Способ измерения расстояния до места деформации многомодового ступенчатого световода и устройство для его осуществления Советский патент 1988 года по МПК G01M11/00 

оо а ел

Изобретение относится к опто- электронике и позволяет повысить чувствительность к деформации при измерении расстояния до места деформации. Импульсное маломодовое излучение источника 1 с помощью входного коллиматора 2 вводится в многомодовый ступенчатый световод 3. Малая деформация световода 3 вызывает появление на расстоянии L от его выходного торца нескольких высших мод излучения, распространяющихся под углом к направлению распространения основной моды в световоде 3. Размещением выходного торца 3 вблизи фокальной плоскости объектива 4, за которым установлена щелевая диафрагма 5 с определенными продольными размерами, обеспечивается регистрация фотохромографом 6 выс- щих мод излучения, выходящих из световода 3. Анализируют пространственный спектр выходного сигнала путем его Фурье-преобразования. Измеренные угол выхода одной из высших мод излучения и время ее задержки относительно основной моды используют для расчета расстояния L от выходного торца световода до места его деформации. 2 с.п. ф-лы, 2 ил. Ф (Л

0

(риг.1

Изобретение относится к оптоэлек- тронике, а именно к измерениям расстояний до места деформации многомо- дового световода.

Цель извбретения - повышение чувствительности к деформации при измерении расстояния до места деформации многомодового ступенчатого световода

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства для реализации предложенного способа; на фиг. 2 - схема сигнала, полученного в результате работы устройства и используемого для измерения расстояния до места деформации световода.

Способ реализуется следующим образом.

Через световод пропускают импульсное маломодовое лазерное излучение, производят пространственное Фурье- преобразование выходного сигнала, измеряют угол выхода по крайней мере одной из высших мод выходного сигнала и определяют расстояние от выхода световода до места его деформации в соответствии с соотношением

L ct()ne

в

где L - определяемое расстояние,

L 0,5Lc; L - расстояние установления

стационарного распределения мощности по модам (LC 1-10 км);

с - скорость света в вакууме; tn - время задержки на длине L излучения, вьшедшего из световода под углом 9; б - угол выхода из, световода одной из высп/их мод, появившихся в результате мало деформации световода; п - коэффициент преломления

материала сердцевины световода.

Устройство содержит импульсный лазер 1 с длительностью импульса 10 с, входной коллиматор 2, многомодовый ступенчатый световод 3 выходной объектив 4, щелевую диафраму 5, фотохронограф 6. Все элементы устройства установлены на одной оптической оси, входной коллиматор 2 установлен между импульсным лазером I и многомодовым ступенчатым световодом 3, выходной торец последнего установлен вблизи фокальной плоскости выходного объектива 4, щелевая диафрагма 5 установлена в задней фокальной плоскости выходного объектива 4, длина щелевой диафрагмы 1 TJ 2f NA, где f - фокусное расстояние выходного объектива 4, NA - числовая апертура многомодового ступенчатого световода 3.

Схема сигнала с экрана фотохронографа 6, полученного в результате работы устройства приведена на фиг. 2. По оси б отсчитываются углы выхода мод световода, по оси t - временные задержки этих мод относительно основной моды.

Оптическое излучение вводят в многомодовый ступенчатый световод в виде основной моды или нескольких мод, близких к основной. Скорость

распространения основной моды в световоде V с/п, где с - скорость света в вакууме, п - коэффициент преломления материала сердцевины световода,

В результате малой деформации световода на расстоянии L от его выходного торца (которое определяется предлагаемым способом) возникает несколько высших мод излучения, характеризующихся углами распространения 0 а,, ,-гп по отношению к направлео Н т т р

нию распространения основной моды в световоде. Пространственный спектр сигнала, выходящего из световода,

анализируют, производя его Фурье- преобразование, и измеряют угол выхода одной из высших мод излучения В п Скорость распространения этой моды в световоде

V

fi-(0/ny ,

временная задержка между основной модой и модой, распространяющейся в световоде под углом . равна

tg L/Vg - L/V, .

Расстояние L от выходного торца световода до места деформации

50

L

ct0( е )

5

Время задержки t на finuHe L излучения, вышедшего из световода под углом в, определяют по сигналу на экране фотохронографа (фиг. 2).

Для достижения максимальной точности измерений определяют максимальные времена задержки (t/)„, соотС лПиКС

ветствующие задержкам высших мод.

возбужденных при малой деформации световода; при этом вклад в суммарную погрешность инструментальной погрешности фотохронографа минима- лен. Диапазон определяемых этим способом расстояний L ограничен сверху вследствие конверсии мод расстоянием установления стационарного распределения мощности по модам L. Для различных образцов многомодовых ступенчатых световодов L. лежит в диапазоне 1-10 км, соответственно этому L 0,5 - 5 км.

Пример. В качестве источни- ка I оптического излучения использовался твердотельный лазер на иттри eвo-aлю ;и -Iиeвoм тфанате с неодимом в режиме синхронизации мод, входным коллиматором 2, Его излучение с дли- тальностью импульса 40 не и длиной

волны 1,06 мкм вводилось в NfflOrOMOдовый ступенчатый световод 3 с диаметром светоЕеду1дей жилы 50 мкм, К )эффициентом преломления ее матери- ала 1,454 и длиной 8 м. При этом обеспечивалось возбуждение только приосевых мод: расходимость излучения на выходе световода не превышала З при числовой апертуре световода NA 0,16. Выходной торец световода 3 помещачся вблизи фокальной плос- кости объектива 4, в задней фокальной плоскости которого устанавливалась щелевая диафрагма 5. Ее про- дольный размер составля:; t 10 мм, т.е. удовлетворял условию t vZf-NA, f фокусное расстояние выходного объектива 4, равное 30 мм. Этим обеспечивалась регистрация высших мод излучения выходящих из световода, фотохронографом 6, в качестве которого применялся серийный прибор типа Агат-СФ-1 с временным разрешением 2 НС. Оптическое излучение импульс- пого лазера 1 вводилось в многомо- доный гтупйнчатый световод 3 с помощью входного коллиматора 2. Производилось пространственное Фурье-пре- оОгачопание выходного сигнала. Изме- оям :я УГОЛ выхода 8 одной из высших юд, позбуждаем1 1х в результате малой деформации световода, и время ее за- дорл;ки 1д относителт.но основной моды

Расстояние от выходного торца све тог-одг; до места его деформации опре- из соотношения

I, ct ,(2n--e )ne

В частности, для измеренных значений и t,, 77 НС вычисленное ь

расстояние до места деформации L 6,15 м отличалось от действительного расстояния (6 м) на 2,5%. Чувствительность к деформации составляла с 0,13 мкм.

Формула изобретени

L - ctg,( eVe

где L - измеряемое расстояние, L 0,5L,;

L - расстояние установления

стационарного распределени мощности по модам, L;- 1-10 км;

с - скорость света в вакууме;

t g- время задержки на длине L излучения, вышедшего из световода под углом в;

0 - угол выхода из световода одной из высших мод, появившихся в результате деформации световода;

п - коэффициент преломления

материала сердцевины световода,

оптической оси устройства, причем входной коллиматор устаиовлеи между импульсным лазером и многомодовым ступенчатым световодом, выходной торец световЬда установлен вблизи фокальной плоскости выходного объектива, щелевая диафрагма установлена в задней фокальной плоскости выходно3650146

го объектива, а длина щелевой диафрагмы I выбрана в соответствии с соотношением

г 7 2f . NA,

где f - фокусное расстояние выходного объектива; NA - числовая апертура световода,