2.2. Поглощение оптического излучения

Если излучение, проходя через слой вещества, не ослабляется, то достаточно рассматривать лишь показатель преломления п вещества. Если же излучение ослабляется, то вводится другая константа вещества – коэффициент экстинкции . Пусть на слой вещества толщиной d_в падает поток излучения мощностью Р_вх. В общем случае выходная мощность излучения Р_вых определится выражением

Р_вых = Р_вх ехр(–d_в).

Коэффициент экстинкции  определяет потери оптического излучения за счет поглощения и рассеяния света. Если рассеяние не играет существенной роли по сравнению с поглощением, то коэффициент экстинкции называется коэффициентом поглощения. Если же можно пренебречь поглощением по сравнению с рассеянием, то говорят о коэффициенте экстинкции, обусловленном рассеянием. При пользовании понятиями экстинкция или коэффициент экстинкции не определяется, какая доля приходится на поглощение и какая на рассеяние. Рассмотрим вещества с поглощением, преобладающим над рассеянием.

Величина, обратная коэффициенту поглощения , определяет глубину w, на которой мощность параллельного пучка падает в е раз. Глубина w = 1/ называется средней глубиной проникновения излучения.

При описании поглощающих свойств вещества используют также понятия показатель поглощения k_п, который связан с коэффициентом экстинкции (в данном случае он определяется коэффициентом поглощения вещества) выражением

k_п = (1/4π)λ,

где λ – длина волны излучения в вакууме.

Наличие у вещества поглощающих свойств приводит к необходимости использования комплексного показателя для описания процессов отражения и преломления падающей на границу с этим веществом волны. Его так и называют: комплексный показатель преломления п*:

п* = n – i k_п.

Комплексный показатель преломления п* позволяет использовать выражения для амплитуд и энергий отраженной и преломленной волн путем формальной замены показателя преломления п среды на комплексный показатель преломления п*.

2.3. Принцип действия оптоэлектронных преобразователей

Одними из универсальных элементов, способных осуществлять преобразование различных физических величин, являются оптоэлектронные преобразователи (ОЭП), в которых измеряемая величина х₁ ... x_n воздействует на оптический канал, изменяя параметр излучаемого потока при его распространении от источника к приемнику (рис. 2.1).

Наиболее просты по конструкции оптоэлектронные преобразователи, где под воздействием физической величины изменяется интенсивность потока некогерентного излучения.

Оптический канал (рис. 2.2) может быть выполнен, например, в виде двух световодов (единичных оптических волокон или жгутов волокон) и промежутка между ними. Поток излучения от источника вводится в передающий световод 1. На выходе передающего световода в зоне измерений формируется поток излучения, заключенный в конусе апертуры световода. Часть потока излучения падает на вход световода 2, выводится из зоны измерений к фотоприемнику и преобразуется в пропорциональный электрический сигнал.

Физическую основу работы таких оптоэлектронных преобразователи составляет изменение (под действием измеряемого параметра) интенсивности излучения, проходящего с выхода передающего световода на вход приемного световода в соответствии с диаграммой направленности, светопропусканием световодов и способами модуляции.

С учетом того, что в данном случае волоконно-оптический канал в значительной степени определяет метрологические и конструктивные характеристики преобразователей, а также того, что модуляция потока излучения осуществляется в промежутке между двумя световодами, эти устройства в литературе часто называют волоконно-оптические преобразователями (ВОП).

Волоконно-оптические преобразователи такого типа имеют такие преимущества, как слабая зависимость результатов измерений от температуры, электромагнитных полей большой интенсивности и вибраций в зоне измерений, стойкость к агрессивным средам и химическая инертность, высокая локальность измерений, возможность получения заданных конструктивных и метрологических характеристик за счет конструкции волоконно-оптических каналов при использовании серийно выпускаемой элементной базы (источников излучения, фотоприемников, оптических волокон).

Для ОЭП характерны два основных способа получения измерительной информации. Первый способ отражает работу ОЭП рефлектометрического типа, для которых наиболее характерно отсутствие контакта с объектом измерений или вспомогательным измерительным звеном. Здесь поток излучения с выхода передающего световода направляется на отражающую поверхность объекта и часть отраженного потока, зависящая от положения поверхности объекта, ее формы и отражающих свойств, воспринимается входным торцом приемного световода.

