ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ТЕНЗОДАТЧИК НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕННЫХ ФОТОННО- КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛАСТИНЧАТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, СИСТЕМА И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
FIBRE-OPTIC STRAIN GAUGE BASED ON COMPOUND PHOTONIC CRYSTAL PLATE ELEMENTS, SYSTEM AND METHOD FOR PRODUCING AND USE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Представленная в настоящем документе область техники относится к волоконно-оптическому датчику, включающему в себя по меньшей мере одну пару оптически соединенных фотонно-кристаллических пластинчатых элементов, разделенных отрезком длины оптического волокна.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В качестве оптического датчика во многих случаях выбирают датчики на основе волоконных брэгговских решеток. Изготовление этих известных датчиков требует удаления оболочки оптического волокна и изменения его сердечника с последующей заменой оболочки волокна. Разработаны новые способы, позволяющие изменять показатель преломления в волокне без обязательного удаления оболочки, однако эти способы конструирования приводят к усложнению производства и дополнительным затратам. Датчики других типов выполняют прикреплением прядей оптического волокна на материалы или к материалам с попыткой наблюдения за изменениями в переданном свете, однако для датчиков этих типов требуется система, обеспечивающая отправку оптических сигналов и их прием, связанная с противоположными сторонами пряди оптического волокна.
Другие подходы предусматривают проведение анализа сосредоточенных неоднородностей, которые уже присутствуют по всей длине оптического стекловолокна, и использование оптического волокна, которое само выполнено в виде естественной брэгговской системы решеток. Оборудование, необходимое для этого, оказалось сложным и дорогим и выяснилось, что оно не обеспечивает возможность работы других датчиков на одних и тех же волокнах.
В отличие от волоконно-оптических датчиков датчики и системы, работающие на основе электричества, считаются слишком подверженными влиянию таких неблагоприятных внешних условий, а также не обеспечивают возможности одного подключения к сети с множеством датчиков. Преимуществами решений на основе оптического волокна являются их устойчивость к электромагнитным помехам, радиопомехам, освещению и возможность использования оптического волокна в опасных условиях, в которых датчики, работающие на основе электричества, не смогли бы нормально работать.
2
2
Другая концепция включает создание интерферометра Фабри-Перо с использованием диэлектрических зеркал на основе TiO, разделенных куском оптического волокна. Датчики этого типа по существу образуют намного большую структуру типа "зеркало-к-зеркалу", которая по своей работе аналогична интерферометрам Фабри-Перо, созданным на основе микроэлектромеханических систем (MEMS). Однако использование диэлектрических зеркал на основе TiO ограничено узкими спектрами рабочих длин волн света.
Существует необходимость в волоконно-оптическом тензометрическом датчике, имеющем конструкцию, эквивалентную конструкции типа волоконных брэгговских решеток, но предпочтительно выполненном с возможностью выбора длины волны испускаемого света, работы с лазерными источниками или без них и взаимодействия с несколькими тензодатчиками на одном и том же оптическом волокне. Предлагаемое изобретение раскрыто с учетом этих и других положений.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Следует иметь в виду, что раздел "Раскрытие изобретения" предоставлен для введения в упрощенной форме набора концепций, подробнее описанных ниже в разделе "Осуществление изобретения". Раздел "Раскрытие изобретения" не предназначен для использования с целью ограничения объема заявленного объекта изобретения.
Согласно одной особенности изобретение, раскрытое в настоящем документе, включает в себя систему на основе тензодатчиков, содержащую оптическое волокно, генератор оптических сигналов, передающий оптический сигнал через указанное оптическое волокно, по меньшей мере два фотонно-кристаллических пластинчатых элемента в указанном оптическом волокне, разделенных первым участком оптического волокна, фотодатчик, обнаруживающий отраженный оптический сигнал от указанных по меньшей мере двух фотонно-кристаллических пластинчатых элементов, и обрабатывающее устройство, вычисляющее механическую деформацию, вызываемую механическими напряжениями, на первом участке оптического волокна на основании отраженного оптического сигнала, обнаруженного фото датчиком.
Согласно еще одной особенности изобретение, раскрытое в настоящем документе, включает в себя фотонно-кристаллический тензодатчик, включающий в себя оптическое волокно, имеющее первый конец и второй конец, и по меньшей мере одну пару фотонно-кристаллических решетчатых конструкций, расположенных между участками указанного оптического волокна.
Согласно еще одной особенности изобретение, раскрытое в настоящем документе, включает в себя способ изготовления волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика, включающий этапы, на которых берут первое оптическое волокно из плавленого кварца, обеспечивающее возможность связи, имеющее первый конец. Первую фотонно-кристаллическую решетчатую конструкцию, включающую в себя множество отверстий, имеющих диаметр между 0,25 мкм и 1,0 мкм, соединяют с первым концом первого оптического волокна. Берут второе оптическое волокно из плавленого кварца, обеспечивающее возможность связи и имеющее первый и второй конец. Первый конец или второй конец второго оптического волокна соединяют с первой фотонно-кристаллической решетчатой конструкцией, а вторую фотонно-кристаллическую решетчатую конструкцию, включающую в себя множество отверстий, имеющих диаметр между 0,25 мкм и 1,0 мкм, соединяют с указанным другим дальним концом второго оптического волокна. Эти первая и вторая фотонно-кристаллические решетчатые конструкции образуют интерферометр Фабри-Перо (эталон) в указанном оптическом волокне между первым концом и вторым концом второго оптического волокна.
