Разработка цельноволоконного датчика температуры для эксплуатации в экстремальных условиях

Щербакова Виктория

Разработка цельноволоконного датчика температуры для эксплуатации в экстремальных условиях

Волоконно-оптический датчик температуры представляет собой отрез оптического волокна длиной 3-5 метров, на конце которого сформирована термочувствительная структура микронеоднородностей. Она изготовлена с помощью эффекта плавления сердцевины, при которой в сердцевине оптического волокна формируется периодическая структура микронеоднородностей, c измененным показателем преломления. Такая структура может быть рассчитана, как интерферометр Фабри-Перо, процесс перераспределения излучения внутри которого уже хорошо изучен. Так же известно, что интерферометры Фабри-Перо используются как чувствительные элементы для определения изменения температуры, давления, растяжения и других параметров системы. Датчик температуры будет состоять из структуры микронеоднородностей, которая будет сформирована на оси оптического волокна. Такая структура формируется с помощью эффекта плавления сердцевины. Благодаря этому защитно-упрочняющее покрытие остается нетронутым, и механическая прочность волокна не меняется. Датчик температуры может работать отдельно, и может быть совмещен с рассеивателем излучения. Разрабатываемый инструмент может использоваться в двух основных сферах потребления: в промышленности (диагностика природных ресурсов, производство) и медицине (оперативные вмешательства, диагностика).

Физика

Дипломы

Вуз: Пермский государственный национальный исследовательский университет (ПГНИУ)

ID: 5f27f743cd3d3e0001b2ebae

UUID: cefa5560-b7ab-0138-1059-0242ac180006

Язык: Русский

Опубликовано: больше 3 лет назад

Просмотры: 61

24.96

Щербакова Виктория

Комментировать 12

Рецензировать 0

Скачать - 2,6 МБ

Поделиться работой

Реферат Отчет 51с., 25 рис., 2 табл. 6 частей, 37 источников; Ключевые слова: оптическое волокно, волоконный лазер, оптический датчик, fuse-эффект, датчик температуры. Объект исследования: волоконно-оптический рассеиватель излучения на основе эффекта периодического расплавления сердцевины волокна под действием критической температуры Цель работы: разработка и изготовление волоконно-оптического датчика температуры для работы в экстремальных условиях эксплуатации. Волоконно-оптический датчик температуры представляет собой отрез оптического волокна длиной 3-5 метров, на конце которого сформирована термочувствительная структура микронеоднородностей. Она изготовлена с помощью эффекта плавления сердцевины, при которой в сердцевине оптического волокна формируется периодическая структура микронеоднородностей, c измененным показателем преломления. Такая структура может быть рассчитана, как интерферометр ФабриПеро, процесс перераспределения излучения внутри которого уже хорошо изучен. Так же известно, что интерферометры Фабри-Перо используются как чувствительные элементы для определения изменения температуры, давления, растяжения и других параметров системы. Датчик температуры будет состоять из структуры микронеоднородностей, которая будет сформирована на оси оптического волокна. Такая структура формируется с помощью эффекта плавления сердцевины. Благодаря этому защитно-упрочняющее покрытие остается нетронутым, и механическая прочность волокна не меняется. Датчик температуры может работать отдельно, и может быть совмещен с рассеивателем излучения. Разрабатываемый инструмент может использоваться в двух основных сферах потребления: в промышленности (диагностика природных ресурсов, производство) и медицине (оперативные вмешательства, диагностика).

2 Оглавление 1. ОПРЕДЕЛЕНИЯ ......................................................................................... 3 2. ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................. 5 3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ....................................................................... 8 3.1. Волоконно-оптический датчик. Классификация датчиков................ 8 3.1.1. Определение волоконно-оптических датчиков ............................... 8 3.1.2. Применение волоконно-оптических датчиков ................................ 9 3.1.3. Виды волоконно-оптических датчиков ......................................... 12 3.2. Датчики на основе Фабри-Перо ........................................................ 12 3.2.1. Историческая справка интерферометра Фабри-Перо ................... 12 3.2.2. Конструкция резонатора Фабри-Перо ........................................... 13 3.2.3. Принцип действия резонатора Фабри-Перо .................................. 14 3.2.4. Датчики на основе интерферометра Фабри-Перо ......................... 17 3.3. Датчики на волоконной брегговской решетке ................................. 19 3.4. Эффект плавления сердцевины оптического волокна ..................... 22 3.4.1. Понятие оптического пробоя ......................................................... 22 3.4.2. Эффект плавления сердцевины оптического волокна .................. 24 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ ......................................................... 25 4.1. Разработка и создание макета иттербиевого лазера для создания рассеивателей на основе fuse- эффекта ......................................................... 25 4.2. Изучение параметров иттербиевого лазера ....................................... 26 4.3. Методика создания рассеивателя на основе fuse- эффекта ............... 30 4.4. Изучение рассеивателей, созданных на многомодовых волокнах ... 31 4.4. Исследование отражения излучения на микропузырьках в сердцевине рассеивателя ............................................................................... 35 4.5. Исследование гистерезиса .................................................................. 37 4.6. Разработка и создание макета для проверки чувствительности рассеивателей к изменению температуры .................................................... 38 5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................... 43 6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ........................................................................ 45

3 1. ОПРЕДЕЛЕНИЯ В настоящей магистерской диссертации, которая по существу является отчетом исследовательской о выполненной работе, на применяются ПАО “ПНППК” следующие научно- термины с соответствующими определениями. Абсолютный показатель преломления среды (n) – безразмерная величина, которая показывает, во сколько раз скорость света в веществе (v) меньше, чем скорость света в вакууме (с). Френелевское отражение – явление отражения излучения на границе двух сред с разными показателями преломления, зависящее от угла падения излучения. Оптический рассеиватель – элемент оптической системы, перераспределяющий излучение на основе законов рассеяния света частицами. Волоконная брэгговская решетка – распределённый брэгговский отражатель (разновидность дифракционной решетки), сформированный в светопроводящей сердцевине оптического волокна. Датчик – средство измерения, предназначенное для преобразования измеряемой величины в другую величину, удобную для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Лазер – это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. Оптический коэффициент напряжения – постоянная, связывающая разность коэффициента преломления необыкновенного и обыкновенного лучей с наложенными на прозрачную модель напряжениями. Коэффициент оптического напряжения зависит от свойств материала, длины волны света и температуры.

4 Длина волны – путь, который проходит фронт волны за интервал времени, равный периоду колебательного процесса. Когерентность нескольких колебательных или волновых процессов – согласованность (скоррелированность) этих процессов во времени, проявляющаяся при их сложении. Колебания когерентны, если разность их фаз постоянна во времени, и при сложении колебаний получается колебание той же частоты. Разрешающая способность – количественной мерой разрешения. Угловое разрешение – минимальный угол между объектами, который может различить оптическая система. Линейное разрешение – минимальное расстояние между различимыми объектами в микроскопии. Рассеяние света – рассеяние электромагнитных волн видимого диапазона при их взаимодействии с веществом. Рассеянием Мандельштама-Бриллюэна – рассеяние оптического излучения конденсированными средами (твердыми телами и жидкостями) в результате его взаимодействия с собственными упругими колебаниями этих сред. Оно сопровождается изменением набора частот (длин волн), характеризующих излучение, – его спектрального состава. Рэлеевское рассеяние – когерентное рассеяние света без изменения длины волны (называемое также упругим рассеянием) на частицах, неоднородностях или других объектах, когда частота рассеиваемого света существенно меньше собственной частоты рассеивающего объекта или системы. Эквивалентная формулировка: рассеяние света на объектах, размеры которых меньше его длины волны. Комбинационное рассеяние света (эффект Рамана) – неупругое рассеяние оптического излучения на молекулах вещества (твёрдого, жидкого или газообразного), сопровождающееся заметным изменением частоты излучения.

