового пучка позволяет более точно определить длину линзы, при которой достигаются наилучшие условия коллимирования и фокусировки излучения. При оптимальной длине линзы расходимость коллимированного пучка уменьшается в четыре раза, а диаметр фокального пятна при фокусировке излучения также уменьшается в 4 раза. Учитывая, что энергетические потери, как правило, пропорциональны квадрату упомянутых величин, выбор параметров линз в соответствии с точным расчетом позволяет существенно уменьшить потери в волоконной системе. 4. Теоретически и экспериментально исследованы особенности технологии изготовления шлифованных многомодовых и одномодовых волоконных разветвителей. Для одномодовых шлифованных ответвителей теоретически получены основные соотношения позволяющие контролировать технологические параметры на всех стадиях изготовления разветвителя. Полученные соотношения, определяющие туннелирование излучения из

волокон с частично сошлифованной оболочкой применимы также для технологического контроля в процессе изготовления и других волоконных элементов (например, поляризаторов). Особенностью шлифованных разветвителей является то, что при их изготовлении не предъявляется специфических требований к профилю показателя преломления волокна, как это имеет место при изготовлении сплавных одномодовых разветвителей. Результаты теоретических расчетов подтверждаются экспериментальными данными. Теоретически и экспериментально рассмотрены особенности технологии изготовления сплавных многомодовых разветвителей У-типа с избыточными потерями менее 1 дБ. Характеристики разработанных ответвителей позволяют строить на их основе разветвленные волоконно-оптические системы передачи информации. Для применения ответвителей в волоконно-оптических датчиках, где важна стабильность их характеристик при изменении модового состава излучения, разработаны стабилизатор модового состава излучения и смеситель мод, применение которых позволяет улучшить метрологические характеристики амплитудных волоконных датчиков.

5. Теоретически и экспериментально исследовано формирование сигналов рэлеевского рассеяния в кольцевых системах сформированных с помощью разветвителей У-типа. Показано, что многократный проход зондирующего импульса по кольцевой системе и, связанное с этим, накопление сигнала позволяют существенно увеличить чувствительность и точность при измерении потерь в волоконном тракте (в том числе, наведенных).

6. Теоретически и экспериментально исследован волоконно-оптический датчик динамических перемещений выполненный на основе разработанных одномодовых разветвителей по схеме интерферометра Физо. Показано, что чувствительность датчика в режиме счета полос позволяет измерять динамические перемещения до 2 мм с разрешением 0,3 мкм. Для применения в волоконных Фурье спектрометрах разработаны оптико-механические модуляторы разности хода двух световых пучков и сканирующий интерферометр, позволяющие за время 5-10 мс регистрировать оптический спектр в полосе прозрачности световодов с разрешением 10-20 нм.

7. Предложены и исследованы волоконно-оптические элементы управляемые

оптическим излучением. Основу этих элементов составляют тонкие пленки У02 выращенные на торце волоконного световода. Оптимизация технологии их получения позволила получить высокий (сравнимый с монокристаллами) контраст изменения оптических характеристик при фазовом переходе полупроводник-металл. Вследствие малости объема пленки ФП легко индуцируется оптическим излучением мощностью 1-2мВт для многомодовых волокон и 0,2-1 мВт для одномодовых. Характерные времена переключения пленки из одного состояния в другое определяются, главным образом теплоотводом через световод и составляют 0,1-2 мкс в зависимости от конкретной реализации устройства. На основе пленок У02 предложены и исследованы амплитудные и фазовые модуляторы, а также переключатели управляемые оптическим излучением. В работе сформулированы требования к параметрам пленок, при которых возможна оптически индуцированная бистабильность в области собственного поглощения. Эффект оптической бистабильности пленок У02 детально исследован экспериментально и может служить основой для создания нового класса волоконных устройств управляемых оптическим излучением.

8. На основе методов расчета, развитых в первой главе теоретически исследованы особенности применения световодов и световодных жгутов для исследования характеристик рассеивающих и люминесцирующих сред, в первую очередь биоткани. Изготовленные в соответствии с расчетами световодные системы применялись в составе разработанной аппаратуры для различных видов диагностики патологического состояния биоткани. В частности, разработанная аппаратура для люминесцентной диагностики и ее предварительные клинические испытания для диагностики стоматологических патологий показало рекордную, по сравнению с известными, чувствительность метода для определения патологических изменений биоткани.

9. Выполнен ряд экспериментальных исследований по созданию элементной базы гибридных волоконно-оптических датчиков. Впервые экспериментально определены уровни оптической мощности передаваемой по многомодовому волокну, при котором волоконный тракт можно считать абсолютно взрывобезопасным. Исходя из ограничений передаваемой мощности во

взрывоопасной среде, впервые в стране разработан одноэлементный фотовольтаический преобразователь для монохроматического излучения в волоконном исполнении с КПД 45-50% и разработана лабораторная технология его сборки.

10. Применение разработок, выполненных в диссертационной работе, продемонстрировано на примерах создания некоторых практических образцов волоконно-оптических датчиков. Простой амплитудный датчик перемещений рефлектометрического типа, позволяющий измерять перемещения в пределах 0-400мкм с точностью не хуже 1 мкм является базовой измерительной системой для датчика бинарной газовой смеси. Основой принципа работы этого датчика является зависимость частоты колебаний мембраны возбуждаемой газовым потоком от плотности (и, следовательно, состава) газа. Разработаны высокочувствительные волоконные фотометры, на основе которых реализованы образцы датчиков метана и биофотометры (в том числе люминесцентные) для целей медицинской диагностики. Разработанные элементы с пленками У02 послужили основой для создания различных вариантов датчиков температуры (в том числе с частотным выходом), а также измерителя скорости газового потока, вносящего минимальные искажения в исследуемый поток. Такой датчик может найти применение в технологических установках, в которых необходимо точно контролировать малые расходы газов. Достоинства гибридной технологии при создании волоконно-оптических датчиков продемонстрированы на примере многофункционального датчика тока, который одновременно позволяет измерять амплитуду тока в высоковольтной цепи, частоту, фазу и температуру токонесущего провода.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих рецензируемых изданиях:

1. Потапов В.Т., Соколовский A.A., Шатров А. Д. Лучевой расчет возбуждения многомодового оптического волокна // Радиотехника и электроника. - 1978. - №4. - С.711 - 717.

2. Соколовский АА, Шатров А.Д. Возбуждение фокусирующего волокна ламбертовым источником // Радиотехника и электроника. - 1980. - №10. - С.2233 -2234.

3. Моисеев В.В., Потапов В.Т., Соколовский A.A., Свиридов ВА Волоконно-оптические датчики линейных перемещений // Радиотехника. - 1982. - №6. - С.83 -84.

4. Моисеев В.В., Потапов В.Т., Свиридов В.А., Соколовский A.A. О разрешающей способности рефлектометра с компенсацией фоновых отражений // Радиотехника. - 1982. -№10. - С.29 - 30.

5. Моисеев В.В., Огрин Ю.Ф., Куцевич И.В., Потапов В.Т., Соколовский A.A. О возможности использования пленок окислов ванадия в волоконно-оптических датчиках температуры // Письма в ЖТФ. - 1982. - №9. - С.565 -567.

6. Потапов В.Т., Соколовский A.A., Соснин В.П., Нщцев Г.И. Экспериментальное исследование направленного волоконно-оптического ответвителя // Радиотехника и электроника. - 1983. - №10. - С.2082 - 2084.

7. Моисеев В.В., Потапов В.Т., Соколовский A.A. Экспериментальное исследование стабилизатора модового состава // Радиотехника и электроника. -1986.-№3.-С.603-605.

8. Клевицкий Б.К., Седых Д.А., Соколовский A.A. К методике определения эквивалентных ступенчатых параметров градиентных одномодовых световодов // Радиотехника и электроника. - 1987. -№1. - С. 184 - 186.

9. Гуляев Ю.В., Потапов В.Т., Соколовский A.A. Чхартишвили Н.Л. Чувствительность датчиков на основе световодов конического сечения // Радиотехника. - 1987. - №2. - С.56 - 60.

10. Потапов В.Т., Седых Д.А., Соколовский A.A. О туннелировании излучения из одномодового световода с ограниченной оболочкой // Квантовая электроника. - 1987. - №4. - С.857 - 859.

11. Потапов В.Т., Седых Д.А., Соколовский A.A. Волоконно-оптический интерферометрический датчик перемещений // Измерительная техника. - 1988. -№6.-С. 28-29.

12. Гуляев Ю.В., Потапов В.Т., Соколовский A.A., Чхартишвили H.JI. Преобразование непараксиальных световых пучков градиентными линзами // Сообщения Академии наук Грузинской ССР. - 1988. -№1. - С.57 - 60.

13. Дворянкин В.Ф., Егоров Ф.А., Потапов В.Т. Соколовский A.A., Темиров Ю.Ш. Волоконно-оптический генератор релаксационных колебаний на основе пленок двуокиси ванадия // Письма в ЖТФ. - 1989. - №12. - С.46 - 50.

14. Гордова М.Р., Кондратьев Ю.Н., Куркин В.П., Попов М.Ф.,Сахаров В.В., Соколов Ю.А., Соколовский A.A., Ходаковская Р.Я., Ходаковский М.Д. Неорганические стекла и изделия на их основе для волоконно-оптических систем связи и датчиков // Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов (Итоги науки и техники ВИНИТИ АН СССР). -1989. -2.- 175 е., Авторских 27 с.