Рис. 2.1. Схема канала преобразования информации оптических преобразователей

Рассмотрим зависимость выходного сигнала ОЭП на примере преобразования светового потока, отражающегося (без потерь и рассеяния) от движущейся плоской поверхности. Поверхность перемещается относительно торцов приемного и передающего световодов, лежащих в одной плоскости. Если торец световода контактирует с отражающей поверхностью, то поток к фотоприемнику практически не проходит. При увеличении расстояния поток излучения, заключенный в конусе апертуры световода, падает на все большую площадь на объекте измерений и, по сути, эта площадь становится «источником» вторичного потока, который возвращается к приемному световоду.

В соответствии с диаграммой излучения световода лучи, выходящие под наибольшим углом к торцу передающего световода, переносят меньшую часть излучаемого потока и при небольших расстояниях до поверхности воспринимаемая часть отраженного потока растет медленно. С увеличением площади отраженного «пятна» и входом в торец лучей с большей энергией наблюдается резкий рост принимаемого потока. При определенном соотношении размеров торцов крутизна изменения потока растет до тех пор, пока границы отраженного «пятна» не выходят за пределы торца приемного световода. Когда рост принимаемого потока из-за увеличения интенсивности элементарных потоков, попадающих в приемный световод, частично компенсируется потерями зависимость между расстоянием до поверхности и потоком, попадающим в приемный световод, остается существенно линейной. При увеличении расстояния потери преобладают, рост зависимости замедляется и вблизи которого расстояния поток, проходящий к фотоприемнику, остается практически постоянным. В дальнейшем преобладают потери за счет выхода отраженного потока за пределы торца приемного световода и поток, приходящий к фотоприемнику, убывает. Таким образом, функция преобразования такого ОЭП имеет квазилинейный участок наибольшей крутизны, участок максимума и падающий участок. При начальной установке световода на участок с наибольшей крутизной изменение потока на фотоприемнике практически линейно связано с изменением расстояния до отражающей поверхности. Вблизи максимума выходной сигнал ОЭП практически не зависит от расстояния до отражающей поверхности и будет определяться мощностью источника излучения, потерями в световодах и отражающими свойствами поверхности.

Рис. 2.2. Схема ОЭП с внешней модуляцией

Второй способ характерен для ОЭП проходящего типа, где поток излучения, выходящий с торца передающего световода, направляется на торец приемного световода и модуляция осуществляется либо изменением взаимного расположения торцов под действием физической величины, либо изменением условий распространения потока между неподвижными каналами. В ряде случаев конструкция ОЭП проходящего типа содержит дополнительное механическое звено, обеспечивающее преобразование физической величины в перемещение одного из каналов.

Формирование отклика ОЭП проходящего типа можно показать на примере с ортогональным перемещением торцов световодов. Если торцы параллельны и оси совпадают, то поток, передаваемый к фотоприемнику, максимален. При ортогональном перемещении торцов начинается выход лучей, переносящих большую часть общего потока излучения за пределы торца приемного световода. Однако эти потери частично компенсируются потоком, создаваемым лучами, переносящими меньшие элементарные потоки. Дальнейшее смещение приводит к тому, что уменьшается принимаемый поток. При еще больших смещениях это изменение становится более плавным.

При конструировании световодных датчиков должны выполняться также следующие требования:

а) в конструкции датчика должны содержаться элементы, обеспечивающие осуществление выбранного вида модуляции – изменения параметров светового потока под влиянием исследуемого эффекта;

б) конструкция датчика должна предусматривать возможно более узкую специализацию его использования в заданном диапазоне измерения значений исследуемого эффекта (а не универсальность его применения).

Оптические волноводы, соединяющие модулятор, с одной стороны, с источником света, а с другой – с фотоприемником, должны быть пассивными и, по возможности, нечувствительными к каким-либо внешним физическим возмущениям.

В световодных датчиках могут модулироваться интенсивность проходящего через датчик излучения (амплитудная модуляция), фаза (фазовая модуляция), состояние поляризации света, спектральный состав излучения.