ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЕФОРМАЦИИ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к основным компонентам оптических датчиков, устройств и измерительных систем, предназначенных для преобразования физических величин.
Известен волоконно-оптический преобразователь деформации, содержащий, по крайней мере, одну волоконную решетку Брэгга, в котором оптическое волокно закреплено на упругом элементе в виде пластинки из монокристалла сапфира, или кремния, или кварца. Патент Российской Федерации на полезную модель №135119, МПК: G01D 5/353, 2013 г., аналог.
Недостатком аналога является сложность изготовления преобразователя деформации. В местах расположения измерительных волоконных решеток Брэгга, оптическое волокно, с целью соответствия коэффициентов температурного расширения соединяемых элементов, должно быть закреплено на упругой пластинке посредством стеклокристаллического материала (стеклоприпоя). Технология закрепления волоконных решеток Брэгга на неметаллических подложках, с использованием стеклокристаллических материалов, имеет трудности в реализации техпроцесса. Ввиду значительной усадки стеклокристаллического материала после его остывания из расплавленного состояния, требуется осуществление предварительных технологических натяжений оптического волокна с решеткой Брэгга (перед его закреплением на упругом элементе). Величина такого натяжения, ввиду малого диапазона допустимых рабочих деформаций волоконной решетки Брэгга, должна тщательно контролироваться, и зависеть от количества используемого стеклокристаллического материала, его физических свойств, структуры и площади закрепления.
Известен радиационно-стойкий преобразователь деформации, содержащий упругую пластину, выполненную в виде четырехслойного компонента, в основании которого находится кремниевая подложка, а последующие слои - нижний изолирующий слой, фоточувствительный слой и верхний изолирующий слой, представляют собой диоксид кремния, в фоточувствительном слое сформирован волновод с чувствительным элементом в виде решетки Брэгга, при этом фоточувствительный слой легирован азотом. Патент Российской Федерации на полезную модель №149551, МПК: G01D 5/353, 2015 г., прототип.
Недостатком прототипа является невозможность эффективного использования устройства при повышенных температурах. Температурные ограничения на использование преобразователя связаны с наличием фоточувствительного слоя, в котором сформирован волновод с чувствительным элементом в виде решетки Брэгга, так как при повышении температур усиливается естественная температурная эмиссия ионов легирующего фотосенсибилизирующего элемента (в данном случае азота), добавляемого в оптические материалы с целью обеспечения определенных фоточувствительных свойств. Это приводит к ухудшению прозрачности и значительному ослаблению оптического сигнала.
Полезная модель устраняет указанный недостаток.
Решетка Брэгга представляет собой периодическую структуру среды распространения излучения, обладающую определенными спектральными свойствами, которую формируют внутри волновода посредством лазерного облучения в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне длин волн. При этом используется свойство фоточувствительности материала волновода к интенсивному когерентному УФ излучению (см, например, "Спектральная зависимость фоторефрактивного эффекта в кварцевом стекле, легированном азотом", О.В. Бутов, К.М. Голант, А.Л. Томашук, "Квантовая электроника", 30, №6). Для оптических волокон такая фоточувствительность материала достигается за счет легирования кварцевой основы волновода (сердцевина оптоволокна) различными химическими элементами-модификаторами (см, например, "Энциклопедия физики и техники", http://femto.com.ua/articles/part_2/3879.html). В соответствии с этим, оптическое волокно, в котором формируют решетку Брэгга в зарубежных публикациях часто описывают выражением "photosensitive fibre" (см., например, "Fiber Bragg Grating Sensors: Recent Advancements, Industrial Applications and Market Exploitation", Andrea Cusano, Antonello Cutolo and Jacques Albert (Eds), 2011 Bentham Science Publishers Ltd.).
Поскольку решетка Брэгга, сформированная в волноводе, является спектральным элементом для излучения, распространяющегося внутри волновода, материал среды распространения излучения должен быть оптически прозрачным (в отличие от устройств, например, с плазмонными волноводами, где оптическое излучение распространяется вдоль тонкой металлической поверхности, нанесенной на диэлектрической подложке, т.е. с волноводами из оптически-непрозрачных материалов, см., например, стр. 32 "Материалы и технологии интегральной оптики", А.И. Сидоров, Н.В. Никоноров, Учебное пособие, курс лекций. СПб: СПбГУ ИТМО, 2009 г.).