15. Егоров Ф.А., Темиров Ю.Ш., Соколовский A.A., Дворянкин В.Ф., Потапов В.Т., Романова С В. Об оптической бистабильности пленок V02 в области собственного поглощения // Письма в ЖТФ. - 1989. - №17. - С.8 - 12.

16. Полякова И.К., Соколовский A.A., Соколов A.B. Использование релеевского рассеяния в кольцевой системе для регистрации внешнего воздействия // Радиотехника. - 1990. - №8. - С.72 - 76.

17. Егоров Ф.А., Темиров Ю.Ш., Дворянкин В.Ф., Потапов В.Т., Соколовский A.A. Тонкие пленки V02 с высоким оптическим контрастом // Письма в ЖТФ. -1991. -№8. -С.49 - 52.

18. Егоров Ф.А., Темиров Ю.Ш., Соколовский A.A., Дворянкин В.Ф. Оптически управляемый волоконный переключатель на основе пленок V02, // Письма в ЖТФ. -1991,- №9.- С81-86.

19. Егоров Ф.А., Темиров Ю.Ш., Соколовский A.A., Дворянкин В.Ф., Кухта A.B., Старостин Н.И. Волоконный, оптически управляемый модулятор

излучения на основе двуокиси ванадия // Письма в ЖТФ. - 1991. - №22. - С.85 -90.

20. Егоров Ф.А., Полякова И.К., Соколовский A.A. Исследование параметров волоконно-оптических ответвителей // Метрология. - 1991. - №3. - С.24 - 29.

21. Полякова И.К., Соколовский A.A. Экспериментальное исследование релеевского рассеяния в кольцевой системе // Измерительная техника. — 1991. — №10.-С.28-29.

22. Засовин Э.А., Сороковиков В.Н., Соколовский A.A., Хегай И.И. Блочно-модульная волоконно-оптическая система передачи информации и данных // Измерительная техника. - 1991. - №12. - С.37 - 40.

23. Егоров Ф.А., Темиров Ю.Ш., Соколовский A.A., Дворянкин В.Ф. Влияние фотоиндуцированного циклирования на свойства пленок VO2, // Письма в ЖТФ. - 1992. - №18. - С47 - 50.

24. Volkov V.V.,Van Landuyt J., Markushkin K.M., Gijbels R., Ferauge C„ Vasilyev M.G., Shelyakin F.F., Sokolovsky F.F. Characterisation of the LPE grown InGaAsp/InP hetero-structures: IR-LED at 1.66 /im used for the remote monitoring of methane gas. - Journal of Crystal Growth. - 1997. - P.285 - 296.

25. Masychev V.l., Kesler G., Sokolovsky A.A., Aleksandrov M.T.,Kesler A., Koren R. Early dental caries detection by method PNC- diagnostics: comparision with visual and x-ray methods. - Proceedings of SPffi. - 2000. - V.3920. - P.269 -280.

26. Sokolovsky A.A., Masychev V.l. Parameters opnimization of monofiber and multifiber probes in diagnostics of biotissue by optical PNC-method. - Proceedings of SPIE. - 2000. - V.4253, - P. 132 - 143.

27. Masychev V.l., Kesler G., Sokolovsky A.A., Aleksandrov M.T.,Kesler A., Koren R. Photon Undulatory Non-Linear Conversion Diagnostic Method for Caries Detection. - Journal of Clinical Laser Medicine & Surgery. - 2003. - V.21. - №4. -P.209-217.

28. Задворнов С.А., Соколовский A.A. Двухканальный оптоэлектронный датчик температуры // Измерительная техника. - 2004. -№11.- С.35 - 37.

29. Задорнов CA, Соколовский АА О пожаровзрывобезопасносш волоконно-оптических гибридных измерительных систем // Датчики и системы. - 2007. - №3. - С. 11 -15

30. Гаврилов И.А., Жаботинский М.Е., Францессон A.B., Соколовский A.A. Способ изготовления моноволоконного оптического разъема. - A.C. 1071110. -1983.

31. Моисеев В .В., Потапов В.Т., Соколовский АА Смеситель мод. - АС. 1238570. -1986.

32. Загарских В.Г., Запкинд JI.A, Ольховой АС., Потапов В.Т., Рыжнев В.Ю., Сидоров Г .В., Соколовский АА, Татьянцев АХ. Газоанализатор. - АС.1440184. -

1988.

33. Мамедов AM., Соколовский АА Сканирующий интерферометр. - АС.152906. -

1989.

34. Александров И.В., Алексеева Е.И., Милявский Ю.С., Нанушьян С.Р., Потапов В.Т., Соколовский A.A., Фельд С.Я., Шушпанов O.E. Многоканальный пороговый индикатор температуры. - A.C. 1556295. - 1989.

35. Княжеченко И.В., Мамедов A.M., Соколовский A.A. Модулятор разности хода двух оптических пучков. - A.C. 1560789. - 1990.

36. Исаков В.Н., Потапов В.Т., Соколовский A.A., Терзиев К.Г. Разъемный соединитель оптических волокон. - А. С.1656485. -1991.

37. Полякова И.К., Соколовский A.A. Способ измерения потерь в световоде и устройство для его осуществления. - A.C. 1765742 - 1992.

38. Александров М.Т., Черкасов A.C., Бажанов H.H., Пласонова В.В., Соколовский A.A. Способ для обнаружения и оценки анаэробных бактерий в биологическом субстрате. - Патент РФ №2121143. - 1998.

39. Александров М.Т., Черкасов A.C., Бажанов Hü, Пласонова В.В., Соколовский АА Способ определения состояния биологической ткани. - Патент РФ №2121289. -1998.

40. Задворнов С.А., Соколовский A.A., Волоконно-оптический датчик концентрации газов. - Патент РФ №39202. - 2004.

41. Задворнов С.А., Соколовский A.A., Волоконно-оптический датчик концентрации газов. - Патент РФ №2265829 - 2005.

42. Задворнов СЛ., Соколовский A.A., Волоконно-оптическая гибридная измерительная система, - Патент РФ №- £0 5опубл. 10.02.2009г.

43. Задворнов С.А., Соколовский A.A., Многофункциональная

оптоэлектронная измерительная система для трехфазных сетей переменного тока // Электротехника, 2009г., №4, с.47-51

44. Гуляев Ю.В., Потапов В.Т., Соколовский A.A., Шатров А.Д. Возбуждение оптических волокон полупроводниковыми источниками излучения // Препринт ИРЭ АН СССР №279. - 1979. - 31с.

45. Гуляев Ю.В., Потапов В.Т., Соколовский A.A., Курносов В.Д. Экспериментальное исследование согласования источников полосковой геометрии с оптическими волокнами // Препринт ИРЭ АН СССР №288. - 1980. -33с.

По материалам диссертации сделано также 44 доклада на Всесоюзных, Всероссийских и международных конференциях, которые опубликованы в соответствующих трудах конференций.

Соколовский Александр Алексеевич

МИКРООПТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Подписано в печать «08» мая 2009г Формат бумаги 60*84 1/16. Усл. печ. л. 1,5. Уч.-изд. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ №66

Отпечатано в типографии ЗАО «Диалог-Реклама» 109316,г.Москва, ул Талалихина, 24, тел. (495) 665-0049

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.

1. ЛУЧЕВАЯ ТЕОРИЯ ВВОДА ИЗЛУЧЕНИЯ В МНОГОМОДОВЫЕ ВОЛОКНА.

1.1 .ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ.

1.2 АПЕРТУРНЫЕ ОБЪЕМЫ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН.

1.3 ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВОЗБУЖДЕНИЯ ВОЛОКНА ЛАМБЕРТОВЫМ ИСТОЧНИКОМ.

1.4 ВЛИЯНИЕ СМЕЩЕНИЙ ВОЛОКНА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВВОДА ИЗЛУЧЕНИЯ.

1.4.1 СМЕЩЕНИЯ ДВУХСЛОЙНОГО ВОЛОКНА

1.4.2 СМЕЩЕНИЯ ФОКУСИРУЮЩЕГО ВОЛОКНА

1.5. РАДИАЛЬНЫЕ СМЕЩЕНИЯ ИСТОЧНИКА

1.6. ВВОД ИЗЛУЧЕНИЯ В СВЕТОВОДЫ ОТ ИСТОЧНИКОВ ПОЛОСКОВОЙ ГЕОМЕТРИИ.

1.6.1 ВЛИЯНИЕ ПРОДОЛЬНЫХ И ПОПЕРЕЧНЫХ РАЗЪЮСТИРОВОК НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВВОДА ИЗЛУЧЕНИЯ ОТ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ ПОЛОСКОВОЙ ГЕОМЕТРИИ.

2.СОГЛАСОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ТРАКТОВ. 44 2.1 КОЛЛИМИРОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ФОКОНАМИ 45 2.2. ФОКУСИРОВКА ИЗЛУЧЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ФОКОНАМИ

2.3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ФОКОНОВ

2.4 НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СВОЙСТВ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ФОКОНОВ 56 2.4.1. КОЛЛИМИРУЮЩИЕ ФОКОНЫ

2.4.2 ФОКУСИРУЮЩИЕ ФОКОНЫ

2.5 КОЛЛИМИРОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЛУСФЕРИЧЕСКИМИ ЛИНЗАМИ НА ТОРЦЕ ВОЛОКНА 61 2.5.1. ОТРАЖЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЛУСФЕРИЧЕСКИМИ ЛИНЗАМИ НА ТОРЦЕ ВОЛОКНА.

