Способ измерения расстояния до места деформации многомодового ступенчатого световода и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к оптоэлектронике 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 высщих 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН д1) 4 С 02 В 6/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АBTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

Г10 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4087616/24-10 (22) 14.07.86 (46) 07.01.88. Бюл. У 1 (71) Институт радиотехники и электроники AH СССР (72) В ° С. Бабаян, В. В. Григорьянц и П. С. Фишер (53) 621.353(088.8) (56) Патент США Ф 4443700, кл. 250-227, 1984, Патент США У 4459477, кл. 250-227, 1984. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ДО

МЕСТА ДЕФОРМАЦИИ МНОГОМОДОВОГО СТУПЕНЧАТОГО СВЕТОВОДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ

ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к оптоэлектронике и позволяет повысить чувствительность к деформации прн измерении расстояния до места деформации. Импульсное маломодовое излучение источника 1 с помощью входного коллиматора 2 вводится в многомодо„„Я0„„1365014 А 1 вый 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, эа которым установлена щелевая диафрагма 5 с определенными продольными размерами, обеспечивается ре" гистрация фотохромографом 6 высших мод излучения, выходящих из световода 3. Анализируют пространственный спектр выходного сигнала путем его Фурье-преобразования.

Измеренные угол выхода одной иэ высших мод излучения и время ее задержки относительно основной моды используют для расчета расстояния L от вы" ходного торца световода до места его деформации. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1365014

L = ct (2n — В )пО, 2 2 где 1. — определяемое расстояние, 30

L c 0 5Lci — расстояние установления с стационарного распределения мощности по модам (L = 1-10 км); с — скорость света н вакууме; время задержки на длине L

6 излучения, вышедшего из световода под углом 8

6 — угол выхода из, снетовода

ОднОЙ из Высших мод поя вившихся в результате малой деформации световода;

n — коэффициент преломления материала сердцевины свето- 45 вода, Устройство содержит импульсный лазер 1 с длительностью импульса

10 "- 10 с, входной коллиматор 2, многомодовый ступенчатый световод 3, выходной объектин 4, щелевую диафрагму 5, фотохронограф 6, Все элементы устройства установлены на одной оптической оси, входной коллиматор 2 установлен между импульсным лазером 1 и многомодовым ступенчатым световодом 3, выходной торец последнего установлен вблизи фокальной плоскости выходного объектива 4, ще35

Изобретение относится к оптоэлек" тронике, а именно к измерениям расстояний до места деформации многомодового световода.

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

На фиг. l приведена блок-схема 10 устройства для реализации предложенного способа; на фиг, 2 — схема сигнала, полученного в результате работы устройства и используемого для измерения расстояния до места дефор- 15 мации световода.

Способ реализуется следующим образом, Через световод пропускают импульсное маломодовое лазерное излучение, 20 производят пространственное Фурье" преобраэонание выходного сигнала, измеряют угол выхода по крайней мере одной из высших мод выходного сигнала и определяют расстояние От выхода светонода до места его деформации в соответствии с соотношением левая диафрагма 5 установлена в задней фокальной плоскости выходного объектива 4, длина щелевой диафрагмы 1 л 2f NA, где f — фокусное рас" стояние 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 6 отсчитываются углы выхода мод световода, по оси временные задержки этих мод относительно основной моды.

Оптическое излучение вводят н многомодовый ступенчатый световод в виде основной моды или нескольких мод, близких к основной. Скорость распространения основной моды в световоде V = с/и где с — скорость снета в вакууме, и — коэффициент преломчения материала сердцевины снетовода °

В результате малой деформации снетовода на расстоянии L От ето выходного торца (которое определяется предлагаемым способом) возникает несколько высших мод излучения, характеризующихся углами распрострачения д 8„ по отношению к направлению распространения основной моды в световоде, Пространственный спектр сигнала, выходящего из снетовода, анализируют, производя его Фурьепреобразование, и измеряют угол выхода Одной из высших мод излучения и 8 „„ . Скорость распростране" ния этой моды в световоде временная задержка между основной модой и модой, распространяющейся в снетоводе под углом В „, равна

Расстояние L от выходного торца световода до места деформации

ctII(2n — 6 )

I п82

Время задержки t g на длине Ь излучения, вышедшего йэ световода под углом О, определяют по сигналу на экране фотохронографа (фиг. 2) .