Согласно еще одной особенности изобретение, раскрытое в настоящем документе, включает в себя этапы, на которых берут волоконно-оптический фотонно-кристаллический тензодатчик, который включает в себя одну пару фотонно-кристаллических пластинок, расположенных в указанном оптическом волокне и разделенных участком оптического волокна. Прикрепляют первую часть волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика к первой части поверхности, при этом первая часть волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика включает в себя первую фотонно-кристаллическую пластинку из указанной одной пары фотонно-кристаллических пластинок. Прикрепляют вторую часть волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика ко второй части этой поверхности, при этом вторая часть волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика включает в себя вторую фотонно-кристаллическую пластинку из указанной одной пары фотонно-кристаллических пластинок. Передают первый оптический сигнал, имеющий первую длину волны, в первом направлении, соответствующем указанной одной паре фотонно-кристаллических пластинок. Затем принимают этот первый оптический сигнал, отраженный от указанной одной пары фотонно-кристаллических пластинок в направлении, противоположном первому направлению, в указанном оптическом волокне. После этого рассчитывают второй показатель измерения деформации, вызываемой механическими напряжениями, на основании отраженного первого оптического сигнала от каждой фотонно-кристаллической пластинки из указанной одной пары фотонно-кристаллических пластинок.
Согласно одной особенности настоящего изобретения предложена система на основе тензодатчиков, содержащая оптическое волокно, генератор оптических сигналов, передающий оптический сигнал через указанное оптическое волокно, по меньшей мере два фотонно-кристаллических пластинчатых элемента в указанном оптическом волокне, разделенных первым участком оптического волокна, фотодатчик, обнаруживающий отраженный оптический сигнал от указанных по меньшей мере двух фотонно-кристаллических пластинчатых элементов, и обрабатывающее устройство, вычисляющее механическую деформацию, вызываемую механическими напряжениями, на первом участке оптического волокна на основании отраженного оптического сигнала, обнаруженного фотодатчиком.
Оптическое волокно и первый участок оптического волокна могут также быть выполнены содержащими волокно из плавленого кварца, обеспечивающее возможность связи.
Генератор оптических сигналов может быть выполнен содержащим лазер.
Генератор оптических сигналов может быть выполнен содержащим светоизлучающий диод (LED).
Каждые пластинчатые элементы из указанных по меньшей мере двух фотонно-кристаллических пластинчатых элементов могут также быть выполнены содержащими монолитную фотонно-кристаллическую решетчатую конструкцию, включающую в себя множество отверстий.
Каждое отверстие из указанного множества отверстий может быть образовано посредством реактивного ионного травления (RIE) и иметь диаметр между 0,25 мкм и 1,0 мкм, и при этом монолитная фотонно-кристаллическая решетчатая конструкция имеет толщину между 400 мкм и 500 мкм.
Чувствительная система может также быть выполнена содержащей множество участков оптического волокна в указанном оптическом волокне, при этом каждый участок из указанного множества участков оптического волокна ограничен соответствующей парой фотонно-кристаллических пластинчатых элементов в указанном оптическом волокне, а каждые пластинчатые элементы из соответствующих пар фотонно-кристаллических пластинчатых элементов образуют интерферометр Фабри-Перо (эталон).
Фотодатчик может также быть выполнен с возможностью обнаружения отраженных оптических сигналов от каждой соответствующей пары фотонно-кристаллических пластинчатых элементов в указанном оптическом волокне, при этом обрабатывающее устройство вычисляет указанную механическую деформацию, вызываемую механическими напряжениями, на каждом участке из указанного множества участков оптического волокна на основании каждого соответствующего отраженного оптического сигнала.
Генератор оптических сигналов может вырабатывать множество оптических сигналов, характерных для длин волн, причем каждый оптический сигнал, характерный для длины волны, соответствует заранее определенной соответствующей паре фотонно-кристаллических пластинчатых элементов в указанном оптическом волокне.
Оптическое волокно может также содержать центральный сердечник, окруженный оболочкой, причем каждые пластинчатые элементы из указанных по меньшей мере двух фотонно-кристаллических пластинчатых элементов расположены с возможностью обеспечения интерференции со значительной частью центрального сердечника оптического волокна.
Согласно еще одной особенности настоящего изобретения предложен фотонно-кристаллический тензодатчик, содержащий оптическое волокно, имеющее первый конец и второй конец, и по меньшей мере одну пару фотонно-кристаллических решетчатых конструкций, расположенных между участком указанного оптического волокна.
Оптическое волокно и указанный участок оптического волокна могут также быть выполнены содержащими волокно из плавленого кварца, обеспечивающее возможность связи.
Каждая решетчатая конструкция из указанной по меньшей мере одной пары фотонно-кристаллических решетчатых конструкций может также содержать множество отверстий.
Каждое отверстие из указанного множества отверстий имеет диаметр между 0,25 мкм и 1,0 мкм, а каждая решетчатая конструкция из указанной по меньшей мере одной пары фотонно-кристаллических решетчатых конструкций может быть выполнена имеющей толщину между 400 мкм и 500 мкм.
Указанная по меньшей мере одна пара фотонно-кристаллических решетчатых конструкций может образовывать интерферометр Фабри-Перо (эталон).
