Модуляция параметров направляемого оптического излучения в изгибаемых трехслойных одномодовых волоконных световодах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

Гурбатов Станислав Олегович

МОДУЛЯЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ МОДЫ В ИЗГИБАЕМЫХ ТРЕХСЛОЙНЫХ ОДНОМОДОВЫХ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДАХ

01.04.21 - Лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Владивосток - 2012

18 ОПТ 2012

005053634

005053634

Работа выполнена в Федеральном бюджетном учреждении науки Институте автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Витрик Олег Борисович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Каменев Олег Тимурович кандидат физико-математических наук Беловолов Михаил Иванович

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН)

Защита диссертации состоится «25» октября 2012 г. в 14 час. на заседании диссертационного совета Д005.007.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук по адресу: 690041, г. Владивосток, улица Радио, дом 5, ауд. 510.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИАПУ ДВО РАН.

Автореферат разослан "20"сентября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук,

доцент — Гамаюнов Е.Л,

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Освоение новых прогрессивных технологий, ввод в строй крупных и сложных инженерных объектов и интенсификация их эксплуатации требует разработки современных средств контроля таких объектов и систем. Значительное улучшение характеристик измерительных преобразователей, используемых для решения задач контроля параметров объектов, достигается при использовании волоконно-оптической элементной базы. К достоинствам волоконно-оптических измерительных преобразователей (ВОИП) относятся невосприимчивость к электромагнитным помехам, химическая устойчивость, малые размеры, высокая чувствительность и широкий диапазон длин измерительной базы, а также возможность проведения эффективных удаленных измерений. Успехи применения ВОИП в системах мониторинга параметров объектов в строительстве, авиации, флоте и космической технике вызвали значительный интерес научного сообщества к развитию этого направления. В настоящее время основные усилия ученых направлены на дальнейшее улучшение измерительных параметров ВОИП, расширение диапазона их применений в задачах мониторинга, упрощение методов обработки сигналов, и снижение их стоимости.

Одной из самых привлекательных схем ВОИП с точки зрения упрощения оптической схемы и методов обработки сигналов, а также снижения стоимости является схема модуляции амплитуды направляемого излучения вследствие макроизгибов одномодового волоконного световода, индуцированных внешним воздействием. Однако, при использовании в качестве чувствительных элементов (ЧЭ) стандартных световодов, какие, например, используются в волоконно-оптических системах связи, чувствительность ВОИП оказывается низкой. Дело в том, что заметные модуляции вследствие потерь появляются в таких ВС при радиусах изгиба менее сантиметра, что не позволяет применять их для измерения параметров слабых деформационных воздействий. Данную трудность можно преодолеть за счет возбуждения волоконного световода в нестандартном режиме со сниженным значением приведенной частоты Утш- Однако, с этой точки

з

зрения процессы модуляции амплитуды направляемого оптического излучения в изгибаемых одномодовых ВС изучены слабо.

До настоящего времени амплитудная модуляция направляемого излучения в изгибаемых одномодовых ВС исследовалась в основном с точки зрения анализа причины увеличения затухания передаваемых по волоконно-оптическим линиям связи сигналов. При этом одномодовый ВС в большинстве случаев рассматривался, как двухслойная структура, состоящая из световедущей сердцевины с показателем преломления п,, и «бесконечной» кварцевой оболочки с показателем преломления Пз, и влияние среды, окружающей кварцевую оболочку ВС, в большинстве случаев не учитывалось. В действительности, одномодовый ВС имеет третий оптический слой, образованный полимерным покрытием или иной средой, с показателем преломления п3, который может оказывать существенное влияние на процесс модуляции параметров фундаментальной моды при изгибе одномодового ВС. Такое влияние в частности может быть обусловлено взаимодействием направляемой моды сердцевины с модами оптической оболочки, параметры которых зависят от п3. В случае, когда на границе раздела кварцевая оболочка/внешняя среда выполняются условия полного внутреннего отражения, при пз<П2, в кварцевой оболочке возбуждается широкий спектр собственных волн. В результате картина их взаимодействия с направляемой модой сердцевины при изгибе ВС становится сложной и труднопредсказуемой. Для решения этой проблемы большинство производимых в настоящее время телекоммуникационных световодов покрываются полимерным чехлом с показателем преломления п3>п2. Тем не менее, даже в таком случае в кварцевой оболочке могут распространяться моды шепчущей галереи, которые скользят вдоль ее границы раздела с внешней средой, как это показано на рисунке 1. Согласно соотношениям Френеля, за счет большого угла падения, близкого к 90° на границе п/п3, коэффициент отражения для таких лучей может быть достаточно высок, несмотря на то, что условия полного внутреннего отражения для них не выполняются. Такие моды, проявляющиеся при изгибе ВС, могут влиять на потери направляемого излучения в волоконно-оптических линиях связи за счет их взаимодействия с фундаментальной

модой (ФМ).

Из представления о взаимодействии фундаментальной моды с узким спектром мод шепчущей галереи (МШГ) вытекает, что картина такого взаимодействия может стать существенно более регулярной и удобной для обработки. Кроме того, моды шепчущей галереи кварцевой оболочки

Рисунок 1 Одномодовый волоконный световод. Связь основной моды сердцевины с модами шепчущей галереи, распространяющимися в кварцевой оболочке. изогнутого ВС могут частично проникать во внешнюю среду, поэтому их

фаза будет зависеть от п3. Будучи связанными с фундаментальной модой

кварцевой сердцевины световода фазовые изменения мод шепчущей галереи

будут влиять на нее. Поэтому, изгибаемый световод может рассматриваться

не только как амплитудный, но и как фазовый модулятор для направляемого

по нему излучения. В основном глубина модуляции амплитуды и фазы

излучения в таком устройстве будет определяться величиной радиуса изгиба

ВС, и показателем преломления внешней по отношению к оптической

оболочке ВС среды. Поэтому, такой модулятор может быть использован в

качестве чувствительных элементов рефрактометров и измерителей изгибов.

Однако, вопрос об эффективности связи мод шепчущей галереи с

фундаментальной модой ВС применительно к измерительным

преобразователям физических величин изучен слабо. Действительно, при

взаимодействии мод сердцевины и кварцевой оболочки в изогнутом ВС

могут возникнуть резонансные явления, которые могут повысить или

снизить чувствительность при измерении физических величин. Условия, обеспечивающие максимальную чувствительность одномодовых волоконных световодов к радиусу его изгиба и показателю преломления среды, окружающей его кварцевую оболочку, требуют дополнительного исследования. Кроме того, для случая рефрактометров не изучалась функциональная зависимость для фазы и коэффициента ослабления мощности направляемого излучения ащгс в одномодовом ВС от показателя преломления внешней по отношению к кварцевой оболочке ВС среды п}.

Следует также отметить, что в случае измерения радиусов изгиба волоконный световод в чувствительном элементе может иметь практически любую длину, что обеспечивает возможность создания измерительных преобразователей, как с протяженной, так и с локальной измерительной базой. Причем изменение радиуса изгиба ВС в чувствительном элементе может быть обусловлено не только статическими, но и динамическими деформациями волоконного световода. Однако, невыясненным остается вопрос о том, как адаптировать чувствительность волоконных световодов для случая измерения радиусов изгиба протяженных объектов, и для случая измерения параметров локальных деформационных полей, в том числе динамических.

Цель и задачи работы

Целью данной работы является исследование процессов модуляции параметров направляемого оптического излучения в изгибаемых трехслойных одномодовых волоконных световодах в условиях связи мод сердцевины и оболочки; исследование физических процессов, обеспечивающих измерение показателя преломления и параметров статических и динамических деформационных полей с использованием трехслойных волоконных световодов; и создание физических основ для построения элементной базы волоконно-оптических измерительных преобразователей параметров деформаций и рефрактометров, использующих амплитудную и фазовую чувствительность к внешним воздействиям.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Исследовать физические процессы, приводящие к амплитудной и фазовой модуляции направляемого оптического излучения в изгибаемых трехслойных одномодовых волоконных световодах с учетом связи моды сердцевины и мод шепчущей галереи первой оптической оболочки; установить условия, обеспечивающие резонансную связь таких мод. Выявить механизмы, обуславливающие возникновение дополнительных потерь мощности направляемого оптического излучения при изгибе одномодовых ВС при низких значениях приведенной частоты и в условиях резонансной связи мод сердцевины и кварцевой оболочки. Выявить условия, обеспечивающие максимальную чувствительность одномодовых волоконных световодов к радиусу его изгиба и показателю преломления среды, окружающей кварцевую оболочку в зависимости от длины чувствительного ВС и условий измерения.

Разработать физические основы для построения элементной базы волоконно-оптических измерительных преобразователей параметров деформаций и рефрактометров, использующих амплитудную и фазовую чувствительность к внешним воздействиям.

