ОПТИЧЕСКИЙ НАНОАКСЕЛЕРОМЕТР
OPTICAL NANOACCELEROMETRE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при решении задач навигации, управления, гравиметрии.
Известны маятниковые акселерометры, предназначенные для измерения кажущегося ускорения, содержащие маятник (чувствительный элемент) и цепь обратной связи (датчик положения, усилитель, исполнительный элемент) [Командно-измерительные приборы /Под ред. Назарова Б.И. - М.: МО СССР, 1975].
Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический акселерометр [Патент №2156979, РФ, Соколов СВ. и др.], содержащий источник излучения, два световода (оптических ответвления), оптический объединитель, кольцевой оптический волновод.
Недостатком данных устройств является сложность и невозможность наноразмерного исполнения.
Заявленное устройство направлено на упрощение решение задачи измерения кажущегося ускорения и решение задачи наноразмерного исполнения устройства.
Поставленная задача возникает при разработке и создании навигационных систем, обеспечивающих обработку информации в тера- и гигагерцовом диапазонах, а также при измерении ускорения во время различных виброиспытаний и гравиметрических исследований.
Заявленное устройство строится на основе оптических нановолокон, варианты технического исполнения которых описаны в [Оптика наноструктур / Под редакцией А.В.Федорова: СПб. «Недра», 2005 г.; Krenn J.R., Dereux A., Weeber J.C., et al. Squeezing the optical near-field zone by plasmon coupling of metal nanoparticles. Physical Review Letters, 1999, 82, 12, 2590], и телескопических нанотрубок, под которыми понимается пара вложенных одна в другую нанотрубок [Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators / Quanshui Zheng, Qing Jiang // Phys. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002].
Сущность изобретения состоит в том, что оптический наноакселерометр, содержащий источник излучения, отличается тем, что в него введены источник постоянного оптического сигнала, два оптических нановолоконных N-выходных разветвителя, два выходных оптических нановолоконных Y-разветвителя, два оптических N-входных нановолоконных объединителя обратной связи, две телескопические нанотрубки - внутреннюю и внешнюю, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного Y-разветвителя, первый выход которого подключен к входу первого оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя, а второй выход подключен к входу второго оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя, выходы первого оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя оптически связаны со входами первого оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи, а выходы второго оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя оптически связаны со входами второго оптического N-входного нановолоконного объединителя обратной связи, телескопические нанотрубки расположены между вторыми выходами первого и второго выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей по оси распространения их выходных оптических сигналов, в среднем (исходном) положении внутренняя нанотрубка разрывает оптические связи между выходами первого N-выходного оптического нановолоконного разветвителя и входами первого N-входного оптического нановолоконного объединителя обратной связи, а также оптические связи между выходами второго N-выходного оптического нановолоконного разветвителя и входами второго N-входного оптического нановолоконного объединителя обратной связи, выход первого оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи подключен ко входу первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя, а выход второго оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи подключен ко входу второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя, первый выход первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя является выходом устройства «А-», а первый выход второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя является выходом устройства «А+».
На чертеже представлена функциональная схема оптического наноакселерометра.
1
i, i=2,3
i
i=1,2
i
i=1,2
1
2
i
i=1,2
Устройство состоит из источника постоянного оптического сигнала 1, оптического нановолоконного Y-разветвителя 2, двух выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей 2, двух оптических нановолоконных N-выходных разветвителей 3, , двух телескопических нанотрубок 4, , (4 - внутренняя нанотрубка, 4 - внешняя нанотрубка), двух оптических N-входных нановолоконных объединителей обратной связи 5, .
2
3
Выходами устройства являются первый выход первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2 («А-») и первый выход второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2 («А+»).
1
1
2
1
1
2
2
Выход источника постоянного оптического сигнала 1 подключен ко входу оптического нановолоконного Y-разветвителя 2, первый выход которого подключен к входу первого оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя 3, а второй выход подключен к входу второго оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя 3. Выходы первого оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя 3 оптически связаны со входами первого оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи 5, а выходы второго оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя 3 оптически связаны со входами второго оптического N-входного нановолоконного объединителя обратной связи 5.
1
2
2
3
Телескопические нанотрубки 4, 4 расположены между вторыми выходами первого и второго выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей 2 и 2 по оси распространения их выходных оптических сигналов.
1
1
1
2
2
В среднем (исходном) положении внутренняя нанотрубка 4 разрывает оптические связи между выходами первого N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 3 и входами первого N-входного оптического нановолоконного объединителя обратной связи 5, а также оптические связи между выходами второго N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 3 и входами второго N-входного оптического нановолоконного объединителя обратной связи 5.
1
2
2
3
Выход первого оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи 5 подключен ко входу первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2, а выход второго оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи 5 подключен ко входу второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2.
