CC BY
42
УДК 621.383.8
В.Н. Федоринин, А.Г. Паулиш
НФ ИФП СО РАН «КТИПМ», Новосибирск
ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
В работе представлены результаты разработок поляризационно-оптических устройств для измерения физических величин, таких как интенсивность электромагнитного излучения с пространственным разрешением, спектра акустических колебаний, величины перемещения, типов и кинетики химических реакций.
V.N. Fedorinin, A.G. Paulish
Novosibirsk Branch of the Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, “Technological Design Institute of Applied Microelectronics”, Novosibirsk
POLARIZATION-OPTICAL DEVICES FOR THE MEASUREMENTS OF PHYSICAL MAGNITUDES
The development of optoelectronic devices for measurement of physical magnitudes, such as electromagnetic radiation intensity with spatial resolution, acoustic signal spectrum, magnitudes of displacement, chemical reaction types and kinetics are presented.
В работе представлены результаты разработок поляризационно-оптических устройств для измерения физических величин, таких как интенсивность электромагнитного излучения с пространственным разрешением, спектр акустических колебаний, величина перемещения, тип и кинетика химических реакций.
Принцип работы указанных поляризационно-оптических устройств основан на способности света изменять состояние поляризации при взаимодействии с физическим объектом при изменении механических и химических свойств последнего. Детектор электромагнитного излучения основан на матрице термопневматических преобразователей, в которых энергия излучения преобразуется в деформацию упругой мембраны. Деформация мембраны регистрируется поляризационно-оптическим способом с использованием пластины Савара, светодиода видимого диапазона и КМОП-камеры. Чувствительность оптической схемы к перемещению мембраны составляет менее 1 нм. На основе такой матрицы разработан неохлаждаемый детектор инфракрапсного излучения (рис. 1).
Оптическая система считывания использована для анализа спектра акустических колебаний. Анализатор состоит из набора микрострун разной длины и диаметра с различной резонансной частотой в диапазоне 0,1 - 20 кГц. Ширина резонансной линии составляет 5 Гц, что близко к разрешающей способности человеческого уха. Разработаны оптическая схема считывания амплитуды колебаний микрострун на основе КМОП-камеры и методика определения спектра акустических колебаний.
Фотоупругий эффект использован для разработки высокочувствительных тензометрических датчиков и датчиков линейных перемещений (рис. 2). Такие датчики используются для измерений статических и динамических нагрузок в различных металлических и железобетонных конструкциях. Определение деформаций в горных породах в трех направлениях посредством поляризационно-чувствительных датчиков, сдвинутых относительно друг друга на 120°, позволят проводить непрерывный контроль формы и напряжений в горных породах, несущих конструкциях при взрывных работах, землетрясениях и опасных техногенных работах.
Рис. 1. Неохлаждаемый детектор инфракрасного излучения на основе термопневматических преобразователей (слева) и изображение объекта,
нагретого до 200 °С (справа)
Рис. 2. Восьмиканальная тензометричесая станция с поляризационнооптическими датчиками напряжений различных конструкций
Свойство электромагнитной волны изменять состояние поляризации при отражении от границы раздела двух сред было использовано для разработки датчиков физико-химических параметров жидких, газовых и биологических сред. Разработаны конструкции портативных поляризационно-оптических
рефрактометров и газовых сенсоров (рис. 3). На базе поляризационного датчика создан ДНК-сенсор для анализа вирусов опасных заболеваний (рис. 4).
Рис. 3. Поляризационно-оптические рефрактометры: проточный (слева) и
контактный (справа)
Рис. 4. ДНК-сенсор (слева) и схема ДНК чипа с пробами для анализа (справа)
Главные преимущества указанных поляризационно-оптических датчиков заключается в использовании некогерентного источника света (светодиода) и отсутствии необходимости разработки специализированных мультиплексных систем считывания, так как для передачи света не требуются провода. В результате, устройства являются компактными, недорогими, с малым энергопотреблением и построены на едином принципе.
© В.Н. Федоринин, А.Г. Паулиш, 2010