5 2. ВВЕДЕНИЕ Волоконные лазеры являются одним из наиболее ярких достижений в квантовой радиофизике. Это направление возникло на стыке лазерной физики и волоконной оптики. Существует ряд преимуществ волоконных лазеров по сравнению с традиционными квантовыми излучателями, которые позволяют использовать их наравне с обычными лазерами, а в некоторых случаях и заменять их. Следует отметить, что в начале своего развития основной задачей волоконной оптики представлялось создание волоконных световодов как пассивной среды для передачи информации. Однако, как и в любой другой развивающейся области наук, в процессе решения первоначальной задачи были обнаружены и другие возможности волоконной оптики, которые на данный момент привели к расширению круга изучаемых объектов и явлений. Это в свою очередь привело к расширению области применения волоконных световодов и устройств на их основе. Отдельным направлением волоконной оптики является разработка и исследование датчиков на основе оптических световодов. Принцип действия оптоволоконных датчиков заключается в том, что некоторые характеристики электромагнитной волны, проходящей по оптическому волокну, изменяются под действием внешних факторов. В отличие от электрических датчиков волоконно-оптические – не нуждается в дополнительной электрической развязке или других мерах изоляции при расположении датчика в области повышенного потенциала. Кроме этого он устойчив к электромагнитным помехам и радиационным воздействиям, а также обладает повышенной коррозионной стойкостью (за счет диэлектрического материала). Актуальность проведения настоящей научно-исследовательской работы заключается в улучшении прочностных характеристик волоконнооптических датчиков температуры и сохранению малых размеров датчика. Это достигается путем создания датчика при помощи эффекта плавления

6 сердцевины оптического волокна. Данный процесс позволяет сформировать термочувствительную структуру в сердцевине волокна, устойчивого к агрессивным средам. Устойчивость использованием к усовершенствованной среде обеспечивается технологии, при которой сохраняются высокие прочностные характеристики волокна т.к. отсутствует этап снятия защитно-упрочняющего покрытия. Благодаря этому чувствительная часть датчика не требует дополнительной защиты в виде перепокрытия или защитного минимальные параметры колпака, устройства. что Такие позволяет датчики сохранить могут быть востребованы как в медицине, где малый диаметр и высокая гибкость датчика уменьшают травматическое воздействие на пациента, так и в промышленности, где нет возможности использовать электрические датчики за счет электромагнитного воздействия или больших размеров. Из вышеперечисленного можно сделать вывод, что объектом настоящего исследования является волоконно-оптический датчик температуры, созданный на основе эффекта плавления. Предметом исследования – спектральные характеристики обратно отраженного сигнала в условиях повышенной температуры. Целью исследования является – нахождение зависимости, при которой по спектральной характеристике обратных отражений можно определить температуру окружающей среды в том месте, где находится датчик. Для достижения данной цели было поставлено несколько задач: 1. Разработка и создание лабораторного макета для создания датчиков температуры. 2. Исследование внутренней структуры созданных датчиков температуры. 3. Исследование гистерезиса датчиков температуры. 4. Разработка и создание лабораторного макета для проверки чувствительности созданного волоконно-оптического датчика к изменению температуры.

7 5. Исследование температурной чувствительности датчиков на при повышенной до 500 °С температуре. В результате настоящей работе предполагается выявить такую зависимость, при помощи которой можно будет определить температуру окружающей датчик среды с погрешностью не более 1% т.е. ±5 °С. Таким образом, в этом исследовании будут задействованы наравне и теоретические (анализ), и эмпирические (эксперимент, сравнение, измерение), и математические методы исследования (статистический анализ).

8 3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 3.1. Волоконно-оптический датчик. Классификация датчиков 3.1.1. Определение волоконно-оптических датчиков Волоконно-оптический датчик — небольшое по размерам устройство, в котором оптическое волокно используется как в качестве линии передачи данных, так и в качестве чувствительного элемента, способного детектировать изменения различных величин [1]. Элементы, используемые в волоконно-оптических датчиках, являются абсолютно пассивными по отношению к электричеству, что позволяет применять их в различных отраслях [2]. Метод волоконнооптического измерения обладает рядом преимуществ: возможность прямого измерения температуры по шкале Кельвина, локализованность наиболее нагретых мест, оценка изменений температуры. Если сравнивать с другими датчиками, то данные датчики взрывобезопасны, не подвержены к электропомехам, они имеют широкий диапазон температур. Волоконно-оптические датчики температуры состоят из не токопроводящих материалов, что позволяет использовать их под высоким напряжением [3]. Датчики на оптическом волокне, обладают целым рядом преимуществ:  возможность мультиплексирования;  дистанционные измерения;  устойчивость к электромагнитным помехам;  отсутствие электричества в точке измерения;  долговременная стабильность. Принцип работы волоконно-оптических датчиков основан на преобразовании сигнала, полученного от чувствительного элемента в результате внешних изменений в показатели рассеянного или отраженного

9 излучения [4]. Специалисты в этой области электроники говорят о том, что в качестве выходного параметра в различных типах детекторов может измеряться:  Распределение параметров состава излучения по спектру или  Фаза электромагнитной волны.  Показатели поляризации.  Интенсивность оптической волны.  Одним из основных элементов, позволяющих передавать сигнал моде. об изменении свойств или состояния объекта, являются оптические модуляторы. Общий принцип работы волоконно-оптического датчика заключается в следующем: свет от источника излучения передается через оптическое волокно, в следствии это приводит к изменению параметров в волокне. После прохождения по оптоволокну происходит сравнение спектров и интенсивностей с исходным излучением. Результат оценки измеряемых величин не зависит от особенностей волокна. Измерительную информацию несут такие явления, как прерывание светового потока, отражение света, изменение энергии излучения. Датчики, которые используют прерывание светового потока, очень распространенные и просты в использовании. Примером таких датчиков может быть счетчик деталей, подаваемых на сборочный конвейер или упаковку [5]. 3.1.2. Применение волоконно-оптических датчиков Условия внешней или контролируемой среды, в которых один или несколько действующих параметров, например, температура, агрессивность, концентрация, радиационная доза имеют предельно возможные значения в течение продолжительного периода времени, называются экстремальными.

10 Именно в таких условиях чаще всего работают первичные преобразователи выходных величин, получаемых при управлении такими технологическими процессами, как хранение отходов радиоактивного топлива, диагностика и мониторинг инженерных сооружений, имеющих сложную конструкцию, системы добычи, транспортировки и переработки газа, нефти [6]. Классические тензорезисторы и звенья не могут работать в подобных условиях, учитывая их чувствительность к излучениям электромагнитных волн в диапазоне измерения, ограничения работы в узком температурном диапазоне, невозможность использования в условиях повышенного радиационного фона и т.д. Благодаря своим уникальным характеристикам, оптоволоконные датчики нашли своё применение во многих областях, таких как строительство и геотехника, аэрокосмическая, энергетическая и нефтегазовая промышленность [7]. Системы мониторинга, основанные на данной технологии, экономически эффективны при использовании на крупномасштабных объектах — там, где необходима установка сотен датчиков для продолжительных измерений различных физических параметров. В таблице 1. Приведены различние профили применения датчиков в промышленных отраслях.