Оптическое волокно может также содержать центральный сердечник, окруженный оболочкой, причем указанная по меньшей мере одна пара фотонно-кристаллических решетчатых конструкций расположена с возможностью обеспечения интерференции со значительной частью центрального сердечника оптического волокна.
Множество пар фотонно-кристаллических решетчатых конструкций могут быть выполнены расположенными между соответствующими участками оптического волокна.
Согласно еще одной особенности настоящего изобретения предложен способ изготовления волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика, включающий этапы, на которых берут первое оптическое волокно из плавленого кварца, обеспечивающее возможность связи, имеющее первый конец, соединяют первую фотонно-кристаллическую решетчатую конструкцию, включающую в себя множество отверстий, имеющих диаметр между 0,25 мкм и 1,0 мкм, с первым концом первого оптического волокна, берут второе оптическое волокно из плавленого кварца, обеспечивающее возможность связи и имеющее первый и второй конец, соединяют первый конец или второй конец второго оптического волокна с первой фотонно-кристаллической решетчатой конструкцией, и соединяют вторую фотонно-кристаллическую решетчатую конструкцию, включающую в себя множество отверстий, имеющих диаметр между 0,25 мкм и 1,0 мкм, с указанным другим концом второго оптического волокна, причем первая и вторая фотонно-кристаллические решетчатые конструкции образуют интерферометр Фабри-Перо (эталон) в указанном оптическом волокне между первым концом и вторым концом второго оптического волокна.
Способ изготовления волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика может, кроме того, включать этапы, на которых выполняют множество интерферометров Фабри-Перо (эталон) в указанном оптическом волокне, при этом каждый включает в себя соответствующую пару фотонно-кристаллических решетчатых конструкций, разделенных участком оптического волокна.
Способ изготовления волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика, кроме того, включающий этапы, на которых настраивают первую соответствующую пару фотонно-кристаллических решетчатых конструкций, чтобы иметь возможность восприятия первого переданного оптического сигнала, имеющего первую длину световой волны, настраивают вторую соответствующую пару фотонно-кристаллических решетчатых конструкций, чтобы иметь возможность восприятия второго переданного оптического сигнала, имеющего вторую длину световой волны, и соединяют указанную первую соответствующую пару фотонно-кристаллических решетчатых конструкций и указанную вторую соответствующую пару фотонно-кристаллических решетчатых конструкций между соответствующими участками оптического волокна для образования интерферометров Фабри-Перо (эталон), настроенных на первую и вторую длину волны соответственно.
Согласно еще одной особенности настоящего изобретения предложен способ измерения деформации, вызываемой механическими напряжениями, с использованием волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика, включающий этапы, на которых берут волоконно-оптический фотонно-кристаллический тензодатчик, включающий в себя по меньшей мере одну пару фотонно-кристаллических пластинок, расположенных в указанном оптическом волокне и разделенных участком оптического волокна, прикрепляют по меньшей мере первую часть волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика к первой части поверхности, при этом первая часть волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика включает в себя первую фотонно-кристаллическую пластинку из указанной по меньшей мере одной пары фотонно-кристаллических пластинок, прикрепляют по меньшей мере вторую часть волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика ко второй части этой поверхности, при этом вторая часть волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика включает в себя вторую фотонно-кристаллическую пластинку из указанной по меньшей мере одной пары фотонно-кристаллических пластинок, передают первый оптический сигнал, имеющий первую длину волны, в первом направлении, соответствующем указанной по меньшей мере одной паре фотонно-кристаллических пластинок, принимают обратное отражение первого оптического сигнала от указанной по меньшей мере одной пары фотонно-кристаллических пластинок в направлении, противоположном первому направлению, в указанном оптическом волокне, и рассчитывают показатель измерения деформации, вызываемой механическими напряжениями, на основании отраженного первого оптического сигнала от каждой фотонно-кристаллической пластинки из указанной по меньшей мере одной пары фотонно-кристаллических пластинок.
Способ измерения деформации, вызываемой механическими напряжениями, с использованием волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика может, кроме того, включать этапы, на которых берут волоконно-оптический фотонно-кристаллический тензодатчик, включающий в себя вторую пару фотонно-кристаллических пластинок, расположенных в указанном оптическом волокне и разделенных еще одним участком оптического волокна, прикрепляют третью часть волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика к третьей части указанной поверхности, при этом третья часть волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика включает в себя первую фотонно-кристаллическую пластинку из второй пары фотонно-кристаллических пластинок, прикрепляют по меньшей мере четвертую часть волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика к четвертой части этой поверхности, при этом четвертая часть волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика включает в себя вторую фотонно-кристаллическую пластинку из второй пары фотонно-кристаллических пластинок, передают второй оптический сигнал, имеющий вторую длину волны, в первом направлении, соответствующем второй паре фотонно-кристаллических пластинок, принимают обратное отражение второго оптического сигнала от указанной второй пары фотонно-кристаллических пластинок в направлении, противоположном указанному первому направлению, в указанном оптическом волокне, и рассчитывают второй показатель измерения деформации, вызываемой механическими напряжениями, на основании отраженного второго оптического сигнала от каждой фотонно-кристаллической пластинки из указанной второй пары фотонно-кристаллических пластинок.