2.6 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИКРОЛИНЗ НА ТОРЦЕ ВОЛОКНА.

2.7 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ НЕПАРАКСИАЛЬНЫХ СВЕТОВЫХ ПУЧКОВ ГРАДИЕНТНЫМИ ЛИНЗАМИ

3.ВОЛОКОННЫЕ РАЗВЕТВИТЕЛИ.

3.1. ШЛИФОВАННЫЕ МНОГОМОДОВЫЕ РАЗВЕТВИТЕЛИ X ТИПА.

3.2.СПЛАВНЫЕ МНОГОМОДОВЫЕ РАЗВЕТВИТЕЛИ Y ТИПА.

3.3. СТАБИЛИЗАТОР МОДОВОГО СОСТАВА ИЗЛУЧЕНИЯ 79 3.3.1 СМЕСИТЕЛЬ МОД 82 3.4 ШЛИФОВАННЫЕ ОДНОМОДОВЫЕ РАЗВЕТВИТЕЛИ. 84 3.4.1. РАЗВЕТВИТЕЛИ С ТУННЕЛЬНОЙ СВЯЗЬЮ

3.4.3. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОДНОМОДОВОГО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ

3.4.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОДНОМОДОВЫХ 93 ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ

4. КОЛЬЦЕВЫЕ ВОЛОКОННЫЕ СИСТЕМЫ И ЭЛЕМЕНТЫ ВОЛОКОННЫХ ИНТЕРФЕРОМЕТРОВ 99 4.1 .КОЛЬЦЕВЫЕ ВОЛОКОННЫЕ СИСТЕМЫ

4.1.1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЛЕЕВСКОГО РАССЕЯНИЯ В КОЛЬЦЕВОЙ СИСТЕМЕ.

4.1.2.СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОТЕРЬ В СВЕТОВОДАХ С ПОМОЩЬЮ КОЛЬЦЕВЫХ СИСТЕМ 10S

4.2 ОДНОВОЛОКОННЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ.

4.2.1. РАСЧЕТ АМПЛИТУДНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ИНТЕРФЕРИРУЮЩИХ СВЕТОВЫХ ВОЛН

4.2.2. РАСЧЕТ ВИДНОСТИ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ КАРТИНЫ. 12С

4.2.3. ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМ ИНТЕРФЕРОМЕТРОМ ФИЗО 12'/ 4.3. ЭЛЕМЕНТЫ ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТРОВ. 13С 5. ВОЛОКОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ, УПРАВЛЯЕМЫЕ ОПТИЧЕСКИМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

5.1 ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛЕНОК V

5.2 ВОЛОКОННЫЕ МОДУЛЯТОРЫ С ОПТИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ. 14С 5.3. ВОЛОКОННЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК V02.

5.4 ОПТИЧЕСКАЯ БИСТАБИЛЬНОСТЬ ПЛЕНОК V02. 14S 6 ВОЛОКОННЫЕ ЗОНДЫ ДЛЯ ФОТОМЕТРИИ РАССЕИВАЮЩИХ СРЕД И ИХ ПРИМЕННИЕ В СИСТЕМАХ МЕДИЦИНСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

6.1 ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ И ЖГУТОВ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ РАССЕЯННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

6.1.1 ОДИНОЧНЫЙ СВЕТОВОД

6.1.2 ВОЛОКОННЫЙ ЖГУТ

6.2 ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ДАТЧИКИ СОСТОЯНИЯ БИОТКАНЕЙ.

6.2.1. ДАТЧИК ЭНДОГЕННОЙ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ БИОТКА1Ш. 162 7.ЭЛЕМЕНТЫ ГИБРИДНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ 16S 7.1 ПРЕДЕЛЬНЫЕ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНЫЕ УРОВНИ МОЩНОСТИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Ш 7.2.ОДНОЭЛЕМЕНТНЫЙ ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСРУКТУР ALGAAS. 175 7.3.ТЕХНОЛОГИЯ СБОРКИ ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ 17* 8.ВОЛОКОННЫЕ ДАТЧИКИ

8.1 .ДАТЧИКИ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

8.1.1 .ОДПОВОЛОКОННЫЕ ДАТЧИКИ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО ТИПА.

8.1.2. ПРЕДЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АМПЛИТУДНЫХ ДАТЧИКОВ

ОТРАЖАТЕЛЬНОГО ТИПА 18'/

8.2 АНАЛИЗАТОР СОСТАВА ГАЗОВОЙ БИНАРНОЙ СМЕСИ. 18S

8.3.ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК МЕТАНА

8.4.ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ 194 8.4.1. ДАТЧИКИ IIA ОСНОВЕ ПЛЕНОК V

8.4.2 ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННОГО ГЕНЕРАТОРА

РЕЛАКС АЦИОН11ЫХ КОЛЕБАНИЙ

8.4.3.ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ ПОТОКА ГАЗА НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК V02. 19S

8.5 МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОПТОЭЛЕКТРОННАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

ДЛЯ ТРЕХФАЗНЫХ СЕТЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Актуальность темы.

Волоконно-оптические измерительные системы представляют собой отдельный класс измерительных систем. Они обладают набором особых свойств, которым не обладают системы других типов. Эти свойства обусловлены высокой помехозащищенностью волоконного тракта передачи оптического сигнала, гальванической развязкой точек измерения и индикации, возможностью использования самого волокна в качестве первичного преобразователя измеряемой величины.

Конфигурация конкретной измерительной системы, использующей оптическое волокно либо в качестве тракта передачи излучения, либо в качестве элемента первичного преобразователя (датчика), подвержена значительным изменениям, обусловленным спецификой решаемой измерительной задачи.

В связи с этим является актуальной проблема создания волоконных элементов и устройств, которые бы являлись основными строительными «кубиками» при создании любой волокоино-оптической измерительной системы.

Элементная база волоконно-оптических измерительных систем включает в себя устройства согласования элементов оптического тракта, устройства деления, переключения и модуляции оптического сигнала. Эти устройства, выполняемые чаще всего на основе волоконных световодов, отличаются миниатюрными размерами, поскольку должны сопрягаться со световодами, характерные размеры световедущих жил которых 3-100 мкм, и требуют не только разработки специфических методов расчета их оптико-физических характеристик, но и детального исследования особенностей их применения в волоконно-оптических измерительных системах.

Исторически, развитие волоконных систем начиналось с использованием многомодовых волоконных световодов, что было обусловлено более простыми требованиями к их соединению, а также существовавшими источниками и приемниками излучения. Многомодовые волоконные световоды, широко применяются и в настоящее время для решения многих прикладных задач в метрологии, связи и промышленности. В связи с этим разработка микрооптических элементов и устройств для многомодовых волоконных систем является весьма актуальной проблемой.

Волоконные микрооптические элементы и устройства во многих случаях функционируют на принципах, отличающихся от принципов работы обычных оптических элементов (например, линз) и требуют разработки специальных методов расчета их конструктивных параметров, исходя из необходимых оптических характеристик. Очевидно, что для одномодовых и многомодовых систем эти методы существенно различаются. Теория диэлектрических волноводов, частным случаем которых являются волоконные световоды, достаточно хорошо развита и хорошо описывает одномодовые системы. В то же время характеристики многомодовых волоконных систем рассчитывались, как правило, численными методами на основе традиционного аппарата геометрической оптики, что не давало полного физического представления об особенностях оптимального построения многомодовых волоконных систем. Разработка методов расчета энергетических характеристик многомодовых систем, основанных на лучевой оптике в Гамильтоновой формулировке и позволяющих в аналитическом виде решать задачи, характерные для таких систем, являлась одной из целей диссертационной работы.

Важной, как в теоретическом, так и в экспериментальном плане, является также задача формирования с помощью микрооптических элементов световых пучков о заданными характеристиками (угловой расходимостью, диаметром фокального пятна и т.д.). Несмотря на то, что некоторые из этих элементов были известны к началу настоящей работы, особенности их применения в волоконных системах были изучены недостаточно. Так, например, не было достаточно изучено влияние-угла конусности диэлектрических фоконов, на условия коллимирования и фокусировки излучения, а характеристики градиентных линз рассчитывались только в параксиальном приближении и не учитывали влияние на четвертьволновую длину линзы параметров входного пучка. Указанные выше задачи требовали как теоретических, так и экспериментальных исследований, которые также являлись предметом настоящей работы.

Волоконно-оптические датчики амплитудного типа требуют амплитудной стабильности приёмно-передающих волоконных трактов. В связи с этим актуальной является задача разработки волоконных устройств деления и объединения световых пучков, с минимальной чувствительностью к модовому составу излучения. Важной задачей является также разработка волоконных переключателей и модуляторов, дистанционно управляемых оптическим излучением малой мощности.

Наряду с разработкой микрооптических элементов на основе световодов, актуальными являются также проблемы поиска новых принципов построения волоконно-оптических датчиков, поиск и исследование новых миниатюрных чувствительных элементов, разработка принципов регистрации и обработки оптических сигналов, обеспечивающих высокую точность и стабильность измерений и реализация этих принципов в конкретных образцах волоконных датчиков. Решение перечисленных выше задач и являлось предметом исследований и разработок в настоящей работе.