11 Таблица 1. Применение датчиков в различных промышленных отраслях Отрасль Горнодобывающая отрасль Применение волоконно-оптических датчиков  пожарное извещение в шахтах  мониторинг НДС шахтных стволов и горных выработок  распределенный термомониторинг конвейрных лент Нефтяная отрасль  термомониторинг скважин Газовая отрасль  мониторинг трубопроводов и КС Гидроэнергетика  мониторинг ГЭС  распределенный мониторинг силового кабеля Электроэнергетика  мониторинг вибрации и температуры генераторов  дуговая защита ячеек распределительных устройств 6-35 кВ  мониторинг элементов конструкции зданий (фундамент, несущие конструкции, балки и Строительство и ЖКХ Авиация и космос перекрытия)  мониторинг мостов, эстакад  мониторинг «умного дома»  мониторинг состояния теплотрас  внедрение чувствительных элементов в композиционные материалы (мониторинг деформации и температуры)  бортовая система мониторинга

12 3.1.3. Виды волоконно-оптических датчиков Управляющий сигнал связан со свойствами материала посредством магнитооптических, характеристик. По акустооптических особенностям или строения и электрооптических принципу действия, специалисты различают такие виды детекторов, как:  волоконно-оптическая разновидность, отличающаяся тем, что в нем в качестве сенсора выступает волокно, оптические характеристики которого изменяются под воздействием факторов внешней среды;  элементы с оптически-волоконными связями, в которых сенсор располагается на участке разрыва волокна, в результате чего может воздействовать на светопередачу;  интегрально-оптические датчики, использующие в качестве чувствительного элемента световод планарного типа, принцип действия которого базируется на нарушении полного внутреннего отражения для лучей, проходящих вдоль его поверхности и выходящих за нее в результате изменения показателей преломления;  оптопары, имеющие открытый канал, в котором располагается промежуточный элемент или изучаемая среда [8]. 3.2. Датчики на основе Фабри-Перо 3.2.1. Историческая справка интерферометра Фабри-Перо В 1899 году французы Шарль Фабри и Альфред Перо описали многолучевой интерферометр, состоящий из двух плоскопараллельных частично посеребренных стеклянных пластин, который позволил существенно повысить разрешение спектральных измерений. Однако триумфальное шествие этого устройства, уже как резонатора Фабри- Перо (РФП), способного запасать оптическую энергию, начинается после того,

13 как почти одновременно в 1958 году Прохоров [9] и Шавлов с Таунсом [10] предложили его использовать для создания лазера. Последующие патентные исследования, продолжавшиеся до 1987 года, свидетельствуют, что приоритет следует отдать Гордону Гоулду, предложившему схему с открытым резонатором на год раньше (Гоулд также первым предложил слово “лазер”). Наконец, 16 мая 1960 года Теодор Мейман запустил первый в мире лазер на основе, освещаемого лампой-вспышкой, рубинового стержня, резонатором Фабри-Перо в котором служил сам стержень с посеребренными торцами. Позднее, в том же 1960 году заработал первый гелий-неоновый лазер в лаборатории имени Белла, в котором уже использовался метровый резонатор Фабри-Перо с плоскими юстируемыми зеркалами с отражающим многослойным диэлектрическим покрытием. 3.2.2. Конструкция резонатора Фабри-Перо Интерферометр Фабри-Перо (ИФП) или, как его еще называют, эталон Фабри-Перо, представляет собой плоскопараллельный слой из оптически однородного прозрачного материала, ограниченный отражающими плоскостями. Наиболее широко применяемый ИФП состоит из двух клиновидных стеклянных или кварцевых пластинок (рис. 1). Рис. 1. Схема интерферометра Фабри-Перо

14 На обращенные друг к другу плоскости пластин (изготавливаемые с высокой точностью ~ 0,01 длины волны) наносится хорошо отражающее покрытие, а на внешние поверхности — просветляющее. Клиновидная форма пластинок предотвращает нежелательную интерференцию лучей, отраженных от внешних поверхностей пластин (практически достаточно, чтобы клиновидность пластин была весьма мала — порядка 5÷10′ и поэтому на рисунке она не отражена). Установка отражающих плоскостей параллельно друг другу и изменение расстояния между ними обычно осуществляются с помощью специальных распорных колец, размещаемых между внутренними плоскостями пластин интерферометра и изготавливаемых из материалов с малым коэффициентом термического расширения – кварца, инвара и т.д. При измерениях ИФП, как правило, устанавливается между входным и выходным коллиматорными линзами. В фокальной плоскости входного коллиматора размещается круглая диафрагма или щель, определяющие угловые размеры веера параллельных пучков, падающих на ИФП. В фокальной плоскости выходного коллиматора F устанавливается регистрирующее устройство, в качестве которого может использоваться специализированная телекамера, фотопластинка или диафрагма. Отметим, что ИФП также может быть выполнен и в виде плоскопараллельной стеклянной или кварцевой пластинки, на обе поверхности которой нанесены отражающие слои (именно в этом случае его часто называют эталоном Фабри-Перо). И в том, и в другом случае расстояние t между отражающими поверхностями ИФП называется его базой [11-15]. 3.2.3. Принцип действия резонатора Фабри-Перо Плоская волна, падающая на ИФП (см. рис. 1), в результате многократных отражений от зеркал и частичного выхода после каждого

15 отражения разбивается на большое число плоских когерентных волн, отличающихся по амплитуде и по фазе [16]. Амплитуда когерентных волн убывает по закону геометрической прогрессии, а разность хода между каждой соседней парой волн, идущих в данном направлении, постоянна и описывается формулой (1): △0 = 2 ∗ 𝑡 ∗ 𝑛 𝑐𝑜𝑠 𝜑 (1) где 𝑡 — расстояние между отражающими поверхностями ИФП; n — показатель преломления среды между зеркалами (для воздуха n=1); φ —угол между лучом и нормалью к зеркалам. Луч света после прохождения через плоскопараллельную пластинку выходит из нее под углом к оси ИФП χ = φ (см. рис. 1). Пройдя через выходной коллиматор, когерентные волны интерферируют в его фокальной плоскости и образуют пространственную интерференционную картину в виде колец равного наклона (рис. 2).

16 Рис. 2. Структура интерференционных колец в фокальной плоскости выходного коллиматора Условие образования интерференционного максимума при этом имеет вид, описанный формулой (2): △𝑚𝑎𝑥 = 2 ∗ 𝑡 ∗ 𝑛 ∗ 𝑐𝑜𝑠 𝜒𝑚𝑎𝑥 = 𝑘 ∗ 𝜆 где 𝑡 — расстояние между отражающими поверхностями ИФП; n — показатель преломления среды между зеркалами (для воздуха n=1); 𝜒𝑚𝑎𝑥 — максимальный угол, под которым может выйти луч после прохождения через плоскопараллельную пластинку; k — целое число; 𝜆 — длина волны излучения. Это равенство означает, что максимум образуется в направлении 𝜒𝑚𝑎𝑥 , для которых разность хода между соседними когерентными пучками равна целому числу длин волн [17].

17 Такая картина типична для интерференции в любой плоскопараллельной пластинке. Только в обычной пластинке коэффициент отражения r=3÷5%, что приводит к очень быстрому ослаблению пучков по мере увеличения числа отражений, а в ИФП r близко к 100%, поэтому интенсивность интенсивности каждого последующего предыдущего. интерферирующих пучков В пучка результате оказывается мало отличается эффективное большим. Именно от число это и обуславливает высокую разрешающую способность ИФП [18]. 3.2.4. Датчики на основе интерферометра Фабри-Перо Как было сказано во введении, при решении первоначальных задач, связанных с развитием волоконных лазеров, были обнаружены и другие возможности использования волоконной оптики. Одной из которых является изготовление волоконно-оптических датчиков температуры, давления и т.д. Для создания чувствительных участков волокна часто используют внедрение в него микрополостей. При этом между границами микрополостей образуются объемные оптические резонаторы. Действие датчика с микрополостями в волокне хорошо описывается теорией интерферометра Фабри-Перо. Такие датчики нашли широкое применение, благодаря малым размерам, линейной структуре, линейному отклику, высокой чувствительности и удобному режиму обнаружения отражённого сигнала [19, 20]. Так ученые из Гонконгского политехнического университета в городе Гонконге, районе Хунхам, Китай [21], создали датчик показателя преломления, действие которого можно описать при помощи теории интерферометра Фабри-Перо. Они создали импульсный лазер на λ = 800 нм с частотой повторения импульсов 1 кГц, и при помощи объектива подводили излучение к торцу обрабатываемого участка волокна. При

