Распределение светового потока в оптической системе с границей раздела сред с разными коэффициентами преломления. Результаты машинного эксперимента Текст научной статьи по специальности «Физика»

Серебряков Д.И. , Кривулин Н.П. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СВЕТОВОГО ПОТОКА В ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ С ГРАНИЦЕЙ РАЗДЕЛА СРЕД С РАЗНЫМИ КОЭФФИЦИЕНТАМИ ПРЕЛОМЛЕНИЯ. РЕЗУЛЬТАТЫ МАШИННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

При финансовой поддержке в форме гранта Министерства образования и науки РФ

Проведен анализ результатов машинного эксперимента распределения светового потока в пространстве волоконно-оптического преобразователя (ВОП) уровня жидкости, и установлена зависимость между интенсивностью выходного сигнала и конструктивными параметрами оптического чувствительного элемента (ОЧЭ).

Проведение исследования экспериментальных образцов волоконно-оптических сигнализаторов уровня жидкости (ВОСУЖ) [1] затруднительно из-за необходимости изготовления большого количества оптических чувствительных элементов (ОЧЭ) (рисунок 1).

Стоит задача в проведении имитационного моделирования на персональном компьютере поведения светового потока(СП) в пространстве ОЧЭ с целью получения оптимальных значений конструктивных параметров ОЧЭ длины Ь и радиуса К для последующего изготовления ВОСУЖ и экспериментальной проверки полученных результатов (см. рисунок 1).

Для проведения моделирования воспользуемся выведенной ранее функцией преобразования, которая в операторной форме имеет вид [2]:

- по интенсивности распределения СП на отводящих оптических волокнах (ООВ):

Н(п, П0, П1, ©м, Ь, К, Х1, <3о, ^) = I(Ф1)/I(Ф2) ; (1)

- по площади засветки ООВ:

кБ(п, П0, П1, ©ли, Ь, К, Х±, б.0, с^) = 5(К)/5(К") , (2)

где Х± - расстояние от оптических волокна (ОВ) до ОЧЭ; ©ш - апертурный угол ОВ; п1, п0г п - показате-

ли преломления ОЧЭ, среды (воздуха п0=1), исследуемой жидкости соответственно; с^- диаметр сердцевины

ОВ; - диаметр оболочки ОВ; I (Ф^ ), Б (К^ ) - интенсивность СП и площадь засветки на выходе ОЧЭ при

отсутствии контакта ОЧЭ с контролируемой жидкостью соответственно; I (Ф2 ), Б (К2 ) - интенсивность СП

и площадь засветки на выходе ОЧЭ при контакте ОЧЭ с контролируемой жидкостью соответственно.

Исследование поведения СП в пространстве ВОП, принцип действия которого основан на изменении интенсивности СП на границе раздела двух сред с разными коэффициентами преломления, предполагает установление зависимости между интенсивностью оптического сигнала и конструктивными параметрами ОЧЭ.

Необходимо чтобы длина Ь и радиус К ОЧЭ обеспечивали максимальный перепад оптического сигнала на границе раздела сред для дальнейшего преобразования в оптической системе.

В процессе проведения машинного эксперимента, задаются определенные значения длины Ь и радиуса К с некоторым шагом, удовлетворяющие условию (3) [3 (таблица 1)].

Рассматриваются два случая:

первый - граница раздела сред «материал ОЧЭ (например, кварцевое стекло) - воздух»,

второй - граница раздела сред «материал ОЧЭ (например, кварцевое стекло) - жидкость (например, вода)».

В качестве примера приводится расчёт оптической системы ВОП с кварцевым ОЧЭ, коэффициент преломления которого п1=1,47. Используются вода с коэффициентом преломления п =1,33; воздух с коэффициентом преломления П0=1. Параметры оптического волокна ТХО.735.123 ТУ: ^=500 мкм, ^ =200 мкм, =120.

Значения конструктивных параметров, задаваемые при проведении машинного эксперимента, сведены в таблицу 1.

Таблица 1__________________________________________________________________________________________

Длина Ь, мм Радиус К, мм Условие (3) Интенсивность на выходе ОЧЭ, % Перепад интенсив- ностей Рисунок

при контакте с воздухом при контакте с жидкостью

2 3 0,73 3,148 < ЦК < 3,24 0,85 0,29 2,93 2а, 2 б

1,26 3,415 < ЦК < 3,6 0,44 0,29 1,53 2в, 2^

5,1 1,73 3, 628 <ЦК < 3,748 0,58 0,46 1,26 2д, 2 е

8 1,37 3,88 <ЦК < 4,017 0,35 0,35 1 2ж, 2з

и

ж

Рисунок 2 - Распределение интенсивности на выходе ОЧЭ в соответствии с таблицей 1 Анализ результатов машинного эксперимента показал следующее:

1 Из рисунка 2а видно, что при контакте с воздухом СП не попадает в ООВ (расстояние в обе стороны от оси симметрии (0), расположенной на оси Х, составляет 0,73 мм), расположенные по периметру ПОВ (см. рисунок 1, сечение А-А).

При контакте ОЧЭ с жидкостью СП попадает в ООВ, при этом интенсивность падает в 2,93 раза (рисунок

26).

В данном случае наблюдаем изменение освещенной площади (см. рисунок 1, сечение А-А, кольцо К' ), а также изменение интенсивности при контакте и отсутствии контакта ОЧЭ с жидкостью. Тем самым подтверждается то, что для определения состояния сигнализатора следует учитывать интенсивность распределения СП на ООВ и площадь засветки ООВ (см. выражения (1), (2)).

2 При контакте с воздухом весь СП попадает в ООВ (рисунок 2в). При контакте с жидкостью интенсивность СП уменьшается, и зона освещенности смещается к оптической оси (0), т.е. СП не попадает в ООВ или попадает незначительная его часть (рисунок 2г) . Перепад интенсивностей по сравнению с рисунками 2 и 3 уменьшился в 1,9 раза.

3 На рисунках 2д и 2е наблюдается картина, аналогичная для случая, представленного на рисунках 2в и

2г. Отличием является значения интенсивности при контакте с воздухом и при контакте с жидкостью, то есть перепад интенсивностей в данном случае понизился с 1,53 до 1,26 раза.

4 Из рисунков 2ж и 2з видно, что интенсивность СП при контакте и отсутствии контакта с жидкостью

практически не меняется. СП в случае контакта с воздухом проходит по ОЧЭ и возвращается обратно, падая на выходной торец ОЧЭ, с которого попадает в ООВ. При контакте с жидкостью происходит смещение зоны освещенности в общей плоскости ОВ, следовательно, в ООВ СП не попадает. То есть состояние сигнализатора определяется по площади засветки ООВ (см. выражения (2)).

Вывод. При увеличении конструктивных параметров длины L и радиуса R ОЧЭ наблюдается тенденция уменьшения перепада сигнала. Это объясняется тем, что СП испытывает большее количество отражений, которые ведут к уменьшению интенсивности на границе раздела сред. Поэтому следует выбирать минимальные размеры ОЧЭ, учитывая технологичность его изготовления.

ЛИТЕРАТУРА

1 Серебряков Д. И., Карасев Н. Я. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости // Датчики и системы. - 2005. - № 10. - С. 14-16.

2 Серебряков Д. И., Кривулин Н.П. Математическая модель распространения светового потока в световоде

// Авиакосмическое приборостроение. - 2006. - № 8. - С. 7-9.

3 Серебряков Д. И., Кривулин Н.П., Мурашкина Т.И. Расчет конструктивных параметров чувствительного элемента волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости // Авиакосмическое приборостроение. -2006. - № 7. - С. 20-22.