автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка и исследование чувствительных элементов для многофункциональных волоконно-оптических датчиков на основе длиннопериодной волоконной решётки

На правах рукописи

Цирухин Андрей Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ НА ОСНОВЕ ДЛИННОПЕРИОДНОЙ ВОЛОКОННОЙ РЕШЁТКИ

Специальности: 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и

комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 0 июн 2010

Санкт-Петербург - 2010

004604861

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Сидоров Александр Иванович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Никоноров Николай Валентинович

доктор физико-математических наук, профессор Шадрин Евгений Борисович

Ведущая организация:

Санкт-Петербургский государственный университет, Физический факультет

Защита диссертации состоится "22" июня 2010 года в _часов на заседании

совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д212.238.08 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Профессора. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан " " __2010 года.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций, к.т.н., доцент

Е.А. Смирнов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Совершенствование систем автоматического контроля для медицины, экологии и управления различными объектами, процессами производства во многом определяется достижениями в области измерительных преобразователей (датчиков). В связи с этим, актуальной является задача исследования и разработки надежных, малогабаритных и дешёвых чувствительных элементов для датчиков различных физических величин, обладающих малым энергопотреблением, высокой чувствительностью и отвечающих современным техническим требованиям.

Создание информационно-измерительных систем (ИИС) до недавнего времени было чрезмерно дорогостоящим решением, в том числе и в смысле затрат на обслуживание и эксплуатацию таких систем. Дело в том, что традиционные измерительные преобразователи (датчики), применяемые в таких ИИС, как правило, требуют подачи электропитания и собственной линии передачи сигнала измерительной информации, а также линии для подачи управляющих сигналов. Кроме того, условия эксплуатации датчиков достаточно жестко ограничены параметрами окружающей среды, воздействием агрессивных сред, высоковольтным напряжением и электромагнитными помехами. Именно поэтому в последнее время интенсифицировались работы по созданию волоконно-оптических измерительных систем, которые в большинстве случаев лишены указанных недостатков. Их главными достоинствами являются потенциально высокая точность измерений, нечувствительность к электромагнитным помехам, возможность работы в агрессивных и взрывоопасных средах. В этой связи наиболее перспективными датчиками являются датчики на основе длиннопериодных волоконных решёток (ДВР), так как они обладают высокой чувствительностью к внешним воздействиям и на их основе могут создаваться ИИС, содержащие множество датчиков с использованием WDM (Wavelength Division МиШр1ехкщ)-технологии: мультиплексирование по длине волны.

Работы по созданию оптико-электронных измерительных систем на основе ДВР ведутся в Научном центре волоконной оптики при Институте общей физики им. A.M. Прохорова РАН, Институте радиотехники и электроники РАН, Дальневосточном государственном техническом университете, ФГУП ВНИИОФИ и МГТУ им. Н.Э. Баумана. За рубежом данными вопросами занимались такие организации как IPHT - Institute of Photonic Technology Optical Fibers and Fiber Applications, CIDRA, Blue Road Research Group, Micron Optics и многие другие, которые предложили множество методов изготовления ДВР.

Несмотря на значительные успехи, достигнутые в результате этих работ, особенно в плане разработки методов изготовления ДВР, до настоящего времени не разработаны методики позволяющие, уменьшить стоимость и трудоемкость изготовления ДВР для волоконных сенсоров. На решение указанной проблемы и направлена настоящая диссертационная работа.

Цель работы и задачи исследования Основной целью диссертационной работы является разработка, исследование и оптимизация компактных, надежных и экономичных чувствительных элементов для волоконно-оптических датчиков, позволяющих проводить измерение нескольких параметров одновременно.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка основ технологий создания ДВР на полимерной основе. Выявление физических закономерностей формирования периодических полимерных структур на поверхности оптических волокон.

2. Разработка методов модификации полимерных ДВР для расширения их функциональных возможностей. Создание композитных периодических покрытий на оптических волокнах, в том числе - из неорганических материалов.

3. Разработка основ технологий создания спиральных ДВР на полимерной основе.

4. Проведение экспериментальных исследований оптических характеристик ДВР и влияния на них температуры и показателя преломления окружающей среды.

5. Проведение теоретического анализа оптических характеристик ДВР с целью их оптимизации.

Научная новизна работы

1. Впервые получены полимерные периодические структуры на оптическом волокне методом самоорганизации жидкого слоя полимера.

2. Впервые созданы полимерные спиральные ДВР.

3. Определены закономерности влияния геометрии и оптических характеристик гофров на чувствительность ДВР для разных физических воздействий.

4. Проведено экспериментальное исследование оптических характеристик полимерных ДВР, включая их оптическую реакцию на внешние физические воздействия.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Самоорганизация слоя жидкого полимера на поверхности волокна приводит к формированию периодических гофрированных структур с периодом 0,1...2 мм, который определяется диаметром волокна и вязкостью слоя полимера.

2. В оптических волокнах с гофрированным или спиральным полимерным покрытием возникают резонансы волноводных мод сердечника и полимерной оболочки, причем спектральная ширина резонансов лежит в пределах 0,1.. .2 нм.

3. Внешние воздействия (изменение температуры или показателя преломления окружающей среды) на волоконную структуру с периодическим полимерным покрытием приводят к спектральному сдвигу резонансных полос пропускания и изменению их амплитуды. Температурная чувствительность спектрального сдвига полос

достигает 0,14 нм/°С, Температурная чувствительность амплитуды резонансов может достигать 0,11 дБ/ °С. Чувствительность к изменению показателя преломления окружающей среды может составлять А/7 An = 4,54 нм/отн.ед.

4. Для телекоммуникационных длин волн одномодовые ДВР имеют преобладающую чувствительность к изменению температуры и давления по сравнению с изменением показателя преломления окружающей среды при толщине гофра большей 5 мкм и 3.5 мкм для отношения показателей преломления гофра и сердечника большего или меньшего 1 соответственно. При толщинах гофра меньших вышеуказанных возрастает чувствительность к показателю преломления окружающей среды, а чувствительность к температуре и давлению уменьшается. Практическая значимость работы

Использование предложенного в работе метода изготовления ДВР позволяет построить надёжные и дешёвые волоконные оптические датчики, основной особенностью которых, является лёгкость изготовления и возможность одновременного измерения нескольких физических величин. Результаты исследований могут найти применение при разработке и создании волоконно-оптических датчиков для энергетики, нефтеперерабатывающей и химической промышленности, транспорта и строительства. Практическая значимость работы подтверждена 3 Патентами РФ. Апробация результатов работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались: на XIII Laser Optics Conference, SPb, 2008, 61 Научно - техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ, СПб, 2008, 62 Научно - техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ, СПб, 2009, 63 Научно - техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ, СПб, 2010. Публикации

Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 14 статьях и докладах, из них по теме диссертации 14, среди которых 4 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 3 статьи в других изданиях. Доклады доложены и получили одобрение на 4 международных, всероссийских и межвузовских научно-практических конференциях перечисленных в конце автореферата. Основные положения защищены 3 патентами РФ. Одна статья находится в печати в журнале, входящим в ведущее рецензируемое издание, рекомендованное в действующем перечне ВАК. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, включающего 204 наименования. Основная часть работы изложена на 125 страницах машинописного текста. Работа содержит 72 рисунков и 9 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении кратко обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель работы, ее научная новизна и научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен аналитический обзор литературы по различным типам волоконно-оптических датчиков (ВОД) и методам обработки их сигналов, а так же оптические свойства полимеров и их применение в оптике.

Аналитический обзор показал, что ДВР являются перспективными чувствительными элементами (ЧЭ) для многофункциональных ИИС. ДВР применяются в качестве чувствительных элементов в сенсорных системах для измерения температуры, давления, химического состава жидких сред и др. Основными их достоинствами являются высокая чувствительность к внешним воздействиям и возможность мультиплексирования, т.е. использование в одной сенсорной системе большого количества датчиков. Поэтому, целями данной диссертационной работы были разработка, исследование и оптимизация новых типов компактных, надежных и экономичных ЧЭ для ВОД, позволяющих проводить измерение нескольких параметров одновременно.

Во второй главе описана разработка методов формирования полимерных и неорганических периодических структур на поверхности оптических волокон. Для упрощения технологии изготовления ДВР в качестве первого

Рис.1. Продольные периодические структуры на стеклянных оптических волокнах. Полимер - НЦ. а - волокно из силикатного стекла, диаметр волокна -50 мкм; б - волокно из кварцевого стекла, диаметр волокна - 150 мкм.

метода было предложено использовать самоорганизацию жидкого слоя полимера на поверхности волокна.

Исследовалось формирование периодических структур (гофров) из следующих полимеров: полиуретан (ПУ), нитроцеллюлоза (НЦ), поли-метилметакрилат (ПММА), полистирол (ПС) и оптический эпоксидный компаунд (ЭК). В качестве сердцевины ДВР использовались волокна из кварцевого, силикатного стекла и полимера (полиамид) диметром от 50 до 200 мкм. Наши исследования показали, что при стекании жидкого полимера по волокну на нём образуются периодические структуры. Формирование периодических структур при стекании раствора полимера по круглому волокну в основном связано с конкуренцией нескольких процессов. Во-первых, вязкое течение раствора под действием силы тяжести. Во-вторых, стремление раствора полимера принять форму с минимальной площадью

поверхности под действием сил поверхностного натяжения. В-третьих, неравномерное распределение растворителя по толщине полимера при его высыхании. В результате, после высыхания или полимеризации жидкого полимера, на поверхности волокна формируется гофрированная периодическая структура из полимера (рис.1).