Создание брэгговского преобразователя деформации на основе оптически-прозрачной пластины (возможно, как прямоугольной формы, так и в виде круглого диска-мембраны), представляет особый интерес, ввиду конструктивной простоты и удобства применения в датчиках и устройствах измерений. Однако, как было отмечено, для фоточувствительного материала имеют место температурные ограничения, поскольку влияние температуры на фотосенсибилизацию (фоточувствительность материалов) широко известно (см., например, Р. Зурман, Бреслау "О внешнем фотоэффекте на адсорбированных пленках", успехи физических наук, T. XVI, вып. 2, 1936 г.).
Задачей полезной модели является создание оптического преобразователя деформации, эффективно функционирующего в условиях повышенных температур.
Вышеописанный метод создания периодической структуры показателя преломления в виде решетки Брэгга, требующий предварительного введения (посредством легирования) фотосенсибилизирующих элементов-модификаторов в оптически-прозрачный материал волновода является наиболее распространенным и широко известным (см., например, "Волоконная брэгговская решетка - Концепт Технологии", http://archive.c-tt.ru/content/?fl=486&sn=332). Однако, для нефоточувствительных волноводов такой метод создания решетки Брэгга неэффективен.
В настоящее время известны технологии модификации структуры оптически-прозрачных материалов внутри их объема с использованием фемтосекундных лазерных импульсов высокой интенсивности. Ультракороткие световые импульсы длительностью от 10 фс до 10 пс воздействуя на оптически-прозрачные материалы, производят точечное изменение структуры материала в его объеме. Ввиду очень короткой длительности, в каждом из таких импульсов содержится высокая интенсивность излучения. Микрообработка материала внутри его объема (т.е. модификация структуры материала) не требует введения в него фотосенсибилизирующих добавок и потому широко используется в настоящее время при маркировке драгоценных камней (Сборник трудов VIII Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-2013» и семинаров «Терагерцовая оптика и спектроскопия», «Оптические метаматериалы, фотонные кристаллы и наноструктуры». Санкт-Петербург. 14-18 октября 2013 / Под ред. проф. В.Г. Беспалова, проф. С.А. Козлова. - СПб: НИУИТМО, 2013). Действие лазерного излучения производит необратимое изменение показателя преломления оптически-прозрачного материала (J. Qiu, K. Miura, K. Hirao Femtosecond laser-induced microfeatures in glasses and their applications // J. Non-cryst. Sol., 2008, Vol. 345). Известно, что волновод и решетка Брэгга представляют собой оптически-прозрачную среду с характерными спектральными свойствами за счет показателя преломления. При этом, с целью обеспечения прохождения излучения в волноводе (по закону полного внутреннего отражения) показатель преломления волновода должен быть выше показателя преломления наружного изолирующего слоя. Используя технологию точечной фемтосекундной лазерной микрообработки оптических материалов для изменения показателя преломления в требуемых зонах оптической среды возможно создание волновода с решеткой Брэгга в нефоточувствительных оптически-прозрачных средах (т.е. средах, не подверженных влиянию температуры на оптическое пропускание), выполненных, например, на основе кварца. Объем материала такой оптически-прозрачной нефоточувствительной среды, не подверженный модификации показателя преломления выполняет роль изолятора для области модифицированного материала, являющегося волноводом с решеткой Брэгга. Для создания оптического преобразователя деформации могут быть использованы и многослойные структуры из различных материалов или их комбинаций, имеющих необходимые физико-химические свойства. Аналогично изготовлению оптического преобразователя деформации из одного материала, у таких многослойных структур и материал волновода и изолирующий (внешний) слой, не требующие наличия в своем составе фотосенсибилизирующих химических элементов-модификаторов, представляют собой оптически-прозрачные нефоточувствительные материалы.
Поскольку направленное распространение излучения в оптически-прозрачной среде подразумевает наличие волновода и его оболочки (изолятора), то, в общем виде, использование нефоточувствительных материалов в полезной модели описано применительно к волноводу и его изолятору (несмотря на то, что, как отмечалось ранее, волновод и изолятор волновода могут быть выполнены в одном материале).
Таким образом, задача создания оптического преобразователя деформаций для высокоточных измерителей и датчиков физических величин, предназначенных для работы в условиях повышенных температур может быть решена посредством предлагаемой полезной модели.