18 воздействии импульсного излучения лазера на торце сердцевины волокна образуется микроотверстие диаметром примерно 1 мкм. Далее этот участок волокна сваривался с другим неповрежденным волокном. При сварке на месте микроотверстия образовывалась микрополость c каналом, заполненным воздухом, как показано на рис. 3. По отражениям от стенок можно было судить об изменении показателя преломления жидкости, заполняющей микркополость. На рис.3 приведена схема проведения эксперимента для определения показателя преломления света в жидкости. Рис.3. Схема проведения эксперимента, где 1 – широкополосный источник излучения, 2 – анализатор спектра, 3 – жидкость с исследуемым показателем преломления Чувствительность способа измерения показателя преломления, достигнутая в эксперименте, составляет ~ 994 нм на единицу изменения показателя преломления. Такое устройство имеет простую конструкцию, легко в изготовлении и надежно в эксплуатации. Другой метод создания микрополостей, действия которых описываются интерферометром Фабри-Перо, предложили ученые из Научно-технического университета Китая [22]. Они создали микрополось, заполненную воздухом, путем сварки двух волокон с разными торцами. На рис. 4(а) пунктирной линией обозначена плоскость, к которой в сварочном

19 аппарате подводятся электроды, и производится электрический дуговой разряд. Рис. 4(b) показывает, что после разряда правый торец волокна оплавлен, а левый – сколот. Далее по обозначенной пунктиром линии вновь производится электрический дуговой разряд при помощи электродов сварочного аппарата, на рис.4(с) показано волокно после сварки. При увеличенном изображении можно хорошо рассмотреть микрополость, образовавшуюся при сварке на рис.4(d). Рис.4. Процесс создания микрополости в волокне Диаметры таких микрополостей получались около 100 мкм. Далее при помощи анализатора спектра были исследованы зависимости отраженного излучения от изменения температуры и силы (деформации). Результаты исследования показали, что датчик имеет высокую чувствительность к деформации – 4 мкм на единицу относительного удлинения. Датчик показал высокую чувствительность к изменению температуры – менее 1 пм на 1℃, однако зависимость длины волны от температуры становится нелинейной при повышении температуры выше 500℃. 3.3. Датчики на волоконной брегговской решетке Одним из наиболее часто используемых волоконно-оптических датчиков являются датчики на основе волоконно-брэгговских решеток

20 (ВБР). Решетки в этих датчиках отражают световой сигнал, спектральная характеристика которого (длина волны) смещается вместе с изменением измеряемого параметра (температурой и / или деформацией). При изготовлении решеток внутри сердечника создается область с периодическим изменением показателя преломления, непосредственно эта область и называется ВБР [23]. Когда широкополосное световое излучение проходит через брэгговскую решетку, отражения от каждого сегмента области с переменным показателем преломления интерферируют только для конкретной длины волны света, называемой длиной волны Брэгга (λb), описанной в уравнении ниже. Это фактически приводит к тому, что ВБР отражает определенные длины волн (определенную частоту) света и пропускает все остальные [24]. λb = 2nΛ (1) В уравнении (1), λb – брэгговская длина волны, n — эффективный показатель преломления сердечника оптического волокна, Λ — расстояние между решетками или период решетки. Рис. 5. Принцип работы датчика на волоконной брэгговской решетке

21 Зная, что брэгговская длина волны зависит от периода решетки, можно изготавливать решетки с разными брэгговскими длинами волн [25]. Изменения деформации и температуры влияют на эффективный показатель преломления и период решетки, что вызывает смещение длины волны отраженного сигнала. Это смещение длины волны можно приблизительно описать уравнением (2) Δλ/λ0 = (1-pe)*ε+(αΛ+αn)*ΔT (2) где Δλ – смещение длины волны, а λ0 – начальная длина волны Первое слагаемое описывает влияние деформации на сдвиг длины волны, где pe – оптический коэффициент напряжения, а ε – относительная деформация, испытываемая решеткой. Второе слагаемое описывает влияние температуры на сдвиг длины волны, где αΛ – температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), а αn – термооптический коэффициент. αn описывает изменение показателя преломления от температуры, а αΛ описывает расширение решетки под воздействием температуры [26]. Поскольку ВБР реагирует как на деформацию, так и на температуры то необходимо учитывать оба эти эффекта и различать их между собой. Для измерения температуры решетка не должна испытывать деформацию. Для этого можно поместить решетку внутрь корпуса, чтобы быть уверенным, что решетка не будет подвергаться растяжению, сжатию, сгибанию или скручиванию [27]. Коэффициент теплового расширения αΛ стекла на практике не принимается в расчет (пренебрежительно мал), таким образом, изменения в отраженном спектре вызванные воздействием температуры может быть описано изменением показателя преломления волокна αn. ВБР датчики деформации несколько более сложны, так, как и температура и деформация влияют на спектр отражаемого сигнала. Для получения корректных данных измерений деформации, необходимо компенсировать влияние температуры на ВБР. Это можно сделать с помощью установки ВБР датчика температуры ВБР в тесном тепловом

22 контакте с ВБР датчиком деформации. Простое вычитание сдвига спектра, вызванного датчиком температуры от сдвига спектра датчика деформации, удаляет второе слагаемое уравнения (2). Что в результате дает значения деформации с температурной компенсацией. 3.4. Эффект плавления сердцевины оптического волокна 3.4.1. Понятие оптического пробоя Еще с конца прошлого века известен пробой газов под действием высокочастотных (ВЧ) полей мегагерцевого диапазона частот. После второй мировой войны с развитием радарной техники были созданы мощные источники излучения гигагерцевых частот (дециметровыхмиллиметровых волн). Это излучение называют сверхвысокочастотным (СВЧ) или микроволновым. Под действием достаточно интенсивного СВЧ-излучения газ также пробивается. Эффекты ВЧ- и СВЧ-пробоя активно изучались в конце 40-х – 50-е годы, да и позднее тоже. От миллиметровых СВЧ до субмикронных световых волн, казалось бы, не такой уж принципиальный разрыв, но открытие оптического пробоя в 1963 году было для физиков полнейшей неожиданностью [28]. До изобретения лазеров наибольшие интенсивности света, которых можно было достичь, фокусируя лучи даже самых мощных источников, были столь слабыми, что любое предположение о возможности такого пробоя казалось совершенно фантастическим. Даже после создания первого рубинового лазера в 1960 году мощность этого источника была далеко не достаточной, чтобы пробить газ световым излучением. Воздух оставался безучастным к лучу лазера, даже хорошо сфокусированному, как и в случае световых лучей любых других источников. Только после создания оптических генераторов с модулированной добротностью, работающих в режиме гигантского импульса, когда максимальные мощности достигают десятков мегаватт, и притом в результате острой фокусировки таких мощных лучей, впервые удалось

23 наблюдать оптический пробой. Этому не приходится удивляться, теперь мы знаем, что для пробоя газов на оптических частотах требуются колоссальные поля 1-10 МВ/см. Для сравнения укажем, что в постоянном электрическом поле, как, впрочем, и в ВЧ- и СВЧ-полях, атмосферный воздух пробивается при напряженности поля примерно 30 кВ/см. Применительно к случаю постоянного поля эта величина хорошо знакома всем, кто в лаборатории или на практике имеет дело с высокими напряжениями и должен остерегаться непредвиденных, часто опасных пробоев. Когда луч рубинового лазера, работающего в режиме гигантского импульса, пропустили через фокусирующую линзу, в воздухе в точке фокуса вспыхнула искра, как при обычном электрическом пробое разрядного промежутка. Об этом доложили на конференции в Париже в 1963 году Мейкер, Терхун и Сэвидж, и в то время это сообщение вызвало сенсацию [29]. Явление лазерной искры, как его часто называют, сразу же и надолго приковало к себе внимание исследователей. Безусловно, это один из интереснейших эффектов в области взаимодействия интенсивного светового излучения с веществом. Кроме того, открытием оптического пробоя в физику газового разряда была вписана новая, быстро наполнившаяся и другими эффектами глава, которая получила естественное название "оптические разряды". Оптический разряд или пробой − это быстропротекающий необратимый процесс превращения среды из прозрачной в сильно поглощающую под действием интенсивного излучения сопровождающийся разрушением структуры этой среды. Возникновение оптического пробоя связано с переходом поглощения от линейного к нелинейному, которое в свою очередь может оказаться на несколько порядков выше. Данное физическое явление состоит из нескольких физических процессов, следующих друг за другом (для твердого тела):