Устройство работает следующим образом.
1
1
2
1
2
С выхода источника постоянного оптического сигнала 1 сигнал с интенсивностью 2·К усл.ед., пройдя через оптический нановолоконный Y-разветвитель 2 (и уменьшившись в два раза по интенсивности), поступает на входы N-выходных оптических нановолоконных разветвителей 3 и 3, с каждого выхода которых снимается постоянный оптический сигнал с интенсивностью K/N усл.ед. (N - количество выходов N-выходных оптических нановолоконных разветвителей 3 и 3).
1
1
2
При отсутствии ускорения устройство находится в исходном (начальном) состоянии - внутренняя нанотрубка 4 находится в среднем (исходном) положении, на входах N-входных оптических нановолоконных объединителей обратной связи 5, 5 сигнал отсутствует.
1
-15
-16
2
Под действием сил инерции внутренняя трубка 4 будет перемещаться в направлении, противоположном направлению кажущегося ускорения объекта (при этом необходимо иметь в виду, что минимально необходимая сила для перемещения нанотрубки, вес которой равен ≈10-10 г, составляет аттоньютоны [Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators / Quanshui Zheng, Qing Jiang // Phys. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002]), следовательно, минимальное ускорение объекта, необходимое для перемещения нанотрубки (нижняя граница диапазона измерения ускорений), составляет ≈1 м/с).
1
u
oc
oc
3
oc
oc
Пусть ускорение объекта направлено вдоль оси ОХ, тогда на внутреннюю нанотрубку 4 будет действовать разность сил - силы инерции F=-mW (m - масса нанотрубки, W - проекция кажущегося ускорения на ось ОХ) и силы светового давления F (см. фиг.1), создаваемой оптическим потоком обратной связи и пропорциональной интенсивности оптического потока I на втором выходе второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2: F=Z I, где Z - коэффициент пропорциональности.
1
Внутренняя нанотрубка 4 из среднего положения начнет перемещаться влево
u
oc
oc
2
1
1
2
1
ос
3
1
3
1
(F≥F), интенсивность оптического потока I на выходе второго N-входного оптического нановолоконного объединителя обратной связи 5 начнет увеличиваться пропорционально величине перемещения «X» внутренней нанотрубки 4. Т.к. длины правой и левой частей внутренней нанотрубки 4 составляют единицы микрон, а диаметр оптических нановолокон нановолоконного объединителя - единицы нанометров, то изменение величины перемещения «X» для ясности последующего изложения можно считать непрерывным (дискретный характер изменения «X» не вносит никаких принципиальных ограничений в принцип действия устройства) - интенсивность оптического потока на выходе второго N-входного оптического нановолоконного объединителя обратной связи 5 будет равна «К·Х» (при этом интенсивность оптического потока на выходе первого оптического нановолоконного объединителя обратной связи 5 по-прежнему будет равна нулю). Оптический сигнал с интенсивностью I=К·Х поступает далее на вход второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2, где, разделившись на два, проходит на выход устройства «А+», а также создает давление на внутреннюю нанотрубку 4. Т.е. оптический сигнал с интенсивностью «К·Х/2» на втором выходе оптического нановолоконного Y-разветвителя 2 формирует сигнал отрицательной обратной связи, препятствующий движению внутренней нанотрубки 4 влево, - скорость ее движения уменьшается, изменение величины перемещения «X» замедляется.
1
u
oc
По окончании переходного процесса (на момент остановки внутренней нанотрубки 4, при этом F=F) величина перемещения «X» будет равна
X=2Wm/(KZ)
вых
3
а интенсивность выходного оптического сигнала наноакселерометра I на первом выходе оптического нановолоконного Y-разветвителя 2 «А+», соответственно
выx
I=W(m/Z),
т.е. будет пропорциональна проекции кажущегося ускорения W на ось ОХ с коэффициентом m/Z.
1
-9
-10
(Время переходного процесса определяется массой внутренней нанотрубки 4, силой трения при ее движении, интенсивностью «К» постоянного оптического сигнала, и составляет ≈10-10 с).
1
Аналогично происходит процесс измерения ускорения в отрицательном направлении оси ОХ (движение внутренней нанотрубки 4 при этом происходит уже вправо).
2
6
2
7
Простота данного оптического наноакселерометра, широкий диапазон измерения ускорений - от 1 м/с до 10 м/с (что определяется возможностью осцилляции внутренней нанотрубки с частотой 10 Гц [Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators / Quanshui Zheng, Qing Jiang // Phys. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002]), а также возможность наноразмерного исполнения делают его весьма перспективным при разработке и создании навигационных систем, а также аппаратуры для виброиспытаний и гравиметрических исследований.