Эффект антистоксова излучения

В настоящее время все большее внимание привлекают световодные датчики, основанные на использовании эффекта антистоксова излучения, приводящего к смещению частоты оптического излучения вверх. На этапе развития волоконно-оптических систем передачи антистоксово излучение рассматривалось, в основном, как паразитный эффект, приводящий к увеличению уровня шума и ограничивающий мощность, передаваемую ВОЛП [39]. Однако, специфические особенности антистоксова излучения, а именно его однозначная связь со спектром фононов в веществе позволяет создавать однопараметрические световодные датчики температуры, легко встраиваемые в единую комплексную систему [55].

При использовании датчиков на основе волоконных брэгговских решеток возникают серьезные технические и конструктивно-технологические проблемы, обусловленные одновременной чувствительностью таких датчиков к различного рода механическим (натяжение, изгиб, скручивание) и температурным воздействиям. Это приводит к серьезному усложнению, как непосредственно конструкции датчика, так и системы обработки и выделения полезного сигнала [56]. В тоже время, вероятность антистоксова перехода, то есть интенсивность излучения на данной частоте зависит только от параметров матрицы световода, типа примесных ионов и температуры

(1.13)

где Δ f _ас – величина антистоксова смещения частоты вверх, а W ₀ и α₀ – параметры, определяемые материалом световода и характеристиками примесных ионов, на энергетических уровнях которых наблюдается эффект, соответственно. Характерные зависимости W ₀ представлены на рис.1.8.

Т. к. прямые амплитудные измерения обладают относительно большой погрешностью, то основная тенденция развития антистоксовых оптоволоконных датчиков температуры является поиск разностных и относительных методов обработки сигналов. На наш взгляд, наибольший интерес представляет подход, предложенный в [57], основанный на использовании тонких различий в спектре антистоксова излучения, обусловленных спектром энергетических уровней примесного иона. В этом методе производится одновременное измерение интенсивности излучения в двух узких участках спектра люминесценции. Температура определяется по отношению этих двух интенсивностей I ₁ и I ₂

(1.14)

Рис. 1.8. Вероятность безызлучательной релаксации W _б возбужденных уровней трехвалентных редкоземельных ионов в зависимости от зазора до ближайшего нижнего уровня:

1 – LaBr₃ с наивысшей частотой фононов ν_ф=175 см ^–1; 2 – LaCl₃, ν_ф=260 см ^–1;

3 – LaF₃, ν_ф=350 см ^–1; 4 – Y₂O₃, ν_ф=430 см ^–1; 5 – YAlO₃, ν_ф=550 см ^–1;

6 – теллуритное стекло, ν_ф=775 см ^–1; 7 – германатное стекло, ν_ф=875 см ^–1;

8 – силикатное стекло, ν_ф=1100 см ^–1; 9 – фосфатное стекло, ν_ф=1300 см ^–1;

10 – боратное стекло, ν_ф=1350 см ^–1.

При этом, R с высокой точностью остается постоянной и не зависит от параметров измерительного тракта. В то же время

. (1.15)

Это обеспечивает линейность шкалы измерений и не требует спейиальной обработки в измерительном тракте.

При разработке оптоволоконных датчиков на основе антистоксовой люминисценции следует учитывать спонтанный характер излучения. Поэтому оптоволокно будет передавать на выход линии ту часть излучения, которое будет им захвачено (канализированно). Эти потери определяются коэффициентом захвата оптического волокна:

. (1.16)

где NA – числовая апертура оптоволокна, n ₀ – показатель преломления на частоте антистоксовой люминесценции. Поэтому в температурных датчиках более целесообразно использование многомодовых световодов.

Еще одним перспективным направлением является использование световолоконных систем визуализации инфракрасных изображений на основе антистоксовой люминесценции, иногда называемой Up-conversion. Сам процесс визуализации был предложен достаточно давно [58]. Суть процесса преобразования видна на схеме энергетических уровней (рис. 1.9).

Рис. 1.9.