На рис. 2 представлены зависимости периода гофров от диаметра волокна при фиксированной концентрации полимера 10 % - (а) и концентрации полимера (НЦ) в растворе при фиксированном диаметре волокна 150 мкм. - (б).

Л, мм

Л, мм

300 i/, мкм

10

15

20

30

С,%

Рис.2. Зависимости периода гофров от диаметра волокна (а) и концентрации полимера (НЦ) в растворе (б); а - концентрация полимера 10%; б - диаметр волокна 150 мкм.

Таким образом, экспериментально показано, что эффекты самоорганизации растворов полимеров на поверхности оптических волокон приводят к образованию продольных структур в виде гофров. Период продольных структур определяется концентрацией раствора и диаметром волокна и может варьироваться от 100 мкм до 2 мм. Для создания ДВР с неорганическими гофрами, обладающими более высокой термической стойкостью, была использована модифицированная методика покрытия. В экспериментах для создания нанопористых неорганических слоев на волокнах из кварцевого стекла использовались суспензии наночастиц ТЮг (средний размер 100 нм) и Si02 (средний размер 50 нм) в растворе НЦ в этилацета.те. Концентрация наночастиц в растворе составляла 1-5 %. Волокно погружалось в раствор полимера, содержащий суспензию неорганических наночастиц. При его извлечении из раствора на нем формировался гофрированных полимерный слой (рис. 3, а). После высушивания полимера производился отжиг волокна на воздухе при температуре 300 °С для

Рис.3. Формирование периодических структур из нанопористого ТЮ2. а - исходные полимерные (НЦ) структуры; б - вид волокна после термического разложения полимера (/ = 300 °С); в - вид волокна после отжига (г = 700 °С). Диаметр волокна 130 мкм. Стрелками показаны области, покрытые нано-пористым ТЮг

термического разложения полимера (рис. 3, б) и повторный отжиг на воздухе при температуре 700°С для спекания неорганических наночастиц в нанопористые слои в виде гофров (рис. 3, в).

Для изготовления оболочки в виде полимерной спирали были разработаны четыре метода.

Первый метод заключался в намотке на сердечник из кварцевого волокна спирали из полиэтиленового волокна диаметром 60-150 мкм виток к витку (рис.4, а).

Согласно второму методу сердечник предварительно покрывался слоем жидкого полимера, после чего проводилась намотка полимерной спирали до

Рис. 4. Фотографии участков спиральных ДВР. а -спираль из полимерного волокна, диаметр волокна 150 мкм. б, в - спираль из эпоксидного компаунда диаметр волокна 150 мкм.

в

момента затвердевания слоя полимера. В качестве материалов для оболочки в данном случае использовались полиэтиленовое волокно и оптический эпоксидный компаунд.

Третий метод заключался в намотке полимерной спирали из волокна на слой жидкого полимера и удалении полимерной спирали после затвердевания полимерного слоя. При этом на сердечнике оставался затвердевший слой полимера в виде витков спирали, не контактирующих друг с другом. Фотографии таких спиральных ДВР, изготовленных их кварцевого волокна и оптического эпоксидного компаунда, показаны на рис. 4, б и рис. 4, в.

Согласно четвёртому методу каплю раствора поливинилацетата в этилацетате с концентрацией 70 % и объемом 3 мм3 помещают в зазор между торцами волокон. Длину зазора увеличивают путем сдвигания одного из волокон со скоростью 0.5 мм/с с одновременным вращением волокна вдоль оси со скоростью 1 об/с. В результате формируется полимерное волокно в виде спирали с плотно упакованными витками. Затем волокно смачивают этилацетатом в течение 5 с и высушивают. При этом происходит склеивание поверхностей соседних витков спирали и формируется сплошное волокно со спиральной гофрированной поверхностью. Диаметр волокна равен 50 мкм, период спирального гофра равен 55 мкм. высота гофра - 15 мкм.

Таким образом, эффекты самоорганизации растворов полимеров на поверхности оптических волокон приводят к образованию продольных и поперечных периодических структур в виде гофров. Период продольных структур определяется концентрацией раствора и диаметром волокна и может варьироваться от 100 мкм до 2 мм. Предложенные методы формирования периодических структур позволяют создавать гофрированные

покрытия из органических и неорганических полимеров, а также в виде нанопористых и сплошных слоев из неорганических материалов.

Разработанные методы изготовления спиральных ДВР позволяют упростить технологию создания чувствительных элементов и расширить диапазон используемых материалов.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию оптических характеристик ДВР и изучению влияния внешних факторов -температуры и показателя преломления окружающей среды на спектры пропускания в области резонансов ДВР с полимерным гофрированным покрытием и спиральных ДВР.

Спектральные характеристики ДВР с полимерным покрытием. Экспериментально исследовались ДВР из кварцевого волокна (к = 1,45) диаметром 150 мкм с периодическим гофрированным покрытием из полиуретана (и = 1,5).

Так как толщина гофров значительно превышает длину волны, на которой проводятся измерения, то в области гофров возникают моды оболочки. Результатом этого является появление резонансов, связанных с модами оболочки. В отличие от резонансов мод сердечника, формирующих минимумы на спектре пропускания ДВР, резонансы мод оболочки приводят появлению на спектре максимумов пропускания. Подобный эффект возникает и при малом изменении периода решетки по ее длине (квазипериодичность). В нашем случае, квазипериодичность связана с несовершенством технологии т

/-\20°С

изготовления ДВР.

В процессе экспериментов измерения спектров пропускания ДВР проводились как в области «отрицательных» резонансов мод сердечника (рис. 5, а), так и в области «положительных» резонансов мод оболочки (рис. 5, б).

Из рис. 5 видно, что при увеличении температуры происходит спектральный сдвиг резонансов в коротковолновую область спектра, уширение и уменьшение их амплитуды. Причиной, этих эффектов является уменьшение показателя преломления полимера в области гофра при увеличении температуры. Спектральное положение резонанса ДВР определяется ее эффективным периодом, который, в свою очередь, зависит от эффективных показателей преломления соседних участков ДВР.

Расчет показывает, что влияние изменения показателя преломления полимера на эффективный показатель преломления ДВР в области гофров

60 С

1530

1535 1540 1545 1535 а X, им

1540 б

1545

X, нм

Рис. 5. Изменение спектров пропускания ДВР в области «отрицательного» резонанса мод сердечника (а) и «положительного» резонанса мод оболочки (б). Ь = 50 мм, Л = 1 мм

существенно больше, чем в промежуточных областях. Причем, с увеличением толщины гофра это влияние также увеличивается. Это иллюстрирует расчетная зависимость изменения эффективного показателя преломления А] в области гофра от толщины гофра И при изменении его показателя преломления на Ап = 10"3 (рис.6, б, кривая 2).

Температурные зависимости спектрального положения «отрицательного» и «положительного» резонансов ДВР показаны на рис. 6 а.

а б 1,°С

Рис. 6. а - температурные зависимости спектрального положения резонансов ДВР. 1 -«отрицательный» резонанс мод сердечника; 2 - «положительный» резонанс мод оболочки. Ь = 50 мм, Л = 1 мм. б - зависимость относительной амплитуды резонансов моды сердечника (1) и моды оболочки (2) от температуры. Ь = 50 мм, Л = 1 мм

Чувствительность спектрального сдвига резонансов увеличивается с ростом температуры. Средняя чувствительность при этом составляет 8 = 0,14 нм/°С. Спектральный сдвиг резонансов мод оболочки в температурном интервале 20-50 С незначителен. Ему соответствует 8 = 0,02 нм/°С. Однако при />50°С наблюдается рост чувствительности и 8 достигает значения 0,2 нм/°С.

На рис. 6, б показаны экспериментальные зависимости относительной амплитуды резонансов моды сердечника и моды оболочки от температуры.

Из рис. 6, б видно, что при увеличении температуры амплитуда резонансов уменьшается. Причем, для мод сердечника крутизна зависимости растет с ростом температуры, а для мод оболочки - уменьшается. Изменение амплитуды резонансов также может быть использовано в качестве измеряемого параметра при построении волоконного датчика. Сравнение чувствительности стеклянных ДВР изготовленных на основе традиционных технологий и полимерных ДВР, изготовленных разработанными нами методами показывает, что ДВР с полимерным покрытием имеют сопоставимую чувствительность.

Влияние показателя преломления окружающей среды на спектр пропускания ДВР с полимерным гофром исследовалось для четырех сред: воздух (и = 1), вода (и = 1,32), смесь воды с глицерином (и = 1,38) и глицерин {п = 1,46). Измерения проводились при комнатной температуре. На рис. 7. показана эволюция участка спектра пропускания ДВР при увеличении показателя преломления окружающей среды. При изменении показателя

пЛГ\/ 1/V ■

д/у \ //\ а ^-V

-^Чз

Л 1 I 1 Л74—ЧА 1 1 1 ■ 1 I I 1

1540

1545

1550 X, нм

Рис. 7. Влияние показателя преломления окружающей среды на спектр пропускания ДВР. 1 -п= 1; 2 - 1,32; 3 - 1,38; 4 - 1,46. ¿=50 мм, Л = 1 мм

Т, отн.ед.