Основной целью диссертационной работы являлась разработка принципов построения оптических трактов волоконно-оптических датчиков с минимальными энергетическими потерями, разработка новых принципов измерения ряда физических величин и создание лабораторных образцов приборов, реализующих эти принципы. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• Разработка методов расчета энергетических характеристик многомодовых волоконных систем, учитывающих различные конструктивные и оптические параметры системы.

• Теоретическое и экспериментальное исследование методов формирования волоконными микрооптическими элементами световых пучков с заданными характеристиками.

• Разработка и исследование волоконно-оптических устройств, управляемых оптическим излучением.

• Теоретическое и экспериментальное исследование волоконных датчиков рефлектометрического типа (в том числе на основе кольцевых систем) и волоконных интерферометров.

• Разработка новых принципов измерения с помощью волоконно оптических датчиков ряда физических величин (перемещений, температуры, скорости газовых потоков, концентрации в атмосфере взрывоопасных газов, люминесцентного анализа биоткани).

• Разработка элементов гибридных волоконно-оптических датчиков для измерений, требующих гальванической развязки микроэлектронных первичных преобразователей и блока индикации

Научно-техническая новизна работы состоит, прежде всего, в разработке новых методов расчета энергетических потерь в волоконно-оптических измерительных системах, разработке волоконных микрооптических элементов с оптимальными характеристиками, применение которых позволяет существенно снизить потери в оптическом тракте, разработке волоконных устройств, управляемых оптическим излучением и расширяющих функциональные возможности измерительных систем, а также разработке новых принципов измерения некоторых физических величин.

К наиболее существенным новым результатам, полученным в работе, относятся следующие:

1. Разработаны новые методы расчета энергетических характеристик многомодовых волоконных трактов основанные на гамильтоновой формулировке лучевой оптики, которые позволили впервые решить в аналитическом виде основные задачи ввода излучения в многомодовые световоды.

2. Теоретически и экспериментально определены оптические и конструктивные параметры микрооптических элементов (фоконов, микролинз,) при которых достигается оптимальное согласование элементов волоконного тракта. Впервые показано, что четвертьволновая длина градиентных линз зависит от параметров входных световых пучков и отличается от длины определяемой в параксиальном приближении.

3. Впервые получены аналитические выражения для расчета туннелирования излучения из изогнутых волокон с частично удаленной оболочкой., что позволяет использовать их в качестве чувствительных элементов датчиков для определений показателя преломления среды, датчиков на эффекте НПВО, а также использовать для контроля параметров заготовок в процессе изготовления волоконных разветвителей с заданным коэффициентом деления и спектральными характеристиками.

4. Впервые теоретически и экспериментально показано, что накопление сигнала рэлеевского рассеяния в замкнутых кольцевых волоконных системах позволяет существенно повысить чувствительность при измерении малых потерь в световодах, в том числе обусловленных внешними деформациями световода.

5. Теоретически и экспериментально исследованы волоконно-оптические датчики перемещений как амплитудного, так и интерференционного типа. Получены основные соотношения для расчёта крутизны преобразования. Созданы опытные образцы таких датчиков. Разработан газоанализатор для измерения состава бинарной газовой смеси, основанный на измерении зависимости частоты колебаний мембраны от плотности газа, причем частота колебаний мембраны измеряется волоконным датчиком, что делает газоанализатор взрывобезопасным.

6. Впервые проведены исследования оптических свойств пленок VO2 полученных на торцах волконных световодов и определены их параметры, при которых достигается максимальный контраст оптических характеристик при фазовом переходе, индуцированном оптическим излучением. Разработаны волоконные переключатели и модуляторы, управляемые оптическим излучением. Разработаны и исследованы волоконно-оптические датчики температуры и скорости газового потока на базе релаксационного генератора с чувствительным элементом па основе плёнок VO2,

7.Впервые в России разработаны высокоэффективные (КПД>45%) фотовольтаические преобразователи монохроматического излучения на основе многопроходных гетеростуктур AlGaAs. На основе разработанного преобразователя созданы образцы гибридных волоконно-оптических датчиков для измерения концентрации углеводородных газов и многофункциональный датчик тока, которые работают при взрывобезопасных уровнях оптической мощности.

8.Разработаны методы построения волоконно-оптических измерительных систем для люминесцентной диагностики патологических состояний биоткани. Разработаны методы расчета волоконных зондов для таких систем. Экспериментально показана высокая чувствительность разработанной аппаратуры применительно к задачам стоматологии.

Положения выносимые на защиту:

1. Применение гамильтоновой формулировки лучевой оптики позволило получить аналитические выражения для расчета конструктивных параметров узлов ввода излучения от полупроводниковых излучателей в многомодовые оптические волокна, при которых реализуются оптимальные условия согласования, и снижается зависимость вносимых потерь от разброса технологических параметров.

2. Теоретический расчет и экспериментальное подтверждение оптимальных параметров микрооптических волоконных элементов - фоконов, микролинз, градиентных линз, при которых в 3-10 раз снижаются энергетические потери в оптических трактах волоконных датчиков.

3. Метод измерения предельно малых потерь в волоконном световоде, основанный на многопроходном зондировании исследуемого световода в кольцевой системе и накоплении сигнала рэлеевского рассеяния, обеспечивает снижение порога обнаружения наведенных в световоде потерь по сравнению с однопроходными измерениями в 2-3 раза, что приводит к существенному повышению чувствительности датчиков механических деформаций.

4. Технология изготовления одномодовых разветвителей из волокон с градиентным профилем показателя преломления, основанная на контроле толщины удаляемой части светоотражающей оболочки по величине туннелирующего оптического излучения, позволяющая изготавливать элементы с наперед заданными амплитудными и спектральными характеристиками и с потерями менее 1 дБ.

5. Волоконные переключатели и модуляторы (амплитудные и фазовые), с пленками VO2, нанесенными на торец волоконного световода, при оптическом индуцировании фазового перехода полупроводник-металл, позволяют при управляющей оптической мощности 0.57 мВт дистанционно перестраивать параметры волоконной измерительной системы.

6. Принцип построения измерительных систем для измерения перемещений на основе одноволоконных датчиков отражательного типа, обеспечивает расширение диапазона измерений и, в случае некогерентного источника излучения, обеспечивает динамический диапазон более бОдБ в при перемещении до 400 мкм, а в случае когерентного источника излучения - динамический диапазон более 95дБ (в режиме измерения динамических перемещений до 17 мм).

7. Возможность работы полупроводниковых светодиодных структур AlGaAs-GaAs в качестве фотовольтаических преобразователей при эффективности преобразования монохроматического излучения, длина волны которого сдвинута относительно максимума электролюминесценции на 20-60 нм в коротковолновую область, в электрическую мощность с КПД более 45%, напряжением более 1,2 В при токе нагрузки до 100 мА, что позволяет создавать гибридные волоконно-оптические измерительные системы с питанием электронных модулей оптическим излучением малой мощности.

Практическая значимость проведенных исследований и разработок заключается в следующем:

Разработанные на основе лучевой оптики в Гамильтоновой формулировке методы расчета эффективности ввода излучения в многомодовые волоконные световоды с произвольным профилем показателя преломления позволили получить основные аналитических соотношения для выбора конструктивных параметров узлов сопряжения источников излучения со световодами. Важным для практического использования является теоретический и анализ и результаты экспериментальных исследований микрооптических элементов для формирования световых пучков с заданными характеристиками на основе фоконов, и выяснение влияния их конструктивных параметров на характеристики световых пучков. Это позволяет создавать на их основе согласующие элементы для эффективного сопряжения различных элементов волоконных трактов, включая согласования различных излучателей (в первую очередь полупроводниковых лазеров и светодиодов) с оптическими волокнами.

Полученные формулы для расчёта градиентных линз позволяют оптимизировать их длину и другие конструктивные параметры и, как следствие, существенно уменьшить угловую расходимость пучка при его коллимировании или диаметр фокального пятна при фокусировке излучения, что обеспечивает существенное снижение потерь в оптическом тракте.

Полученные соотношения для расчёта туннелирования излучения из световодов с частично удалённой оболочкой позволили разработать контролируемую на всех стадиях технологию изготовления одномодовых разветвителей с заданными амплитудными и спектральными характеристиками.

Эффективность разработанных методов и устройств продемонстрирована на примере их применения в различных образцах волоконно-оптических датчиков.

На основе проведенных исследований впервые созданы волоконно-оптические элементы (переключатели и модуляторы) управляемые оптическим излучением малой (1 -2 мВт ) мощности. Такие элементы могут найти применение как в системах связи, так и в волоконно-оптических датчиках, примером которых может являться волоконно-оптический датчики (ВОД) температуры и скорости газового потока разработанные в данной работе.

Проведенные исследования взрывобезопасности волоконных трактов позволили впервые сформулировать критерии абсолютной взрывобезопасности при передаче по световодам мощного оптического излучения. Исходя из ограничений передаваемой по световодам мощности, в данной работе разработаны высокоэффективные фотовольтаические преобразователи для применений в гибридных волоконно-оптических датчиках. Примером построения таких датчиков с применением разработанных элементов является многофункциональный датчик тока, позволяющий одновременно с высокой точностью измерять четыре физических параметра при полной гальванической развязке измеряемой цепи с блоком отображения информации.

