SK122021A3 - Polymérny nadstavec na optické vlákno pre snímacie aplikácie - Google Patents

Polymérny nadstavec na optické vlákno pre snímacie aplikácie Download PDF

Info

Publication number
SK122021A3
SK122021A3 SK122021A SK122021A SK122021A3 SK 122021 A3 SK122021 A3 SK 122021A3 SK 122021 A SK122021 A SK 122021A SK 122021 A SK122021 A SK 122021A SK 122021 A3 SK122021 A3 SK 122021A3
Authority
SK
Slovakia
Prior art keywords
optical fiber
optical
core
polymer
extension
Prior art date
Application number
SK122021A
Other languages
English (en)
Inventor
prof. Mgr. Martinček Ivan PhD.
Ing. Goraus Matej PhD.
prof. Ing. Kováčiková Tatiana PhD.
Original Assignee
Žilinská Univerzita V Žiline
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Žilinská Univerzita V Žiline filed Critical Žilinská Univerzita V Žiline
Priority to SK122021A priority Critical patent/SK122021A3/sk
Priority to EP22152270.9A priority patent/EP4047401A1/en
Publication of SK122021A3 publication Critical patent/SK122021A3/sk

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/36—Mechanical coupling means
    • G02B6/3616—Holders, macro size fixtures for mechanically holding or positioning fibres, e.g. on an optical bench
    • G02B6/3624—Fibre head, e.g. fibre probe termination
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/45—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/45—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods
    • G01N2021/458—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods using interferential sensor, e.g. sensor fibre, possibly on optical waveguide

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

Polymérny nadstavec na optické vlákno pre snímacie aplikácie je fotonický prvok, ktorý je umiestnený na čele optického vlákna. Tento fotonický prvok obsahuje špeciálne umiestnené odrazové plochy, ktoré vytvoria z optického poľa módu LP01 vychádzajúceho z jadra optického vlákna dva lúče, ktoré sa šíria v polymérnom nadstavci. Po viacnásobných odrazoch od odrazových plôch sa tieto dva lúče znova vracajú do jadra optického vlákna, kde vzájomne interferujú. Jeden z lúčov, ktorý sa šíri v polymérnom nadstavci, prechádza cez medzeru v polymérnom nadstavci, ktorú je možné vyplniť vhodným optickým prostredím. Meraním interferenčného signálu, ktorý sa vytvorí v jadre optického vlákna po naviazaní odrazených lúčov šíriacich sa v polymérnom nadstavci, je možné určovať fyzikálne vlastnosti prostredia, ktoré vyplňuje medzeru v polymérnom nadstavci, a preto je možné polymérny nadstavec využiť na snímacie aplikácie.