Научная новизна работы заключается в следующем: впервые проведена экспериментальная верификация физико-математических моделей для расчета зависимости коэффициента ослабления направляемого излучения от радиуса изгиба трехслойного одномодового ВС, и световода с «бесконечной кварцевой» оболочкой в диапазоне значений приведенной частоты 0,5+2,1.Установлены условия, при которых достигается резонансная связь между фундаментальной модой кварцевой сердцевины ВС и модами шепчущей галереи его кварцевой оболочки в данном диапазоне, впервые найдены условия, обеспечивающие максимальную чувствительность одномодовых волоконных световодов к изменению радиуса их изгиба и показателю преломления среды, окружающей их кварцевую оболочку. Показано, что резонансные явления, возникающие при взаимодействии мод шепчущей галереи с фундаментальной модой изогнутого ВС, позволяют адаптировать чувствительность волоконных

световодов для случая измерения радиусов изгиба протяженных объектов, и для случая измерения параметров локальных деформационных полей, в том числе динамических, а также для измерения малых вариаций показателя преломления внешней по отношению к ВС среды.

• впервые предложены схемы волоконно-оптических измерительных преобразователей параметров статических и динамических (ускорения) деформаций, использующие амплитудную чувствительность изгибаемого ВС к внешним воздействиям. Достигнута пороговая чувствительность измерителя радиуса изгиба протяженных объектов - 18м, макета акселерометра - 3,7-10'2м/с2.

• впервые изучена модуляция фазы и коэффициента ослабления мощности направляемого излучения в одномодовом ВС в зависимости от показателя преломления внешней по отношению к кварцевой оболочке изогнутого ВС среды. Предложены схемы волоконно-оптических рефрактометров на основе витка одномодового ВС, использующие амплитудную и фазовую чувствительность к внешним воздействиям. Достигнута пороговая чувствительность макета рефрактометра 5*1(Т6.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

представленные в работе результаты открывают возможность создания чувствительных элементов широкого круга измерительных преобразователей параметров статических и динамических деформаций, а также показателя преломления жидких сред.

Выносимые на защиту положения 1. Изгибаемый одномодовый волоконный световод следует рассматривать как трехслойную структуру с кварцевой сердцевиной и двумя оптическими оболочками (кварцевая оболочка и внешняя среда). Показатель преломления второй оболочки влияет амплитуду и фазу фундаментальной моды изгибаемого одномодового волоконного световода, причем соответствующие зависимости являются детерминированными и монотонными в случае, если на границе между первой и второй оболочками

не реализуются условия полного внутреннего отражения.

8

2. Высокая амплитудная и фазовая чувствительность к изменению показателя преломления внешней среды, составляющей вторую оптическую оболочку трехслойного ВС, достигается при обеспечении условий резонансной связи между фундаментальной модой кварцевой сердцевины волоконного световода и модами шепчущей галереи его первой оболочки. Эти условия обеспечиваются при определенном соотношении между радиусом изгиба и оптическими параметрами кварцевого волоконного световода.

3. Высокая амплитудная чувствительность одномодовых кварцевых волоконных световодов к радиусу изгиба достигается за счет понижения их приведенной частоты до 0,5+0,8. При этом чувствительность может быть адаптирована как для случая измерения радиусов изгиба протяженных объектов, так и для случая измерения параметров локальных деформационных полей за счет выбора показателя преломления второй оптической оболочки. Это позволяет создавать чувствительные элементы широкого спектра измерительных преобразователей параметров статических и динамических деформаций.

Апробация результатов работы Апробация результатов работы проводилась на следующих международных, всероссийских и региональных конференциях:

1. XII Межрегиональная конференция молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов: сборник трудов, Владивосток (Россия) 2009.

2. Asia-pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics APCOM'2009, Vladivostok (Russia) 2009.

3. Всероссийская конференция по волоконной оптике ВКВО-2009, Пермь (Россия) 2009.

4. Asia-pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics APCOM'2010, Daejion (South Korea) 2010.

5. Научная сессия НИЯУ МИФИ, Москва (Россия) 2010.

6. Всероссийский конкурс-конференция молодых физиков, Москва (Россия) 2010.

7. Всероссийская конференция по волоконной оптике ВКВО-2011, Пермь (Россия) 2011.

8. Научная сессия НИЯУ МИФИ, Москва (Россия) 2011.

9. Asia-pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics APCOM'2011, Samara (Russia) 2011.

1 O.Asia-pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics APCOM'2012, Dalian (P.R. of China) 2012.

Результаты диссертационной работы опубликованы в 12 печатных работах, включая 4 статьи в ведущих рецензируемых журналах из списка ВАК России.

Личный вклад автора Все результаты диссертационной работы получены автором лично, либо при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации 135 страниц, включая список литературы, 44 рисунка и 1 таблицу. Список цитированной литературы содержит 134 наименований, включая публикации автора по теме диссертации.

И. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, дается общая характеристика научной проблемы, формулируется цель диссертационной работы, ставятся задачи проводимого исследования, намечаются возможные пути решения поставленных задач.

В первой главе теоретически и экспериментально исследованы

зависимости коэффициента ослабления направляемого излучения awss от

радиуса изгиба R трехслойного одномодового ВС в диапазоне значений

приведенной частоты 0,5+2,1. Показано, что для расчета характеристик

амплитудных измерительных преобразователей на основе таких ВС

10

целесообразно использовать модель «мод изогнутого ВС», а в частном случае при п3=п2 может быть также использована модель «токовой антенны». Установлено, что характер зависимости ciloss(R) для трехслойного одномодового ВС может быть объяснен в рамках взаимодействия фундаментальной моды сердцевины с узким спектром мод шепчущей галереи кварцевой оболочки ВС.

Установлены зависимости нормированной мощности Р/Р0 от радиуса

изгиба R отрезков одномодовых ВС (рисунок 2). Продемонстрирована возможность измерения радиусов изгиба в объектах протяженностью в десятки метров и более за счет регистрации интенсивности света на выходе протяженного изгибаемого ВС. Теоретически и экспериментально показано, что наилучшую чувствительность при проведении таких измерений обеспечивают одномодовые ВС со значением приведенной частоты Vnorm~-0,7+0,8, возбуждаемые в режиме «бесконечной кварцевой» оболочкой (при пз=п2). При п3Фп2, как это следует из рисунка 2, пороговая чувствительность существенно ниже. Это объясняется тем, что при больших значениях R зависимость aLOss(R) для трехслойного ВС находится в окрестности минимума интерференции ФМ и МШГ. Сформулированы и экспериментально реализованы условия, позволяющие реальный световод с конечной кварцевой оболочкой возбуждать в режиме, близком к режиму «бесконечной» оболочки. Экспериментально продемонстрирован ЧЭ измерительного преобразователя радиуса изгиба в виде отрезка одномодового ВС с «бесконечной кварцевой» оболочкой и параметрами Vnorm=0,74, и длину 30м. Установлено, что пороговая

Рисунок 2 Зависимости Р(Я)/Р0 для отрезков одномодовых ВС длиной 30м, имеющих Умош =0,74. Кривая 1 — ВС имеет конечную оптическую оболочку. Кривая 2 — «бесконечную». Маркеры о,« — результаты экспериментальных исследований.

чувствительность такого ЧЭ к радиусу изгиба составляет 18м, диапазон линейного участка зависимости выходной мощности от радиуса изгиба: 5Н8м.

Продемонстрирована возможность измерения локальных параметров деформационных полей за счет регистрации интенсивности света на выходе

Т'----г..... короткого чувствительного

\ отрезка волоконного световода. 1 2 На основании расчетов установлено, что при создании ЧЭ такого типа длиной ~1мм наибольшую чувствительность обеспечивает использование трехслойного ВС со значением приведенной частоты

2 Гтщ~0,5Щ6 и пгП2~51(Г3,

Рисунок 3 Зависимости Р(Я)/Р0 для работающего в режиме

отрезков одномодовых ВС длиной 1мм,

I/ пса и- I т>г> резонансной связи мод

имеющих укОКМ=0,54. Кривая 1 - ВС г

имеет конечную оптическую оболочку, сердцевины и первой оптической

Кривая 2 - «бесконечную». оболочки, что достигается

заданием начального прогиба ВС в ЧЭ. Для этого случая установлены зависимости нормированной мощности Р(Я)/Р0 от радиуса изгиба (рисунок 3). Показано, что использование трехслойного световода с Уцош=0,54 (р=1,5мкм, Ь=62,5мкм, П}=1,4682, п2=1,4626, П)=1,4977, Х=1,бмкм) обеспечивает пороговую чувствительность ~1,4м (что соответствует смещению ~100нм), и линейную характеристику преобразования измеряемого радиуса в выходную мощность в диапазоне 1,3+1,4м. Показано, что резонансная связь мод такого световода достигается при начальном поперечном прогибе центральной части чувствительного участка ВС на ~0,1мкм.