Раскрытые признаки, функции и преимущества могут быть достигнуты независимо в различных вариантах осуществления настоящего изобретения или могут быть объединены в других вариантах его осуществления, подробно раскрытых со ссылкой на последующее описание и чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Варианты осуществления изобретения, представленные здесь, станут более понятными из последующего подробного описания и прилагаемых чертежей, на которых:
на ФИГ.1 схематически показана волоконно-оптическая система на основе тензодатчиков;
на ФИГ.2 показано перспективное покомпонентное изображение волоконно-оптической системы на основе тензодатчиков согласно ФИГ.1;
на ФИГ.3 показано перспективное изображение волоконно-оптического тензодатчика по ФИГ.2 в собранном виде;
на ФИГ.4 показано перспективное изображение спереди фотонно-кристаллического пластинчатого элемента и соответствующий частичный вид сзади раскрываемого фотонно-кристаллического пластинчатого элемента;
на ФИГ.5 показана логическая блок-схема способа изготовления волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика согласно ФИГ.1-4;
на ФИГ.6 показана логическая блок-схема способа использования волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика согласно ФИГ.1-4 и
на ФИГ.7 показана логическая блок-схема способа использования волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика согласно ФИГ.1-4 и 6.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Нижеследующий раздел "Раскрытие изобретения" имеет иллюстративный характер и не предназначен для ограничения раскрытия или применения и использований вариантов осуществления настоящего изобретения. Описания конкретных устройств, способов и решения задач предоставлены только в качестве примеров. Изменения в примерах, описанных здесь, будут очевидны для специалиста в данной области техники, и общие принципы, определенные здесь, могут быть применены к другим примерам и задачам без отхода от сущности и объема настоящего раскрытия. Кроме того, не предполагается никакой связи с какой-либо выраженной или подразумеваемой теорией, изложенной в предыдущих разделах описания "Область техники", "Уровень техники", "Раскрытие изобретения" или в последующем разделе "Осуществление изобретения". Настоящее изобретение должно рассматриваться как имеющее объем согласно формуле изобретения, а не как ограниченное примерами, описанными и показанными в данном документе.
Датчик, раскрытый в настоящем документе, основан на использовании фотонных кристаллов (PC), выполненных так, что из них созданы интерферометры Фабри-Перо. Комбинирование материалов фотонных кристаллов в этой конфигурации обеспечивает взаимодействие датчиков на одном и том же оптическом волокне с использованием различных длин волн света, возможность использования "неупорядоченных" источников света, таких как светоизлучающий диод, вместо более дорогих источников света на основе лазера и возможность восприятия в точке, заданной очень точно, в отличие от восприятия в протяженных отрезках волокна.
На ФИГ.1 схематически показана волоконно-оптическая система на основе тензодатчиков, при этом к поверхности 10, для которой необходимо произвести измерение значения деформации, вызываемой механическими напряжениями, механически прикреплено оптическое волокно 20. Показана последовательность пар фотонно-кристаллических пластинчатых элементов 30А-30Е, которые расположены в оптическом волокне 20 и разделены его соответствующими участками 22A-22D. Каждая пара фотонных пластинчатых элементов 30А-30Е разделена отрезком оптического волокна длиной "L", т.е. фотонные пластинчатые элементы 30А и 30В разделены участком 22А оптического волокна, имеющего длину L1; фотонные пластинчатые элементы 30В и 30С разделены участком 22В оптического волокна, имеющего длину L2; фотонные пластинчатые элементы 30С и 30D разделены участком 22С оптического волокна, имеющего длину L3 и фотонные пластинчатые элементы 30D и 30Е разделены участком 22D оптического волокна, имеющего длину L4. Фотонный пластинчатый элемент 30Е может быть расположен у конца оптического волокна или может иметь дополнительный участок оптического волокна, соединенный с ним. Фотонные пластинчатые элементы 30А-30Е могут быть физически прикреплены к поверхности 10 любого объекта, для которого необходимо произвести измерение деформации, вызываемой механическими напряжениями, между по меньшей мере двумя фотонными пластинчатыми элементами.
Оптическое волокно 20 выполнено с возможностью переноса света к фотонным кристаллам 30А-30Е и от них. Оптическое волокно 20 имеет оптический сердечник 24, защищенный от влажности, деформирования и т.п. волоконным покрытием или оболочкой 26, (см. ФИГ.2). По меньшей мере один генератор 40 оптических сигналов, такой как когерентный источник света, соединен с первым концом оптического волокна 20 посредством межсоединительного элемента 42 для обеспечения оптической передачи и отправки когерентного светового луча через указанное оптическое волокно 20 к фотонным кристаллам 30А-30Е. Выполнение генератора 40 оптических сигналов не ограничено когерентным источником света и может быть реализовано, например, но без ограничения, полукогерентным источником света, некогерентным источником света и т.п. Генератор 40 оптических сигналов может быть выполнен включающим в себя лазер или другие источники света, которые могут быть выполнены с возможностью выпуска сигналов, менее строго настроенных по длине световой волны, например светоизлучающий диод (LED).