Разработанные методы построения высокочувствительных волоконно-оптических фотометров позволили создать ВОД метана с удалением газовой кюветы от места расположения регистрирующей аппаратуры до 2 км, датчики температуры, нечувствительные к электромагнитным полям, волоконно-оптические устройства для контроля люминесценции биотканей с целью определения их отклонения от нормального состояния.

Результаты диссертационной работы внедрены в ряде промышленных организаций, в частности, в ФГУП «НИИ ПОЛЮС им. М.Ф. Стельмаха», ОАО НПО «Химавтоматика», ГУ МОНИКИ им. М.Ф. Владимирского.

Апробация работы

Материалы исследований и разработок докладывались на следующих Всесоюзных, Российских и международных конференциях:

2-я Всесоюзная конференция по проблеме "Волоконно-оптические линии связи"., Москва,. 1978; 3-я Всесоюзная научно-техническая конференция "Фотометрия и её метрологическое обеспечение", Москва 1979; 3-я Всесоюзная конференция по BOJIC, Москва, 1981; Всесоюзная конференция "Волоконно-оптические линии связи", Киев, 1982; Всесоюзная научно-техническая конференция по источникам тока, Москва 1983; 4~я Всесоюзная конференция СССПМ, Москва, 1984; Всесоюзное совещание "Совершенствование средств связи на основе внедрения стекловолоконной и процессорной техники" Кишинёв, 1986; Всесоюзная конференция "Аналитическое приборостроение. Методы и приборы для анализа жидких сред", Тбилиси, .1986; Всесоюзный семинар "Измерение перемещений в динамическом режиме " Каунас, 1987;

5-я Международная школа по когерентной оптике, Ужгород, 1989; Всесоюзная конференция "Волоконно-оптические преобразователи в приборостроении", Севастополь, 1983; Всесоюзная конференция "Быстродействующие элементы и устройства волоконно-оптических и лазерных информационных систем"., Севастополь .1990; Научно-технический семинар по волоконно-оптическим системам и средствам., Калининград Московская обл, 1990; Пятая Всесоюзная Конференция. ВОСПИ-88, Москва, 1988г; Первая Всесоюзная конференция "Оптические методы исследования потоков", Новосибирск, 1991; Всесоюзная конференция «Проблемы измерительной техники в волоконной оптике», Нижний Новгород, 1991; 3-й Всесоюзный семинар "Химические методы обработки поверхности " , Москва., 1991; Международная конференция ISFOC-91., Санкт-Петербург, 1991; Международная конференция ISFOC-93., Санкт-Петербург, 1993; Международная конференция Eurosensors-X, Leuven, Belgium, 1996; 10th International Symposium on Advances of Measurement Science Saint-Petersburg, 2004; Всероссийская конференция по волоконной оптике, Пермь, 2007; International Instrumentation and Measurem. Technology Conference, Canada, 2008; 21st Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, 2008 Ontario, Canada; Conference on Power Systems, Winnipeg, Canada, 2008.

Результаты диссертационной работы опубликованы 89 работах, из которых 32 статьи в рецензируемых изданиях, 13 авторских свидетельств и патентов РФ и 44 доклада на международных, всесоюзных и всероссийских конференциях.

Личный вклад автора.

Представленные в диссертации результаты получены лично автором или при его непосредственном участии и руководстве. Методы расчета согласования элементов многомодовых волоконных трактов на основе лучевой оптики в гамильтоновой формулировке разработаны автором совместно с Шатровым А.Д. и Потаповым В.Т. Расчеты, представленные в главах 1 и 2 выполнены автором лично. Часть результатов представленных в гл.З и 4 получены автором при участии Седых Д.А. Результаты гл.5 в части физических исследований получены автором совместно с Егоровым Ф.А., в части практической реализации устройств результаты получены автором лично. Результаты, приведенные в главах 6 и 8, получены лично автором. Медицинские аспекты применения разработанных автором волоконных систем выполнены автором совместно с Александровым М.Т. и Масычевым В.И.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав и заключения.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. На основе лучевой оптики в гамильтоновой формулировке сформулирован общий подход к решению задач сопряжения различных элементов многомодовых волоконных трактов. Этот подход основывается на том, что многомодовые волоконные световоды можно охарактеризовать величиной и формой четырехмерного апертурного объема, который определяет их потенциальную «энергетическую емкость». В работе получены выражения для апертурных объемов волокон с произвольным (степенным) профилем показателя преломления с учетом всех типов лучей распространяющихся в световодах. Максимально возможная эффективность сопряжения различных элементов волоконных трактов определяется отношением апертурного объема элемента принимающего излучение к апертурному объему элемента являющегося источником излучения. В то же время при непосредственной стыковке двух элементов эфективность их сопряжения определяется объемом пересечения апертурных объемов приемника и источника излучения. Эффективность сопряжения можно увеличить, если ввести между приемником и источником излучения согласующий элемент, обеспечивающий такое преобразование светового пучка, при котором упомянутый объем пересечения будет максимальным.

2. Развитый в работе подход позволил в аналитическом виде решить задачи о технологических допусках величины разъюстировок на эффективность ввода излучения в световоды со ступенчатым и параболическим профилями показателя преломления как от ламбертовых источников, так и от источников полосковой геометрии. Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными, что подтверждает достоверность выполненных расчетов.

3. Теоретически и экспериментально исследовано преобразование световых пучков расширяющимися и сужающимися фоконами, а также микролинзами полученными оплавлением торцов волокон. Показано, что преобразование пучка лучей расширяющимся фоконом определяется соотношением Лагранжа-Гельмгольца только при бесконечно малом угле конусности. Теоретически и экспериментально определены параметры диэлектрических фоконов приемлемые для их применения в качестве согласующих элементов. Экспериментально показано, что выбор оптимальных параметров фоконов позволяет существенно увеличить эффективность ввода излучения в многомодовые световоды от излучателей полосковой геометрии. На основе разработанного согласующего элемента впервые в сране были выпущены (и выпускаются до сих пор) источники излучения для волоконных систем (ИЛПН-301, ИЛГШ-304). Теоретически и экспериментально показано также, что особенностью сужающихся "фоконов при определенном выборе их параметров является возможность полного внутреннего отражения излучения на их торце, чтопозволяет применять их в качестве чувствительных элементов волоконных датчиков использующих эффект НПВО. Выбором параметров сужающихся фоконов возможно также обеспечить их эффективное применение в качестве согласованной (неотражающей) нагузки для волоконных трактов. Теоретически и экспериментально изучены особенности преобразования световых пучков микролинзами полученными оплавлением торца волокна. Предложена технология изготовления микролинз с воспроизводимыми параметрами основанная на непрерывном контроле их характеристик в процессе изготовления, котрые позволяют при оптимальной юстировке существенно повысить эффективность ввода излучения как для многомодовых, так и для одномодовых источников излучения. Теоретически рассмотрено преобразование непараксиальных световых пучков градиентными линзами. Показано, что учет непараксиальности светового пучка позволяет более точно определить длину линзы, при которой достигаются наилучшие условия коллимирования и фокусировки излучения. При оптимальной длине линзы расходимость коллимированного пучка уменьшается в четыре раза, а диаметр фокального пятна прифокусировке излучения также уменьшается в 4 раза. Учитывая, что энергетические потери, как правило, пропорциональны квадрату упомянутых величин, выбор параметров линз в соответствии с точным расчетом позволяет существенно уменьшить потери в волоконной системе.

4. Теоретически и экспериментально исследованы особенности технологии изготовления шлифованных многомодовых и одномодовых волоконных разветвителей. Для одномодовых шлифованных ответвителей теоретически получены основные соотношения позволяющие контролировать технологические параметры на всех стадиях изготовления разветвителя. Полученные соотношения, определяющие туннелирование излучения из волокон с частично сошлифованной оболочкой применимы также для технологического контроля в процессе изготовления и других волоконных элементов (например, поляризаторов). Особенностью шлифованных разветвителей является то, что при их изготовлении не предъявляется специфических требований к профилю показателя преломления волокна, как это имеет место при изготовлении сплавных одномодовых разветвителей. Результаты теоретических расчетов подтверждаются экспериментальными данными. Теоретически и экспериментально рассмотрены особенности технологии изготовления сплавных многомодовых разветвителей Y-типа с избыточными потерями менее 1 дБ. Характеристики разработанных ответвителей позволяют строить на их основе разветвленные волоконно-оптические системы передачи информации. Для применения ответвителей в волоконно-оптических датчиках, где важна стабильность их характеристик при изменении модового состава излучения, разработаны стабилизатор модового состава излучения и смеситель мод, применение которых позволяет улучшить метрологические характеристики амплитудных волоконных датчиков.

5. Теоретически и экпериментально исследовано формирование сигналов релеевского рассеяния в кольцевых системах сформированных с помощью разветвителей Y-типа. Показано, что многократный проход зондирующего импульса по кольцевой системе и, связанное с этим, накопление сигнала позволяют существенно увеличить чувствительность и точность при измерении потерь в волоконном тракте (в том числе, наведенных).