Продемонстрирована и экспериментально реализована возможность прецизионного измерения показателя преломления среды, окружающей кварцевую оболочку ВС, за счет регистрации интенсивности света на выходе изогнутого ВС при обеспечении в нем условий резонансной связи

фундаментальной моды сердцевины и мод шепчущей галереи кварцевой оболочки. Показано, что для ЧЭ в виде кольцеобразного участка световода с приведенной частотой Утш=2,13 наилучшая пороговая чувствительность достигается при радиусе кольца 7,5мм, и составляет КГ4.

Во второй главе предложена методика создания на участках одномодовых ВС волоконных структур типа «перетяжка». На участке ВС с параметрами р=4,15мкм, Ь=б2,5мкм, »¡=1,467, п2=1,4619 сформированы данные волоконные структуры длиной ~500мкм, обеспечивающие значение приведенной частоты Уцош=0,51, и Уыош=0,61 на длине волны 1=1,55мкм.

Исследованы процессы амплитудной модуляции направляемого оптического излучения в созданных «перетяжках» под воздействием поперечного и продольного смещения ее центральной части (рисунок 4).

Показано, что при Утш=0,51 пороговая

чувствительность к

поперечному смещению

«перетяжки» достигает

1,1мкм, при Уцош=0,61 -1,5мкм\ при аксиальном (вдоль оси ВС) смещении эти величины составляют,

соответственно, 85нм и 140нм, что приблизительно в 15 раз лучше, чем при поперечном смещении. Это объясняется тем, что при «сжимающем» аксиальном смещении достигается больший изгиб волоконного световода в области «перетяжки», чем при поперечном смещении. Поэтому, при создании измерительных преобразователей локальных деформационных полей с ЧЭ в виде «перетяжки» целесообразно

нормированной мощности направляемого излучения от величины смещения «перетяжки». Вдоль оси ВС: Кривая 1 (маркер я) - Уцош=0,51. Кривая 2 (маркер •) • Уцош=0,61. В поперечном направлении: Кривая 3 (маркер я) - УцОш=0,51.

располагать ее таким образом, чтобы обеспечить возможность ее смещения в направлении вдоль оси волоконного световода. Показано, что в таком случае для обеспечения линейности характеристики преобразования величины смещения в выходной сигнал измерительного преобразователя необходимо обеспечить начальное продольное смещение «перетяжки» приблизительно на 2,5мкм.

Исследованы процессы амплитудной модуляции направляемого

оптического излучения в волоконных структурах типа «перетяжка» под

воздействием динамических деформаций в случае, когда вибрационные воздействия передаются чувствительному отрезку волоконного

Рисунок 5 Схема волоконно-оптического

измерительного преобразователя ускорения. 1) светов°Да за счет движений одномодовый волоконный световод. 2,3,4) пружинного маятника в неподвижные крепления. 5) перетяжка на

участке одномодового волоконного световода. 6) напРавлении оси а

плоский маятник. 7) герметичный корпус. 8) результате предложен и

вязкая жидкость. 9) инерционная масса.

у ' исследован макет волоконно-

оптического измерительного преобразователя ускорения, в котором в

качестве чувствительного элемента используется «перетяжка» одномодового

ВС с Уцош=0,51 (рисунок 5).

Ь,С2 10 і

8 1 б'

610*

4-Ю

216'

0

и/СААСВ-Ли 0,03

Р.ОТН.ЄД.

•Яш...*—г-

і.....і........*.......

V

0,75

Рисунок 6 Характеристики измерительного преобразователя ускорения, а) Амплитудно-частотная характеристика чувствительного элемента

измерительного преобразователя. б) Зависимость выходного сигнала измерительного преобразователя от амплитуды ускорения внешней среды. Достигнуты следующие характеристики измерительного преобразователя:

пороговая чувствительность к ускорению на линейном участке АЧХ - 3,7-Ш

2м/с2, диапазон линейности АЧХ 2+50Гц, динамический диапазон измерений

- 42дБ, дрейф выходного сигнала не более 0,1 %/сут, температурный дрейф -

не более 0,2% на 1°С. На рисунке 6 представлены зависимость выходного

сигнала измерительного преобразователя от амплитуды ускорения внешней

среды и его АЧХ.

В третьей главе разработана технология изготовления волоконных интерферометров Фабри-Перо, предназначенных для исследования фазовой модуляции направляемого оптического излучения в изгибаемых трехслойных одномодовых волоконных световодах. На основе стандартного одномодового ВС были созданы волоконные интерферометры Фабри-Перо длиной 20мм, с коэффициентами отражения входного и выходного зеркал 0,5 и 0,94, и радиусами изгиба 7,5мм; 8,9мм, обеспечивающими условия резонансной связи между модами сердцевины и кварцевой оболочки.

АХ, п.»

Показано, что фаза излучения, направляемого по изогнутому волоконному световоду наиболее

эффективно изменяется в зависимости от показателя преломления внешней среды при обеспечения в нем резонансной связи

направляемой моды

сердцевины с модами соответствующему сдвигу

Рисунок 7 Зависимости величины сдвига интерференционных максимумов в волоконно-оптическом интерферометре Фабри-Перо от показателя преломления внешней среды. Кривые 1,2 - при обеспечении резонансной связи ФМ и МШГ. Кривые 3,4 — при отсутствии такой связи.

оптической оболочки. Это приводит к

спектральных максимумов в изогнутом волоконном интерферометре Фабри-Перо. Зависимости величины сдвига интерференционных максимумов в волоконно-оптическом интерферометре Фабри-Перо от показателя преломления внешней среды представлены на рисунке 7. Максимально

достигнутые относительная фазовая = -—— и спектральная у^ — -—-

¿Из'I г р апа-Л

чувствительности изогнутого интерферометра Фабри-Перо с параметрами р=4,15мкм, Ь=62,5мкм, П]=1,467, п2=1,4619, 1рр=20мм, Я=7,9лш составляют, соответственно, 0,71 и 0,077, что позволяет зарегистрировать минимальное изменение показателя преломления внешней среды на величину 5*10*.

В заключении подводятся итоги проделанной работы и приводятся важнейшие результаты, полученные в ходе диссертационного исследования.

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Результаты данной диссертационной работы сводятся в основном к следующему:

1.Теоретически и экспериментально исследованы процессы распространения направляемого оптического излучения в изгибаемых трехслойных одномодовых волоконных световодах, третий оптический слой которого образован внешней по отношению к кварцевой оболочке средой. В зависимости от соотношения показателей преломления внешней среды и кварцевой оболочки сформулированы условия, при которых достигается резонансная связь между фундаментальной модой кварцевой сердцевины ВС и модами шепчущей галереи его кварцевой оболочки. Разработана физико-математическая модель, позволяющая установить условия, обеспечивающие максимальную амплитудную и фазовую чувствительность направляемого по сердцевине ВС излучения к радиусу изгиба световода и показателю преломления среды, окружающей его кварцевую оболочку.

2. Теоретически и экспериментально показано, что в случае протяженных чувствительных элементов (ЧЭ) на основе трехслойных ВС

(используемых при проведении измерений радиусов изгиба в объектах протяженностью в десятки метров и более), наилучшую амплитудную чувствительность демонстрируют ЧЭ в виде ВС со значением приведенной частоты 0,7+0,8, погружаемые в иммерсионную среду с показателем преломления равным показателю преломления кварцевой оболочки ВС. Экспериментально продемонстрирован чувствительный элемент (ЧЭ) измерительного преобразователя радиуса изгиба на основе такого ВС. Установлено, что пороговая чувствительность данного ЧЭ к радиусу изгиба составляет 18м, диапазон линейности измерений: 5+18м.

3. Теоретически и экспериментально показано, что при измерениях локальных параметров деформационных полей наилучшую амплитудную чувствительность к радиусу изгиба демонстрируют ЧЭ на основе трехслойных ВС со значением приведенной частоты 0,5+0,6, третий оптический слой которых образован полимерной оболочкой с показателем преломления выше, чем у кварцевой оболочки, в случае когда для такого световода обеспечиваются условия резонансной связи мод его кварцевой сердцевины и оболочки. Экспериментально продемонстрирован ЧЭ измерительного преобразователя деформационных полей на основе такого ВС. Установлено, что пороговая чувствительность данного ЧЭ к радиусу изгиба составляет ~1,4м (что соответствует смещению ~100нм), диапазон линейности измерений: 1,3+1,4м.

4. Показано, что при измерении показателя преломления среды, окружающей кварцевую оболочку ВС, в качестве ЧЭ целесообразно использовать ВС со значением приведенной частоты в случае когда для такого световода обеспечиваются условия резонансной связи мод его кварцевой сердцевины и оболочки. Показано, что для ЧЭ в виде кольцеобразного участка световода с приведенной частотой У^ош=2,13 {р=4,15мкм, Ь=62,5мкм, »¡=1,467, »2=1,4619) наилучшая пороговая чувствительность достигается при радиусе кольца 7,5мм, и составляет Ш4.