Фотодатчик 50 соединен с первым концом оптического волокна 20 для приема отраженных оптических сигналов от фотонно-кристаллических пластинчатых элементов 30А-30Е, переданных в противоположном направлении оптических сигналов, переданных генератором 40 оптических сигналов. Свет удерживается в оптическом сердечнике 24 оптического волокна 20 внутренним отражением, заставляющим оптическое волокно 20 функционировать в качестве волновода. Кроме того, обрабатывающее устройство 60 принимает выходные сигналы от фотодатчика 50 и выполнено с возможностью вычисления механической деформации, вызываемой механическими напряжениями, между соответствующими парами фотонно-кристаллических пластинчатых элементов 30А-30Е вдоль отрезков длиной L1-L4, соответственно, оптического волокна 20. Кроме того, генератор 40 оптических сигналов и фотодатчик 50 могут быть выполнены в виде одного блока, в котором происходит как передача оптических сигналов, так и их прием.
На ФИГ.2 показано перспективное покомпонентное изображение волоконно-оптического тензодатчика согласно ФИГ.1, в котором оптическое волокно 20, имеющее оптический сердечник 24 и волоконное покрытие или оболочку 26, включает в себя пару фотонно-кристаллических пластинчатых элементов 30А, 30В, размещенных на расстоянии длины L1 участка 22А оптического волокна. Кроме того, еще один участок 22В оптического волокна соединен с наружной поверхностью фотонно-кристаллического пластинчатого элемента 30В.
На ФИГ.3 показано перспективное изображение волоконно-оптического тензодатчика по ФИГ.2 в собранном виде, в котором передают передаточный оптический сигнал 44 от генератора 40 оптических сигналов вдоль оптического волокна 20 от генератора 40 оптических сигналов и по направлению к паре фотонно-кристаллических пластинчатых элементов 30А, 30В. Отраженный оптический сигнал может быть отражен от любого из фотонно-кристаллических пластинчатых элементов и посредством взаимодействия фотонно-кристаллических пластинчатых элементов в направлении к фотодатчику 50 и генератору 40 оптических сигналов. Например, отраженный оптический сигнал 46 может быть отражен к генератору 40 оптических сигналов и фотодатчику 50 от фотонно-кристаллического пластинчатого элемента 30А. Таким же образом, отраженный оптический сигнал 46' может быть отражен по направлению к генератору 40 оптических сигналов и фотодатчику 50 от фотонно-кристаллического пластинчатого элемента 30В посредством фотонно-кристаллического пластинчатого элемента 30А.
На ФИГ.4 показан вид спереди в перспективе представляемого фотонно-кристаллического пластинчатого элемента 30А и частичный вид сзади в перспективе 34 того же фотонно-кристаллического пластинчатого элемента 30А. Фотонно-кристаллические пластинчатые элементы 30А-30Е образованы, например, но без ограничения, из основной подложки, выполненной на основе кристалла кремния, (не показана), и включают в себя отверстия 32 в виде периодических оптических наноструктур, выполненных с возможностью оказания влияния на движение фотонов аналогично тому, как периодичность полупроводникового кристалла оказывает влияние на движение электронов. Таким образом, периодическая оптическая наноструктура фотонно-кристаллических пластинчатых элементов 30А-30Е может содержать, например, но без ограничения, решетчатую конструкцию оптических отверстий, решетчатую конструкцию маленьких сфер или бусинок и т.п.
Указанная последовательность равномерно расположенных оптических сквозных отверстий 32 является перфорацией фотонно-кристаллического пластинчатого элемента 30А, образованной вследствие процесса реактивного ионного травления (REI). Процесс реактивного ионного травления кроме того вызывает отделение отдельных фотонно-кристаллических пластинчатых элементов от основной подложки, когда по существу обширное травление, производимое в нижней части отверстий 32, приводит к удалению основной подложки, из которой сформирован фотонный кристалл 30А, благодаря чему обеспечивается возможность отделения фотонного кристалла 30А от основной подложки, выполненной на основе кристалла кремния, и образования монолитной по свое природе структуры фотонного кристалла.
Решетчатая конструкция из отверстий 32, отделенная от основной подложки, выполненной на основе кристалла кремния, образует периодическую диэлектрическую или металло-диэлектрическую наноструктуру по меньшей мере на одной поверхности фотонно-кристаллического пластинчатого элемента 30А. Пространственные характеристики и размер отверстий 32 приводит к созданию конкретной геометрической формы фотонно-кристаллической решетчатой конструкции 30А, причем диаметры отверстий 32 могут составлять, например, но без ограничения, приблизительно 0,25 мкм и приблизительно 1,0 мкм.
Отверстия 32, выполненные в виде периодической диэлектрической или металло-диэлектрической наноструктуры, оказывают влияние на распространение электромагнитных волн, передаваемых через них. Влияние на это распространение электромагнитных волн оказывается аналогично тому, как это делается периодическим потенциалом в полупроводниковом кристалле, оказывающем влияние на движение электронов посредством задания разрешенных и запрещенных электронных энергетических зон. Фотонные кристаллы могут содержать регулярно повторяющиеся внутренние области периодических структур с высокой и низкой диэлектрической постоянной. Эти периодические структуры фотонных кристаллов могут быть использованы для обеспечения оптических свойств, содержащих, например, но без ограничения, ингибирование спонтанного излучения, высоко отражательные всенаправленные зеркала, волноводы с малыми потерями и т.п. Таким образом, фотонно-кристаллический пластинчатый элемент 30А отражает оптический сигнал на соответствующей частоте.