преломления окружающей среды происходит изменение амплитуды резонансов и их спектральный сдвиг. Отсюда следует, что ДВР с полимерным периодическим покрытием перспективны в качестве чувствительных элементов в датчиках показателя преломления. Спектральные характеристики ДВР со спиральным полимерным покрытием. На рис. 8 показаны спектры пропускания спиральной ДВР с сердечником из кварцевого стекла диаметром 150 мкм и

спиралью из полиэтиленового волокна диаметром 60 мкм. Период ДВР - 60 мкм. Полная длина спирали равна 30 мм.

Из рис. 8 видно, что в спиральной ДВР могут возникать как «отрицательные», так и «положительные» резонансы. Обращает на себя внимание то, что, j Т, отн.ед. несмотря на высокие потери на светорассеяние в полимере, спектральная ширина резонансов по полувысоте не превышает 0.3 нм. Таким образом, в многомодовых спиральных ДВР с полимерной оболочкой могут быть реализованы узкие резонансные полосы отражения и пропускания.

На рис. 9, а показана спектральная зависимость коэффициента пропускания спиральной ДВР с полным заполнением зазоров спирали оптическим эпоксидным компаундом в спектральном интервале вторичного резонанса мод сердечника. Сердечник ДВР изготовлен из кварцевого стекла диаметром 220 мкм, спираль из полиэтиленового волокна диаметром 150 мкм. Период ДВР - 150 мкм. Полная длина спирали равна 25 мм. Спектральная ширина резонанса на длине волны 1542,5 по полувысоте не превышает 2 нм. На рис. 9, б показана спектральная зависимость коэффициента пропускания спиральной ДВР из эпоксидного компаунда, изготовленной методом намотки и удаления полимерного волокна.

1536 X, нм

1538,5

1539 б

1539,5 X, нм

Рис. 8. Спектральные характеристики спиральной ДВР со спиралью из полиэтиленового волокна, а - резонанс моды сердечника; б - резонанс моды оболочки

Сердечник изготовлен из кварцевого стекла диаметром 220 мкм. Поппере-чное сечение спирали -треугольник с двумя вогнутыми сторонами. Период ДВР - 120 мкм. Полная длина спирали равна 25 мм. Спектральная ширина резонанса на длине волны 1543,6 нм по полувысоте не превышает 2 нм.

Важной характеристикой

Т, отн.ед

Т, отн.ед.

1540 1544 1548 Л 552 я нм

1540

1546 К, нм

Рис. 9. Спектральные характеристики спиральных ДВР. а - со спиралью из полиэтиленового волокна с заполнением эпоксидным компаундом; б - со спиралью из эпоксидного компаунда

1534,5 1535 1535,5 1536 а X, нм

1538

1538,5 1539 б

1539,5 1, нм

ДВР является чувствительность ее оптических свойств к температуре. На рис. 10 показаны спектральные характеристики спиральной ДВР при разной температуре окружающей среды. При увеличении температуры в интервале 20 - 40°С происходит спектральный сдвиг резонансов мод сердечника в сторону меньших длин волн, а затем резонансы смещаются в сторону больших длин волн. Для резонансов мод обо- ,, Т, отн. ед. лочки наблюдается обратный процесс. Спектральный сдвиг резонансов для указанного интервала температур в среднем составляет 0,025нм/°С. Аналогичный результат получен для ДВР со спиралью из эпоксидного компаунда в интервале температур 20-60°С.

Для сравнения, спектральный сдвиг резонансов ДВР с гофрированным полимерным покрытием при тех же условиях составляет 0,02 нмг С, а при I > 50°С - 0,2 нм/°С. Таким образом, малая чувствительность спектрального положения резонансов спиральных ДВР с полимерным покрытием к температуре делает их перспективными для использования в ¡качестве фильтров, а также в качестве датчиков физических величин в тех случаях, когда требуется исключить влияние температуры. Представленные результаты показывают, .что ДВР с полимерным периодическим покрытием обладают резонансными свойствами, а их чувствительность к изменению температуры и показателя преломления не уступает чувствительности ДВР,

Рис. 10. Влияние температуры на спектральные характеристики спиральной ДВР со спиралью из полиэтиленового волокна, а - резонанс моды сердечника; б -резонанс моды оболочки. 1 -1 = 20 °С, 2 - 3 0 °С, 3 - 40 °С

изготовленных по классическим технологиям. ДВР могут быть использованы и для измерения показателя преломления жидких сред. Их достоинствами являются большое разнообразие выбора материала для гофра, спирали и сердечника волокна, простота изготовления и низкая стоимость.

В четвёртой главе представлены результаты численного моделирования влияния материалов сердечника и оболочки, а также периода ДВР на её спектральную чувствительность к изменению температуры и показателя преломления окружающей среды, и результаты оптимизации параметров ДВР с целью повышения чувствительности к определённому виду воздействия.

Оптимизация параметров ДВР. Практический интерес представляют два случая: когда пг > щ и когда п2 < п\. В обоих случаях предполагается, что щ < «1,2. В оптических волокнах круглого сечения наиболее часто используются гибридные моды ЕНП. Поэтому, анализ проводится для мод указанного типа.

Необходимо отметить, что при п2 > п\ имеет место нарушение полного внутреннего отражения на границе «сердечник-оболочка». Поэтому компоненты поля электромагнитной волны в оболочке существуют не в виде затухающих волн, как в классическом случае (и2 < щ), а описываются выражениями, типичными для направляемых мод.

Случай п2 > щ. (Рис.11, а). Из рисунка видно, что существенное изменение нЭф имеет место при толщине оболочки менее 5 мкм. При больших толщинах зависимость иЭф(г2 - г\) выходит на насыщение и приближается к предельной величине, соответствующей бесконечной толщине оболочки.

Таким образом, использование гофров с п2 > п\ позволяет изменять эффективный показатель преломления ДВР в широких пределах путем изменения толщины гофра. Увеличение п2 дает возможность увеличить диапазон варьирования пэф.

При анализе влияния толщины гофра на чувствительность волоконно-оптического датчика на основе ДВР следует рассмотреть два случая: во-первых, изменение эффективного показателя преломления А] при изменении показателя преломления окружающей среды оя3; во-вторых, изменение эффективного показателя преломления Л2 при изменении показателя преломления гофра 5и2, например, в результате изменения температуры или давления. Максимальная чувствительность датчика реализуется, когда показатели преломления сердечника, оболочки и окружающей среды мало отличаются друг от друга. Поэтому при моделировании были выбраны следующие значения показателей преломления: щ = 1,45, п2 = 1,46, щ = 1,45. На рис. 11,6 показаны расчетные зависимости А] и А2 от толщины гофра для §И2,3 = 10'3. Из рис. 11, б видно, что наибольшая чувствительность к изменению показателя преломления окружающей среды дня гофрированной ДВР с п2 > щ имеет место при толщине гофра менее 1,5 мкм (кривая Т). Поэтому основной вклад наблюдаемых изменений спектра пропускания, показанных на рис. 7, вносят участки ДВР между гофрами, покрытые слоем полимера толщиной менее 0,5 мкм. Увеличение показателя преломления

окружающей среды приводит к увеличению эффективного показателя преломления этих участков и, в результате, к увеличению эффективного периода решетки. Это приводит к длинноволновому сдвигу резонансов. При значительном изменении показателя преломления окружающей среды на спектр пропускания начинает влиять и изменение эффективного показателя преломления ДВР в области гофров. Однако, как видно из рис. 11, б, зависимость Л2(/г) носит немонотонный характер, поэтому оптический отклик ДВР на изменение внешнего показателя преломления будет различным при различной толщине гофров.

Влияние толщины гофра на чувствительность

ДВР при изменении показателя преломления гофра иллюстрирует кривая 2 на рис. 11, б. Увеличение толщины гофра в данном случае приводит к практически монотонному увеличению чувствительности ДВР. Таким образом, выбор толщины гофра позволяет избирательно увеличить чувствительность ДВР с п2 > щ либо к изменению показателя преломления окружающей среды, либо к изменению показателя преломления гофра.

Случай п2 < п\. Из рис. 12 видно, что при п2 < щ толщина гофра оказывает слабое влияние на эффективный показатель преломления ДВР.

1.465

1.46

1.455-

1.45

Рис. 11. а - расчетные зависимости эффективного показателя преломления от толщины гофра. 1 - п2 = 1,46; 2-щ = 1,47. п\ = 1,45, «з = 1. б - расчетное распределение эффективного показателя преломления в продольном направлении для гофра длиной 100 мкм. т = 1,47, б - расчетные зависимости Д1 и Да от толщины гофра для 8иг = 10~3 (1) и 5из = 10"3 (2). гц = 1,45, пг = 1,46, из = 1,45. На вставке - геометрия ДВР.

Влияние г2 - г\ на лЭф проявляется, в основном при

толщине гофра менее 1 мкм. Причиной этого является то, что при п2 < щ с оболочкой взаимодействует только затухающая компонента поля волно-водной моды (Рис. 12, а).