Description

Oblasť techniky
Vynález sa týka konštrukcie polymérneho nadstavca, ktorý je možné umiestniť na čelo optického vlákna a pomocou ktorého sa v jadre optického vlákna vytvorí interferenčné optické pole, s pomocou ktorého je možné merať rôzne fyzikálne veličiny optických prostredí. Oblasť techniky, ktorej sa vynález týka, je vláknová optika a meracia technika.
Doterajší stav techniky
Vláknová optika je v súčasnosti rozšírená oblasť optiky, ktorá nachádza využitie aj v meracej technike. Optické vlákna sa ako snímací optický prvok na meranie fyzikálnych veličín používajú už niekoľko desiatok rokov. Pri optických vláknových snímačoch sa na meranie rôznych fyzikálnych veličín využíva závislosť fázy, vlnovej dĺžky alebo intenzity optického žiarenia šíriaceho sa cez optické vlákno na meranej fyzikálnej veličine. Modernou oblasťou vo vláknovej optike je vytváranie tzv. laboratórií na vlákne, ktoré sa vytvárajú aj integráciou rôznych typov fotonických štruktúr obyčajne s koncom optického vlákna [A Ricciardi et al., Lab-on-Fiber devices as an all around platform for sensing, Optical fiber technology, vol. 19, p. 772-784, 2013],
Jedným z najpoužívanejších fyzikálnych javov, ktorý sa využíva pri fotonických štruktúrach integrovaných s optickými vláknami na snímacie aplikácie je interferencia svetla. Pri interferencii svetla dochádza k skladaniu dvoch alebo viacerých koherentných svetelných vín. Na vyváranie interferencie svetla v optických vláknach sa používajú rôzne typy interferometrov a ich kombinácií, ako sú Fabryov-Pérotov, MachovZehnderov, Michelsonov a ďalšie. Jednotlivé typy interferometrov v optických vláknach sa od seba odlišujú spôsobom usporiadania odrazových plôch a štruktúr, na ktorých sa čiastočne alebo úplne svetlo šíriace sa v optickom vlákne odráža a delí [S. Pevec, D. Donlagič, Multiparameter fiber-optic sensors: a review, Optical Engineering, vol. 58, art. 072009, 2019].
Pri vytváraní polymérnych fotonických štruktúr integrovaných s koncom optických vlákien, ktoré sa využívajú pri vytváraní rôznych typov optických senzorov, sa veľmi často používajú štruktúry, ktoré majú vlastnosti Fabryových-Pérotových interferometrov [M. Yao et al., Optical fiber-tip sensors based on in situ μ-printed polymér susended-microbeams, Sensors, vol. 18, art. 1825, 2018]. V takýchto štruktúrach sú vytvorené dve odrazové plochy, na ktorých sa obyčajne čiastočne odráža svetelný lúč, ktorý sa šíri štruktúrou. Svetelný lúč, ktorý vychádza z jadra optického vlákna do fotonickej štruktúry, a ktorý sa šíri štruktúrou, sa na prvej odrazovej ploche čiastočne odrazí a čiastočne prechádza ďalej a dopadá na druhú odrazovú plochu, kde sa buď čiastočne, alebo úplne odrazí a vracia sa späť na prvú plochu, kde sa opäť čiastočne odrazí a čiastočne prechádza ďalej. Takýmito odrazmi je možné vytvoriť z jedného svetelného lúča dva dominantné koherentné svetelné lúče, ktoré sa po odrazoch a naviazaní do jadra optického vlákna šíria jedným smerom a spoločne interferujú. Na vytvorenie dvoch a viacerých odrazových plôch vo fotonických štruktúrach za účelom vytvorenia interferencie svetla sa používajú rôzne konštrukcie fotonických štruktúr.
Podstata vynálezu
Vynález polymérneho nadstavca na optické vlákno pre snímacie aplikácie opisuje nový spôsob usporiadania odrazových plôch v polymérnej fotonickej štruktúre za účelom vytvorenia fotonického nadstavca umiestniteľného na čelo optického vlákna, v ktorom dochádza k interferencii svetelných lúčov, ktoré vychádzajú z jadra optického vlákna a po odraze od odrazových plôch sa znova vracajú do jadra optického vlákna. Opísaný polymérny fotonický nadstavec je integrovateľný s čelom optického vlákna, čo umožňuje vytvoriť optický vláknový snímač typu laboratória na vlákne.