24  ионизация атомов кристаллической решетки и резкое увеличение концентрации свободных электронов  вырывание связанных электронов валентной зоны под действием ускоренных свободных электронов  развитие электронной лавины, приводящей к образованию критической концентрации электронов для излучения заданной частоты  нелинейное поглощение излучения и быстрый нагрев среды, приводящий к повышению давления и разрушению (тепловой пик) 3.4.2. Эффект плавления сердцевины оптического волокна Увеличение пропускной способности волоконных оптических линий связи неизбежно приводит к повышению мощности излучения, распространяющегося по отдельному световоду. При этом поток мощности (интенсивность) лазерного излучения достигает ≈107-108 Вт/см2 [30]. При таких уровнях возникают нелинейные оптические эффекты, такие, как вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна и четырехволновое смешение, могут ограничивать возможности волоконных систем. Но существует еще один эффект, который гораздо более очевидным способом ограничивает работу световодов – это явление разрушения волоконных световодов под действием оптического излучения интенсивностью ≥1МВт/см2 (при условии дополнительного инициирования процесса). В зарубежной литературе оно обозначается как catastrophic damage (катастрофическое разрушение) или Fuse-effect. Второе обозначение можно перевести как «эффект плавления». Впервые о разрушении одномодовых световодов на силикатной основе под действием оптического излучения было опубликовано в 1987г. [31]. Внешне явление выглядит следующим образом: если в одномодовый световод вводится лазерное излучение порядка 1 Вт, то при определенных условиях (при инициировании) в области сердцевины световода (масштаб порядка 1 мкм) возникает область яркого белого или голубоватого свечения

25 (искра), которая движется навстречу лазерному излучению по световоду со скоростью порядка 1 м/с. В сердцевине световода после «пробегания» искры в большинстве случаев образуются микрополости (или пузыри, или каверны) размерами несколько микрометров, причем полости иногда могут формировать периодическую структуру вдоль сердцевины световода или сливаться в один длинный капилляр [32]. При этом волноводные свойства световода полностью разрушаются. Явление поддерживается лазерным излучением относительно небольшой мощности порядка 1 Вт. Процесс может быть инициирован разными способами, например, загрязнением торца световода, контактом торца световода с металлической поверхностью [33], нагреванием участка световода в электрической дуге. В любом случае, требуется нагрев участка волокна до температуры порядка 1000 К [34]. Среди указанных способов инициирования в первых двух нагрев осуществляется за счет поглощения лазерного излучения. 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 4.1. Разработка и создание макета иттербиевого лазера для создания рассеивателей на основе fuse- эффекта Для создания рассеивателей на основе fuse- эффекта был изготовлен волоконный лазер, легированный оксидами иттербия, схема которого предоставлена на рис.6.

26 Рис.6. Схема иттербиевого лазера Она состоит диода накачки (BWT F13041654 29,5w) на 980 нм, участка активного волокна (24 м), легированного иттербием и двух брэгговских решеток. Излучение лазерного диода методом боковой накачки подводится к волокну, легированному оксидами иттербия. В волокне появляются вынужденно возбужденные электроны. При переходе из возбужденного состояния в основное они выпускают фотоны с различной длиной волны от 900 нм до 1200 нм. Справа стоит 100% брэгговская решетка, отражающая фотоны, на резонансной длине волны 1125нм. Остальные длины волн проходят сквозь нее и рассеиваются в воздухе. Часть генерируемого когерентного излучения с длиной волны 1125 нм проходит вправо сквозь 30% брэгговскую решетку, что обеспечивает непрерывную работы лазера на 1125нм. 4.2. Изучение параметров иттербиевого лазера Для дальнейших исследований необходимо определить ватт-амперную характеристику иттербиевого лазера, смонтированного в экспериментальной установке (лабораторном макете). В установке используется полупроводниковый диод BWT F13041654 29,5w с длиной волны излучения 980 нм.

27 Для определения мощностей накачки полупроводникового диода и когерентного оптического излучения на выходе макета иттербиеого лазера был использован измеритель мощности Ophir NOVA II. Полученные значения приведены в таблице 2. Таблица 2. Ватт-амперная характеристика диода и лазера I, A U, B 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 4,5 4,6 4,7 4,8 4,8 4,9 5 5,1 5,2 5,2 5,3 5,4 5,5 5,5 5,6 5,7 5,7 P, Вт 1,23 2,58 4,17 5,72 7,02 8,65 9,88 11,4 12,9 14,2 15,6 17 18,4 19,7 21 22,3 23,5 Pлазера, Вт 0,08 0,34 0,62 0,92 1,28 1,78 2,28 2,8 3,38 3,96 4,48 5,18 5,6 6,16 6,52 На рис.7 приведены зависимости выходных мощностей диода накачки и лазерного излучения на выходе макета иттербиевого лазера от величины тока накачки. 25 20 15 Р, Вт диод 10 лазер 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 I, A Рис. 7. Ватт-амперная характеристика диода накачки и макета волоконного лазера Из рис. 7 видно, что зависимость выходной мощности диода накачки от величины тока (верхний график) имеет вид линейной зависимости с небольшими отклонениями при малых значениях тока. Это можно -

28 объяснить тем, что на данном уровне энергии накачки, еще не достигнута инверсная заселенность энергетических уровней активного участка иттербиевого волокна, а значит нет лазерной генерации. Так же видно, что график зависимости выходной мощности лазерного излучения на выходе маакета иттербиевого лазера от величины тока проходит ниже графика, описывающего зависимость выходной мощности диода накачки. Но при этом нижний график пропорционален верхнем графику, а коэффициент пропорциональности примерно равен проценту пропускания выходной ВБР (30%). Помимо ватт-амперной характеристики важную роль также играет спектр люминесценции макета волоконного иттербиевого лазера. На рис.8. представлен выходной спектр излучения макета волоконного иттербиевого лазера, полученный с помощью анализатора спектра Yokohama AQ6319.

29 Рис. 8. Спектр люминесценции макета волоконного иттербиевого лазера В спектре излучения макета волоконного иттербиевого лазера присутствует несколько пиков, появившиеся из-за нелинейных эффектов, возникающих в длинном контуре (24 м) активной области волоконного лазера. На фотографии, представленной на рис. 8 присутствуют стоксовые и антистоксовые компоненты с пиками на длинах волн: 1200,04 нм, 1166 нм, 1145,48нм – стоксовые и 1077,04нм, 1028,76 нм – антистоксовые. Так же наблюдается явление ВКР преобразования на длине 1200,52 нм (стоксовая компонента) и 1013 нм (антистоксовая компонента). Появление этих нелинейных эффектов можно объяснить тем, что в эксперименте был использован длинный контур лазера. На длине волны 1125 нм наблюдается пик генерации лазера, а на длинах волн 976-980 нм – пик генерации накачки.