6. Теоретически и экспериментально исследован волоконно-оптический датчик динамических перемещений выполненный на основе разработанных одномодовых разветвителей по схеме интерферометра Физо. Показано, что чувствительность датчика в режиме счета полос позволяет измерять динамические перемещения до 2 мм с разрешением 0,3 мкм. Для применения в волоконных Фурье спектрометах разработаны оптико механические модуляторы разности хода двух световых пучков и сканирующий интерферометр, позволяющие завремя 5-10 мс регистрировать оптический спектр в полосе прозрачности световодов с разрешением 10-20 нм.

7. Предложены и исследованы волоконно-оптические элементы управляемые оптическим излучением. Основу этих элементов составляют тонкие пленки V02 выращенные на торце волоконного световода. Оптимизация технологии их получения позволила получить высокий (сравнимый с монокристаллами) контраст изменения оптических характеристик при фазовом переходе полупроводник-металл. Вследствие малости объема пленки ФП легко индуцируется оптическим излучением мощностью 12мВт для многомодовых волокон и 0,2-1 мВт для одномодовых. Характерные временапереключения пленки из одного состояния в другое определяются, главным образом теплоотводом через световод и составляют 0,1-2 мкс в зависимости от конкретной реализации устройства. На основе пленок V02 предложены и исследованы амплитудные и фазовые модуляторы, а также переключатели управляемые оптическим излучением. В работе сформулированы требования к параметрам пленок, при которых возможна оптически индуцированная бистабильность в области собственного поглощения. Эффект оптической бистабильности пленок V02 детально исследован экспериментально и может служить основой для создания нового класса волоконных устройств управляемых оптическим излучением.

8. На основе методов расчета, развитых в первой главе теоретически исследованы особенности применения световодов и световодных жгутов для исследования характеристик рассеивающих и люминесцирующих сред, в первую очередь биоткани. Изготовленные в соответствии с расчетами световодные системы применялись в составе разработанной аппаратуры для различных видов диагностики патологического состояния биоткани. В частности, разработанная аппаратура для люминесцентной диагностики и ее предварительные клинические испытания для диагностики стоматологических патологий показало рекордную , по сравнению с известными, чувствительность метода для определения патологических изменений биоткани.

9. Выполнен ряд экспериментальных исследований по созданию элементной базы гибридных волоконно-оптических датчиков. Впервые экспериментально определены уровни оптической мощности передаваемой по многомодовому волокну, при котором волоконный тракт можно считать абсолютно взрывобезопасным. Исходя из ограничений передаваемой мощности во взрывоопасной среде впервые в стране разработан одноэлеметный фотовольтаический преобразователь для монохроматического излучения в волоконном исполнении с КПД 45-50% и разработана лабораторная технология его сборки.

10. Применение разработок, выполненных в диссертационной работе, продемонстрировано на примерах создания некоторых практическихобразцов волоконно-оптических датчиков. Простой амплитудный датчик перемещений рефлектометрического типа, позволяющий измерять перемещения в пределах 0-400мкм с точностью не хуже 1 мкм является базовой измерительной системой для датчика бинарной газовой смеси. Основой принципа работы этого датчика является зависимость частоты колебанй мембраны возбуждаемой газовым потоком от плотности (и, следовательно, состава) газа. Разработаны высокочувствительные волоконные фотометры, на основе которых реализованы образцы датчиков метана и биофотометры (в том числе люминесцентные) для целей медицинской диагностики. Разработанные элементы с пленками V02 послужили основой для создания различных вариантов датчиков температуры (в том числе с частотным выходом), а также измерителя скорости газового потока, вносящего минимальные икажения в исследуемый поток. Такой датчик может найти применение в технологических установках, в которых необходимо точно контролировать малые расходы газов. Достоинства гибридной технологии при создании волоконно-оптических датчиков продемонстрированы на примере многофункционального датчика тока, который одновременно позволяет измерять амплитуду тока в высоковольтной цепи, часоту, фазу и температуру токонесущего провода.

Автор выражает искеннюю признательность и благодарность коллегам по работе совместно с которыми были выполнены исследования, вошедшие в диссертационную работу.

Особая благодарность автора проффессору Потапову Владимиру Тимофеевичу, чьи советы всегда способствовали улучшению качества проводимых исследований и определяли их практическую направленность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Корн Г., Корн Т., Справочник по математике, М., Наука, 1974

2. Моисеев В.В., Потапов В.Т., Соколовский А.А., Телевизионная установка для исследования ближнего поля полупроводниковых излучателей, Тезисы докладов 3 Всесоюзной конференции «Фотометрия иее метрологическое обеспечение», М. 1979, с.268

3. Uematsu Y., Ozeki Т., Unno Y., Efficient power coupling between a MH LED and taper-ended multimode fiber, IEEE Journ. Of Quantum Electr., 1979, QE15, №2, 86-92

4. Цибуля А.Б., Некоторые оптические свойства согласующих фоконов, Оптика и спектроскопия, 1978,44, №4, 784-789

5. Гуляев Ю.В., Потапов В.Т., Соколовский А.А., Курносов В.Д., Экспериментальное исследование согласования источников излучения полосковой геометрии с оптическими волокнами, Препринт ИРЭ АН СССР, №5(288), М., 1980

6. Гуляев Ю.В., Потапов В.Т., Соколовский А.А., Чхартишвили Н., Чувствительность датчиков на основе световодов конического сечения,

7. Радиотехника, 1987, №2, 56-60

8. Гаврилов И.А., Жаботинский М.Е., Францессон А.В., Соколовский А.А., Способ изготовления моповолоконного оптического разъема, А.С., №1071110, 1983

9. Потапов В.Т., Соколовский А.А., Курносов В.Д., Моисеев В.В., Согласование излучателей полосковой геометрии с волокном при помощи фоконов, Тезисы докл., 2 Всесоюзной конференции по BOJIC, Вып.1 М., 1978

10. Hasegawa О., Abe М., Yamaoka Т., Efficient coupling of LED and spherical-ended fibers, J. Appl. Phys., 1978, 49, №8, 4353-4356

11. Потапов B.T., Соколовский A.A., Курносов В.Д., Согласование излучателей полосковой геометрии с волокном при помощи линз, Тезисы докл., 2 Всесоюзной конференции по BOJIC, Вып.1 М., 1978

12. Гуляев Ю.В., Потапов В.Т., Соколовский А.А., Чхартишвили Н.преобразование непараксиальных световых пучков градиентными линзами, Сообщения АНГССР, 1988, т. 132, №1, 57-60

13. Thyagarajan К., Rohra A., Ghatak А.К., Aberration losses of the microoptic directional coupler, Applied Optics, 1980, 19, №7, 1061-1064

14. Гордова M.P., Кондратьев Ю.Н., Соколовский A.A. и др., Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов, в сб. Итоги науки и техники том2, изд. ВИНИТИ, М. 1989, авторских 25 стр.

15. Потапов В.Т , Соколовский А.А., Соснин В.П., Нищев Г.И., Экспериментальное исследование направленного волоконно-оптического ответвителя, Радиотехника и электроника, 1983, №10, 2082-2084

16. Потапов В.Т., Соколовский А.А., Соснин В.П., Волоконно-оптические направленные ответвители, Тезисы докл. Всесоюзнюконф по ВОЛС, Киев, 1982

17. Fiorina L., Mezzetti S., Svelto F., Electron. Lett., 1978, Y. 14, № 25, p.808.

18. Rawsch E.G., Bailey M.D., ., Electron. Lett., 1979, Y. 15, № 14, p. 437.

19. Tsujimoto Y., Serizawa H., Hattori K., Fukai M., Electron. Lett, 1978, V. 14, №6, p. 157.

20. Tanaka Т., Serizawa H., Tsujimoto Y., Appl. Optics, 1980, Y. 19, № 12„ p. 2019.

21. Егоров Ф.А., Полякова И.К., Соколовский A.A., Исследование параметров волоконно-оптических ответвителей, Метрология, 1991, №3, 2429

22. Егоров Ф.А., Полякова И.К., Соколовский А.А., О влиянии модового состава на параметры сплавных ВО ответвителей для ВОД, Тезисы докл.,всесоюзн. Конф. «Быстродействующие элементы и устройства ВО и лазерных информационных систем», Севастополь, 1990

23. Беловолов М.И., Крюков А.П0, Кузнецов А.В. и др. / Труды

24. ИОФАН СССР. 1986. - Т0 5. - С.125.