1.45 г

1.445

1.44

1.435

5 6 г,, мкм

Рис. 12. а-расчетные зависимости эффективного показателя преломления от толщины гофра. 1 - т = 1,44; 2 - т = 1,45. щ = 1,46, из = 1, б- расчетные зависимости Л] и А2 от толщины гофра для 5и2 = Ю"3 (1) и 5«3 = 10"3 (2). и, = 1,46, и2 = 1,44, щ = 1,43

Чувствительность эффективного показателя преломления ДВР с п2 < щ к изменению п2 и я3 при различной толщине гофров иллюстрирует рис. 12,6.

Из рис. 12, б видно, что и Л2 достигают максимальных значений при г2-Г\~3 мкм. Как и в предыдущем случае, выбор толщины гофра позволяет избирательно увеличить чувствительность эффективного показателя ДВР либо к изменению показателя преломления окружающей среды, либо к изменению показателя преломления гофра. Так, при г2 - г\ < 2,5 мкм возрастает чувствительность к изменению щ. При г2-г\> 3,5 мкм возрастает чувствительность к изменению п2. Это дает возможность создавать датчики на основе ДВР с гофрированным покрытием, избирательно реагирующие только на один тип внешних воздействий.

Таким образом, сравнение случаев п2> щ ж п2 < п\ показывает, что в первом случае варьирование толщины гофра оказывает более сильное влияние на эффективный показатель преломления ДВР. При разработке датчиков и сенсоров на основе ДВР это дает возможность в широких пределах изменять оптические характеристики ДВР, в частности, амплитуду и спектральную ширину их резонансов. Чувствительность и избирательность обоих типов ДВР к внешним воздействиям оказывается примерно одинаковой.

Проведённое численное моделирование влияния давления на оптические характеристики ДВР показало, что при изменении давления на 1атм. происходит сдвиг резонансной длины волны на 10 нм. Таким образом, ДВР с полимерным покрытием могут быть использованы, в качестве ЧЭ датчика давления.

В заключении приведены основные выводы и результаты работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны основы технологий создания ДВР на полимерной основе. Формирования периодических полимерных структур на поверхности оптических волокон, связанно с самоорганизации раствора полимера Период продольных структур определяется концентрацией раствора и диаметром волокна и может варьироваться от 100 мкм до 2 мм;

2. Разработаны методы изготовления спиральных ДВР на полимерной основе. Их достоинствами являются простота изготовления и большой выбор оптических материалов, как для сердечника, так и для спирального покрытия.

3. Проведены экспериментальные исследования оптических характеристик ДВР и влияния на них внешних факторов - температуры и показателя преломления окружающей среды. Представленные результаты показывают, что ДВР с полимерным периодическим покрытием обладают резонансными свойствами, а их чувствительность к изменению температуры не уступает чувствительности ДВР, изготовленных по классическим технологиям. Температурная чувствительность спектрального сдвига полос достигает 0,14 нм/°С, Температурная чувствительность амплитуды резонансов 0,11 дБ/°С. Чувствительность к изменению показателя преломления окружающей среды - АХ/Ап = 4,54 нм./отн.ед.;

4. Теоретический анализа оптических характеристик ДВР с целью их оптимизации показал, что в ДВР с полимерными гофрированными покрытиями появляется возможность изменять эффективный показатель преломления в широких пределах путем изменения показателя преломления и толщины гофра. Это позволяет оптимизировать оптические и резонансные характеристики ДВР применительно к их использованию в качестве чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков. Выбор оптимальной толщины гофра позволяет также обеспечить избирательную чувствительность ДВР к определенному типу внешнего воздействия.

ПУБЛИКАЦИИ, ВХОДЯЩИЕ В ПЕРЕЧЕНЬ ВАК:

1. Сидоров, А.И., Цирухин, A.A. Влияние параметров гофров на модуляцию эффективного показателя преломления длиннопериодных волоконных решеток с полимерным покрытием [Текст] / А.И. Сидоров, A.A. Цирухин // Оптический журнал. -2010. Т.77. Вып.2. - С.68-73.

2. Сидоров, А.И., Цирухин, A.A. Формирование полимерных периодических структур на поверхности оптических волоков [Текст] / А.И. Сидоров, A.A. Цирухин Н Журнал технической физики, - 2010. Т.80. Вып.1. - С.125-129.

3. Цирухин, A.A. Влияние температуры на оптические характеристики длиннопериодной гофрированной волоконной решётки [Текст] / A.A. Цирухин // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» - 2010. №3, - С. 3-10.

4. Сидоров, А.И., Цирухин, A.A. Влияние температуры и показателя преломления окружающей среды на спектральные характеристики волоконных длиннопериодных решеток с полимерным гофрированным покрытием [Текст] / А.И. Сидоров, A.A. Цирухин // Оптический журнал, - 2010. Т.77. Вып.5. - С.55-60.

ДРУГИЕ ПУБЛИКАЦИИ:

5. Способ изготовления гофрированных оптических волокон / А.И. Сидоров, A.A. Цирухин // Патент РФ, №2379717. приоритет 23.05.2008, зарегистрирован 20.01.2010.

6. Способ изготовления спиральных длиннопериодных волоконных решеток / А.И. Сидоров, A.A. Цирухин // Заявка на Патент РФ, 2008 г. №2008143851/28. Положительное решение о выдаче патента от 25.01.2010.

7. Способ изготовления длиннопериодной волоконной решетки / А.И. Сидоров, A.A. Цирухин // Заявка на Патент РФ, 2008 г. №2008143849/28. Положительное решение о выдаче патента от 29.03.2010.

8. Сидоров, А.И., Цирухин, A.A. Оптимизация параметров гофрированных ДВР с полимерным покрытием для ВОД [Текст] / А.И. Сидоров, A.A. Цирухин // Известия СП6ГЭТУ«ЛЭТИ» - 2009. №8. - С.3-8.

9. Сидоров, А.И., Цирухин, АА. Формирование и оптические свойства длиннопериодных волоконных решёток с полимерным покрытием [Текст] / А.И. Сидоров, A.A. Цирухин // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» - 2009. №3, - С. 15-24.

10. Сидоров, А.И. Цирухин, A.A. Длиннопериодные волоконные решётки с полимерным покрытием: возможности применения в качестве датчиков и сенсоров [Текст] /А.И. Сидоров, A.A. Цирухин // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» - 2009. №10.-С.17-22.

11. XIII Laser Optics Conference, SPb, 2008.

12. 61 Научно - техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ, СПб, 2008.

13. 62 Научно - техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ, СПб, 2009.

14. 63 Научно - техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ, СПб, 2010.

Подписано в печать 13.05.2010. Формат 60x84/16 Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии ЗАО «КопиСервис». Печать ризографическая. Заказ № 1/1006.

_П. л. 1.0. Уч. -изд. л. 1.0. Тираж 100 экз._

ЗАО «КопиСервис» Адрес: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д. 3. тел.: (812)327 5098

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

Введение.

Глава 1. Методы измерения неоптических параметров с помощью волоконно оптических датчиков (ВОД). Аналитический обзор.

1.1 Микрорезонаторы в качестве ВОД.

1.2. ВОД на основе брэгтовских и длиннопериодных волоконных решеток.

1.3. Волоконный интерферометры Фабри-Перо и Маха-Цендера.

1.4. Волокно в качестве оптического датчика.

1.5. Обработка информации получаемой с ВОД.

1.6. Применение полимеров в оптике и оптоэлектронике.

1.7. Выводы по главе 1.

Глава 2. Методы формирования периодических структур на поверхности оптических волокон.

2.1.Длиннопериодные волоконные решётки с органическими гофрами.

2.2. Спиральные волоконные решётки.

2.3. Выводы по главе 2.

Глава 3. Экспериментальное исследование влияния внешних факторов на спектральные характеристики волоконных длиннопериодных решёток с полимерным покрытием.

3.1. Спектральные характеристики длиннопериодных волоконных решёток с полимерным покрытием.

3.2. Спектральные характеристики длиннопериодных волоконных решёток со спиральным полимерным покрытием.

3.3. Выводы по главе 3.

Глава 4. Математическое моделирование оптических свойств ДВР с полимерным покрытием.

4.1. Математическое моделирование оптических свойств ДВР с полимерным покрытием.

4.2. Определение эффективных показателей преломления оболочки и сердечника.

4.3. Описание мод распространяющихся в сердечнике и оболочке волокна.

4.4. Определение резонансной длины волн как функции периода ДВР

4.5. Описание спектра пропускания ДВР с помощью теории связанных мод.

4.6. Оптимизация параметров гофрированных длиннопериодных волоконных решёток с полимерным покрытием.

4.7. Влияние температуры на оптические характеристики длиннопериодной гофрированной волоконной решётки.

4.8. Влияние давления на оптические характеристики длиннопериодной гофрированной волоконной решётки.

4.9. Влияние изменения показателя преломления окружающей среды на оптические характеристики длиннопериодной гофрированной волоконной решётки.

4.10. Выводы по главе 4.

Первые попытки создания датчиков на основе оптических волокон можно отнести к середине 70-х годов 20-го века. Публикации о более или менее приемлемых разработках и экспериментальных образцах подобных ' датчиков появились во второй половине 70-х годов. Однако считается, что этот тип датчиков сформировался как одно из направлений техники только в начале 80-х годов. Тогда же появился и термин «волоконно-оптические датчики» (optical fiber sensors). Таким образом, волоконно-оптические датчики — молодая область техники [1].