30 4.3. Методика создания рассеивателя на основе fuse- эффекта Следующим этапом экспериментальной части было создание рассеивателей на основе fuse-эффекта. После сборки макета волоконного иттербиевого лазера были созданы расеивающие оптическое излучение неоднородности. Для этого к открытому выходному концу оптического волокна вплотную подводился металлический отражатель. В качестве него была использована плоская поверхность стриппера. При этом за счёт обратного отражения лазерного излучения в оптическом волокне возникала стоячая волна. В пучностях оптической волны Амплитуда сигнала удваивалась, возникал оптический пробой сердцевины волокна. Возникшее детонационное разрушение приводило к образованию микрополостей. Схема установки инициации детонационного разрушения в сердцевине волокна представлена на рис. 9. Рис. 9. Схема установки инициации детонационного разрушения в сердцевине волокна

31 Для контроля процесса образования микрополостей движение искры в сторону лазерного диода (fuse-эффект), записывалось на видеокамеру. Эксперименты проводились при различной силе тока диода накачки для изучения зависимости скорости распространения искры, которая видна визуально, от мощности лазера. Создание микрополостей проводилось в сердцевинах оптических волокон двух типов: SMF28 и GIMM62,5/125. Были испытаны и другие методы инициации fuse-эффекта – нагрев и обрыв волокна. Было установлено, что в обоих случаях возникал эффект оптического пробоя. Однако первый метод более предпочтителен ввиду его простоты. 4.4. Изучение рассеивателей, созданных на многомодовых волокнах Целью следящего этапа исследования являлась определение зависимости структуры распределения микрополостей вдоль сердцевины оптического волокна после детонационного разрушения от мощности лазерного излучения. В ходе эксперимента к выходному концу волокна макета волоконного иттербиевого лазера приваривался участок многомодового волокна (GIMM 62,5/125 мкм). Далее по методике, подробно описанной в параграфе 4.3, были получены 9 различных рассеивателей (отрезков оптического волокна с сформированными в их сердцевинах микрополостями), при различных мощностях излучения волоконного иттербиевого лазера. С помощью камеры Levenhuk, установленной на световом микроскопе модели Zeiss Axio Scope A1 были произведены снимки всех 9ти образцов рассеивателей. На рис. 10÷18 приведены полученные фотографии (слева с 10-ти кратным, а справа с 60-ти кратным увеличением). Анализ фотографий показал, что при увеличении мощности излучения лазера периодичность расположения микрополостей (на рисунках они выглядят более светлыми) возрастает. Вытянутая форма “длинных

32 желобков” микронеоднородностей превращается в пулеподобную с одним вытянутым, а другим плоским краями (рис. 18). Кроме того, микронеоднородности, образовавшиеся на краях и в середине отрезка оптического волокна, становятся одинаковыми. Рис. 10. Структура микронеоднородностей в сердцевине оптического волокна, возникшая при мощности лазерного излучения 1,28 Вт Рис. 11. Структура микронеоднородностей в сердцевине оптического волокна, возникшая при мощности лазерного излучения 1,78 Вт

33 Рис. 12. Структура микронеоднородностей в сердцевине оптического волокна, возникшая при мощности лазерного излучения 2,28 Вт Рис. 13. Структура микронеоднородностей в сердцевине оптического волокна, возникшая при мощности лазерного излучения 2,8 Вт Рис. 14. Структура микронеоднородностей в сердцевине оптического волокна, возникшая при мощности лазерного излучения 3,38 Вт

34 Рис. 15. Структура микронеоднородностей в сердцевине оптического волокна, возникшая при мощности лазерного излучения 3,96 Вт Рис. 16. Структура микронеоднородностей в сердцевине оптического волокна, возникшая при мощности лазерного излучения 4,48 Вт Рис. 17. Структура микронеоднородностей в сердцевине оптического волокна, возникшая при мощности лазерного излучения 5,18 Вт

35 Рис. 18. Структура микронеоднородностей в сердцевине оптического волокна, возникшая при мощности лазерного излучения 5,6 Вт Как видно из рисунков, варьируя мощность лазерного излучения можно формировать различные структуры микрополостей. При малых мощностях излучения формируются большое количество близкорасположенных относительно небольших неоднородностей, а при больших – меньшее количество пулеобразных относительно больших неоднородностей. В фотодинамической терапии, для равномерного облучения фотосенсибилизатора, необходимо создать равномерное рассеянное оптическое поле по всей длине излучающего отрезка оптического волокна. Поэтому для дальнейших исследований были выбраны рассеиватели, созданные при малых мощностях лазерного излучения. 4.4. Исследование отражения излучения на микропузырьках в сердцевине рассеивателя Следующим этапом настоящей работы стало исследование отражение излучения на микрополостях в сердцевине оптического волокна. Для этого было выбрано волокно с характеристиками 8/125 мкм, а многомодового 62,5/125мкм. Вторая цифра относится к диаметру оболочки. Эксперименты по измерению отражения излучения были выполнены с использованием аппарата рефлектометра Luna, который измеряет

36 амплитуды обратно отраженных сигналов. Цель данного эксперимента убедиться, что обратноотраженный сигнал есть. На рис. 19 приведена рефлекторгамма полученных обратных отражений. Рис.19. Рефлектограмма на одномодовом рассеивателе На рис.19 можно увидеть несколько пиков. Первый приходится на длину 11,2 см от начала графика, на данном расстоянии находится сварка оптическогго волокна с одномодовым диффузором, следовательно, первый пик показывает обратные отражения от сварного соединения. Его амплитуда мала, что свидетельствует о высоком качестве сварного соединения. Второй пик имеет максимальную амплитуду и находится на расстоянии 58 см, что соответствует расположению первых микрополостей в диффузоре. Анализ второго пика показывает, что он имеет тонкую структуру в виде 4 вершины, уменьшающиеся по амплитуде, отсюда можно сделать вывод, что максимум обратных отражений приходится на первые 4 микрополости. Третий пик находится на расстоянии 93 см, на котором заканчивается диффузор и отражение происходит от торца волокна. По данным результатам можно сделать вывод, что обратноотраженный сигнал имеет высокую амплитуду, благодаря чему его не спутаешь с сигналом от сварки или отраженного сигнала с торца волокна, а также сигнал имеет

37 интерференционный характер спектра. Это объясняется тем, что с точки зрения принципа действия датчика наблюдается интерференционная картина резонатора Фабри-Перо. 4.5. Исследование гистерезиса Следующим этапом настоящей работы стало исследование гистерезиса волоконного рассеивателя. Цель данного этапа - определить насколько своевременно датчик может измерять температуру, насколько его показания могут отставать от реального значения температуры в окружающей среде. Для этого датчик был помещен в термокамеру, температура в которой плавно повышалась от 27℃ до 100℃, а потом плавно опускалась обратно. Спектры были записаны через каждые 10 градусов. По полученным данным был построены графики зависимости длины волны наивысшей точки пика от температуры. Один из них приведен на рис. 20. Рис. 20. Зависимость расположения пика от значения температуры. Стрелочками на графике указаны направления изменения температуры (сверху график - при нагреве, снизу - при охлаждении). При этом стоит отметить, что разница между значениями при одной и той же

38 температуре составляют около 100пм, что является меньше, чем приборная погрешность анализатора спектра Yokogawa AQ6319. Таким образом, проанализировать наличие или отсутствие гистерезиса при данном оборудовании нельзя. В дальнейшем необходимо подобрать анализатор спектра с мееньшей приборной погрешностью, а так же провести исследования при большем диапазоне температур. 4.6. Разработка и создание макета для проверки чувствительности рассеивателей к изменению температуры Для проверки чувствительности рассеивателя к изменению температуры был разработан макет, состоящий из лазерного диода накачки, разветвителя и свободного конца волновода, к которому приваривались различные рассеиватели излучения, записанные на предыдущем этапе. Мощность отраженного излучения измерялась при помощи анализатора спектра Yokogawa AQ6319. На рис. 21 приведена схема разработанного макета. Рис. 21. Схема макета для проверки чувствительности рассеивателей к изменению температуры В ходе эксперимента рассеиватель света помещался в термокамеру, в которой температура плавно повышалась на 4 градуса в минуту диапазоне

39 от 25 до 500℃. При температуре до 100℃ наблюдался скачкообразный рост температуры внутри термокамеры. Это связано с характеристиками самой термокамеры, работа которой рассчитана на температуру до 3000℃ т.е. на малых температурах изменение происходит скачкообразно, а не плавно. Фото экспериментальной установки представлено на рис. 22. Рис. 22. Макет экспериментальной установки для проведения исследований в диапазоне до 500℃ Спектр излучения записывался каждый раз, когда температура в камере увеличивалась на 10 градусов. Если по полученным данным

40 построить графики, то из-за интерференционной картины анализ чувствительности будет слишком сложен, что видно на рис.23, где приведены пять спектров с разницей в 100 градусов. Рис. 23. Спектры отраженных на анализатор спектра сигналов для 5 измерений с разницей в 100℃ Таким образом, для облегчения анализа данных было решено использовать тепловые карты, на которых каждый столбец - это один из записанных спектров. Окрашивание этого столбца показывает пики красный и впадины - синим цветом. Это позволяет проследить за перемещением конкретного пика при повышении температуры. Тепловая карта для промежутка длин волн λ=1534,5-1539нм при температуре от 25 до Т, °С 500 ℃ приведена на рис. 24.