Техническим результатом является расширение области применения за счет использования полезной модели в условиях повышенных температур.
Технический результат достигается тем, что оптический преобразователь деформации содержит упругую пластину, выполненную в виде изолятора волновода и волновода, в котором сформирован чувствительный элемент в виде решетки Брэгга, волновод и изолятор волновода выполнены из оптически-прозрачных нефоточувствительных материалов.
Сущность полезной модели поясняется на фигурах 1-2.
На фиг. 1 показан оптический преобразователь деформации, где: 1 - упругая пластина, 2 - чувствительный элемент в виде решетки Брэгга, 3 - опорный элемент.
На фиг. 2 представлен разрез А-А упругой пластины 1, включающей изолятор волновода 4 и волновод 5.
Оптический преобразователь деформаций содержит упругую пластину 1, выполненную в виде изолятора волновода 4 и волновода 5. Изолятор волновода 4 представляет собой, например, кварц (диоксид кремния), который служит оболочкой для волновода 5, выполненного, например, из сапфира. И изолятор волновода 4, и волновод 5 выполнены из оптически-прозрачных нефоточувствительных материалов. Функция преобразования деформации, под действием силы F (фиг. 1), обеспечена тем, что в зоне воздействия деформирующей силы, упругая пластина 1 содержит чувствительный элемент 2 в виде решетки Брэгга. Решетка Брэгга сформирована технологией точечной микрообработки материала волновода 4 (внутри его объема) с использованием фемтосекундных световых импульсов сфокусированного лазерного излучения и представляет собой периодическую модифицированную структуру материала волновода 4. Концы упругой пластины 1 закреплены в опорном элементе 3.
При деформациях упругой пластины 1 происходит изменение геометрических параметров решетки Брэгга, сформированной в волноводе 5, что обеспечивает изменение спектра излучения, проходящего через волновод 5 (излучатель и приемник излучения на фигурах не показаны). Геометрические параметры решетки Брэгга выбирают в зависимости от свойств материала и конструктивных размеров волновода, а также, используемой (в оптическом преобразователе деформации) длины волны излучения.
Волновод 5 может быть изготовлен из кварцевого материала (как, например, и изолятор волновода 4), но с большим, чем у изолятора волновода, значением показателя преломления. Это условие позволяет обеспечить прохождение оптического сигнала внутри упругой пластины 1 за счет эффекта полного внутреннего отражения.
Волновод 5 и изолятор волновода 4 могут быть изготовлены, например, технологией фотолитографии с последующим травлением, и гидролизного осаждения кварцевого материала.
Оптический преобразователь деформации работает следующим образом.
Действие внешней силы F вызывает малые деформации упругой пластины 1 в зоне расположения чувствительного элемента 2. Деформации чувствительного элемента 2 сопровождаются изменением геометрических параметров решетки Брэгга и, таким образом, изменением спектральных свойств излучения, прошедшего через волновод 5 от излучателя к приемнику излучения (излучатель и приемник излучения на фигурах не показаны). Обработку оптического сигнала осуществляют в приемнике излучения.
Ввиду использования внутриволноводного распространения излучения, достигается улучшение показателей надежности преобразователя, т.к. и сам чувствительный элемент в виде решетки Брэгга и среда распространения оптического сигнала находятся внутри объема упругой пластины, не подвергаясь негативным механическим и химическим внешним воздействиям. Для обеспечения такого распространения излучения в полезной модели использованы оптически-прозрачные материалы волновода и изолятора волновода.
Отсутствие адгезионных (клеевых, паяных, стеклообразных) закрепляющих материалов в зоне расположения чувствительного элемента 2, позволяет использовать полезную модель в условиях высоких температурных воздействий (эффекты нелинейности преобразования и гистерезиса минимальны) за счет формирования чувствительного элемента 2 в материале волновода 5, внутри объема упругой пластины 1. При этом не происходит снижение точности измерения.
Использование нефоточувствительных материалов волновода и изолятора волновода исключает ухудшение светопропускания оптического излучения при значительных температурных воздействиях на упругую пластину (т.е. отсутствует присущая фоточувствительным материалам естественная температурная эмиссия ионов легирующего фотосенсибилизирующего элемента/элементов, добавляемого в оптические материалы с целью обеспечения определенных фоточувствительных свойств).