Сенсоризация производственной, медицинской, экологической деятельностей, т. е. замена органов чувств человека на датчики, должна рассматриваться в качестве третьей промышленной революции вслед за первыми двумя - машинно-энергетической и информационно-компьютерной. Потребность в датчиках стремительно растет в связи с бурным развитием автоматизированных систем контроля и управления, внедрением новых технологических процессов, переходом к гибким автоматизированным производствам. Помимо высоких метрологических характеристик датчики должны обладать высокой надежностью, долговечностью, стабильностью, малыми габаритами, массой и энергопотреблением, совместимостью с микроэлектронными устройствами обработки информации при низкой трудоемкости изготовления и небольшой стоимости. Этим требованиям в максимальной степени удовлетворяют волоконно-оптические датчики (ВОД).

Совершенствование систем автоматического контроля, медицины, экологии и управления различными объектами, процессами, производствами во многом определяется достижениями в области измерительных

1 Р.Г. Джексон «Новейшие датчики» Изд. Техносфера, М. 2007. стр. 29 1 преобразователей (датчиков). В связи с этим, актуальной является задача исследования и разработки надежных, малогабаритных и дешёвых чувствительных элементов для датчиков различных физических величин, обладающих малым энергопотреблением, высокой чувствительностью и отвечающих современным техническим требованиям.

Создание информационно-измерительных систем (ИИС) до недавнего времени было чрезмерно дорогостоящим решением, в том числе и в смысле затрат на обслуживание и эксплуатацию таких систем. Дело в том что традиционные измерительные преобразователи (датчики), применяемые в таких ИИС, как правило, требуют подачи электропитания и собственной линии передачи сигнала измерительной информации, а также линии для подачи управляющих сигналов. Кроме того, условия эксплуатации датчиков достаточно жестко ограничены параметрами окружающей среды, по 'воздействием агрессивных сред, высоковольтным напряжением и электромагнитными помехами. Именно поэтому в последнее время интенсифицировались работы по созданию волоконно-оптических измерительных систем, которые в большинстве случаев лишены указанных недостатков. Их главными достоинствами являются потенциально высокая точность измерений, нечувствительность к электромагнитным помехам, возможность работы в агрессивных и взрывоопасных средах. В этой связи наиболее перспективными датчиками являются датчики на основе длиннопериодных волоконных решёток (ДВР), так как они обладают высокой чувствительностью к внешним воздействиям и на их основе могут создаваться ИИС содержащие множество датчиков с использованием WDM-технологии: мультиплексирование по длине волны.

Работы по созданию оптико-электронных измерительных систем на основе ДВР ведутся в Научном центре волоконной оптики при Институте общей физики им. A.M. Прохорова РАН, Институте радиотехники и электроники РАН, Дальневосточном государственном техническом университете, ФГУП ВНИИОФИ и МГТУ им. Н.Э. Баумана. За рубежом данными вопросами занимались такие организации как IPHT - Institute of Photonic Technology Optical Fibers and Fiber Applications, CEDRA, Blue Road Research Group, Micron Optics и многие другие, которые предложили множество методов изготовления ДВР.

Несмотря на значительные успехи, достигнутые в результате этих работ, особенно в плане разработки методов изготовления ДВР, до настоящего времени не разработаны методики позволяющие, уменьшить стоимость и трудоемкость изготовления ДВР для волоконных сенсоров. На решение указанной проблемы и направлена настоящая диссертационная работа. Поэтому, тема диссертации — «Разработка и исследование чувствительных элементов для многофункциональных волоконно-оптических датчиков на основе длиннопериодной волоконной решётки » - является, несомненно, актуальной.

Цель диссертационной работы Основной целью диссертационной работы является разработка, исследование и оптимизация компактных, надежных и экономичных чувствительных элементов для волоконно-оптических датчиков, позволяющих проводить измерение нескольких параметров одновременно.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка основ технологий создания ДВР на полимерной основе. Выявление физических закономерностей формирования периодических полимерных структур на поверхности оптических волокон.

2. Разработка методов модификации полимерных ДВР для расширения их функциональных возможностей. Создание композитных периодических покрытий на оптических волокнах, в том числе - из неорганических материалов.

3. Разработка основ технологий создания спиральных ДВР на полимерной

I основе.

4. Проведение экспериментальных исследований оптических характеристик ДВР и влияния на них температуры и показателя преломления окружающей среды.

5. Проведение теоретического анализа оптических характеристик ДВР с целью их оптимизации. г

Методы исследования

Для создания ДВР в работе использовались методы осаждения полимерных слоев из растворов и расплавов полимеров, а также в некоторых случаях проведение полимеризации слоя мономера.

Исследование оптических свойств ДВР проводилось спектроскопическими методами с использованием волоконного монохроматора, а также на фиксированных длинах волн с использованием перестраиваемых полупроводниковых лазеров.

Исследование влияния внешних воздействий на оптические характеристики ДВР проводилось путем варьирования температуры, давления и показателя преломления окружающей среды, а также варьированием механической нагрузки.

Теоретический анализ оптических свойств ДВР проводился численными методами с использованием теории связанных мод.

Научная новизна.

1. Впервые получены полимерные периодические структуры на оптическом волокне методом самоорганизации жидкого слоя полимера.

2. Впервые созданы полимерные спиральные ДВР.

3. Определены закономерности влияния геометрии и оптических характеристик гофров на чувствительность ДВР для разных физических воздействий.

4. Проведено экспериментальное исследование оптических характеристик полимерных ДВР, включая их оптическую реакцию на внешние физические воздействия.

Обоснованность и достоверность

Достоверность результатов исследования обусловлена использованием современных экспериментальных методик, взаимной проверкой полученных результатов, совпадением (в пределах точности измерений) данных, полученных различными методами, сравнением полученных численных значений с литературными данными в тех случаях, когда это возможно.

Обоснованность выводов исследований базируется на применении хорошо апробированных в мировой науке теоретических моделях, взаимной непротиворечивости сделанных научных заключений и наличии теоретических предсказаний, подтверждённых практикой в процессе последующих экспериментов.

Практическая ценность работы

Использование предложенного в работе метода изготовления ДВР позволяет построить надёжные и дешёвые волоконные оптические датчики, основной особенностью которых, является лёгкость изготовления и возможность одновременного измерения нескольких физических величин. Результаты исследований могут найти применение при разработке и создании волоконно-оптических датчиков для энергетики, нефтеперерабатывающей и химической промышленности, транспорта и строительства. Практическая значимость работы подтверждена 3 Патентами РФ.

Положения, выносимые на защиту

1. Самоорганизация слоя жидкого полимера на поверхности волокна приводит к формированию периодических гофрированных структур с периодом ОД.2 мм, который определяется диаметром волокна и вязкостью слоя полимера.

2. В оптических волокнах с гофрированным или спиральным полимерным покрытием возникают резонансы волноводных мод сердечника и полимерной оболочки, причем спектральная ширина резонансов лежит в пределах 0,1. .2 нм.

3. Внешние воздействия (изменение температуры или показателя преломления окружающей среды) на волоконную структуру с периодическим полимерным покрытием приводят к спектральному сдвигу резонансных полос пропускания и изменению их амплитуды. Температурная чувствительность спектрального сдвига полос достигает 0,14 нм/°С, Температурная чувствительность амплитуды резонансов может достигать 0,11 дБ/°С. Чувствительность к изменению показателя преломления окружающей среды может составлять АХУАп=4,5 нм/ тн.ед.

4. Для телекоммуникационных длин волн одномодовые ДВР имеют преобладающую чувствительность к изменению температуры и давления по сравнению с изменением показателя преломления окружающей среды при толщине гофра большей 5 мкм и 3,5 мкм для отношения показателей преломления гофра и сердечника большего или меньшего 1 соответственно. При толщинах гофра меньших вышеуказанных возрастает чувствительность к показателю преломления окружающей среды, а чувствительность к температуре и давлению уменьшается.

Апробация результатов работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались: на ХП1 Laser Optics Conference, SPb, 2008, 61 Научно -техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПб ГЭТУ, СПб, 2008, 62 Научно - техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПб ГЭТУ, СПб, 2009, 63 Научно - техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПб ГЭТУ, СПб, 2009.

Исследования проводились при поддержке:

• Грант проектов аспирантов, докторантов и сотрудников СПбГЭТУ, молодых ученых по разделу Ш «Темплана»

• Грант правительства Санкт-Петербурга 2009 г. (серия ПСП №090609)

• Стипендия правительства РФ.

Публикации.

Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 14 статьях и докладах, из них по теме диссертации 14, среди которых 4 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 3 статьи в других изданиях. Доклады доложены и получили одобрение на 4 международных, всерос-сийских и межвузовских научно-практических конференциях перечис-ленных в конце автореферата. Основные положения защищены 3 патентами РФ. Одна статья находится в печати в журнале, входящим в ведущее рецензируемое издание, рекомендованное в действующем перечне ВАК.

Содержание основных положений диссертации отражено в следующих публикациях:

ПУБЛИКАЦИИ, ВХОДЯЩИЕ В ПЕРЕЧЕНЬ ВАК:

1. Сидоров, А.И., Цирухин, A.A. Влияние параметров гофров на модуляцию эффективного показателя преломления длиннопериодных волоконных решеток с полимерным покрытием [Текст] / А.И. Сидоров, A.A. Цирухин // Оптический журнал. -2010. Т.77. Вып.2. - С.68-73.