5. Предложен чувствительный элемент в виде «перетяжки» стандартного одномодового ВС с приведенной частотой ~2,1 со сниженным до ~0,5 значением этого параметра в области шейки «перетяжки». Установлены требования к геометрии ЧЭ на основе такого ВС,

обеспечивающие высокую чувствительность к статическим и динамическим сдвиговым деформациям. Разработан макет волоконно-оптического измерительного преобразователя динамического ускорения на основе ЧЭ в виде «перетяжки» ВС. Достигнута пороговая чувствительность макета к динамическому ускорению на линейном участке АЧХ - 3,7-1 (Г2м/с2, диапазон линейности АЧХ 2+50Гц, динамический диапазон измерений - 42дБ, дрейф выходного сигнала не более 0,1 %/сут, температурный дрейф - не более

0.2. на 1°С.

6. Продемонстрирована возможность измерения показателя преломления среды, окружающей кварцевую оболочку изогнутого ВС, за счет регистрации фазовых изменений в созданном на его основе интерферометре Фабри-Перо. Показано, что для обеспечения максимальной чувствительности к вариациям показателя преломления среды, окружающей кварцевую оболочку ВС целесообразно использование режима резонансной связи мод сердцевины и первой оптической оболочки для трехслойного ВС со значением приведенной частоты Vnorm~2,1. Реализован макет прецизионного рефрактометра на основе ЧЭ в виде отрезка ВС с VNощ-2,1 и радиусом изгиба 7,9мм. Максимально достигнутые относительная фазовая

dq>-X dX

yF = —-— и спектральная ys =- чувствительности составляют,

dn^'lfrp dnj'A

соответственно, 0,71 и 0,077. Установлено, что пороговая чувствительность макета достигает 5*10г6.

Материалы диссертационной работы полностью отражены в следующих публикациях:

В журналах из перечня ВАК:

1. Ю.Н. Кульчин, О.Б. Витрик, A.B. Дышлюк, С.О. Гурбатов. Метод регистрации деформаций изгиба с применением волоконных световодов с низким значением приведенной частоты. // Измерительная техника. - №2. -2010. — с.47-49.

2. Ю.Н. Кульчин, О.Б. Витрик, С.О. Гурбатов. Волоконно-оптический измерительный преобразователь вибраций. // Физическое образование в вузах. - т. 16. - №1. - 2010. - с. 39-40.

3. Ю.Н. Кульчин, О.Б. Витрик, A.B. Дышлюк, С.О. Гурбатов. Амплитудная модуляция направляемого излучения в одномодовых волоконных световодах

18

с низкой приведенной частотой при воздействии сейсмических сигналов. // Измерительная техника. - №6. — 2011. — с. 30-32.

4. Ю.Н. Кульчин, О.Б. Витрик, С.О. Гурбатов. Спектр изогнутого волоконного интерферометра Фабри—Перо при малых вариациях показателя преломления внешней среды. // Квантовая электроника, 2011,41 (9), 821-823. В других журналах и сборниках трудов конференций:

1. Ю.Н. Кульчин, О.Б. Витрик, А.В. Дышлюк, С.О. Гурбатов. Волоконно-оптический метод мониторинга деформаций изгиба. // Фотон-экспресс. - т. 78. - №6. - 2009. - с.212-213.

2. Yu.N. Kulchin, О.В. Vitrik, A.V. Dyshlyuk, S.O. Gurbatov. Optical fiber sensor of acoustic waves. // Pacific Science Review, vol.12, no.l, 2010. - pp.92.

3. Yu.N. Kulchin, O.B. Vitrik, S.O. Gurbatov. Amplitude modulation of guided light in single-mode optical fibers with low normalized frequency under the influence of seismic signals. // Pacific Science Review, vol.12, no.l, 2010. - pp.8991.

4. Ю.Н. Кульчин, О.Б. Витрик, С.О. Гурбатов. Метод измерения показателя преломления на основе резонансной связи мод в изогнутом волоконном интерферометре Фабри-Перо // Фотон-экспресс. — т. 94. — №6. - 2011. - с.239-240.

5. Yu.N. Kulchin, О.В. Vitrik, S.O. Gurbatov. The spectrum of a bent fiber Fabry-Perot interferometer under small variations of the refractive index of the environment // Proceedings of APCOM 2012. - pp.89-93.

6.Ю.Н. Кульчин, О.Б. Витрик, С.О. Гурбатов. Амплитудная регистрация вибрационных процессов на основе одномодовых волоконных световодов с низкой приведенной частотой. // Научная сессия НИЯУ МИФИ-2011. Научно-техническая конференция-семинар по фотонике и информационной оптике: Сборник научных трудов. - М.: НИЯУ МИФИ, 2011. - с. 86-87.

7. С.О. Гурбатов. О.Б. Витрик, Ю.Н. Кульчин. Волоконно-оптический акселерометр для систем сейсмического зондирования. // Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике: тезисы докладов. — Владивосток: Издательство ДВГУ, 2010. -с.42-43.

8. Ю.Н. Кульчин, О.Б. Витрик, А.В. Дышлюк, С.О. Гурбатов. Метод мониторинга деформаций изгиба с применением волоконных световодов с низким значением приведенной частоты. // Научная сессия НИЯУМИФИ-2010, сборник научных трудов: секция фотоника и информационная оптика. - Москва: МИФИ, 2010. - с. 36-38.

Гурбатов Станислав Олегович

Модуляция параметров фундаментальной моды в изгибаемых трехслойных одномодовых волоконных световодах

Автореферат

Подписано к печати 12.09.2012 г. Усл.п.л. 1.0 Уч.-изд.л. 0,8.

Формат 60x84/16. Тираж 100 экз. Заказ №23

Издано ИАПУ ДВО РАН. 690041, г. Владивосток, ул.Радио,5 Отпечатано участком оперативной печати ИАПУ ДВО РАН. 690041, г. Владивосток, ул.Радио,5

1 Вводная

глава.

2 Амплитудная модуляция направляемого оптического излучения в изгибаемых трехслойных одномодовых волоконных световодах.

2.1 Основные физические механизмы, обуславливающие модуляцию амплитуды фундаментальной направляемой моды в изгибаемых одномодовых волоконных световодах.

2.2 Физико-математические модели для описания процессов модуляции амплитуды фундаментальной направляемой моды в изгибаемом одномодовом волоконном световоде с учетом процессов, обусловленных конечностью оптической оболочки.

2.3 Экспериментальное исследование процессов модуляции амплитуды фундаментальной моды в изгибаемом трехслойном одномодовом волоконном световоде.

2.4 Выводы к главе.

3 Амплитудная модуляция направляемого оптического излучения при деформационных воздействиях на локальные участки трехслойных одномодовых волоконных световодов со сниженным значением приведенной частоты.

3.1 Экспериментальная установка для создания волоконных структур с уменьшенным диаметром световедущей сердцевины типа «перетяжка».

3.2 Амплитудная модуляция направляемого оптического излучения в волоконных структурах типа «перетяжка» под воздействием параметров статических деформаций.

3.3 Амплитудная модуляция направляемого оптического излучения в волоконных структурах типа «перетяжка» под воздействием динамических деформаций.

3.4 Выводы к главе.

4 Фазовая модуляция направляемого оптического излучения в изгибаемых трехслойных одномодовых волоконных световодах.

4.1 Методика создания волоконных интерферометров Фабри-Перо, предназначенных для исследования фазовой модуляции направляемого оптического излучения в изгибаемых трехслойных одномодовых волоконных световодах.

4.2 Исследование фазовой модуляции направляемого оптического излучения в изгибаемых трехслойных одномодовых волоконных световодах при вариациях показателя преломления внешней среды.

4.3 Выводы к главе.

Во введении обсуждаются существующие технологии всестороннего контроля параметров физических, химических, биологических процессов, сопровождающих эксплуатацию потенциально-опасных техногенных объектов, их достоинства и недостатки. Обосновывается актуальность работы, ставятся задачи проводимого исследования, намечаются возможные пути решения поставленных задач. Формулируется цель диссертационной работы и положения, выдвигаемые на защиту, приводится краткое содержание работы.

В первой главе обсуждаются классические модели, описывающие процессы модуляции амплитуды оптического излучения в изгибаемых ВС с

19 бесконечной кварцевой» оболочкой. Показывается, что одномодовые ВС в режиме «бесконечной» оболочки перспективно использовать в качестве чувствительных элементов измерителей радиуса изгиба, в тех случаях, когда измеряемый радиус варьируется в широком диапазоне. Определяются условия, обеспечивающие высокую амплитудную чувствительность ВС в режиме «бесконечной» оболочки к малым деформациям изгиба. Рассматриваются физические механизмы, приводящие к возникновению потерь мощности при изгибе трехслойных одномодовых ВС, и формулируются условия, обеспечивающие резонансную связь мод сердцевины и кварцевой оболочки световода. Анализируется функциональная зависимость коэффициента ослабления мощности направляемого излучения в одномодовом ВС от радиуса изгиба, и показателя преломления внешней по отношению к кварцевой оболочке ВС среды, с учетом резонансной связи мод сердцевины кварцевой оболочки. Обосновывается возможность увеличения чувствительности измерителей радиуса изгиба по сравнению с режимом «бесконечной» оболочки за счет обеспечения условий резонансной связи мод. Кроме того, обосновывается возможность прецизионного измерения показателя преломления среды, окружающей ВС при обеспечении условий резонансной связи мод сердцевины и кварцевой оболочки.