Хотя на ФИГ.4 показана одна сторона фотонно-кристаллического пластинчатого элемента 30А, выполненная относительно плоской, и обратная сторона, имеющая углубленные участки, локализованные вокруг сквозных проемов каждого отверстия 32, фотонно-кристаллический пластинчатый элемент 30А может быть выполнен имеющим любую из этих двух конфигураций, т.е. плоско-плоскую, плоско-углубленную или углубленно-углубленную конфигурацию сторон.
Фотоны света, ведущие себя как волны, могут распространяться через выполненные периодическим структуры фотонно-кристаллических пластинчатых элементов 30А-30Е в зависимости от их длины волны. Длины волн света, который может проходить в фотонно-кристаллических пластинчатых элементах 30А-30Е, известны под названием "разрешенные моды" (allowed modes), группы разрешенных мод известны под названием "зоны" (bands), а неразрешенные зоны длин волн известны под названием "фотонные запрещенные энергетические зоны или щели" (photonic band gaps). Для обеспечения оптических свойств, упомянутых выше, периодичность периодических структур фотонно-кристаллических пластинчатых элементов 30А-30Е должна по существу быть одинаковой по шкале длин и составлять половину длины волны электромагнитных волн. В частности, повторяющиеся области с высокой и низкой диэлектрической постоянной этой периодической структуры должны по существу составлять порядка половины длины волны электромагнитных волн. Например, повторяющиеся области с высокой и низкой диэлектрическими постоянными этой периодической структуры должны быть приблизительно от 200 нм (синий) до приблизительно 350 нм (красный) для фотонных кристаллов, работающих в видимой части электромагнитного спектра.
Интерферометр Фабри-Перо (эталон) конструктивно образован из каждой пары соседних и по существу параллельных фотонно-кристаллических пластинчатых элементов 30А-30Е. Толщина каждого пластинчатого элемента из указанных фотонно-кристаллических пластинчатых элементов 30А-30Е может составлять, например, но без ограничения, от приблизительно 400 мкм до приблизительно 500 мкм. Поскольку пары фотонно-кристаллических пластинчатых элементов 30А-30Е разделены участками 22А-22D оптического волокна, по существу небольшие изменения в отрезке между любой парой фотонных кристаллов 30А-30Е могут создавать узоры оптической интерференции, которые могут быть восприняты фотодатчиком 50 и подвергнуты вычислению посредством обрабатывающего устройства 60, чтобы произвести вычисление механической деформации, вызываемой механическими напряжениями, для каждого отрезка длиной L1-L4 оптического волокна, образованного одной парой фотонных кристаллов. Количество отраженного света зависит от расстояния L1-L4 отделения. Таким образом, пары соседних фотонных кристаллов 30А-30Е образуют интерферометр Фабри-Перо (эталон). Кроме того, один фотонный кристалл может образовывать необходимую отражательную поверхность для двух соседних интерферометров Фабри-Перо (эталон), например, фотонный кристалл 30В является частью интерферометра Фабри-Перо (эталон), образованного фотонными кристаллами 30А и 30В, которые разделены участком 22А оптического волокна на расстоянии L1, а часть интерферометра Фабри-Перо (эталон), образованного фотонными кристаллами 30В и 30С, которые разделены участком 22В оптического волокна на расстоянии L2.
В интерферометрах для интерферометрии обычно используется свет или другая форма электромагнитных волн. Интерферометрия представляет собой способ определения свойств двух волн или большего их количества посредством измерения интерференционного узора, создаваемого наложением этих двух или этого большего количества волн. В интерферометрии используется принцип наложения для комбинирования отдельных волн друг с другом, чтобы в результате этого комбинирования получить определенное свойство, которое может быть использовано для измерения первоначального состояния этих двух волн или этого большего их количества. При комбинировании двух волн, имеющих по существу равные частоты, получаемый интерференционный узор может быть определен разностью фаз между этими двумя волнами (т.е. синфазные волны вступают в конструктивную интерференцию, а несинфазные волны вступают в деструктивную интерференцию). Для определения движения или относительного смещения фотонных кристаллов 30А-30Е относительно друг друга (показано на ФИГ.1) и измерения в результате этого деформации или напряжения, вызываемой или вызываемого механическим деформированием поверхности 10, может быть использована интерференционная бахрома между двумя когерентными лучами.
В оптике интерферометр Фабри-Перо или эталон обычно выполняют из прозрачной пластины с парой отражательных поверхностей, таких как фотонные кристаллы 30 и 30В, или двумя параллельными зеркалами, обеспечивающими очень хорошее отражение. Первое из них является эталоном, а последнее является интерферометром, однако, эти термины могут быть использованы взаимозаменяемо. Спектр передачи в качестве функции длины волны показывает пики крупных передач, соответствующих резонансам эталона.