2. Сидоров, А.И., Цирухин, A.A. Формирование полимерных периодических структур на поверхности оптических волокон [Текст] / А.И. Сидоров, A.A. Цирухин // Журнал технической физики, - 2010. Т.80. Вып.1. -С.125-129.

3. Цирухин, A.A. Влияние температуры на оптические характеристики длиннопериодной гофрированной волоконной решётки [Текст] / A.A. Цирухин // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» - 2010. №3, - С. 3-10.

4. Сидоров, А.И., Цирухин, A.A. Влияние температуры и показателя преломления окружающей среды на спектральные характеристики волоконных длиннопериодных решеток с полимерным гофрированным покрытием [Текст] / А.И. Сидоров, A.A. Цирухин // Оптический журнал, - 2010. Т.77. Вып.5. - С.55-60.

ДРУГИЕ ПУБЛИКАЦИИ:

5. Способ изготовления гофрированных оптических волокон / А.И. Сидоров, A.A. Цирухин // Патент РФ, №2379717. приоритет 23.05.2008, зарегистрирован 20.01.2010.

6. Способ изготовления спиральных длиннопериодных волоконных решеток / А.И. Сидоров, A.A. Цирухин // Заявка на Патент РФ, 2008 г. №2008143851/28. Положительное решение от 25.01.2010.

7. Способ изготовления длиннопериодной волоконной решетки / А.И. Сидоров, A.A. Цирухин // Заявка на Патент РФ, 2008 г. №2008143849/28. Положительное решение от 29.03.2010.

8. Сидоров, А.И., Цирухин, A.A. Оптимизация параметров гофрированных ДВР с полимерным покрытием для ВОД [Текст] / А.И. Сидоров, A.A. Цирухин // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» - 2009. №8. - С.3-8.

9. Сидоров, А.И., Цирухин, A.A. Формирование и оптические свойства длиннопериодных волоконных решёток с полимерным покрытием [Текст] / А.И. Сидоров, A.A. Цирухин // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», - 2009. №3, - С. 1524.

10. Сидоров, А.И. Цирухин, A.A. Длиннопериодные волоконные решётки с полимерным покрытием: возможности применения в качестве датчиков и сенсоров [Текст] / А.И. Сидоров, A.A. Цирухин // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» - 2009. №10. - С.17-22.

11. ХШ Laser Optics Conference, SPb, 2008.

12. 61 Научно - техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПб ГЭТУ, СПб, 2008.

13. 62 Научно - техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПб ГЭТУ, СПб, 2009.

14. 63 Научно - техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПб ГЭТУ, СПб, 2010.

Личный вклад автора заключается в том, что им получен экспериментальный материал, проведены необходимые расчёты, сформулированы выводы. Научный руководитель А.И. Сидоров принимал участие в постановке задачи, обсуждении полученных результатов, редактирование печатных работ. Публикации достаточно полно отражают основные положения и результаты исследования.

Диссертационная работа проводилась в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете («ЛЭТИ») и Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики («СПбГУ ИТМО»).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, включающего 204 наименования. Основная часть работы изложена на 125 страницах машинописного текста. Работа содержит 72 рисунков и 9 таблиц.

Выводы к главе 4

Метод численного моделирования показано, что чувствительность к изменению температуры, давления и внешнему показателю преломления ДВР с полимерным гофрированным покрытием не уступает чувствительности ДВР, изготовленных по классическим технологиям. Подбором материалов сердечника и полимерного гофрированного покрытия можно изменять чувствительность к измеряемым физическим воздействиям, например, к температуре, давлению и внешнему показателю преломления.

Так же численное моделирование показало, что в ДВР с полимерными гофрированными покрытиями появляется возможность изменять эффективный показатель преломления в широких пределах путем изменения показателя преломления и толщины гофра. Это позволяет оптимизировать оптические и резонансные характеристики ДВР применительно к их использованию в качестве чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков. Выбор оптимальной толщины гофра позволяет также обеспечить избирательную чувствительность ДВР к определенному типу внешнего воздействия.

Заключение

В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие результаты:

1. Разработаны основы технологий создания ДВР на полимерной основе. Формирования периодических полимерных структур на поверхности оптических волокон, связанно с самоорганизации раствора полимера Период продольных структур определяется концентрацией раствора и диаметром волокна и может варьироваться от 100 мкм до 2 мм;

2. Разработаны методы изготовления спиральных ДВР на полимерной основе. Их достоинствами являются простота изготовления и большой выбор оптических материалов, как для сердечника, так и для спирального покрытия.

3. Проведены экспериментальные исследования оптических характеристик ДВР и влияния на них внешних факторов - температуры и показателя преломления окружающей среды Представленные результаты показывают, что ДВР с полимерным периодическим покрытием обладают резонансными свойствами, а их чувствительность к изменению температуры не уступает чувствительности ДВР, изготовленных по классическим технологиям. Температурная чувствительность спектрального сдвига полос достигает 0,14 нм/°С, Температурная чувствительность амплитуды резонансов 0,11 дБ/ °С. Чувствительность к изменению показателя преломления окружающей среды - АХУАп=4.6 нм / отн.ед.; Чувствительность к изменению давления - ДХ/Лр= 8 нм/атм.

4. Теоретический анализа оптических характеристик ДВР с целью их оптимизации показал, что в ДВР с полимерными гофрированными покрытиями появляется возможность изменять эффективный показатель преломления в широких пределах путем изменения показателя преломления и толщины гофра. Это позволяет оптимизировать оптические и резонансные характеристики ДВР применительно к их использованию в качестве чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков. Выбор оптимальной толщины гофра позволяет также обеспечить избирательную чувствительность ДВР к определенному типу внешнего воздействия.

Полученные результаты методов изготовления ДВР позволяет построить надёжные и дешёвые волоконные оптические датчики, основной особенностью которых, является лёгкость изготовления и возможность одновременного измерения нескольких физических величин. Результаты исследований могут найти применение при разработке и создании волоконно-оптических датчиков для энергетики, нефтеперерабатывающей и химической промышленности, транспорта и строительства.

Сравнение расчёта и экспериментальных результатов приведено в таблице 3. Из таблицы видно, что использование математического моделирования позволяет описать свойства ДВР с полимерным покрытием и влияния на ДВР внешних факторов. Полученные экспериментальные и расчётные результаты близки по величине. Так же математическое моделирование позволяет оптимизировать ДВР с полимерным покрытием с целью повышения их чувствительности к воздействию одного из факторов.

1. Джексон, Р.Г. Новейшие датчики/Р.Г. Джексон М.: Техносфера, 2007.29 с.

2. Засовин, Э.А. Амплитудные волконно-оптические датчики /Э.А. Засовин // Измерительная техника. 1992. - №1.- С.34; 39; 40.

3. Засовин, Э.А. Волоконно-оптические преобразователи в системах передачи и данных / Э.А. Засовин, Д.И. Мировицкий // Итоги науки и техники. Сер. «Связь». М.: Изд-во ВИНИТИ. - 1991. - Т. 8.

4. Козел, С.М. Оптическое возбуждение механических микрорезонаторов / С.М. Козел, В.Н. Листвин, А.В.Чуренков // Письма в ЖТФ. 1991. Т. 17. Вып.22. С.54-56.

5. Козел, С.М. Фототермическое самовозбуждение механических микрорезонаторов / С.М. Козел, В.Н. Листвин, А.В. Чуренков // Оптика и спектроскопия. 1990. Т.69. Вып.З. С.697-681.

6. Oda, К. A wide-FSR waveguide double-ring resonator for optical FDM transmission systems / K. Oda, N. Takato, H. Toba // Journal of Lightwave Technology, 1991. Vol.9, P.728-736.

7. Little, B.E. Microring resonator arrays for VLSI photonics / B.E. Little, S.T. Chu, W. Pan, Y. Kokubun //IEEE Photonics Technology Letters, 2000.Vol.12. P. 323-325.

8. Little, B.E. Microring resonator channel dropping filters / B.E. Little, S.T. Chu, H.A. Haus, J. Foresi, J.P. Laine // Journal of Lightwave Technology, 1997. Vol.15. P.998-1005.

9. Choi, S.J. Eight-channel microdisk CW laser arrays vertically coupled to common output bus waveguides / S.J. Choi, Z. Peng, Q. Yang, S.J. Choi, P.D. Dapkus //IEEE Photonics Technology Letters, 2004. Vol.16. P. 356-358.

10. Liu, X. Optically pumped ultraviolet microdisk laser on a silicon substrate / X. Liu, W. Fang, Y. Huang, X.H. Wu, S.T. Ho, H. Cao, R.P.H. Chang // Applied Physics Letters, 2004. Vol.84. P.2488-2490.

11. Choi, S. J. Microdisk lasers vertically coupled to output waveguides / S.J. Choi, K. Djordjev, S.J. Choi, P.D. Dapkus // IEEE Photonics Technology Letters, 2003. Vol.15, P.1330-1332.

12. Little, B.E. Microring resonator arrays for VLSI photonics / B.E. Little, S.T. Chu, W. Pan, Y. Kokubun // IEEE Photonics Technology Letters, 2000. Vol.12, P.323-325.