Во второй главе диссертационной работы предлагается методика создания на локальных участках стандартных одномодовых ВС «перетяжек», обеспечивающих снижение приведенной частоты световода от исходного значения 2+2,4 до 0,5+0,6. Проводятся исследования амплитудной модуляции направляемого по таким волоконным структурам оптического излучения под воздействием статического аксиального растяжения и поперечного смещения. Исследуются процессы амплитудной модуляции направляемого излучения в одномодовых волоконных световодах под воздействием динамических деформаций на «перетяжку» ВС. На основе полученных при

20 этом результатов предлагается макет волоконно-оптического измерительного преобразователя ускорения.

В третьей главе настоящей диссертационной работы рассматриваются вопросы, связанные с разработкой технологии изготовления волоконных интерферометров Фабри-Перо, предназначенных для исследования фазовой модуляции направляемого оптического излучения в изгибаемых трехслойных одномодовых волоконных световодах при вариациях показателя преломления внешней по отношению к кварцевой оболочке ВС среды. Экспериментально исследуются зависимости смещения спектральных максимумов в волоконно-оптическом интерферометре Фабри-Перо от величины показателя преломления внешней по отношению к световоду среды при обеспечении резонансной связи между модами сердцевины и оболочки и в ее отсутствии.

В заключении подводятся итоги проделанной работы и приводятся важнейшие результаты, полученные в ходе диссертационного исследования.

4.3. Выводы к главе.

Таким образом, результаты, полученные в данной главе диссертационной работы, сводятся к следующему.

Разработана технология изготовления волоконных интерферометров Фабри-Перо, предназначенных для исследования фазовой модуляции направляемого оптического излучения в изгибаемых трехслойных одномодовых волоконных световодах. На основе одномодового ВС с параметрами р=4,15мкм, Ь=62,5мкм, П}=1,467, п2=1,4619 были созданы волоконные интерферометры Фабри-Перо длиной 20мм, с коэффициентами отражения входного и выходного зеркал 0,5 и 0,94, и радиусами изгиба 7,5мм; 8,9мм, обеспечивающими условия резонансной связи между модами сердцевины и кварцевой оболочки, а также с радиусами 8,1мм; 5м, которые такой связи не обеспечивают.

Показано, что фаза излучения, направляемого по изогнутому волоконному световоду изменяется в зависимости от показателя преломления внешней среды при обеспечения в нем резонансной связи направляемой моды сердцевины с модами оптической оболочки. Это приводит к соответствующему сдвигу спектральных максимумов в изогнутом волоконном интерферометре Фабри-Перо. Максимально й<р-А с2Л достигнутые относительная фазовая уР =- и спектральная = йп3-1рр йп3-Л чувствительности изогнутого интерферометра Фабри-Перо с параметрами р=4,15мкм, Ь=62,5мкм, п}=1,467, п2=1,4619, 1рр=20мм, Я=7,9мм составляют, соответственно, 0,71 и 0,077, что позволяет зарегистрировать минимальное изменение показателя преломления внешней среды на величину 5*10'6.

Заключение.

Таким образом, результаты, полученные в данной работе, сводятся к следующему:

1 .Теоретически и экспериментально исследованы процессы распространения направляемого оптического излучения в изгибаемых трехслойных одномодовых волоконных световодах (ВС), третий оптический слой которого образован внешней по отношению к кварцевой оболочке средой. В зависимости от соотношения показателей преломления внешней среды (п3) и кварцевой оболочки (п2) сформулированы условия, при которых достигается резонансная связь между фундаментальной модой кварцевой сердцевины ВС и модами шепчущей галереи его кварцевой оболочки. Разработана физико-математическая модель, позволяющая установить условия, обеспечивающие максимальную амплитудную и фазовую чувствительность направляемого по сердцевине ВС излучения к радиусу изгиба световода и показателю преломления среды, окружающей его кварцевую оболочку.

2. Теоретически и экспериментально показано, что в случае протяженных чувствительных элементов (ЧЭ) на основе трехслойных ВС (используемых при проведении измерений радиусов изгиба в объектах протяженностью в десятки метров и более), наилучшую амплитудную чувствительность демонстрируют ЧЭ в виде ВС со значением приведенной частоты 0,7+0,8, погружаемые в иммерсионную среду с показателем преломления равным показателю преломления кварцевой оболочки ВС. Экспериментально продемонстрирован чувствительный элемент (ЧЭ) измерительного преобразователя радиуса изгиба на основе такого ВС. Установлено, что пороговая чувствительность данного ЧЭ к радиусу изгиба составляет 18м, диапазон линейности измерений: 5+18м.

116

3. Теоретически и экспериментально показано, что при измерениях локальных параметров деформационных полей наилучшую амплитудную чувствительность к радиусу изгиба демонстрируют ЧЭ на основе трехслойных ВС со значением приведенной частоты 0,5-0,6, третий оптический слой которых образован полимерной оболочкой с показателем преломления выше, чем у кварцевой оболочки, в случае когда для такого световода обеспечиваются условия резонансной связи мод его кварцевой сердцевины и оболочки. Экспериментально продемонстрирован ЧЭ измерительного преобразователя деформационных полей на основе такого ВС. Установлено, что пороговая чувствительность данного ЧЭ к радиусу изгиба составляет ~1,4м (что соответствует смещению ~100нм), диапазон линейности измерений: 1,3-1,4м.

4. Показано, что при измерении показателя преломления среды, окружающей кварцевую оболочку ВС, в качестве ЧЭ целесообразно использовать ВС со значением приведенной частоты Унсжм~2,1, в случае когда для такого световода обеспечиваются условия резонансной связи мод его кварцевой сердцевины и оболочки. Показано, что для ЧЭ в виде кольцеобразного участка световода с приведенной частотой Умоям-2,13 (р=4,15мкм, Ъ=62,5мкм, N¡=1,467, п2=1,4619) наилучшая пороговая чувствительность достигается при радиусе кольца 7,5мм, и составляет 10~4.

5. Предложен чувствительный элемент в виде «перетяжки» стандартного одномодового ВС с приведенной частотой ~2,1 со сниженным до ~0,5 значением этого параметра в области шейки «перетяжки».

Установлены требования к геометрии ЧЭ на основе такого ВС, обеспечивающие высокую чувствительность к статическим и динамическим сдвиговым деформациям. Разработан макет волоконно-оптического измерительного преобразователя динамического ускорения на основе ЧЭ в виде «перетяжки» ВС. Достигнута пороговая чувствительность макета к

117

2 2 динамическому ускорению на линейном участке АЧХ - 3,7-10' м/с , диапазон линейности АЧХ 2+50Гц, динамический диапазон измерений - 35дБ, дрейф выходного сигнала не более 0,1 %/сут, температурный дрейф - не более 0,2% на 1°С.

6. Продемонстрирована возможность измерения показателя преломления среды, окружающей кварцевую оболочку изогнутого ВС, за счет регистрации фазовых изменений в созданном на его основе интерферометре Фабри-Перо. Показано, что для обеспечения максимальной чувствительности к вариациям показателя преломления среды, окружающей кварцевую оболочку ВС целесообразно использование режима резонансной связи мод сердцевины и первой оптической оболочки для трехслойного ВС со значением приведенной частоты Уноям~2,1. Реализован макет прецизионного рефрактометра на основе ЧЭ в виде отрезка ВС с У^оям^^, 1 и радиусом изгиба 7,9мм. Максимально достигнутые относительная фазовая й<р-Л йХ уР —- и спектральная у5 =-- чувствительности составляют, йП2'1рр йП^'Л соответственно, 0,71 и 0,077. Установлено, что пороговая чувствительность макета достигает 5*10'6.

1. B. Glisic, D. Inaudi, and N. Casanova, "SUM process as perceived through 350 projects," in Smart Struct. Mater./NDE Symp., San Diego, CA, 2010, p. 76480P.

2. ISIS Canada, Guidelines for Structural Health Monitoring Canada, 2001.

3. C. Boiler, "Structural health monitoring in aeroespace," Advance Course on SHM. Barcelone, Spain, 2009.

4. J.M. Lopez-Higuera, Photonics Sensing Technologies: Successful Techniques and Trends, P. Corredera and F. J. Gut, Eds. Madrid, Spain: CSIC, 2007, pp. 33-48.