Optické žiarenie sa optickými vláknami šíri prostredníctvom módov elektromagnetického poľa. Pri predpoklade, že sa jadrom optického vlákna šíri prvý lineárne polarizovaný mód elektromagnetického poľa, ktorý sa označuje LPOi, optické pole módu LPOi, ktoré vychádza z kruhového jadra optického vlákna je kruhovo symetrické. Ak sa nad jadro optického vlákna umiestnia dve odrazové plochy usporiadané do tvaru písmena V, ktoré sú súčasťou polymérneho nadstavca umiestniteľného na čelo optického vlákna, pričom stred odrazovej plochy tvaru písmena V sa nachádza nad stredom jadra optického vlákna, optické žiarenie vychádzajúce z jadra optického vlákna a dopadajúce na odrazové plochy pod uhlom dopadu 6 meranom od normály odrazových plôch, sa po odraze od odrazových plôch rozdelí na dva lúče. Tieto dva lúče sa od odrazových plôch odrážajú pod tým istým uhlom odrazu 6 meranom od normály odrazových plôch, ako je
SK 12-2021A3 uhol dopadu 6 lúčov na odrazové plochy. Takýmto spôsobom sa rozdelí lúč optického žiarenia odpovedajúci módu LPoi a vychádzajúci z jadra optického vlákna na dva lúče, ktoré sa šíria v optickom prostredí polymérneho nadstavca v rôznych smeroch. Ak sa týmto lúčom vložia do cesty odrazové plochy, na ktoré budú lúče dopadať kolmo, lúče sa od nich odrazia späť a budú sa šíriť po tých istých dráhach, ktorými sa šírili ku kolmým odrazovým plochám späť do jadra optického vlákna. Takýmto spôsobom sa v jadre optického vlákna vytvorili dva koherentné lúče optického žiarenia, ktoré budú vzájomne interferovať. Ak budú optické dráhy lúčov šíriacich sa z jadra optického vlákna ku kolmým odrazovým plochám a späť v polymérnom nadstavci rovnaké a do dráhy jednému z lúčov, odrazenému od odrazovej plochy usporiadanej do tvaru písmena V, sa vloží vzduchová medzera dĺžky /, intenzitu / optického signálu naviazanú z polymérneho nadstavca po odrazoch lúčov od odrazových plôch do jadra optického vlákna v závislosti na vlnovej dĺžke λ optického žiarenia je možné vyjadriť matematickým vzťahom:
- 4(A) + l2w + 2 (D, kde /i, /2 sú intenzity optického signálu jednotlivých lúčov, λ je vlnová dĺžka optického žiarenia, m je index lomu polyméru polymérneho nadstavca, n2 je index lomu prostredia nachádzajúceho sa v medzere a I je dĺžka medzery v smere lúča, ktorý prechádza medzerou.
Podľa vzťahu (1) je pri konštantných hodnotách fyzikálnych veličín /1, /2, m a / spektrálna závislosť intenzity /(A) optického signálu naviazaného do optického vlákna funkciou indexu lomu n2 prostredia, ktoré sa nachádza v medzere s dĺžkou I. Ak sa toto optické prostredie mení, mení sa aj jeho index lomu. Zmena indexu lomu optického prostredia sa prejaví aj na zmene optického signálu Ι(λ), ktorú je možné detegovať. Pomocou detekcie optického signálu /(A) je preto možné vyhodnocovať vlastnosti optického prostredia, ktoré sa v medzere nachádza.
Podstatou opisovaného vynálezu je konštrukcia polymérneho nadstavca, ktorý umožňuje vytvoriť v jadre optického vlákna interferujúce optické pole, pričom polymérny nadstavec je možné umiestniť na koniec optického vlákna. Polymérny nadstavec celkovo obsahuje štyri odrazové plochy, ktoré rozdelia optické žiarenie vychádzajúce z jadra optického vlákna na dva lúče, ktoré sa po odrazoch na odrazových plochách vracajú späť do jadra optického vlákna, kde spolu interferujú. Jeden z odrazených lúčov navyše prechádza cez medzeru, ktorá je voľne prístupná a je ju možné vyplniť optickými prostrediami s rôznymi indexami lomu. Optické prostredie v medzere spôsobuje zmenu fázy interferujúcich lúčov, čo je možné detegovať. Detegovaný signál je možné využiť na snímanie fyzikálnych vlastností prostredia vypĺňajúceho medzeru v polymérnom nadstavci.
Prehľad obrázkov na výkresoch
