Целый ряд современных методик мониторинга состояния различных объектов и материалов использует в качестве основного чувствительного элемента волоконный световод. Несмотря на относительно высокую стоимость измерительного оборудования, данные методы измерения получают все большее распространение благодаря ряду преимуществ перед электромеханическими сенсорами. В данной статье приведено краткое описание некоторых методик функционирования волоконно-оптических сенсоров, нашедших коммерческое применение.

Датчики на волоконных Брэгговских решетках

Волоконно-оптическая Брэгговская решетка (ВБР, в англоязычной литературе FBG) записывается на небольшом (длиной порядка нескольких мм) участке световода излучением ультрафиолетового или достаточно мощного фемтосекундного лазера. Данная структура характеризуется тем, что может отражать назад по оптоволокну часть приходящего к ней излучения, причем спектр отражения представляет собой узкий пик, конкретное значение максимума которого при комнатной температуре задается условиями записи ВБР. Положение резонансной длины волны ВБР определяется соотношением:

где λ_BG – резонансная (брэгговская) длина волны, n_eff  - эффективный показатель преломления световода (приблизительно равный показателю преломления стекла, из которого световод сделан) и Λ - период ВБР.

Если решетка испытывает внешнее воздействие (изменение температуры или продольное растяжение), спектральное положение брэгговского резонанса смещается (например, из-за изменения периода ВБР вследствие растяжения) в соответствии с формулой (1). При устранении внешнего воздействия величина λ_BG возвращается в исходное состояние.

Главное преимущество при работе с датчиками на основе ВБР обусловлено детектированием спектрального положения пика отражения решетки на фоне широкого спектра источника излучения. Это позволяет разместить в одной волоконной линии до 30 датчиков на основе ВБР, а также практически устраняет рост погрешности при ослаблении оптического сигнала.

О применении этого типа датчиков можно дополнительно прочитать в статье "Исследование возможностей углепластиковой детали, оснащенной массивом волоконно-оптических Брэгговских решёток".

Датчики на основе МОЭМС

Другим типом точечных (малых по размеру чувствительного элемента) волоконно-оптических сенсоров являются датчики на основе МОЭМС. Основу их конструкции составляет МОЭМС-пластина (рис. 1). В МОЭМС-датчике оптическими методами с высокой точностью измеряется величина зазора между пластиной и торцом волоконного световода, подведенным к ней. Зазор при этом функционирует аналогично интерферометру Фабри-Перо. Когда пластина изгибается (например, под действием внешнего давления), изменяется и картина интерференции двух лучей – отраженного от торца световода и от МОЭМС‑пластины.

Рис. 1. Схема устройства волоконно-оптического датчика на основе МОЭМС-чипа.

Данный тип датчиков не подлежит спектральному мультиплексированию (опросу через один волоконный световод), как сенсорные элементы на основе ВБР. Тем не менее, они находят свое применение в некоторых отраслях современной промышленности (например, в медицинских исследованиях).

Рефлектометры (измерители обратного рассеяния)

При распространении сигнала по оптическому волокну, часть его всегда рассеивается на различных неоднородностях структуры световода. Некоторая доля рассеянного излучения захватывается световодом и ведется им в направлении, обратном распространению исходного импульса. Приборы для измерения обратного рассеяния называются рефлектометрами. Различают три компоненты рассеянного сигнала:

• Рэлеевское рассеяние возникает из-за наличия малых неоднородностей в плотности стекла вдоль длины световода. Измерение уровня рэлеевского рассеяния является одним из основных методов исследования оптических потерь в оптоволоконной линии. Рэлеевские рефлектометры используются для измерения потерь в самих световодах, качества и расположения мест стыковки/сварки световодов, участков изгиба и повреждения.
• Рассеянием Мандельштама – Бриллюэна называется рассеяние света на низкочастотных акустических колебаниях в стекле световода. Рассеянный свет имеет две компоненты – стоксову (с длиной волны, большей чем у исходного излучения) и антистоксову (с длиной волны, меньшей исходной). Интенсивность и отстройка по длине волны полос рассеяния зависят от температуры и деформаций оптоволокна, поэтому этот тип рассеяния используется для контроля распределения температуры и деформации вдоль протяженных объектов (например, трубопроводов или линий связи).
• Комбинационное, или Рамановское рассеяние возникает из-за высокочастотных акустических колебаний. Так же, как и при рассеянии Мандельштама – Бриллюэна, рассеянный свет имеет стоксову и антистоксову компоненты, причем интенсивность антистоксового рассеяния сильно зависит от температуры среды. Поэтому Рамановские рефлектометры используются для исследования распределения температуры вдоль протяженных объектов.
  

Рефлектометры позволяют одновременно опрашивать линию, состоящую из десятков километров световода, при этом они не нуждаются в какой-либо обработке чувствительного световода после его изготовления. Тем не менее, по точности и времени отклика они заметно уступают другим типам волоконно-оптических датчиков. Характерное пространственное разрешение рефлектометров составляет доли метра.

 Протяженные интерференционные датчики

Кроме сенсора на основе интерферометра Фабри-Перо, существуют и другие типы волоконных интерферометрических датчиков, условно описанные в данном разделе как «протяженные» (поскольку длина оптического пути в них многократно превосходит интерферометр Фабри-Перо).

В протяженных интерференционных датчиках (например, датчиках акустического воздействия) чувствительным элементом являются два участка световода одинаковой или близкой длины (плечи интерферометра), по которым одновременно распространяется импульс когерентного излучения. При этом, как правило, одно из плеч находится в постоянных условиях и изолировано от внешней среды, другое же плечо подвергается внешнему воздействию. Чувствительность интерферометра определяется длиной этого плеча. На выходе измеряется разность фаз излучения, прошедшего через опорное и чувствительное плечи. Поскольку разность фаз очень чувствительна к длине измерительного плеча (можно зафиксировать изменение длины в несколько нанометров, что при метровой длине оптического пути будет означать относительное изменение 10^-9), интерферометрические методы хорошо подходят для измерения малых воздействий (например, акустических волн, малых изменений давления, вибрации и т. д.).

Интерференционные датчики более требовательны к подготовке обслуживающего персонала и выбору измерительного оборудования, чем датчики на основе ВБР или рефлектометры. Однако их уникальная чувствительность (при правильной эксплуатации и учете всех явлений, воздействующих на сенсорный элемент) является хорошей компенсацией за данный недостаток.

Волоконно-оптические гироскопы

Волоконно-оптический гироскоп является частным случаем интерферометрического датчика, описанного в предыдущем разделе. Вместе с тем это – одно из немногих современных устройств, принцип действия которых основан на эффектах релятивистской физики.

Гироскоп служит для измерения угловой скорости вращения летящего объекта (самолета, ракеты, спутника и т. д.), определяя таким образом ориентацию этого объекта относительно Земли. В отличие от механических гироскопов, волоконно-оптический не содержит подвижных частей, поэтому время его включения заметно меньше, чем у механического аналога. В состав бортовой системы обычно входит три гироскопа - для измерения скорости вращения вокруг трех ортогональных осей.

Принцип действия оптического гироскопа основан на эффекте Саньяка. Интерферометр гироскопа представляет собой катушку из нескольких витков оптоволокна. По кольцевому оптическому пути свет распространяется в двух противоположных направлениях. Если при этом система не находится во вращении, оба световых луча распространяются навстречу друг другу по оптическому пути одинаковой длины. Поэтому при сложении лучей нет фазового сдвига. Однако когда оптическая система вращается с угловой скоростью Ω, между световыми волнами возникает разность фаз:

 где S – площадь одного витка гироскопа, N – количество его витков, k и с – волновое число и скорость света в вакууме, соответственно. Это явление и называется эффектом Саньяка.

В настоящее время волоконные гироскопы повсеместно применяются в разнообразных летательных аппаратах, особенно военного назначения.