5. F. Ansari, Sensing Issues in Civil Structural Health Monitoring. Norwell, MA: Kluwer, 2005.

6. C.C. Ciang, J.R. Lee, and H.J. Bang, "Structural health monitoring for a wind turbine system: A review of damage detection methods," Meas. Sci. Technol., vol. 19, no. 12, pp. 122001-1-122001-20, 2008.

7. J. Wernicke, S. Kuhnt, and R. Byars, "Structural monitoring system for offshore wind turbine foundations structures," presented at the Eur. Wind Energy Conf. Exhib., Athens, GR, 2006.

8. J.M. Lopez-Higuera, "Introduction to optical fiber sensor technology," in Handbook of Optical Fibre Sensing Technology, J. M. Lopez-Higuera, Ed. New York: Wiley, 2002, pp. 1-21.

9. D. Inaudi, "Photonic sensing technology in civil engineering," in Handbook of Optical Fibre Sensing Technology, J.M. Lopez-Higuera, Ed. New York: Wiley, 2002, pp. 517-542.1 l.R. Kashyap, Fiber Bragg Gratings. New York: Academic, 1999.119

10. R. Kashyap and J. M. Lopez-Higuera, "Fiber grating technology: Theory, photosensitivity, fabrication and characterization," in Handbook of Optical Fibre Sensing Technology, J. M. Lopez-Higuera, Ed. New York: Wiley, 2002.

11. Y.-J. Rao, "Long-period fiber gratings for low-cost sensing (invited paper)," in 17th Int. Conf. Opt. Fibre Sens. (OFS), Bruges, Belgium, 2005, pp. 1316.

12. M. Lopez-Amo and J. M. Lopez-Higuera, "Multiplexing techniques for FBG sensors," in Fiber Bragg Grating Sensors: Recent Advancements, Industrial Applications and Market Exploitation. Sharjah, U.A.E.: Bentham Science Publishers Ltd., 2010.

13. E. Wolfgang, "Applications of FBG sensors. Invited tutorial," presented at the 19th Int. Conf. Opt. Fibre Sens. (OFS), Perth, Australia, 2008.

14. G.P. Agraval, Nonlinear Fiber Optics. Quantum Electronics-Pronciples and Applications, P. Liao and P. Kelley, Eds. Rochester, NY: Academic, 1995.

15. R.H. West, H. Buker, E. J. Friebele, H. Henschel, and P. B. Lyons, "The use of optical-time domain reflectometers to measure radiation induced losses in optical fibers," J. Lightwave Technol., vol. 12, no. 4, pp. 614-620, Apr. 1994.

16. D. Culverhouse, F. Farahi, C. N. Pannell, and D. A. Jackson, "Potential of stimulated Brillouin-scattering as sensing mechanism for distributed temperature sensors," Electron. Lett., vol. 25, no. 14, pp. 913-915, Jul. 1989.

17. A.J. Rogers, "Distributed optical-fiber sensing," in Handbook of Optical Fibre Sensing Technology, J.M. Lopez-Higuera, Ed. New York: Wiley, 2002, pp. 271-308.

18. T. Horiguchi, T. Kurashima, and Y. Koyamada, "Measurement of temperature and strain distribution by Brillouin frequency-shift in silica optical fibers," Distrib. Multiplexed Fiber Opt. Sens. II, vol. 1797, pp. 2-13, 1993.

19. T. Kurashima, T. Horiguchi, H. Izumita, S. Furukawa, and Y. Koyamada, "Brillouin optical-fiber time-domain reflectometry," IEICE Trans. Commun., vol. E76B, no. 4, pp. 382-390, 1993.

20. W. V. Sorin, "Low coherence reflectometry for high accuaracy sensing," in 9th Int. Conf. Opt. Fibre Sens. (OFS), Firence, Italy, 1993, pp. 243-246.

21. J. P. Dakin, D. J. Pratt, G. W. Bibby, and J. N. Ross, "Distributed optical fiber Raman temperature sensor using a semiconductor light-source and detector," Electron. Lett., vol. 21, no. 13, pp. 569-570, Jun. 1985.

22. T. Kurashima, T. Horiguchi, and M. Tateda, "Distributed-temperature sensing using stimulated Brillouin-scattering in optical silica fibers," Opt. Lett., vol. 15, no. 18, pp. 1038-1040, 1990.

23. K. Hotate, "Coherent photonic sensing," Sens. Update, vol. 6, no. 1, pp. 131-162, 1999.

24. K. Hotate, "Correlation-based continuous-wave technique for optical fiber distributed strain measurement using Brillouin scattering," in 17th Int. Conf. Opt. Fibre Sens. (OFS), Bruges, Belgium, 2005, pp. 62-67.

25. E. Cibula and D. Donlagic, "All-fiber Fabry-Perot strain sensor," in 2nd Eur. Workshop Opt. Fibre Sens., 2004, vol. 5502, pp. 180-183.

26. D. Hofmann, F. Basedau, W. R. Habel, and R. Gloetzl, "Lightning-safe diaphragm pressure gauge for geotechnical applications using a longterm reliable absolute EFPI sensor," in 2nd Eur. Workshop Opt. Fibre Sens., 2004, vol. 5502, pp. 128-131.

27. R. Claus et al, "Self-assembled nanostructured optical fiber sensors," in 17th Int. Conf. Opt. Fibre Sens., Parts 1 and 2, 2005, vol. 5855, pp. 138141.

28. T. Horiguchi, A. J. Rogers, W. C. Michie, G. Stewart, and B. Culshaw, "Distributed sensors: Recent developments," in Optical Fiber Sensors— Applications, Analysis and Future Trends, J. P. Dakin and B. Culshaw, Eds. Norwood, MA: Artech, 1997.

29. V. Lyori, "Structural Monitoring With Fibre-Optic Sensors Using the Pulsed Time-of-Flight Method and Other Measurement Techniques," Ph.D. dissertation, Dept. of Electr. and Inform. Eng., Faculty of Technol., Univ. of Oulu, Oulu, Finland, 2007.

30. A. Cobo and J. Echevarria, "Transduction techniques based on intensity modulation of light," in Handbook of Optical Fibre Sensing Technology, J. M. Lopez-Higuera, Ed. New York: Wiley, 2002, pp. 209-226.

31. R. Willsch, W. Ecke, and G. Schwotzer, "Spectrally encoded optical fibre sensor systems and their application in process control, environmental and structural monitoring (Invited paper)," Opt. Fibers: Applicat., vol. 5952, pp. 595201-1-595201-14, 2005.

32. B. GlTsic and D. Inaudi, Fibre Optic Methods for Structural Health Monitoring. New York: Wiley-Interscience, 2007.

33. T.L. Yeo, T. Sun, and K.T.V. Grattan, "Fibre-optic sensor technologies for humidity and moisture measurement," Sens. Actuat. A—Phys., vol. 144, no. 2, pp. 280-295, 2008.

34. C. Bariain, I.R. Matias, F.J. Arregui, and M. Lopez-Amo, "Optical fiber humidity sensor based on a tapered fiber coated with agarose gel," Sens. Actuat. B—Chem., vol. 69, no. 1-2, pp. 127-131, 2000.

35. F.J. Arregui, Y.J. Liu, I.R. Matias, and R.O. Claus, "Optical fiber humidity sensor using a nano Fabry-Perot cavity formed by the ionic self-assembly method," Sens. Actuat. B—Chem., vol. 59, no. 1, pp. 54-59, 1999.

36. T.L. Yeo et al., "Demonstration of a fibre-optic sensing technique for the measurement of moisture absorption in concrete," Smart Mater. Struct., vol. 15, no. 2, pp. N40-N45, 2006.

37. P. L. Fuhr and D. R. Huston, "Corrosion detection in reinforced concrete roadways and bridges via embedded fiber optic sensors," Smart Mater. Struct., vol. 7, no. 2, pp. 217-228, 1998.

38. T.H. Ha et al., "Role of sensors in corrosion monitoring and durability assessment in concrete structures: the state of the art," Sens. Mater., vol. 16, no. 3, pp. 133-158, 2004.

39. F. Laferriere, D. Inaudi, P. Kronenberg, and I. F. C. Smith, "A new system for early chloride detection in concrete," Smart Mater. Struct., vol. 17, no. 4, 2008.

40. W. Grahn, P. Makedonski, J. Wichern, W. Kowalsky, and S. Wiese, "Fiberoptical sensors for in situ monitoring of moisture and pH-value in reinforced concrete," in Imag. Spectrometry VII, Bellingham, WA, 2001, pp. 395-403.

41. A.A. Panova, P. Pantano, and D. R.Walt, "In situ fluorescence imaging of localized corrosion with a pH-sensitive imaging fiber," Anal. Chem., vol. 69, no. 8, pp. 1635-1641, 1997.