13. Vollmer, F. Multiplexed DNA quantification by spectroscopic shift of two microsphere cavities/ F. Vollmer, S. Arnold, D. Braun, I. Teraoka, A. Libchaber //Biophysical Journal, 2003. Vol.85, P.1974-1979.

14. Armani, A.M. Heavy water detection using ultra-high-Q micro cavities / A.M. Armani, K.J. Vahala // Optics Letters, 2006. Vol.31, P. 1896-1898.

15. Matsko, A. B. Optical resonators with whispering-gallery modes—Part I: Basics / A.B. Matsko, V.S. Ilchenko // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2006. Vol.12, P.3-14.

16. Ilchenko, V.S. Optical resonators with whispering-gallery modes—Part П: Applications/ V.S. Ilchenko, A.B. Matsko // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2006. Vol.12, P.15-32.

17. Xu, Q. Micrometre-scale silicon electrooptic modulator / Q. Xu, B. Schmidt, S. Pradhan, M. Lipson//Nature, 2005. Vol. 435, P.325-327.

18. Barrios, C.A. Electrooptic modulation of silicon-on-insulator submicrometer-size waveguide devices / C.A. Barrios, V.R. Almeida, R. Panepucci, M. Lipson // Journal of Lightwave Technology, 2003. Vol.21, P.2332-2339.

19. Стрэттон Дж.А. Теория электромагнетизма./ Дж.А. Стрэттон -М.: Госте-хиздат, 1948. С.539.

20. Vahal, К. Conference on Lasers and Electro-Optics / Vahal K., Cai M. CLEO 2000. СМНЗ, P.67.

21. Karakantzas, G. Miniature all-fiber devices based on C02 laser microstructuring of tapered fibers / G. Karakantzas, Т.Е. Dimmick, T.A. Birks, R. Le Roux, P. St. J. Russell // Optics Letters. 2001. Vol.26, №15, P.1137-1139.

22. Снайдер, А. Теория оптических волноводов: Пер. с англ. / А. Снайдер, Дж. Лав М.: Радио и связь, 1987.

23. Garrett, С. G. В. Stimulated Emission into Optical Whispering Modes of Spheres / C. G. B. Garrett, W. Kaiser, W. L. Bond // Physical Review, 1961. Vol.124, P.1807-1809.

24. Guan, G. Temperature measurements using a micro-optical sensor based on whispering gallery modes / G. Guan, S. Arnold, M. Otugen // AIAA J. 2006. Vol.44, P.23 85-23 89.

25. Tapalian, H. C. Thermo-optic switches using coated microsphere resonators / H.C. Tapalian, J.-P. Laine, P.A. Lane // IEEE Photon. Technol. Lett. 2002. Vol.14, P.l 118-1120.

26. Ilchenko, V. S. Strain tunable high-Q optical microsphere resonator / V.S. Ilchenko, P.S. Volikov, V.L. Velichansky, F. Treussart // Opt. Commun. 1998. Vol.145, P.86-90.

27. Vollmer, F. Protein detection by optical shift of a resonant microcavity / F. Vollmer, D. Brown, A. Libchaber, M. Khoshsima, I. Teraoka, S. Arnold // Appl. Phys. Lett. 2002. Vol.80, P.4057^059.

28. Arnold, S. Shift of whispering gallery modes in microspheres by protein adsorption / S. Arnold, M. Khoshsima, I. Teraoka, S. Holler, F. Vollmer // Opt. Lett. 2003. Vol.28, P.272-274.

29. Teraoka, I. Perturbation approach to resonance shifts of whispering gallery modes in a dielectric microsphere as a probe of surrounding medium / I. Teraoka, S. Arnold, F. Vallmer // J. Opt. Soc. Am. B 2003. Vol.20, P. 19371946.

30. Rosenberger, A. T. Whispering-gallerymode evanescent-wave microsensor for trace-gas detection / A.T. Rosenberger, J. P. Rezac // Proc. SPIE 2001. Vol.4265, P. 102-112.

31. Das, N. Investigation of a micro-optical concentration sensor concept based on whispering gallery mode resonators / N. Das, T. Ioppolo, V. Otugen //presented at the 45th ALAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibition, Reno, Nev., January 8-11, 2007.

32. Laine, J. P. Acceleration sensor based on high-Q optical microsphere resonator and pedestal antiresonant reflecting waveguide coupler / J. P. Laine, C. Tapalian, B. Little, H. Haus // Sens. Actuators, A 2001.Vol.93, P.l-7.

33. Ioppolo, T. Micro-optical force sensor concept based on whispering gallery mode resonators /T. Ioppolo, M. Kozhevnikov, V. Stepaniuk, M. V. Otugen, V. Sheverev // Applied Optics IP, 2008. Vol.47, №16, P.3009-3014.

34. Wang R. P. and Dumitrescu M. M. Theory of optical modes in semiconductor microdisk lasers / R.P. Wang, M.M. Dumitrescu // Journal of Applied Physics, 1997. Vol. 81, P. 3391-3397.

35. Snyder, A. W. Optical waveguide theory. / A. W. Snyder, J.D. Love -Chapman & Hall. 1983.

36. Teraoka, I. Perturbation approach to resonance shifts of whispering gallery modes in a dielectric microsphere as a probe of surrounding medium/ I. Teraoka, S. Arnold, F. Vallmer // J. Opt. Soc. Am. B, 2003. Vol.20, P. 19371946.

37. Nam, S. H. Fiber optic high temperature sensing based on whispering gallery mode resonance/ S.H. Nam, S. Yin, K.M. Reicharda, K. Deng // Proc. of SPIE 2005. Vol. 5911 P.59110W-59111W.

38. Frazao, O. Applications of fibreopticgrating technology to multi-parameter measurement / O. Frazao, L.A. Ferrera, F.M. Araujo, J.L. Santos // Fibrelnt.Opt. 2005. Vol.24, P.227-244.

39. Bilodeau, F., An all-fiber dense-wavelength multiplexer/demultiplexer using photoimprinted Bragg gratings/ F. Bilodeau, D.C. Johnson, S. Theriault, B. Malo, J.Albert, K.O. Hill // IEEE Photonics Technology Letters, 1995. Vol.7, №.4, P.388-390.

40. Bird, D.M. Narrow line semiconductor laser using fibre grating / D.M. Bird, J.R. Armitage, R. Kashyap, R.M.A. Fatah, K.H. Cameron // Electronics Letters, 1991. Vol.27, P.l 115-1116.

41. Archambbault, J.-L. Fiber Gratings in lasers and amplifiers/ J.-L. Archambbault, S.G. Grubb // J.Lightwave Technol., 1997. Vol.15, №.8, P.1378-1390.

42. Kersey, A.D. Fiber grating sensors / A.D. Kersey, M.A. Davis, H.J. Patrick, M. LeBlanc, K.P. Koo, C.G. Askins, M.A. Putnam, EJ. Friebele // J. Lightwave Technol., 1997. Vol.15, №.8, P.1442-1463.

43. Savin, S. Tunable mechanically induced long-period fiber gratings/ S. Savin, M.J.F. Digonnet, G.S. Kino, H.J. Shaw // Optics Letters, 2000. Vol.25, №10, P.710-712.

44. Sohn, I. Flattened and improved double-pass two-stage EDFA using mycrobending long-period fiber gratings/ I. Sohn, J. Song // Optics Communications. Vol.236 №1-3,2004. P.141-144.

45. Sohn, K.R. Thermo-optically tunable band-rejection filters using mechanically formed long-period fiber gratings/ K.R. Sohn, K.T. Kim // Optics Letters, 2005. Vol.30, №20, P.2688-2690.

46. Lee, N.K. Fabrication of Fiber Device with Long-Period Fiber Gratings at Locations under Applied Pressure and Its Application as Load Sensor/ N.K. Lee, J.W. Song, J.H. Park//Jpn. J. Appl. Phys. 2006. Vol.45. P.1656-1657.

47. Xiao, G. Z. Interrogating fiber Bragg grating sensors by thermally scanning a demultiplexer based on arrayed waveguide gratings / G. Z. Xiao, P. Zhao, F. G. Sun, G. Lu Z., Z.Y. Zhang, C.P. Grover // Opt. Lett., 2004. Vol.29, P.2222-2224.

48. Sohn, K.R. Investigation of Resonant Wavelength Separation in Microband-induced Fiber Gratings / K.R. Sohn, J.H. Shim, K.T. Kim // Journal of the Optical Society of Korea. 2006. Vol.10. №2, P.63-66.

49. Erdogan, T. Fiber grating spectra/ T. Erdogan // J. Lightwave Techn., 1997. Vol.15, №.8, P.1277-1294.

50. Bae, J.K. Spectral shape tunable band-rejection filter using a long-period fiber grating with divided coil heaters / J.K. Bae, S.H. Kim, J.H. Kim, J. Bae, S.B. Lee, J. Jeong // IEEE Photon. Technol. Lett. 2003. Vol.15, №3, P.407-409.

51. Lin, C.-H. Strain-Induced Thermally Tuned Long-Period Fiber Gratings Fabricated on a Periodically Corrugated Substrate / C.-H. Lin, Q. Li, A.A. Au, Y. Jiang, E. Wu, H.P. Lee // J. Lightwave Technol. 2004. Vol.22, №7, P.l 8181820.