Изменение передаточной функции эталона вызывается интерференцией между многочисленными отражениями света между двумя отражающими поверхностями, такими как фотонные кристаллы 30А и 30В. Если переданные лучи являются синфазными, возникает конструктивная интерференция, которая соответствует пику высокой передачи эталона. Если переданные лучи не являются синфазными, возникает деструктивная интерференция, которая соответствует минимуму передачи. Один входящий луч когерентного света от генератора 40 оптических сигналов может быть разделен на два луча решеткой или полупрозрачным зеркалом. Каждый из двух лучей проходит по различной траектории (различному пути) до их рекомбинации перед попаданием на фотодатчик 50. Разность протяженности пути, проходимого каждым лучом, может приводить к созданию разности фаз между двумя лучами. Эта разность фаз приводит к созданию интерференционного узора между волнами двух указанных лучей. Если разделить один луч с прохождением вдоль двух путей, тогда может быть использована разность фаз для измерения какого-либо параметра, вследствие которого происходит изменение фазы вдоль этих двух путей. Например, но без ограничения, физическое изменение в длине пути, изменение показателя преломления вдоль одного пути или большего количества путей из указанных двух путей и т.п. Эти изменения обеспечивают средства для измерения значения деформирования, чтобы вычислять значение деформации, вызываемой механическими напряжениями, поверхности 10.
Возможность восприятия деформации, вызываемой механическими напряжениями, в точке, заданной очень точно между парами фотонно-кристаллических пластинчатых элементов/пластинок, в отличие от восприятия в отрезках волокна, имеющих весьма большую длину, в волоконной брэгговской решетке, обеспечивается парой фотонно-кристаллических тензодатчиков, расположенных как раз в месте, в котором производят измерение деформации, вызываемой механическими напряжениями, т.е. там, где указанный участок волокна расположен между этими фотонными кристаллами или полости Фабри-Перо. В сравнении с этим, датчики, выполненные на основе волоконных брэгговских решетках, требуют отрезков волокна, имеющих значительно большую длину, поскольку множество решеток вдоль этого отрезка волокна приводит к образованию периодичности в волокне, приводящей к отражению конкретных длин волн.
В целом, фотонно-кристаллический тензодатчик включает в себя оптическое волокно, имеющее первый конец и второй конец, и по меньшей мере одну пару фотонно-кристаллических решетчатых конструкций, расположенных между участком указанного оптического волокна. Оптическое волокно и указанный участок оптического волокна кроме того могут быть выполнены включающим в себя волокно из плавленого кварца, обеспечивающее возможность связи. Каждая конструкция из указанной по меньшей мере одной пары фотонно-кристаллических решетчатых конструкций кроме того может быть выполнена включающей в себя множество отверстий, которые могут иметь диаметр между 0,25 мкм и 1,0 мкм и толщину между 400 мкм и 500 мкм. Каждая пара фотонно-кристаллических решетчатых конструкций образует интерферометр Фабри-Перо (эталон). Оптическое волокно кроме того содержит центральный сердечник, окруженный оболочкой, причем указанная по меньшей мере одна пара фотонно-кристаллических решетчатых конструкций расположена с возможностью обеспечения интерференции со значительной частью центрального сердечника оптического волокна. Кроме того, множество пар фотонно-кристаллических решетчатых конструкций могут быть выполнены расположенными между соответствующими участками оптического волокна.
Система на основе тензодатчиков включает в себя оптическое волокно, генератор оптических сигналов, передающий оптический сигнал через указанное оптическое волокно, по меньшей мере два фотонно-кристаллических пластинчатых элемента в указанном оптическом волокне, разделенных первым участком оптического волокна, фотодатчик, обнаруживающий отраженный оптический сигнал от указанных по меньшей мере двух фотонно-кристаллических пластинчатых элементов и обрабатывающее устройство, вычисляющее механическую деформацию, вызываемую механическими напряжениями, на первом участке оптического волокна на основании отраженного оптического сигнала, обнаруженного фотодатчиком. Генератор оптических сигналов может быть выполнен включающим в себя лазер или светоизлучающий диод (LED). Фотодатчик выполнен с возможностью обнаружения отраженных оптических сигналов от каждой соответствующей пары фотонно-кристаллических пластинчатых элементов в указанном оптическом волокне, а обрабатывающее устройство выполнено с возможностью вычисления указанной механической деформации, вызываемой механическими напряжениями, на каждом участке из указанного множества участков оптического волокна на основании каждого соответствующего отраженного оптического сигнала. Генератор оптических сигналов вырабатывает множество оптических сигналов, характерных для длин волн, причем каждый оптический сигнал, характерный для длины волны, может соответствовать заранее определенной соответствующей паре фотонно-кристаллических пластинчатых элементов в указанном оптическом волокне.
На ФИГ.5 показана логическая блок-схема способа изготовления волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика согласно ФИГ.1-4, при котором берут 100 первое оптическое волокно из плавленого кварца, обеспечивающее возможность связи и имеющее первый конец. Первую фотонно-кристаллическую решетчатую конструкцию, включающую в себя множество отверстий, имеющих диаметр между 0,25 мкм и 1,0 мкм, соединяют 102 с первым концом первого оптического волокна. Берут 104 второе оптическое волокно из плавленого кварца, обеспечивающее возможность связи и имеющее первый и второй конец. Первый конец или второй конец второго оптического волокна соединяют 106 с первой фотонно-кристаллической решетчатой конструкцией, и вторую фотонно-кристаллическую решетчатую конструкцию, включающую в себя множество отверстий, имеющих диаметр между 0,25 мкм и 1,0 мкм, соединяют 108 с указанным другим дальним концом второго оптического волокна, причем первая и вторая фотонно-кристаллические решетчатые конструкции образуют 110 интерферометр Фабри-Перо (эталон) в указанном оптическом волокне между первым концом и вторым концом второго оптического волокна.