Для достижения максимальной точности измерений определяют максимальные времена задержки (t ), соотМ4КС ветствующие задержкам высших мод, 1365014

«О« плоскости которого устанавлинаа-.ь щеленая диафрагма 5. Ее продол. ныи размер составл-. r 1.=10 мм, т ° e. уд«влетi;oрял условию 5, 2f NÀ, где е — фокусное расстояние выходн: го объектива 4, равное 30 мм. Этим обеспечивалась регистрация высших мод 40 излучения, выходящих иэ световода, фотохро«ографом 6, в качестве которого применялся серийный прибор типа

"Агат-СФ-1" с временным разрешением

2 нс, Or.ò!"reñêoå излучение импульс- 45

«ого лазера 1 вводилось н многомоло«6!!! с т : ле«ч атый cBeтОВОд 3 с пОмО щы! !ход«< ..О колл!..матора 2. производилось лр«странс гненное Фурье-преО.. азова!!ие выходного сигнала. Изме- 50 ! я -, угoi! вых«да 0 одной из высших о,-„ возбуждаемых в результате малой деформац!ги свет«вода, и время ее за« ч жки !.g относится!но основной моды.

Ее«стоя«ие от выходного торпа сне- 55 то«од;. до места его деформации опред .!г.л«сь из соотношения

I, = ct, 2n -9 )пд, возбужденных при малой деформации свето«ода; при этом вклад н суммар«ую погрешность инструментальной погрешности фотохронографа минима5 лен. Диапазон определяемых этим способом расстояний L ограничен сверху вследствие конверсии мод расстоянием установления стационарного распределения мощности по модам L . Для )О

c различных Образцов многомодовых ступенчатых световодон L лежит в диас паз«не 1 — 10 км, соответстне«но этому Е - 0,5 — 5 км.

Пример. В качестве источни- 15 ка 1 оптического излучения использовался твердотельный лазер на иттриено-ал!омнчиевом гранате с неодимом в режиме си«хр««изации мод, входным коллиматором 2. Его излучение с дпи- 2р тельнсстью импульса 40 нс и длиной волны 1,06 мкм внодилосb в многомодовый ступенчатый снетово I 3 с диаметром свет«ведущей жилы 50 мкм, к эффициентом «реломления ее матери- 25 ала 1,454 и длиной 8 м. При этом

Обеспечивало-ь возбуждение только приосевых мод: расходимость излучения на выходе с«eтовода не превышала

3" при числовой апертуре светов«да 30

Nh =- 0,16. Выходной -,Орец светонода

3 помеща !ся вблчзи фокальной плос кости объектива 4, н задней фокальФормула изобретения

1. Способ измерения расстояния до места деформации многомодового ступенчатого световода, основанный на пропускании импульсного лазерного излучения через снетовод и регистрации отклика, о т л и ч a;o— шийся тем, что, с целью повышения чувствительности к деформации при измерении расстояния до места деформации, через ступенчатый светонод пропускают импульсное маломодоное излучение, производят пространственное Фурье-преобразование выходного сигнала, измеряют угол выхода и время задержки,по крайней мере, од«сй из высших мод выходного сиг«ала и определяют расстояние от ныхода световода до места его деформации в соответствии с соотношением

L = сср(2п — 0)n8 ! где L измеряемое расст«янин, L с 0,5L.; расстояние уста«овле«ия стационарного распределения мощности но модам, 1 — 10 км; скорость света в вакууме; время задержки на длине

Е

C излучения, вышедшего из световода под углом 8; угол выхода из снетовода одной из высших мод, появившихся в результате деформации светов«да; коэффициент преломления материала сердцевины световода.

2. Устройство для измерения раестояния до места деформации многомодового ступенчатого световода, содержащее импульсный лазер и многомодовый ступенчатый световод, о т— личающееся тем,чтовнего введены входной коллиматор, выходной объектив. щеленая диафрагма и фотохронограф, установленные на

В частности, для измеренных значений !=6 и t = 77 нс вычисленное

6 расстояние до места деформации Ь вЂ” 6,15 м отличалось от действительного расстояния (6 м) на 2,57. Чувствительность к деформации составляла = 0,15 мкм.

1 365014

ro объектива, а длина щелевой диафрагмы выбрана в соответствии с соотношением

Р . 2f NA, Корректор Л, Пилипенко

Редактор А. Козориз

Техред М.Моргентал

Заказ 6605/39 Тираж 533 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 оптической оси устройства, причем входной коллиматор установлен между импульсным лазером и многомодовым ступенчатым световодом, выходной торец световЬда установлен вблизи фо5 кальной плоскости выходного объектива, щелевая диафрагма установлена в задней фокальной плоскости выходногде f — фокусное расстояние выходного объектива;

NA — числовая апертура световода.