25. Беловолов М.И., Кебеджиев А.Г., Кузнепов А.В. // Электросвязь.1986.- 1* 2.-Cn35

26. Калитеевский Н.И. Волновая оптика. М.: Высшая ткола, 1978

27. Засовин Е.А., Сороковиков В.Н., Соколовский А.А., Хегай И.И., Блочно-модульная волоконно-оптическая система передачи данных, Измерительная техника, 1991, №12, 37-40

28. Моисеев В.В., Потапов В.Т., Соколовский А.А., Экспериментальное исследование стабилизатора модового состава, Радиотехника и электроника, 1986, №3, 603-606

29. Ikeda М., Sugimura A., Ikegami Т., Applied Optics, 1976, v. 18, №6,756

30. Моисеев В.В., Потапов В.Т., Соколовский А.А., Смеситель мод, Авторское свидетельство №1238570, 1986

31. Clapp.T.V., Bricheno Т.,Day S., Low power, optically switched fiber directional coupler, Electr. Lett, 1989, 25, №2 157-159

32. Digonnet M., Shaw H.G., Analysis of tunable single mode optical fiber coupler, IEEE J. Quant.Electr., 1982, QE-18, №4, 746-754

33. Tewari R., Thgagaajan K., Analisis of tunable single mode coupler using simple and accurate relations, J. Lightwave Techn., 1980, 4, 386-390

34. Потапов B.T., Седых Д.А., Соколовский A.A., О туннелировании излучения из одномодового световода с ограниченной оболочкой, Квантовая электроника, т. 15, №4, 1988, 857-860

35. Адаме М., Введение в теорию оптических волноводов, М., Мир,1984

36. Leminger O.G., Zengerle R., J. Lightwave Techn.< LT-3, 1985, 864-867

37. Снайдер А., Лав Б., Теория оптических волноводов

38. Клевицкий Б.Г., Седых Д.А., Соколовский А.А., К методике определенияэквивалентных ступенчатых параметров градиентных одномодовых световодов, Радиотехника и электроника, 1987, №1,

39. Gambling W., Payne D.N., Matsumura Н., Dyott R.B. Microwaves Optics and Acoustics , 1976, V. 1. № 1, p. 13.

40. Ваганов P. Б., Матееев P. Ф., Мериакри В. В. Многоволновые волноводы со случайными нерегулярностями. М.: Сов. радио, 1972.

41. Полякова И.К., Соколовский А.А., Соколов А.В., Использование рэлеевского рассеяния в кольцевой системе для регистрации внешнего воздействия, Радиотехника, 1990, №8, 72-76

42. Polyakova I.K., Sokolovskiy, Measuring of small loss in fiber by recirculation ring system, Proceedings First International Soviet Fiber Optics Conf., Leningrad, 1991, v. 1, 246-249

43. Полякова И.К., Соколовский A.A., Рефлектометрическая кольцевая вол.-опт. система для измерения параметров световодов, Тезисы докладов IX международной школы по когерентной оптике. Ужгород, 1989,

44. Natharathy М., Newton S.F., Appl. Opt., 1986, V. 25, 1051 — 1055

45. Полякова И.К., Соколовский А.А., Экспериментальное исследование рэлеевского рассеяния в кольцевой системе, Измерительнаятехника, 1991, №10, 28-29

46. Бородулин В И. и др . // Радиотехника и электроника. 191811.— №4. — С. 866

47. Полякова И.К., Соколовский А.А., Способ измерения потерь в световоде и устройство для его осуществления, Авторское свидетельство на изобретение 1765742, 1992

48. Потапов В.Т., Седых Д.А., Соколовский А.А., Волоконно-оптический интерферометрический датчик перемещения, Измерительная техника, 1988, №6, 28-29

49. Jonson М., Fiber-end interferometric sensor system using cooperative retroreflectors, Optics Lett., 1983, v.8, N11, 583-595

50. Адаме M., Введение в теорию оптических волноводов, Мир, М., 1984.

51. Marcuse D., Loss analysis of single mode fiber splices, "Bell Syst. Tech. Journ.", 1977, v.56, N5, pp. 703-718

52. Седых Д.А., Бесконтактное измерение перемещений с помощью волоконно-оптического интерферометра Физо, кандидатская диссертация, М, 1989

53. Lewin A.S., Kersey A.D.,Jacson D.A.< Non-contact surface vibration analisis using a monomode aiber optic interferometer incorporating an open air path // Journ. of Phys.E: Sci. Instr., 1985, v.18, N5, pp. 604-607

54. Застрогин Ю.Ф., Прецизионные измерения параметров движения с использованием лазера, М., Машиностроение, 1986, 270с.

55. Коронкевич В.П., Ханов В.А., Современные лазерные интерферометры, Новосибирск, Наука, 1985

56. Седых Д.А., Потапов В.Т., Соколовский А.А., Мхитарян Э.Д., Интерференционный дозатор, Тезисы докладов Всесоюзной конференции «Аналитическое приборостроение. Методы и приборы для анализа жидких сред», Тбилиси, 1986г., с. 152

57. Княжеченко И.В., Мамедов A.M., Соколовский А.А., Модулятор разности хода двух оптических пучков, Авторское свидетельство №1569789, 1990г.

58. Мамедов A.M., Соколовский А.А., Сканирующий интерферометр, Авторское свидетельство №1523906, 1989г.

59. Гарбузов Д.З., Зайцев С.В. Пташник В.Б., Тарасов И.С., Чудновский Ф.А., ЖТФ, 1989, т.59И, №10, с.83-87

60. Бочоришвили Н.Ф., Управляемое лазерное зеркало на основе двуокиси ванадия, Автореферат дисс., Л., 1990г.

61. Balberg I., Trakaman S, J. Appl. Phys., 1975, v.46, N5, p.2111-2119

62. Чудновский Ф.А., Фазовый переход металл-полупроводник в окислах ванадия, Автореферат дисс., JL, 1978

63. Егоров Ф.А., Темиров Ю.Ш., Дворянкин В.Ф., Потапов В.Т., Соколовский А.А., Тонкие пленки V02 с высоким оптическим контрастом, Письма в ЖТФ, 1991, т. 17,№8, с49-52

64. Темиров Ю.Ш., Егоров Ф.А., Способ получения пленок двуокиси ванадия, А.С. №1832136, Бюлл.,№29, 1993 г.

65. VanHave W., Claus P., Vennik J., Solid State Commun., 1980, v.33,Nl, p.11-16

66. Ralph W.G., Wyckoff-Crystall structure, Interscience Publishers, NY, 1969, v. 1,2

67. Горшунов Б.П. Репина И.И., Стефанович Г.Б., Терман М.Ю., Чудновский Ф.А.,ЖТФ, 1988, тю56,№9, с. 1845-1849

68. Hans W., Verleur, Barker A.S.,Berglund C.N., Phys. Rev., 1968, v,172, N3, p.788-798

69. Беляков В.И., Дмитриев В.А., Корнетов B.H., Мокроусов В.В., Орлов JI.A., автометрия, 1981, №5, с.114-118

70. Бугаев А.А., Захарченя Б.П., Чудновский Ф.А., Фазовый переход металл-полупроводник и его применения, JL, Наука, 1979, с.183

71. Robert О., Teeg, Robert W., Hallman, US Patent N 3547026, 1971

72. Левшин H.JI., Поройков С.Ю., Вестник МГУ, ФизикаБ Астрономия, 1990, т.31, №1, с 93

73. Бугаев А.А., Гаврилюк А.И., Гурьянов А.А., Захарченя Б.П., Чудновский Ф.А., Письма в ЖТФ, 1978, т. 4, №2, с.65-68

74. Егоров Ф.А., Темиров Ю.Ш., Соколовский А.А., Дворянкин В.Ф., Влияние фотоиндуцированного циклирования на свойства пленок V02, Письма в ЖТФ, 1992, т. 18, №18, с.47-50

75. Егоров Ф.А., Темиров Ю.Ш., Соколовский А.А., Дворянкин В.Ф., Кухта А.В., Старостин Н.И., Волоконный оптически управляемый модулятор излучения на основе двуокиси ванадия, Письма в ЖТФ, 1991, т.17, №22,с.85-90

76. Сандомирский В.Б., Суханов А.А., ФТТ, 1981, т.23, №9, с.27482751

77. Бугаев А.А., Ланская Т.Г., Сорокин Л.М., Мосина Г.Н, Теруков Е.И., Чудновский Ф.А., ДАН СССР, 1976, тю230,№3, с.575-577

78. Валиев К.А., Мокеров В.Г., Сарайкин В.В., Петрова А.Г., ФТТ, 1977,т.19, №9, с.1537-1534

79. Емельянов В.И., Семенов А.Л., ФТТ, 1990, т.32, №10, с.3083-3088

80. Теплотехнический справочник в 2-х томах, под общей редакцией Юренева В.И., Лебедева П.Д., М., Энергия, 1976, т.2, с 145

81. Шак А., Промышленная теплопередача, Металлургиздат, 1961, с.133

82. Бутусов М.М.,Галкин С.Л., Оробинский С.П., Пал Б.П., Волоконная оптика и приборостроение, Л., Машиностроение, 1987, 328с.

83. БегишевА.Р.,Игнатьев А.С., Калаев В.В., Мокеров В.Г., ЖТФ, 1979,т.49,№10, с.2276-2278

84. Дворянкин В.Ф., Егоров Ф.А., Потапов В.Т., Соколовский А.А., Темиров Ю.Ш., Волоконно-оптический генератор релаксационных колебаний на основе пленок двуокиси ванадия, Письма в ЖТФ, т. 15, №12, с.46-50

85. Коротеев М.И., Шумай И.Л., Физика мощного лазерного излучения, М., Наука, 1991,331с.

86. Егоров Ф.А., Темиров Ю.Ш., Соколовский А.А., Дворянкин В.Ф., Оптически управляемый волоконный переключатель на основе пленок V02, Письма в ЖТФ, 1991, т. 17, №9, с.81-85

87. Багдасарян А.С., Гришмановский А.Н., Ескин К.Ф., Магдина И.И., Термоуправляемые оптические устройства, Информационно-аналитический обзор по материалам отечественной и зарубежной печати, ЦООНТИ «ЭКОС», М., 1987, с19

88. Комолов В.Л., ЖТФ, 1982, т.52, №3, с486-491

89. Гиббс X., Оптическая бистабильность, М., Мир, 1988, 520с

90. Лодгауз В.А., Оптическая бистабильность и пространственно-временные неоднородности в пленках V02. кандидатская диссертация, СГУ, Саратов, 1985

91. Борн М., Вольф Э., Основы оптики, М.,Наука, 1973, 720 с.