Кроме того, может быть выполнено 112 множество интерферометров Фабри-Перо (эталон) в указанном оптическом волокне, причем каждый интерферометр включает в себя соответствующую пару фотонно-кристаллических решетчатых конструкций, разделенную участком оптического волокна.
Настраивают первую соответствующую пару фотонно-кристаллических решетчатых конструкций так, чтобы иметь возможность восприятия первого переданного оптического сигнала, имеющего первую длину световой волны, и настраивают вторую соответствующую пару фотонно-кристаллических решетчатых конструкций так, чтобы иметь возможность восприятия второго переданного оптического сигнала, имеющего вторую длину световой волны. Первую и вторую соответствующие пары фотонно-кристаллических решетчатых конструкций соединяют между соответствующими участками оптического волокна для образования интерферометров Фабри-Перо (эталон), настроенных на первую и вторую длину волны соответственно.
На ФИГ.6 показана логическая блок-схема способа использования волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика, приведенного выше на ФИГ.1-4. Указанный способ включает этапы, на которых берут 200 волоконно-оптический фотонно-кристаллический тензодатчик, который включает в себя одну пару фотонно-кристаллических пластинок, расположенных в указанном оптическом волокне и разделенных участком оптического волокна. Прикрепляют 202 первую часть волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика к первой части поверхности, при этом первая часть волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика включает в себя первую фотонно-кристаллическую пластинку из указанной одной пары фотонно-кристаллических пластинок. Прикрепляют 204 вторую часть волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика ко второй части этой поверхности, при этом вторая часть волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика включает в себя вторую фотонно-кристаллическую пластинку из указанной одной пары фотонно-кристаллических пластинок.
Передают 206 первый оптический сигнал, имеющий первую длину волны, в первом направлении, соответствующем указанной одной паре фотонно-кристаллических пластинок. Затем принимают 208 указанный первый оптический сигнал, отраженный от указанной одной пары фотонно-кристаллических пластинок в направлении, противоположном первому направлению, в указанном оптическом волокне. После этого производят расчет показателя измерения деформации, вызываемой механическими напряжениями, 210 на основании отраженного первого оптического сигнала от каждой фотонно-кристаллической пластинки из указанной одной пары фотонно-кристаллических пластинок.
На ФИГ.7 показана логическая блок-схема способа использования волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика, приведенного выше на ФИГ.1-4 и 6, причем расчет второго показателя измерения деформации, вызываемой механическими напряжениями, может быть произведен с использованием того же самого фотонно-кристаллического тензодатчика посредством того, что берут 300 указанный волоконно-оптический фотонно-кристаллический тензодатчик, включающий в себя вторую пару фотонно-кристаллических пластинок, расположенных в указанном оптическом волокне и разделенных еще одним участком оптического волокна. Прикрепляют 302 третью часть волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика к третьей части указанной поверхности, при этом третья часть волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика включает в себя первую фотонно-кристаллическую пластинку из второй пары фотонно-кристаллических пластинок. Прикрепляют 304 четвертую часть волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика к четвертой части этой поверхности, при этом четвертая часть волоконно-оптического фотонно-кристаллического тензодатчика включает в себя вторую фотонно-кристаллическую пластинку из второй пары фотонно-кристаллических пластинок.
Передают 306 второй оптический сигнал, имеющий вторую длину волны, в первом направлении, соответствующем второй паре фотонно-кристаллических пластинок. Принимают 308 указанный второй оптический сигнал, отраженный от указанной второй пары фотонно-кристаллических пластинок в направлении, противоположном указанному первому направлению, в указанном оптическом волокне. Затем производят расчет 310 показателя измерения деформации, вызываемой механическими напряжениями, на основании отраженного второго оптического сигнала от каждой фотонно-кристаллической пластинки из указанной второй пары фотонно-кристаллических пластинок.
Раскрытое выше обеспечивает возможность создания волоконно-оптического тензометрического датчика, имеющего конструкцию, эквивалентную конструкциям типа волоконных брэгговских решеток, но имеющий преимущества, обеспечиваемые использованием фотонно-кристаллических отражателей с возможностью выбора длины волны, работы с лазерными источниками или без них и взаимодействия с другими фотонно-кристаллическими датчиками на одном и том же оптическом волокне. Более конкретно, использование фотонных кристаллов, выполненных так, что из них созданы интерферометры Фабри-Перо, обеспечивает взаимодействие множества датчиков на одном и том же оптическом волокне с использованием различных длин волн света, возможность использования "неупорядоченных" источников света, таких как светоизлучающий диод, вместо более дорогих источников света на основе лазера и возможность восприятия в точке, заданной очень точно, в отличие от восприятия в протяженных отрезках волокна. Эта система обеспечивает возможность покрытия сетевыми датчиками больших площадей для решения нескольких задач и позволяет упростить разработку таких систем, обеспечивая при этом многие из тех же преимуществ, как и более сложные конструкции.
Описанное выше приведено только в качестве иллюстрации и не должно быть истолковано в качестве ограничения объекта изобретения. В раскрытом в настоящем документе техническом решении могут быть выполнены различные модификации и изменения, отличающиеся от проиллюстрированных и описанных примеров реализации изобретения и от решаемых ими задач, но выполненные без отхода от сущности и объема настоящего изобретения, который изложен в следующей формуле изобретения.