42. S. Bey, C.C.C. Lam, T. Sun, and K.T.V. Grattan, "Chloride ion optical sensing using a long period grating pair," Sens. Actuat. A—Phys., vol. 141, no. 2, pp. 390-395, 2008.

43. M. Benounis and N. Jaffrezic-Renault, "Elaboration of an optical fibre corrosion sensor for aircraft applications," Sens. Actuat. B—Chem., vol. 100, no. 1-2, pp. 1-8, 2004.

44. A.M. Cardenas-Valencia et al., "Development of stripped-cladding optical fiber sensors for continuous monitoring—Part II: Referencing method for spectral sensing of environmental corrosion," Sens. Actuat. B—Chem., vol. 122, no. 2, pp. 410-418, 2007.

45. R.C. Jorgenson and S.S. Yee, "A fiberoptic chemical sensor-based on surface-plasmon resonance," Sens. Actuat. B—Chem., vol. 12, no. 3, pp. 213-220, 1993.

46. Y.C. Kim, J.F. Masson, and K.S. Booksh, "Single-crystal sapphirefiber optic sensors based on surface plasmon resonance spectroscopy for in situ monitoring," Talanta, vol. 67, no. 5, pp. 908-917, 2005.

47. R. Javaherdashti, Microbiologically Influenced Corrosion: An Engineering Insight. New York: Springer-Verlag, 2008.

48. A.B. Ganesh and T.K. Radhakrishnan, "Fiber-optic sensor for the estimation of microbial corrosion of metals," Optik, vol. 120, no. 10, pp. 479-483, 2009.

49. M. Shenoy and H. Huang, "An optical fiber-based corrosion sensor based on laser light reflection," in Sens. Smart Struct. Technol. Civil, Mech, Aerosp. Syst, San Diego, CA, 2010, pp. 764730-1-764730-9.

50. C. Doyle et al., "In situ process and condition monitoring of advanced fibre-reinforced composite materials using optical fibre sensors," Smart Mater. Struct., vol. 7, no. 2, pp. 145-158, 1998.

51. V.M. Murukeshan, P. Y. Chan, L. S. Ong, and L. K. Seah, "Cure monitoring of smart composites using Fiber Bragg Grating based embedded sensors," Sens. Actuat. A—Phys., vol. 79, no. 2, pp. 153-161, 2000.

52. K. Schroeder, W. Ecke, J. Apitz, E. Lembke, and G. Lenschow, "A fibre Bragg grating sensor system monitors operational load in a wind turbine rotor blade," Meas. Sci. Technol., vol. 17, no. 5, pp. 1167-1172, 2006.

53. X.Y. Bao, C. Huang, X.D. Zeng, A. Arcand, and P. Sullivan, "Simultaneous strain and temperature monitoring of the composite cure with a Brillouin-scattering-based distributed sensor," Opt. Eng., vol. 41, no. 7, pp. 14961501, 2002.

54. G. Kister et al., "Methodology and integrity monitoring of foundation concrete piles using Bragg grating optical fibre sensors," Eng. Struct., vol. 29, no. 9, pp. 2048-2055, 2007.

55. T.A. Hampshire and H. Adeli, "Monitoring the behavior of steel structures using distributed optical fiber sensors," J. Construct. Steel Res., vol. 53, no. 3, pp. 267-281,2000.

56. L.F. Zou et al., "Distributed Brillouin scattering sensor for discrimination of wall-thinning defects in steel pipe under internal pressure," Appl. Opt., vol. 43, no. 7, pp. 1583-1588, 2004.

57. H. Tsutsui, A. Kawamata, T. Sanda, and N. Takeda, "Detection of impact damage of stiffened composite panels using embedded small-diameter optical fibers," Smart Mater. Struct., vol. 13, no. 6, pp. 1284-1290, 2004.

58. E. Bocherens et al., "Damage detection in a radome sandwich material with embedded fiber optic sensors," Smart Mater. Struct., vol. 9, no. 3, pp. 310— 315,2000.

59. L.H. Liu, H. Zhang, Q.D. Zhao, Y.H. Liu, and F. Li, "Temperature independent FBG pressure sensor with high sensitivity," Opt. Fiber Technol., vol. 13, no. 1, pp. 78-80, 2007.

60. J.M. Lopez-Higuera, M.A. Morante, and A. Cobo, "Simple low-frequency optical fiber accelerometer with large rotating machine monitoring applications," J. Lightw. Technol., vol. 15, no. 7, pp. 1120-1130, Jul. 1997.

61. C. Baldwin, J. Kiddy, P. Samuel, J. Coker, and D. Pines, "Fiber optic sensors monitoring transmission ring gears," Photon. Transp. Ind.: Auto Aerosp., vol. 6758, pp. 675808.1-675808.9, 2007.

62. L. Kruger, P.L. Swart, A.A. Chtcherbakov, and A. J. vanWyk, "Noncontact torsion sensor using fibre Bragg gratings," Meas. Sci. Technol., vol. 15, no. 8, pp. 1448-1452, 2004.

63. K. Bohnert, P. Gabus, J. Nehring, and H. Brandle, "Temperature and vibration insensitive fiber-optic current sensor," J. Lightwave Technol., vol. 20, no. 2, pp. 267-276, Feb. 2002.

64. J. P. Ou, H. Li, and D. Zhongdong, Structural Health Monitoring and Intelligent Infraestructure. London, U.K.: Taylor and Francis, 2006.

65. D. R. Hjelme, L. Bjerkan, S. Neegard, J. S. Rambech, and J. V. Aarsnes, "Application of Bragg grating sensors in the characterization of scaled marine vehicle models," Appl. Opt., vol. 36, no. 1, pp. 328-336, 1997.

66. K. Kageyama et al, "Smart marine structures: An approach to the monitoring of ship structures with fiber-optic sensors," Smart Mater. Struct., vol. 7, no. 4, pp. 412-41%, 1998.

67. C. Baldwin, J. Kiddy, T. Salter, P. Chen, and J. Niemczuk, "Fiber optic structural health monitoring system: Rough sea trials of the RV Triton," in Oceans 2002 MTS/IEEE Conf. Exhib., vol. 1-4, pp. 1806-1813.

68. E.J. Friebele et al., "Optical fiber sensors for spacecraft applications," Smart Mater. Struct., vol. 8, no. 6, pp. 813-838, 1999.

69. W. Ecke, I. Latka, R.Willsch, A. Reutlinger, and R. Graue, "Fibre optic sensor network for spacecraft health monitoring," Meas. Sci. Technol., vol. 12, no. 7, pp. 974-980, 2001.

70. S. Takeda, Y. Aoki, T. Ishikawa, N. Takeda, and H. Kikukawa, "Structural health monitoring of composite wing structure during durability test," Composite Struct., vol. 79, no. 1, pp. 133-139, 2007.

71. R.C. Tennyson, A.A. Mufti, S. Rizkalla, G. Tadros, and B. Benmokrane, "Structural health monitoring of innovative bridges in Canada with fiber optic sensors," Smart Mater Struct., vol. 10, no. 3, pp. 560-573, 2001.

72. J.M. Lopez-Higuera, C. J. Misas, A. Q. Incera, and J. E. Cuenca, "Fiber optic civil structure monitoring system," Opt. Eng., vol. 44, no. 4, pp. 044401-1-044401-10, 2005.

73. C. Barbosa et al, "Weldable fibre Bragg grating sensors for steel bridge monitoring," Meas. Sci. Technol., vol. 19, no. 12, pp. 125305-1-125305-10, 2008.

74. D. Inaudi et al., "Monitoring of a concrete arch bridge during construction," in Smart Struct. Mater.: Smart Syst. Bridges, Struct., Highways, 2002, vol. 4696, pp. 146-153.

75. S. Vurpillot, N. Casanova, D. Inaudi, and P. Kronenberg, "Bridge spatial displacement monitoring with 100 fiber optic deformation sensors: Sensors network and preliminary results," in SPIE Conf. Smart Struct. Mater., San Diego, CA, 1997, p. 51.

76. F. Matta, F. Bastianini, N. Galati, P. Casadei, and A. Nanni, "Distributed strain measurement in steel bridge with fiber optic sensors: Validation through diagnostic load test," J. Perform. Const. Facilities, vol. 22, no. 4, pp. 264-273, 2008.

77. G. Rossi and E. Speranzini, "Fiber Bragg grating strain sensors for in situ analysis and monitoring of fiber-reinforced historical civil structures," in 8th Int. Conf. Vibrat. Meas. Laser Tech.: Adv. Appl., Ancona, Italy, 2008, Paper 7098 IF.

78. V. Butov et al., "Versatile in-fiber Bragg grating pressure sensor for oil and gas industry," in 18th Int. Conf. Opt. Fibre Sens. (OFS), Cancun, Mexico, 2006, Paper TuB6.

79. P.M. Nellen et al., "Reliability of fiber Bragg grating based sensors for downhole applications," Sens. Actuat. A—Phys., vol. 103, no. 3, pp. 364376, Feb. 2003.