92. Glen A., Nyberg, Buhrman R.A., Thin Solid Films, 1987, v. 147, p.111-116

93. Balberg I., Abeles В., Arie Y., Thin Solid Films, 1974, v.24, p.307

94. Береснева Л.А., Васильева Л.Л., Девятова С.Ф., Панькин В.Г.,

95. Свиташев К.К., Шварц И.Л., Письма в ЖТФ, 1977, т.З, №9, с.420-423

96. Sokolovsky A.A., Masychev V.I., Parameters optimization of monofiber and multifiber probes in diagnostics of biotissue by optical PNC-method, Proc. Of SPIE, v4253 (2001) p.143

97. Cheong W.F.,Prahl S.A.,Welch A.J., A rewiew of the optical properties of biological tissues, IEEE J.,of Quantum Electr, 1990, v.26 p.2166-2185

98. Исимару А., Распространение и рассеяние волн в случайно неоднородных средах, М., Мир, 1981, т. 1

99. Корн Ж., Корн Т., Справочник по математике, М., Наука, 1984

100. Kesler G, Masychev V, Sokolovsky A., Alexandrov М, Kesler А, Koren R., Early dental caries detection by method of PNC-diagnostics: comparison with visual and x-ray methods, Proceedings of SPIE, V.3910, 2000,p.269

101. Kesler G, Masychev V, Sokolovsky A., Alexandrov M, Kesler A, Koren R., Photon Undulatory Non-Linear Conversion Diagnostic Method for Caries Detection: A Pilot Study, Journal of Clinical Laser Medicine & Surgery v.21, 2003,№4,p.209-217

102. Александров M.T., Бажанов H.H., Платонова B.B., Черкасов А.С., Соколовский А.А. и др., Способ для обнаружения и оценкиконцентрации анаэробных бактерий в биологическом субстрате, Патент РФ №2121143, 1998

103. Александров М.Т., Бажанов Н.Н., Платонова В.В., Черкасов

104. А.С., Соколовский А.А. и др., Способ определения состояния биологической ткани, Патент РФ №2121289, 1998

105. Задворнов С.А., Исследование методов построения гибридных волоконно-оптических измерительных систем, Кандидатская диссертация, Научный руководитель Соколовский А.А., М. 2009

106. ГОСТ Р 51330.10-99. Электрооборудование взрывозащищенное. Часть 2. Искробезопасная электрическая цепь.

107. Dubaniewicz Т., Cashdollar К., GreenG., Chaiken R. Ignition of Methane-Air Mixtures by Laser Heated Small Particles Journal of Loss Prevention in the Process Ind., 2000 May 13(3-5):349-359.

108. ГОСТ 12.1.044-89. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура и методы определения.

109. ГОСТ Р 51330.19-99. Электрооборудование взрывозащищенное. Часть 20. Данные по горючим газам и парам, относящиеся к эксплуатации электрооборудования

110. Задворнов С.А., Соколовский А.А., О пожаровзрывобезопасности волоконно-оптических гибридных измерительных систем, Датчики и системы, №3,2007, с.11-13

111. Dubaniewicz-TH, Cashdollar-KL, Green-GM, Chaiken-RF,Ignition of Methane-Air Mixtures by Laser Heated Small Particles, J Loss Prev Process Ind 2000 May 13(3-5):349-359 (NIOSHTIC-2 No. 20022694)

112. R.C.Miller, B.Schwartz, L.A.Koszi, W.R.Wagner, A high-efficiency GaAlAs double-heterostructure photovoltaic detector, Appl. Phys. Lett. 33(8), 15 Oct 1978

113. Моисеев B.B., Потапов B.T., Свиридов B.A., Волоконно-оптические датчики линейных перемещений, Радиотехника, 1982, т.37, №6, с.83-84

114. P.di Vita. Ann. Telecommunic., 1977, V. 32, № 3—4

115. Моисеев B.B., Потапов В.Т., Свиридов В.А., Соколовский А.А., О разрешающей способности рефлектометра с компенсацией фоновых отражений, Радиотехника, 1982, т.37, №10

116. Моисеев В.В., Потапов В.Т., Исследование стабильности волоконно-оптического датчика отражательного типа, Радиотехника, 1988, №8, с.37-40

117. Загарских В.Г., Залкинд JI.A., Ольховой А.С., Потапов В.Т., Рыжнев В.Ю., Сидоров Г.В., Соколовский А.А., Татьянцев А.Г., Газоанализатор, Авторское свидетельство №1440184, 1988г.

118. Дворянкин В.Ф., Егоров Ф.А., Соколовский А.А., Морозов Н.П., Волоконно-оптический метанометр, Тезисы докл., Всесоюзной конф., Проблемы измерительной техники в волоконной оптике, Н.Новгород, 1991, с.117-118

119. Khivrin M.V., Travkin Е.К., Khochinov E.A.,Matveev V.A.,

120. Solcolovskiy A.A., Fiber-optic equipment for monitoring of the coil main's atmosphere, Proc. Int. conf. ISFOC -93, Leningrad, 1993,p.70-73

121. Морозов Н.П., Железнов В.И. Соколовский А.А., Егоров Ф.А., Узкополосные интерференционные фильтры для датчиков газов, Тезисы докл., Всесоюзной конф., Проблемы измерительной техники в волоконной оптике, Н.Новгород, 1991,с.124-125

122. Соколовский А.А., Задворнов С.А., Волоконно-оптический датчик концентрации газов, патент РФ №2265826, опубл. 27.05. 2005

123. Соколовский А.А., Задворнов С.А., Волоконно-оптический датчик концентрации газов, патент РФ №39202, опубл. 20.04. 2004

124. Соколовский А.А., Задворнов С.А., Гибридный волоконно-оптический датчик углеводородных сред, Тезисы докл., 14 НТК «Фотометрия иее метрологическое обеспечение», М., ВНИИОФИ, 2004, с 111-112

125. Zadvomov S., Sokolovsky A., An electro-optic hybrid methan sensor, 21 Canadian conference jn electrical and computer engineering , Niagara Falls, Canada,2008

126. Соколовский А.А., Задворнов С.А., Волоконно-оптическая гибридная измерительная система, патент РФ №80558, опубл. 10.02.2009

127. Александров И.В., Алексеева Е.И., Милявский Ю.С., Нанушьян С.Р., Потапов В.Т., Соколовский А.А., Фельд С.Я., Шушпанов О.Е., Многоканальный пороговый индикатор температуры, Авторское свидетельство №1556295, 8.12.1989.

128. Моисеев В.В., Огрин Ю.Ф., Куцевич И.В., Потапов В.Т., Соколовский А.А., О возможности использования пленок окислов ванадия в волоконно-оптических датчиках температуры, Письма в ЖТФ, 1982, т.8, №9, с 565-567

129. Дворянкин В.Ф., Егоров Ф.А., Потапов В.Т., Соколовский А.А.,Темиров Ю.Ш.,.Волоконно-оптический генератор релаксационных колебаний на основе пленок двуокиси ванадия, Письма в ЖТФ, 1989, т.15, №12, с.46-50

130. Задворнов С.А., Соколовский А.А., Двухканальный оптоэлектронный датчик температуры, Измерительная техника, 2004, №11, с.35-37

131. Zadvornov S., Sokolovsky A.,Hybrid fiber-optic temperature sensor using pulse coding of optical signal, Proc. of 10 IMECO TC7 Int. Sympossium on advances of measurement science, S.Petersburg, 2004, v.2, p335-337

132. Власов В.А.,Гуляев Ю.В., Потапов В.Т., Соснин В.П., Трегуб Д.П., Шпилевский Р.В., Эленкриг Б.Б., Квантовая электроника, 1981, №8, с 182

133. Новиков В.Н., Таллерчик Б.А., ПТЭ, 1969, №5, с.190

134. Андреев В.Н., Мешковский И.К., Теруков Е.И., Чудновский Ф.А., ПТЭ, 1975, №6 с.252

135. Дворянкин В.Ф., Егоров Ф.А., Соколовский А.А., Темиров Ю.Ш., Вол.-опт измеритель скорости потока газа на основе пленок V02, Тез.докл. Всес. Конф. Оптические методы исследования потоков Новосибирск, 1991

136. Zadvornov S., Sokolovsky A., Electro-optic hybrid multifunctional Instrument for 3-phase current measurements, Proc. IEEE International instrumentation and measurement technology conference, 2008,щ Victoria, Canada

137. Задворнов С.А., Соколовский А.А., Многофункциональный оптоэлектронный датчик тока, Всероссийская конференция по волоконной оптике, Пермь, 2007

138. Задворнов С.А., Соколовский А.А., Многофункциональная оптоэлектронная измерительная система для трехфазных сетей переменного тока, Электротехника, 2009, №4, с.47-51

139. Sokolovsky A., Ryabko М., Zadvornov, A fiber-optic hybrid multifunctional AC voltage sensor, CIGRE Canada conference on power systems, Winnipeg, 2008