Анализ процессов на основе системы кинетических уравнений [59] показывает, что соотношение сигнал/шум собственно процесса Up-conversion может быть записан при n_p >> n_s:

. (1.17)

где σ – сечение спин-фотонного взаимодействия, R – сечение спин-фононного взаимодействия, n_s, n_p, и n_f – число фононов сигнальных, накачки и люминесценции (на выходе), Φ(T) – число фононов на частоте сигнала. Индексы i =2, j =3 для рис. 1.9 а и i =1, j =2 для рис. 1.9 б. Соотношение (1.17) позволяет конкретизировать требования к рабочим центрам и матрицы материала, обеспечивающего визуализацию инфракрасного излучения за счет антистоксовой люминесценции:

а) центры антистоксовой люминесценции (в настоящее время это трехвалентные ионы группы редких земель [60]) должны иметь уровни 2 и 3 (рис. 1.9 а) и уровни 1и 2 (рис. 1.9 б), принадлежащие разным термам;

б) матрица должна обеспечивать слабую спин-фононную связь рабочих ионов (рис. 1).

Соотношение (1.17) определяет соотношение сигна-шум собственно процесса Up-conversion, но не учитывает конструктивных особенностей построения реальных систем. Дальнейшие исследования [60, 61] подтвердили его работоспособность, но эффективность этого метода оказалась мала для монолитных систем в силу малой толщины рабочего слоя (малой длины взаимодействия).

Для увеличения длины взаимодействия, повышения эффективности процесса преобразования и сохранения разрешающей способности целесообразно применение набора оптических волокон, содержащих центры антистоксова преобразования. Это позволит обеспечить повышение эффективности преобразования и повысить пороговую чувствительность создаваемых на этой базе приборов. Однако, необходимо учитывать, что процесс антистоксовой люминесценции носит спонтанный характер. Поэтому для более точной оценки пороговой чувствительности необходимо соотношение (1.17) умножить на коэффициент захвата излучения волокном (1.16), который существенно меньше единицы. Одна из возможных схем построения устройства визуализации инфракрасного излучения на основе антистоксовой люминесценции рассмотрена в [62].

ГЛАВА 2

НЕСИММЕТРИЧНЫЕ системы РЭЛЕЕВСКОЙ рефлектометриИ

Подавляющее большинство рефлектометрических систем представляют собой гомодинные системы, в которых несущие частоты опорных и измерительных каналов совпадают. Такие системы обладают простой конструкцией и возможностью непосредственного выделения и регистрации информационного сигнала. Однако в процессе фотоэлектрического преобразования в них существенную роль играют шумовые характеристики источников излучения и фотоприемников, низкочастотные шумы характерные для структурных узлов, что значительно ухудшает метрологические характеристики, а также функциональные возможности указанных систем.

Решение проблем гомодинных рефлектометрических систем основано на использовании двухчастотных методов. В этом случае, системы преобразуются в гетеродинные, у которых частоты опорных и измерительных каналов не совпадают, а смещение частот достигается за счет использования устройств формирования двухчастотного лазерного излучения. Назовем их несимметричными рефлектометрическими системами (НРС), поскольку, как правило, одна из частот совпадает с опорной, а вторая – смещается относительно нее.

Среди основных преимуществ НРС, определяющих необходимость их дальнейшего развития, следует выделить следующие:

· использование когерентного приема;

· возможность переноса спектра информационного сигнала в область с минимальным уровнем собственных шумов фотоприемника и других шумов низкочастотной природы (шумы источника излучения, вибрационные шумы оптической схемы, низкочастотные флуктуации и т.д.);

· возможность расширения функциональных возможностей, например, автоматическая настройка на центры контуров избирательных элементов (волоконных решеток Брэгга) и т.д.

В настоящее время нашли широкое применение НРС основанные на рэлеевской рефлектометрии во временной и частотных областях.

При использовании рефлектометрии во временной области перед разработчиком возникают проблемы разрешающей способности, динамического диапазона и чувствительности. Данные проблемы имеют общее решение, которое заключается в оптимальном выборе длительности и мощности зондирующего импульса. Однако оно не всегда позволяет достичь желаемых результатов. Основными достоинствами рефлектометрии в частотной области являются его высокая чувствительность и разрешающая способность, обусловленные преимуществами частотного зондирования и энергетической эквивалентностью частотного и импульсного зондирования. Наиболее часто данная разновидность рефлектометрии основывается на использовании линейной частотной модуляции (ЛЧМ) несущей или поднесущей зондирующего излучения. Проблемы, связанные с использованием ЛЧМ-рефлектометрии, определяются в основном степенью сложности реализации выбранного вида и закона модуляции, энергетическими характеристиками собственно модуляторов частоты и потерями при стыковке узлов частотного рефлектометра в целом. Поэтому общее их решение заключается в усовершенствовании методов и устройств модуляции зондирующего и приема отраженного излучений, а также фотосмешения.

Дата добавления: 2015-04-30