80. X.G. Qiao and M. Fiddy, "Distributed optical fiber Bragg grating sensor for simultaneous measurement of pressure and temperature in the oil and gas downhole," in Active Passive Opt. Compon. WDM Commun. II, Bellingham, WA, 2002, pp. 554-558.

81. S.H. Aref, H. Latifi, M.I. Zibaii, and M. Afshari, "Fiber optic Fabry-Perot pressure sensor with low sensitivity to temperature changes for downhole application," Opt. Commun., vol. 269, no. 2, pp. 322-330, Jan. 2007.

82. S.H. Aref, M.I. Zibaii, and H. Latifi, "An improved fiber optic pressure and temperature sensor for downhole application," Meas. Sci. Technol., vol. 20, no. 3, pp. 1-6, Mar. 2009.

83. H. Y. Fu et al., "High pressure sensor based on photonic crystal fiber for downhole application," Appl. Opt., vol. 49, no. 14, pp. 2639-2643, May 2010.

84. S. C. Huang, W. W. Lin, M. T. Tsai, and M. H. Chen, "Fiber optic in-line distributed sensor for detection and localization of the pipeline leaks," Sens. Actuat. A—Phys., vol. 135, no. 2, pp. 570-579, 2007.127

85. Y. C. Kim, W. Peng, S. Banerji, and K. S. Booksh, "Tapered fiber optic surface plasmon resonance sensor for analyses of vapor and liquid phases," Opt Letters, 30, 2218, (2005).

86. A. K. Sharma and B. D. Gupta, "On the performance of different bimetallic combinations in surface plasmon resonance based fiber optic sensors," J. App. Phys., 101, 093111, (2007).

87. A. Fender, W.N. MacPherson, R.R.J. Maier, et al, "Two-axis temperature-insensitive accelerometer based on multicore fiber Bragg gratings," IEEE Sensor J., 8, 1292-1298 (2008).

88. T. Guo, A. Ivanov, C.K. Chen, and J. Albert, "Temperature-independent tilted fiber grating vibration sensor based on cladding-core recoupling," Opt. Lett. 33, 1004-1006 (2008).

89. N. Skivesen, A. Tetu, and M. Kristensen, "Photonic-crystal waveguide biosensor," Opt. Express 15, 3169-3176 (2007).

90. K.Q. Kieu and M. Mansuripur, "Biconical fiber taper sensors," IEEE Photon. Technol. Lett. 18, 2239-2241 (2006).

91. L.Y. Shao, A.P. Zhang, W.S. Liu, H.Y. Fu, and S. He, "Optical refractive-index sensor based on dual fiber-Bragg gratings interposed with a multimode-fiber taper," IEEE Photon. Technol. Lett. 19, 30-32 (2007).

92. T. Zhu, Y.J. Rao, and Q.J. Mo, "Simultaneous measurement of refractive index and temperature using a single ultralongperiod fiber grating," IEEE Photon. Technol. Lett. 17, 744 (2005).

93. T. Wei, Y. Han, Y. Li, H.L. Tsai, and H. Xiao, "Temperature insensitive miniaturized fiber inline Fabry-Perot interferometer for highly sensitive refractive index measurement," Opt. Express 16, 5764-5769 (2008).

94. X.D. Hoa, A.G. Kirk, and M. Tabrizian, "Towards integrated and sensitive surface plasmon resonance biosensors: a review of recent progress," Biosens. Bioelectron. 23, 151-160 (2007).

95. N. Prabhakar, К. Arora, S.K. Arya, P.R. Solanki, M. Iwamoto, H. Singh, and B.D. Malhotra, "Nucleic acid sensor for Mtuberculosis detection based on surface plasmon resonance," Analyst (Amsterdam) 133, 1587-1592 (2008).

96. P.R. Solanki, N. Prabhakar, M.K. Pandey, and B.D. Malhotra, "Self-assembled monolayer for toxicant detection using nucleic acid sensor based on surface plasmon resonance technique," Biomed Microdevices 10, 757767 (2008).

97. A.D. Taylor, J. Ladd, S. Etheridge, J. Deeds, S. Hall, and S.Y. Jiang, "Quantitative detection of tetrodotoxin (TTX) by a surface plasmon resonance (SPR) sensor," Sens. Actuators В 130, 120-128 (2008).

98. Борн M., Вольф Э., Основы оптики (пер. с английского М.: Наука, 1973, 720 с.)

99. Маркузе Д. Оптические волноводы. /Пер. с англ. М.: Мир. -1974.-576 с.

100. Унгер Г. Оптическая связь /Пер. с англ. М.: Связь. - 1979. - 264 с.

101. Снайдер А., Лав Дж., Теория оптических волноводов. /Пер. с англ. М.:Радио и связь. - 1987. - 656 с.

102. Pramod R. Watekar, Seongmin Ju, and Won-Taek Han «Design and development of a trenched optical fiber with ultra-low bending loss» Optics Express, Vol. 17, Issue 12, pp. 10350-10363 (2009)

103. Kuniharu Himeno, Shoichiro Matsuo, Ning Guan «Low-Bending-Loss Single-Mode Fibers for Fiber-to-the-Home» Journal of Lightwave Technology, vol. 23, no. 11, (2005)

104. P. Tandon, D. C. Bookbinder, S. R. Bickham, M. A. McDermott, R. B. Desorcie, D. A. Nolan «Ultra-Low Bending Loss Single-Mode Fiber for FTTH» Journal of Lightwave Technology, vol. 27, no. 3, (2009)

105. Sung Hyun Nam and Shizhuo Yin «High-Temperature Sensing Using Whispering Gallery Mode Resonance in Bent Optical Fibers», IEEE Photonics Technology Letters, vol. 17, no. 11, (2005)129

106. R. Morgan, J. S. Barton, P. G. Harper, and J. D. C. Jones, "Wavelength dependence of bending loss in monomode optical fibers: Effect of the fiber buffer coating," Opt. Lett., vol. 15, pp. 947-949, (1990).

107. I. Valiente and C. Vassallo, "New formalism for bending losses in coated single-mode optical fibers," Electron. Lett., vol. 25, pp. 1544-1545, (1989).

108. H. Renner, "Bending losses of coated single-mode fibers: a simple approach" J. Lightw. Technol., vol. 10, no. 5, pp. 544-551, (1992).

109. L. Faustini and G. Martini, "Bend loss in single-mode fibers," J. Lightw. Technol., vol. 15, no. 4, pp. 671-679, (1997).

110. Qian Wang, Gerald Farrell and Thomas Freir «Modeling and Analysis of Bend Losses for Standard Single Mode Fibers» Proc. of SPIE Vol. 5825 pp.518-524, (2005)

111. Ю.Н. Кульчин, О.Б. Витрик, A.B. Дышлюк, С.О. Гурбатов. Волоконно-оптический метод мониторинга деформаций изгиба. // Фотон-экспресс. т. 78. - №6. - 2009. - с.212-213.

112. Ю.Н. Кульчин, О.Б. Витрик, А.В. Дышлюк, С.О. Гурбатов. Метод регистрации деформаций изгиба с применением волоконных световодов с низким значением приведенной частоты. // Измерительная техника. №2. - 2010. - с.47-49.

113. Ю.Н. Кульчин, О.Б. Витрик, С.О. Гурбатов. Волоконно-оптический измерительный преобразователь вибраций. // Физическое образование в вузах. т. 16. - №1. - 2010. - с. 39-40.

114. Yu.N. Kulchin, О.В. Vitrik, A.V. Dyshlyuk, S.О. Gurbatov. Optical fiber sensor of acoustic waves. // Pacific Science Review, vol.12, no.l, 2010.- pp.92.

115. Yu.N. Kulchin, O.B. Vitrik, S.O. Gurbatov. Amplitude modulation of guided light in single-mode optical fibers with low normalized frequency under the influence of seismic signals. // Pacific Science Review, vol.12, no.l, 2010. -pp.89-91.

116. Ю.Н. Кульчин, О.Б. Витрик, С.О. Гурбатов, "Спектр изогнутого волоконного интерферометра Фабри — Перо при малых вариациях показателя преломления внешней среды", Квант, электроника, 2011, 41 (9), 821-823.

117. Ю.Н. Кульчин, О.Б. Витрик, С.О. Гурбатов. Метод измерения показателя преломления на основе резонансной связи мод в изогнутом волоконном интерферометре Фабри-Перо // Фотон-экспресс. т. 94. -№6. -2011. - с.239-240.

118. Yu.N. Kulchin, О.В. Vitrik, S.O. Gurbatov. The spectrum of a bent fiber Fabry-Perot interferometer under small variations of the refractive index of the environment // Proceedings of APCOM 2012. pp.89-93.

119. Детлаф А.А., Яворский Б.М. // Курс физики Высшая школа, 718с., 2002.