Vynález je bližšie objasnený pomocou výkresov, na ktorých znázorňuje obr. 1 bočný pohľad na polymérny nadstavec umiestnený na čele optického vlákna, v ktorom sa šíri optické žiarenie vychádzajúce z jadra optického vlákna, pričom odrazové plochy usporiadané do tvaru písmena V zvierajú uhol a = 90°
Na obr. 2 je zachytený bočný pohľad na polymérny nadstavec umiestnený na čele optického vlákna, v ktorom sa šíri optické žiarenie vychádzajúce z jadra optického vlákna, pričom odrazové plochy usporiadané do tvaru písmena V zvierajú uhol a = 120°.
Príklady uskutočnenia vynálezu
Príklad 1
Na obr. 1 je znázornený bočný pohľad na konštrukciu polymérneho nadstavca 1 umiestneného na čele 2 optického vlákna 3. Optické žiarenie vychádzajúce z jadra 6 optického vlákna 3 sa šíri v polyméry, z ktorého je polymérny nadstavec 1 vyrobený a dopadá na odrazové plochy 4 a 5 pod uhlom dopadu β = 45° meranom od normály 7 odrazových plôch 4 a 5, na ktorých je z vonkajšej strany polymérneho nadstavca 1 nanesená hliníková vrstva 13 s hrúbkou 100 nm, pričom odrazové plochy 4 a 5 sú usporiadané do tvaru písmena V a zvierajú uhol a = 90°. Po dopade na odrazové plochy 4 a 5 sa optické žiarenie rozdelí na dva optické lúče 8 a 9, ktoré sa šíria pod uhlom odrazu β = 45° meranom od normály 7 odrazových plôch 4 a 5 k odrazovým plochám 11 a 12, na ktoré dopadajú optické lúče 8 a 9 kolmo. Na odrazových plochách 11 a 12 je z vonkajšej strany polymérneho nadstavca 1 nanesená hliníková vrstva 13 s hrúbkou 100 nm.
SK 12-2021A3
V dráhe optického lúča 8 je vložená vzduchová medzera 10. Cez vzduchovú medzeru 10 optický lúč prechádza a šíri sa ďalej k odrazovej ploche 11. Na odrazových plochách 11 a 12 sa optické lúče 8 a 9 odrážajú a šíria sa späť do jadra 6 optického vlákna 3 po tých istých dráhach, po ktorých sa šírili z jadra 6 optického vlákna 3 k odrazovým plochám 11 a 12. Po naviazaní optických lúčov 8 a 9 do jadra 6 optického vlákna 3 optické lúče 8 a 9 interferujú, pričom výsledný optický signál je daný vzťahom (1).
Príklad 2
Na obr. 2 je znázornený bočný pohľad na konštrukciu polymérneho nadstavca 1 umiestneného na čele 2 optického vlákna 3. Optické žiarenie vychádzajúce z jadra 6 optického vlákna 3 sa šíri v polyméry, z ktorého je polymérny nadstavec 1 vyrobený a dopadá na odrazové plochy 4 a 5 pod uhlom dopadu β = 30° meranom od normály 7 odrazových plôch 4 a 5, na ktorých je z vonkajšej strany polymérneho nadstavca 1 nanesená hliníková vrstva 13 s hrúbkou 100 nm, pričom odrazové plochy 4 a 5 sú usporiadané do tvaru písmena V a zvierajú uhol a = 120°. Po dopade na odrazové plochy 4 a 5 sa optické žiarenie rozdelí na dva optické lúče 8 a 9, ktoré sa šíria pod uhlom odrazu β = 30° meranom od normály 7 odrazových plôch 4 a 5 k odrazovým plochám 11 a 12, na ktoré dopadajú optické lúče 8 a 9 kolmo. Na odrazových plochách 11 a 12 je z vonkajšej strany polymérneho nadstavca 1 nanesená hliníková vrstva 13 s hrúbkou 100 nm. V dráhe optického lúča 8 je vložená vzduchová medzera 10. Cez vzduchovú medzeru 10 optický lúč prechádza a šíri sa ďalej k odrazovej ploche 11. Na odrazových plochách 11 a 12 sa optické lúče 8 a 9 odrážajú a šíria sa späť do jadra 6 optického vlákna 3 po tých istých dráhach, po ktorých sa šírili z jadra 6 optického vlákna 3 k odrazovým plochám 11 a 12. Po naviazaní optických lúčov 8 a 9 do jadra 6 optického vlákna 3 optické lúče 8 a 9 interferujú, pričom výsledný optický signál je daný vzťahom (1).
Priemyselná využiteľnosť
Polymérny nadstavec na optické vlákno môže nájsť využitie pri vytváraní optických vláknových snímačov na merania rôznych fyzikálnych veličín, ako sú tlak, teplota, index lomu a podobne, čo je možné využiť pri rôznych priemyselných aplikáciách, kde z rôznych dôvodov (bezpečnostných, technických a pod.) je nutné použiť snímače, ktoré pracujú na princípe vedenia svetla.

