Ўзбекистон республикаси ахборот технологиялари ва коммуникацияларини

ИЗМЕРЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ МНОГОМОДОВЫХ ВОЛОКОННО-
ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ 
Б.Б. Ибрагимова, М.Х. Арипова 
ТашГТУ им. И.А. Каримова 
Волоконно-оптические датчики можно разделить на два класса: 
датчики, в которых исследуемое явление воздействует на свет во время его 
распространения по оптическому волокну, и датчики с внешним 
чувствительным элементом, в которых свет выводится из оптического 
волокна, подвергается воздействию и снова запускается в волокно для 
передачи в блок обработки сигнала. Здесь мы рассмотрим датчики с внешним 
чувствительным элементом, механизм преобразования которых основан на 
эффекте, создаваемом дифракционной решеткой [1]. 
Волоконно-оптические датчики с движущимися решетками могут 
применяться для измерения любого параметра, изменение которого может 
проявляться через относительное движение двух решеток. Одним из самых 
первых приборов, работающих по этому принципу, был волоконно-
оптический гидрофон [2]. В дальнейшем этот гидрофон был всесторонне 
изучен [3]. Схематическое представление гидрофона показано на рис. 1. Свет 
из многомодового оптического волокна коллимируется стержневой 
микролинзой с градиентным показателем преломления и проходит через 
структуру дифракционных решеток, после чего фокусируется на входе 
выходного волокна второй микролинзой. Дифракционные решетки 
присоединены к двум гибким мембранам, расположенным сверху и снизу 
корпуса гидрофона. Прогиб мембран под воздействием переменного 
акустического давления приводит к относительному перемещению решеток, 
и, таким образом, модулирует количество излучения, проходящего между 
входным и выходным волокнами. В приборе использовался период решетки s, 
равный 10 мкм, с 50% периода (5 мкм), доступными для модуляции. 
Оптическая пропускная способность может быть описана как произведение 
трех множителей: (1) доля света, первоначально запущенного во входное 
волокно, доходящая до выходного волокна в отсутствие структуры 
дифракционных решеток; (2) доля света, падающего на структуру 
дифракционных решеток и проходящая через нее (функция s и относительного 
расположения решеток); и (3) доля света, проходящая через структуру 

---

203 
решеток при нулевом порядке дифракции по отношению к общему количеству 
прошедшего света.
Ключевой элемент гидрофона, модулятор на основе движущихся в 
противоположных направлениях дифракционных решеток, состоит из двух 
кусков покровного стекла размером 9x3 мм, 0,7 мм толщиной каждый, 
образующих подложки для 1,6 мм
2
решеток. Они были изготовлены из 5 мкм 
полос с помощью маски из фоторезиста методом обратной литографии и 120 
нм напылением хрома. Две решетки сведены вместе и выровнены так, чтобы 
их полосы были параллельны, и смещены одна относительно другой на 
половину ширины полосы для достижения максимума чувствительности. 
Рис. 1. Схематическое представление волоконно-оптического гидрофона на 
основе структуры дифракционных решеток 
После изготовления прибор был протестирован в лаборатории для 
определения его рабочих характеристик. В качестве источника света 
использовался гелий-неоновый лазер Hughes 2 мВт. Свет запускался во 
входное волокно через 10-кратный микрообъектив. Свет из выходного 
волокна регистрировался фотодиодом большой площади RCA С30808 с 
нагрузочным резистором сопротивлением 200 кОм. 
При 
освещении 
отражательной 
дифракционной 
решетки 
с 
чередующимися отражающими и поглощающими полосами широкополосным 
светом под постоянным углом θ
0
дифракция света зависит от периода решетки 
s (расстояния между центрами отражающих полос) и угла регистрации θ
1 
в 
соответствии с уравнением решетки. Если уравнение решетки применить к 
дифракционной решетке, период которой является линейной функцией 
положения вдоль длины решетки s = s
0
 + s
1
x, то освещенную часть решетки 
можно определить по формуле 


.
sin
sin
1
0
1
0
1
s
s
s
x






(1) 
Вид 
модуляции 
длины 
волны 
широкополосного 
источника 
(узкополосная фильтрация) показан на рис. 2. 

---

204 
Применимость метода измерения смещения при помощи решетки с 
линейно изменяющимся периодом была изучена для двух различных методов 
изготовления решеток. Первая отражательная решетка была изготовлена 
Applied Image, Inc. традиционным фотолитографическим методом, и ее период 
изменялся от 10 до 20 мкм при общей длине решетки 3,175 см. Однако 
неприемлемая эффективность решетки и множественное перекрытие 
порядков сделали невозможной интерпретацию заложенной в спектре 
информации о смещении. Затем была предпринята попытка изготовления 
решетки с линейно изменяющимся периодом голографическим способом. 
Рис. 2. Зависимость передачи узкополосного сигнала датчиком с 
решеткой с линейно изменяющимся периодом от смещения 
Обычные голографические решетки, имеющие постоянный период, 
изготавливаются интерферирующими плоскими волновыми фронтами. 
Голографические решетки с линейно изменяющимся периодом были 
изготовлены на обычной фотографической пластинке. Использовался гелий-
неоновый лазер с интерферирующими плоским и сферическим волновыми 
фронтами. Период решетки, сформированной таким образом, изменяется как 
функция положения благодаря изменению угла пересечения между 
волновыми фронтами вдоль ширины подложки. Вычисленная нелинейность 
изменения периода решетки в этом эксперименте составила 0,16% при 
использовавшемся 10 мм диапазоне. После того как открытая поверхность 
подложки была обработана, созданная решетка была металлизирована для 
использования ее на отражение. Такой метод позволяет изготавливать 
«линейно-модулированные» решетки с высоким разрешением. 
Выводы. Из этих результатов понятно, что этот метод допускает 
возможность проведения высокоточных измерений линейных смещений при 
помощи волоконной оптики. Если нанести дифракционную решетку по 
окружности поворотного вала, этот метод можно также очень просто 
применить для определения положения при вращении. Измерения можно 
выполнять, по сути, бесконтактным способом, используя исключительно 
дифракционную 
решетку 
с 
линейно 
изменяющимся 
периодом, 
прикрепленную к смещаемому объекту.