λ, нм 41 Рис. 24. Тепловая карта рассеивателя излучения в полиимидной оболочке На тепловой карте видно, что пик, который при температуре до 100 ℃ имеет длину волны 𝜆 ≈1535,5нм при повышении температуры до 500℃ смещается в более длинноволновую область и имеет длину волны 𝜆 ≈1538,5нм. Если на каждом спектре выделить самую верхнюю точку этого пика и построить график зависимости длины волны от температуры, то можно увидеть, как спектральный сдвиг. График приведен на рис. 25.

42 Рис. 25. Зависимость длины волны наивысшей точки пика от температуры Таким образом, по значению длины волны одного из пиков можно определить температуру, в которой находится рассеиватель излучения. Полученная погрешность составила ±5℃. Планируется продолжить исследования рассеивателей излучения и уменьшить погрешность до 1℃.

43 5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В настоящее время волоконно-оптические датчики являются наиболее перспективными преимуществам по средствами сравнению с измерения благодаря традиционными своим электронными устройствами такими, как невосприимчивость к электромагнитным помехам, электрическая изоляция, уменьшенный вес и объем, долговечность и устойчивость к агрессивным воздействиям окружающей среды [35-37]. В настоящей работе обоснована возможность использования рассеивателя излучения, созданного при помощи эффекта плавления сердцевины, в качестве датчика температуры. В ходе исследования был разработан и собран волоконный лазер, легированный оксидами иттербия. При его использовании за счёт детонационного разрушения сердцевины оптического волокна были созданы рассеиватели излучения на многомодовом волокне GIMM 62,5/125 мкм. При помощи микроскопа исследованы микронеоднородности, возникшие внутри сердцевины волокна в результате эффекта плавления при разной мощности оптического излучения лазера. Разработаны рекомендации по изготовлению диффузоров с различной пространственной компоновкой микронеоднородностей. Для создания равномерного распределения рассеянного оптического поля оптимальными являются диффузоры, изготовленные при мощностях оптического излучения лазера порядка 2 Вт. При помощи рефлектометра исследованы сигналы, отраженные от оптических неоднородностей рассеивателей излучения. Установлено, что максимум мощности обратных излучений приходится на первые 4-5 микрополостей, также наблюдаются отраженные сигналы от места сварки и торца волокна, но их амплитуда гораздо меньше. Также в ходе работы был разработан и собран специальный макет для проверки чувствительности диффузоров к изменению температуры. По результатам анализа исследований рассеивателя излучения при температуре

44 до 500℃ был получен график зависимости длины волны наивысшей точки одного из пиков от температуры, демонстрирующий спектральный сдвиг. Полученная погрешность составила ±5℃. Таким образом, цель настоящего исследования достигнута и задачи, поставленные в начале работы, выполнены в полном объеме. В дальнейшем настоящее исследование можно продолжить в трех направлениях: 1. Уменьшить погрешность измерения температуры; 2. Исследовать гистерезис рассеивателя излучения при всем диапазоне исследуемых температур (25-500℃), а также использовать анализатор спектра с большей точностью. 3. Исследовать работу рассеивателя излучения при отрицательных температурах.

45 6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Галимова Айсылу Рафисовна, Галимуллина Элина Эмилевна, Голкова Регина Динаровна, Усов Никита Александрович. Волоконнооптические датчики температуры // Научные исследования. 2017. №2 (13). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/volokonno-opticheskie-datchiki- temperatury (дата обращения: 10.04.2020). 2. Бикбулатов Рашид Илдарович, Усов Никита Александрович, Выдрин Дмитрий Федорович. Интеллектуализация скважинных штанговых насосных установок // Научные исследования. 2017. №2 (13). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/intellektualizatsiya-skvazhinnyh-shtangovyhnasosnyh-ustanovok (дата обращения: 10.04.2020). 3. Томышев Кирилл Александрович, Баган Виталий Анатольевич, Астапенко Валерий Александрович. оптические датчики давления промышленности // Труды для Распределённые применения МФТИ. 2012. в волоконнонефтегазовой №2-14. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/raspredelyonnye-volokonno-opticheskiedatchiki-davleniya-dlya-primeneniya-v-neftegazovoy-promyshlennosti (дата обращения: 10.04.2020).]. 4. Королёв В. А., Потапов В. Т. Волоконно-оптические датчики температуры и давления в биомедицине // ВНМТ. 2011. №3. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/volokonno-opticheskie-datchiki-temperatury-idavleniya-v-biomeditsine (дата обращения: 10.04.2020). 6. Бутов О. В., Томышев К. А. Волоконные датчики на основе брэгговских решеток с наклонными штрихами // Фотон-экспресс. 2019. №ВКВО. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/volokonnye-datchiki-na- osnove-breggovskih-reshetok-s-naklonnymi-shtrihami (дата обращения: 20.04.2020). 7. Егоров Ф. А., Пестерев Е. Н., Потапов В. Т. Волоконно-оптические датчики концентрации водорода на основе микрооптомеханических резонансных структур // Фотон-экспресс. 2019. №ВКВО. URL:

46 https://cyberleninka.ru/article/n/volokonno-opticheskie-datchiki-kontsentratsii(дата vodoroda-na-osnove-mikrooptomehanicheskih-rezonansnyh-struktur обращения: 20.04.2020). 8. Галимова Айсылу Рафисовна, Абзалилова Юлия Рамилевна. Оптические датчики тока // Научные исследования. 2017. №2 (13). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/opticheskie-datchiki-toka (дата обращения: 20.04.2020). 9. Ураксеев Марат Абдуллович, Закурдаева Татьяна Алексеевна Современные волоконно-оптические датчики напряжения и напряженности электрического поля на электрооптическом эффекте // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2014. №4. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sovremennye-volokonno-opticheskie-datchikinapryazheniya-i-napryazhennosti-elektricheskogo-polya-na-elektroopticheskomeffekte (дата обращения: 20.04.2020). 10. А. В. Виноградов О группе, связанной с теорией интерферометра Фабри-Перо // Краткие сообщения по физике ФИАН. 1996. №11-12. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/o-gruppe-svyazannoy-s-teoriey-interferometrafabri-pero (дата обращения: 10.04.2020). 11. Чесноков Владимирович, Владимир Сырнева Владимирович, Александра Сергеевна, Чесноков Дмитрий Михайлова Дарья Сергеевна Спектральные характеристики комбинированных спектральных устройств с интерферометром Фабри-Перо // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2012. №5. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/spektralnye-harakteristiki- kombinirovannyh-spektralnyh-ustroystv-s-interferometrom-fabri-pero (дата обращения: 12.04.2020). 12. Могильницкий Б.С. Интерферометр Фабри-Перо как анализатор импульсного излучения // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2009. №2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/interferometr-fabri-pero-kak-analizatorimpulsnogo-izlucheniya (дата обращения: 12.04.2020).