Claims (4)

1. Polymérny nadstavec na optické vlákno pre snímacie aplikácie, ktorý je umiestnený na čele (2) optického vlákna (3) s jadrom (6), vyznačujúci sa tým, že obsahuje dve odrazové plochy (4) a (5) zvierajúce uhol a menší ako 180 stupňov na odrazenie a rozdelenie optického žiarenia vychádzajúceho z 5 jadra (6) optického vlákna (3) na dva optické lúče (8) a (9), ďalej dve odrazové plochy (11) a (12) na odrazenie kolmo dopadajúcich optických lúčov (8) a (9) a ich návrat do jadra (6) optického vlákna (3) po rovnakej dráhe akou sa šírili z jadra (6) optického vlákna (3) k odrazovým plochám (11) a (12).
2. Polymérny nadstavec na optické vlákno pre snímacie aplikácie podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že obsahuje vzduchovú medzeru (10) vloženú v dráhe optického lúča (8) k odrazovej ploche 10 (11).
3. Polymérny nadstavec na optické vlákno pre snímacie aplikácie podľa nároku la 2, vyznačujúci sa tým, že vzduchová medzera (10) je minimálne z jednej strany otvorená.
4. Polymérny nadstavec na optické vlákno pre snímacie aplikácie podľa nároku 1, 2, 3, vyznačujúci sa tým, že na odrazových plochách (4) a (5) a/alebo (11) a (12) je nanesená kovová vrstva (13).
SK122021A 2021-02-23 2021-02-23 Polymérny nadstavec na optické vlákno pre snímacie aplikácie SK122021A3 (sk)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SK122021A SK122021A3 (sk) 2021-02-23 2021-02-23 Polymérny nadstavec na optické vlákno pre snímacie aplikácie
EP22152270.9A EP4047401A1 (en) 2021-02-23 2022-01-19 Polymer fiber optic extension for sensing applications

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SK122021A SK122021A3 (sk) 2021-02-23 2021-02-23 Polymérny nadstavec na optické vlákno pre snímacie aplikácie

Publications (1)

Publication Number Publication Date
SK122021A3 true SK122021A3 (sk) 2022-09-14

Family

ID=80123195

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SK122021A SK122021A3 (sk) 2021-02-23 2021-02-23 Polymérny nadstavec na optické vlákno pre snímacie aplikácie

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP4047401A1 (sk)
SK (1) SK122021A3 (sk)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8966988B2 (en) * 2010-08-03 2015-03-03 University Of Maryland Ultra-miniature fiber-optic pressure sensor system and method of fabrication
US9702816B2 (en) * 2013-12-17 2017-07-11 Aktiebolaget Skf Optical fiber sensor used for oil conditioning monitoring
WO2015153982A1 (en) * 2014-04-04 2015-10-08 The General Hospital Corporation Apparatus and method for controlling propagation and/or transmission of electromagnetic radiation in flexible waveguide(s)

Also Published As

Publication number Publication date
EP4047401A1 (en) 2022-08-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2205374C2 (ru) Волоконно-оптические датчики давления и система измерения давления, их включающая
CA2695587A1 (en) Physical quantity measuring apparatus utilizing optical frequency domain reflectometry and method for temperature and strain measurement using the apparatus
JP2008545124A (ja) 光学式ひずみゲージ
GB2165043A (en) Fiber optic transmission of the value of a spectrally encoded variable physical quantity
KR101209627B1 (ko) 분광기를 기반으로 하는 광섬유센서 시스템
Yang et al. Dual-FBG and FP cavity compound optical fiber sensor for simultaneous measurement of bending, temperature and strain
US9976919B2 (en) Fiber-optic sensor assembly
Qi et al. Temperature-insensitive two-dimensional vector bending sensor based on Fabry-Pérot interferometer incorporating a seven-core fiber
SK122021A3 (sk) Polymérny nadstavec na optické vlákno pre snímacie aplikácie
Kang et al. Strain measurements on a cantilever beam with fiber Bragg grating sensors using a pair of collimators
Chen et al. Short-range non-bending fully distributed water/humidity sensors
KR102036260B1 (ko) 광섬유 격자를 이용한 누수 및 침수 감지센서
CN109827676B (zh) 单模异质光纤级联的应变阵列传感器
Caucheteur et al. Use of weakly tilted fiber Bragg gratings for sensing purposes
Medlock Fibre optic intensity modulated sensors
Liu et al. HCPCF-based in-line fiber Fabry-Perot refractometer and high sensitivity signal processing method
GB2388670A (en) Coupling multicore optic fibre cores to one single core optic fibre
CN105841720B (zh) 使用两个平行反射面的光纤白光干涉解调仪
JP2022515598A (ja) オフセットコア光ファイバを用いた高分解能分布センサ
CN221037322U (zh) 一种光纤倾角传感器
JP3110637U (ja) 光反射素子
CN110118614A (zh) 抗极端环境的蓝宝石光纤光栅传感器及其温度检测方法
KR102137255B1 (ko) 침수 및 누수 감지를 위한 광섬유 센서 및 이를 이용한 센싱 시스템
CN114166097B (zh) 一种应用短光纤的实时光束角度测量系统
Patiño-Jurado et al. Temperature sensor based on tilted optical fiber end with tailored sensitivity