SU1485076A1

SU1485076A1 - Волоконно-оптический рефрактометр

Info

Publication number: SU1485076A1
Application number: SU874288765A
Authority: SU
Inventors: Valerij P Garichev; Sergej V Karpeev; Sergej G Krivoshlykov; Iosif M Sisakyan; Viktor A Sojfer
Original assignee: Kb Aviat I
Priority date: 1987-07-22
Filing date: 1987-07-22
Publication date: 1989-06-07

Description

Изобретение относится к волоконнооптическим системам для измерения показателя преломления жидкостей и может быть использовано для измерения температуры,

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а более конкретно к волоконно-оптическим системам для измерения показателя преломления жидкостей, и может быть использовано также для измерения температуры, концентрации химических примесей, уровня жидкости.

Целью изобретения является повышение точности измерения, а также расширение диапазона измеряемых показателей преломления.

На фиг. 1 приведена схема рефрактометра; на фиг. 2 — графики, поясняющие характер зависимости выходного напряжения от показателя преломления жидкости .

2

концентрации химических примесей, уровня жидкости. Целью изобретения является повышение точности и расширение диапазона измеряемых показателей преломления. Волоконный световод возбуждается когерентным источником света. Свет проходит по световоду к изогнутому участку, на котором удалена защитная оболочка. Изогнутый участок погружается в жидкость, где в зависимости от показателя преломления жидкости и угла падения света на границу раздела световедущей оболочки и жидкости часть излучения покидает световод. Принцип действия рефрактометра основан на измерении энергии света, проходящего через световод. При этом потери энергии света различны для различных мод. На выходе световода установ- _βлены проекционная система, фильтр, выде- 59 ляющий различные моды, и блок преобразования Фурье. Различным выделяемым модам соответствуют различные диапазоны измерения. 2 ил.

Волоконно-оптический рефрактометр содержит последовательно расположенные лазер 1, волоконный световод 2, имеющий изогнутый участок, погруженный в жидкость 3, проекционную систему-4, модовый фильтр 5, блок 6 преобразования Фурье и фотоприемник 7, подключенный к измерительному прибору 8.

Волоконно-оптический рефрактометр работает следующим образом.

Излучение лазера 1 попадает на торец световода 2 и проходит по нему к изогнутой секции, погруженной в жидкость 3.

Принцип действия основан на регистрации энергии света, проходящей через изогнутый участок, погруженный в жидкость. В области изгиба часть излучения выходит в обо5Ц 1485076

1485076

лочку световода, на границе ободочки и жидкости в зависимости от угла падения излучения и показателей преломления оболочки п_а и жидкости п* в соответствии с формулами Френеля часть Излучения отражается и снова возвращается в сердцевину на прямом участке, а часть покидает световод и выходит в жидкость. Часть излучения, покинувшая световод, и . обуславливает изменение световбго сигнала в зависимости от показателя преломления жидкости, окружающей световод, щ. При увеличении п_г все больше света выходит в жидкость и, соответственно, сигнал на выходе световода уменьшается. Диапазон изменений Δπ_Γ, при которых происходит изменение сигнала, определяется радиусом изгиба световода, профилем показателя преломления и модовым составом света, распространяющегося в световоде.

При уменьшении радиуса изгиба световода смещается в сторону меньших

значений, поскольку при этом уменьшаются углы падения света на граниуце раздела оболочка — жидкость. Эти углы также зависят от порядка поперечной моды, распространяющейся в световоде. Моды высших порядков выходят из световода при меньших п_Р, чем моды низших порядков, поскольку моды высших порядков имеют меньшие углы падения на границу. Диапазон Δη_Ρ , в котором происходит изменение интенсивности одной поперечной моды, определяется величиной

Δβ/£,

где Δ β — разность постоянных распространения двух ближайших мод;

£=2π/λ — волновое число.

Чем больше разность постоянных распространения мод наивысшего и наинизшего порядков, распространяющегося в световоде, тем больше диапазон Δη_Ρ, в котором происходит изменение сигнала на выходе световода. На этом и основана возможность регулировки чувствительности и диапазона измерения рефрактометра.

Получающееся на выходе световода 2 распределение комплексной амплитуды проецируется проекционной системой 4 на модовый фильтр 5, отфильтрованное излучение подвергается преобразованию Фурье в блоке 6. На выходе блока 6 преобразования Фурье, где установлен фотоприемник 7, интенсиность света пропорциональная энергии одной или группы мод, выделяемых модовым фильтром 5. Эта интенсивность регистрируется измерительным прибором 8. Когда модовый фильтр 5 выделяет одну моду высшего порядка, при некотором значении показателя преломления жидкости п'_Р ^п излучение, соответствующее этой моде, начинает покидать световод. При другом его значении —

практически все излучение данной моды выходит в жидкость. При этом интенсивность одной моды (кривая 9) падает с большей крутизной, чем интенсивность группы мод (кривая 10).

Если модовый фильтр 5 настроен на моду более низкого порядка, то интенсивность света, падающего на фотоприемник 7, начнет падать при значении показателя преломления п^>Пр (кривая 11). Диапазон измерений при этом Ллд=гг⁽р⁴⁾—близок к диапазону \п^=п^—Если модовый фильтр настроен на группу мод, то диапазон измерений Δηί>Δρ (кривая 10).

Модовый фильтр 5 может быть выполнен в виде наложенных голограмм различных мод с разными углами падения опорного пучка. При этом фотоприемник выполнен многоэлементным, каждый из элементов измеряет интенсивность одной моды. Поскольку разным модам соответствуют раз-, личные диапазоны измерений, то переключением элементов фотоприемника достигается существенное расширение диапазона измерений при сохранении высокой чувствительности и точности, присущей рефрактометру. с выделением одной моды.

Исследование устройства проводят с применением стандартных юстировочных устройств, предназначенных для работы с волоконными световодами. Параметры волокна: радиус сердечника а=30 мкм, показатель преломления по оси п_х = 1,458, показатель преломления оболочки 1,443, числовая апертура Ν_α =0,19. При этом удается добиться точности измерений показателя преломления до 10~^б в диапазоне Δη=0,1—0,15.

Рефрактометр обладает высокой точностью и широким диапазоном измерений. При выделении одной моды точность возрастает по сравнению с известным техническим решением во столько же раз, сколько направляемых мод имеется в световоде. Количество направляемых мод в градиентных световодах изменяется от десятков до сотен, таким образом, предлагаемый рефрактометр обеспечивает повышение точности на один—два порядка. Расширение диапазона в предлагаемом рефрактометре достигается за счет лучшей линейности на краях диапазона, чем в известном. Выделение нужной моды позволяет избежать помех, создаваемых другими модами.

Claims

Формула изобретения

Волоконно-оптический рефрактометр, содержащий источник излучения и последовательно расположенные по ходу излучения изогнутый градиентный волоконный световод и фотоприемник, соединенный с измерительным прибором, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения дипазона измеряемых показателей преломле1485076

ния, между фотоприемником и выходным торцом световода введены последовательно расположенные и оптически связанные проекционная система, синтезированный модовый фильтр в виде наложенных голо- 5

грамм, сформированных различными модами световода, и блок преобразования Фурье, причем фотоприемник выполнен многоэлементным, а каждый элемент фотоприемника оптически связан с одной из голограмм.

I

Фиг 2