47 13. Гублин А. С. Расширение диапазона измерений волоконнооптических сенсоров на основе интерферометра Фабри Перо // Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. №4-1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/rasshirenie-diapazona-izmereniy-volokonnoopticheskih-sensorov-na-osnove-interferometra-fabri-pero (дата обращения: 12.04.2020). 14. Могильницкий Бронислав Сергеевич О некоторых особенностях интерферометра Фабри – Перо // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2013. №2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/o-nekotoryh-osobennostyah-interferometrafabri-pero (дата обращения: 12.04.2020). 15. В. Б. Залесскии, А. И. КонойКо, В. М. Кравченко, К. А. Рещиков Преобразователь ИК излучения на базе микрорезонаторов Фабри–перо // Доклады БГУИР. 2018. №8 (118). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/preobrazovatel-ik-izlucheniya-na-bazemikrorezonatorov-fabri-pero (дата обращения: 27.04.2020). 16. É. Pinet, “Fabry-Pérot Fiber-Optic Sensors for Physical Parameters Measurement in Challenging Conditions,” J. Sensors 2009, 720980-1-9 (2009). 17. J. Ma, J. Ju, L. Jin, W. Jin, and D. Wang, “Fiber-tip micro-cavity for temperature and transverse load sensing,” Opt. Express 19(13), 12418–12426 (2011). 18. M. S. Ferreira, L. Coelho, K. Schuster, J. Kobelke, J. L. Santos, and O. Frazão, “Fabry-Perot cavity based on a diaphragm-free hollow-core silica tube,” Opt. Lett. 36(20), 4029–4031 (2011). 19. C. R. Liao, T.Y. Hu, and D. N. Wang. Optical fiber Fabry-Perot interferometer cavity fabricated by femtosecond laser micromachining and fusion splicing for refractive index sensing. The Hong Kong Polytechnic University, Hung Hom, Kowloon, Hong Kong, China. 6 Sep 2012. 20. M.F. Dominguesa,b, T. Paixãob, E. Mesquitac,d, N. Albertoa,e, P. Antunesa,b, H. Varumc, P.S. Andréf. Hydrostatic pressure sensor based on microcavities developed by the catastrophic fuse effect. Instituto de Telecomunicações

48 - Aveiro, Campus de Santiago, 3810-193 Aveiro, Portugal. Proc. of SPIE Vol. 9634 96345M-4. 21. M.F. Dominguesa,b, T. Paixãob, E. Mesquitac,d, N. Albertoa,e, P. Antunesa,b, H. Varumc, P.S. Andréf Enhanced sensivity high temperature optical fiber FPI sensor created with the catastrophic fuse effect. Instituto de Telecomunicações - Aveiro, Campus de Santiago, 3810-193 Aveiro, Portugal. Proc. of SPIE Vol. 9634 96345M-4. 22. Maria de Fátima F.Domingues, Tiago de Brito Paixão, Esequiel Fernandes Teixeira Mesquita, Nélia Alberto, Ana Rita Frias, Rute A. S. Ferreira, Humberto Varum, Paulo Fernando da Costa Antunes. «Liquid Hydrostatic Pressure Optical Sensor Based on Micro-Cavity Produced by the Catastrophic Fuse Effect», IEEE Sensors Journal (Volume: 15, Issue: 10, Oct. 2015), 5654 – 5658. 23. Леонович Георгий Иванович, Олешкевич Сергей Владимирович Гибридные датчики на волоконно-оптических брэгговских решетках // Известия Самарского научного центра РАН. 2016. №4-7. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/gibridnye-datchiki-na-volokonno-opticheskihbreggovskih-reshetkah (дата обращения: 18.04.2020). 24. Беспрозванных В.Г., Зырянов С.В. Влияние корпусировки волоконной брэгговской решетки на температурную стабильность широкополосного источника излучения // Инновационная наука. 2015. №112. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-korpusirovki-volokonnoy- breggovskoy-reshetki-na-temperaturnuyu-stabilnost-shirokopolosnogoistochnika-izlucheniya (дата обращения: 14.03.2020). 25. Барков Ф.Л., Беспрозванных В.Г., Ризванов Д.Г. Технология контроля и измерения деформаций на основе трехосевого волоконнооптического датчика // Инновационная наука. 2016. №6-2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/tehnologiya-kontrolya-i-izmereniyadeformatsiy-na-osnove-trehosevogo-volokonno-opticheskogo-datchika обращения: 15.04.2020). (дата

49 26. Липатников К. А., Кузнецов А. А., Фасхутдинов Л. М., Нуреев И. И., Сахабутдинов А. Ж. Экспериментальное исследование волоконной брэгговской решетки с фазовым π-сдвигом как чувствительного элемента датчика температуры // Фотон-экспресс. 2019. №ВКВО. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/eksperimentalnoe-issledovanie-volokonnoybreggovskoy-reshetki-s-fazovym-sdvigom-kak-chuvstvitelnogo-elementadatchika-temperatury (дата обращения: 23.04.2020). 27. Варжель Сергей Владимирович, Куликов Андрей Владимирович, Брунов Вячеслав Сергеевич, Асеев Владимир Анатольевич Метод понижения коэффициента отражения волоконных брэгговских решеток с помощью эффекта фотохромизма // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2012. №1 (77). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/metod-ponizheniya-koeffitsienta-otrazheniyavolokonnyh-breggovskih-reshetok-s-pomoschyu-effekta-fotohromizma (дата обращения: 21.04.2020). 28. Власов А.А., Алейник А.С., Шуклин Ф.А., Никитенко А.Н., Моторин Е.А., Киреенков А.Ю. Обнаружение ультразвуковых воздействий с применением волоконных решеток Брэгга // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2019. №5. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/obnaruzhenie-ultrazvukovyh-vozdeystviy-sprimeneniem-volokonnyh-reshetok-bregga (дата обращения: 21.04.2020). 29. Липатников К.А., Сахабутдинов А.Ж., Нуреев И.И., Кузнецов А.А., Морозов О.Г., Феофилактов С.В. Волоконно-оптический датчик вибрации "Виб-А" // ИВД. 2018. №4 (51). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/volokonno-opticheskiy-datchik-vibratsii-vib-a (дата обращения: 20.04.2020). 30. Hand D.P., Russell P.St.J. Solitary thermal shock waves and optical damage in optical fibers: the fiber fuse // Opt. Lett., 1988, vol. 13, pp. 767–769.

50 31. Данилейко Ю.К. Тепловой взрыв - механизм лазерного разрушения оптических материалов с поглощающими включениями //Препринт. - М., 1989. - 30 с. - (ИОФАН СССР, №56) 32. R.M. Wood, “Laser induced damage thresholds and laser safety levels. Do the units of measurement matter?” Opt. Laser Tech., 29 (8), 517-522 (1997). 33. И. А. Буфетов, Е. М. Дианов, “Оптический разряд в волоконных световодах”, УФН, 175:1 (2005), 100–103; Phys. Usp., 48:1 (2005), 91–94. 34. Странадко Е.Ф., Иванов А.В. Биофизика. 2004; 49 2: 380–3 35. Kashyap R., Blow K.J. Observation of catastrophic selfpropelled selffocusing in optical fibers // Electron. Lett., 1988, vol. 24 (1), 47–48. 36. Antunes, P., Domingues, M., Alberto, N. and André, P., “Optical Fiber Microcavity Strain Sensors Produced by the Catastrophic Fuse Effect,” IEEE Photon Technol Lett 26(1), 78-81 (2014). 37. De-Wen Duan, Yun-jiang Rao, Yu-Song Hou, and Tao Zhu. Microbubble based fiber-optic Fabry–Perot interferometer formed by fusion splicing single-mode fibers for strain measurement. Key Laboratory of Optoelectronic Technology and Systems (Education Ministry of China), Chongqing University, Chongqing 400044, China. 5 March 2012.