52. Wu, E. A highly efficient thermally controlled loss-tunable long-period fiber grating on corrugated metal substrate / E. Wu, R.-C. Yang, K.-C. San, C.-H. Lin, F. Alhassen, H.P. Lee // IEEE Photon. Technol. Lett. 2005. Vol.17, №3, P.612-614.

53. Vengsarkar, A. M. Long-period fiber gratings as band-rejection filters / A.M. Vengsarkar, P.J. Lemaire, J.B. Judkins, V. Bhatia, T. Erdogan, J.E. Sipe // J. Lightwave Technol. 1996. Vol.14, P.58-65.

54. Koropchak, A. Nanoparticle Detection Methods for Chemical Analysis / A. Koropchak, S. Sadain, X. Yang, L. Magnusson, M. Heybroek, M. Anisimov, S.L. Kaufman // Analytical Chemistry, 1999. Vol.71, P.386A-394A.

55. Ignatovich, F.V. Experimental study of nanoparticle detection by optical gradient forces / F.V. Ignatovich, L. Novotny // Rev. Sci. Instrum. 2003. Vol.74, №12, P.5231-5235.

56. Schmidt, B. Nanocavity in a silicon waveguide for ultrasensitive nanoparticle detection/ B. Schmidt, V. Almeida, C. Manolatou, S. Preble, M. Lipson // Appl. Phys. Lett. 2004. Vol.85, P.4854-4856.

57. Levene, MJ. Zero-mode waveguides for single-molecule analysis at high concentrations/ MJ. Levene, J. Korlach, S.W. Turner, M. Foquet, H.G. Craighead, W. W. Webb7/ Science 2003. Vol.299, P.682-686.

58. Malaquin, L. Interdigitated nanoelectrodes for nanoparticle detection / L. Malaquin, C. Vieu, C. Martinez, B. Steck, F. Carenac // Nanotechnology 2005. Vol.16 P.S240-S245.

59. Graff, M. Resonance light scattering (RLS) detection of nanoparticle separations in a microelectrical field-flow fractionation system / M. Graff, A.B. Frazier // IEEE Trans. Nanotechnol. 2006. Vol.5, №1, P.8-13.

60. Tong, L. M. Subwavelength-diameter silica wires for low-loss optical wave guiding / L. M. Tong, R.R. Gattass, J.B. Ashcom, S. L. He, J. Y. Lou, M. Y. Shen, I. Maxwell, E. Mazur//Nature 2003. Vol.426, P.816-819.

61. Brambilla, G. Ultra-low-loss optical fiber nanotapers / G. Brambilla, V. Finazzi, D. J. Richardson // Opt. Express 2004. Vol.12, P.2258-2263.

62. Leon-Saval, S.G. Supercontinuum generation in submicron fibre waveguides / S.G. Leon-Saval, T.A. Birks, W.J. Wadsworth, P.St.J Russell, M.W. Mason // Opt. Express, 2004. Vol.12, №13, P.2864-2869.

63. Tong, L. M. Photonic nanowires directly drawn from bulk glasses / L.M. Tong, L.L. Hu, J. J. Zhang, J.R. Qiu, Q. Yang, J.Y. Lou, Y.H. Shen, J.L. He, Z. Z. Ye // Opt. Express 2006. Vol. 14, P.82-87.

64. Shi, L. Fabrication of submicron-diameter silica fibers using electric strip ' heater / L. Shi, X.F. Chen, H.J. Liu, Y.P. Chen, Z.Q. Ye, W.J. Liao, and Y.X.

65. Xia // Opt. Express, 2006. Vol.14, P.5055-5060.

66. Lou, J. Modeling of silica nanowires for optical sensing / J. Y. Lou, L. M. Tong, Z. Z. Ye // Opt. Express 2005. Vol.13, P.2135-2140.

67. Polynkin, P. Evanescent field-based optical fiber sensing device for measuring the refractive index of liquids in microfluidic channels / P. Polynkin, A. Polynkin, N. Peyghambarian, M. Mansuripur // Opt. Lett. 2005. Vol. 30, №11, P.1273-1275.

68. Villatoro, J. Fast detection of hydrogen with nano fiber tapers coated with ultra thin palladium layers / J.Villatoro, D. Monzon-Hernandez // Opt. Express 2005. V.13, P.5087-5092.

69. Chremmos, I.D. Integral equation analysis of scattering by a spherical microparticle coupled to a subwavelength-diameter wire waveguide / I.D. Chremmos, N.K. Uzunoglu // J. Opt. Soc. Am. A, 2006. Vol.23, P.461^67.

70. Kien, F. Le. Light-induced force and torque on an atom outside a nanofiber/ F.Le Kien, V.l. Balykin, K. Hakuta //Phys. Rev. 2006. Vol.A74, №3, P.(033412)l-8. '

71. Johns, M. Limited Possibility for Quantifying Mean Particle Size by Logarithmic Light-Scattering Spectroscopy / M. Johns, H.L. Liu // Appl. Opt.2003. Vol.42, №16, P.2968-2971.

72. Van de Hülst, H.C. Light Scattering by Small Particles /H.C. van de Hülst //Dover, New York, 1981.

73. Snyder, A.W. Optical Waveguide Theory / A.W. Snyder, J.D. Love // Chapman and Hall, New York, 1991.

74. Tong, L.M. Single-mode guiding properties of subwavelength-diameter silica and silicon wire waveguides / L.M. Tong, J.Y. Lou, E. Mazur // Opt. Express2004. Vol.12, № 6 P.1025-1035.

75. Jung, L.S. Quantitative Interpretation of the Response of Surface Plasmon Resonance Sensors to Adsorbed Films / L.S. Jung, C.T. Campbell, T.M. Chinowsky, M.N. Mar, S.S. Yee // Langmuir 1998. Vol.14, №19, P.5636-5648.

76. Balch, W.M. Light scattering by viral suspensions / W.M. Balch, J. Vaughn, J. Navotny, D.T. Drapeau, R. Vaillancourt, J. Lapierre, A. Ashe // Limnol. Oceanogr. 2000. Vol.45, №2, P .492^198.

77. Benesch J. The determination of thickness and surface mass density of mesothick immunoprecipitate layers by null ellipsometry and protein 125iodine labeling / J. Benesch, A. Askendal, P. Tengvall // J. Colloid Interface Sei. 2002. Vol.249, P.84-90.

78. Ma, X. Determination of Complex Refractive Index of Polystyrene -Microspheres from 370 to 1610nm / X. Ma, J.Q. Lu, R.S. Brock, K.M. Jacobs, P. Yang, X.H. Hu // Phys. Med. Biol. 2003. Vol.48, P.4165-4172.

79. Klocek, P. Handbook of Infrared Optical Materials / P. Klocek // Marcel Dekker, New York, 1991.

80. Schiebener, P. Refractive Index of Water and Steam as Function of „ Wavelength, Temperature and Density / P. Schiebener, J. Straub, J.M.H. Levelt

81. Sengers, J.S. Gallagher // J. Phys. Chem. Ref. Data 1990. Vol.19, №3, P.677-717.

82. Heideman, R.G. Performance of a highly sensitive optical waveguide Mach-Zehnder interferometer immunosensor / R.G. Heideman, R.P.H. Kooyman, J. Greve // Sens. Actuators B, Chem. 1993. Vol.10, №3, P.209-217.

83. Luff, B.J. Integrated optical Mach-Zehnder biosensors / B.J. Luff, J.S. Wilkinson, J. Piehler, U. Hollenbach, J. Ingenhoff, N. Fabricius // J. Lightw. Technol., 1998. Vol.16, №4, P.583-592.

84. Spirin, V.V. Temperature-insensitive strain measurement using differential double Bragg grating technique / V.V. Spirin, M.G. Shlyagin, S.V. Miridonov,- J. Marquez // Opt. Laser Technol. 2001. Vol.33, P.43-46.

85. Kogelnik, H. Theory of optical waveguides / H. Kogelnik // in Guided-Wave Optoelectronics by T. Tamir, пер. изд-ва «Мир», Москва, 1991.

86. Othonos, A. Fiber Bragg gratings / A. Othonos // Rev. Sci. Instrum., 1997. Vol.68, №.12, P.4309-4341.

87. Li, Y. Radiation modes and tilted fiber gratings / Y. Li, T. G. Brown // J. Opt. Soc. Am. B, 2006. Vol. 23, №.8, P.1544-1555.

88. Гармаш, В.Б. Возможности, задачи и преспективы волоконно-оптических измерительных систем в современном приборостроении / В.Б. Гармаш, Ф.А. Егоров, JI.H. Коломиец, А.П. Неугодников, В.И. Поспелов // «ФОТОН-ЭКСПРЕСС» 2005. №6.

89. Han, Y.G. Fibre-optic sensing applications of a pair of long-period fiber gratings./ Y.G. Han, B.H. Lee, W.T. Han, U.C. Paek, Y. Chung // Measurement Science and Technology 2001. Vol.12, №7, P.778-781.

90. James, S.W. Optical fibre long-period grating sensors: characteristics and applications./ S.W. James, R.P. Tatam // Measurement Science and Technology 2003. Vol.14, №5, P.R49-R61.

91. Chong, J. H. Measurements of refractive index sensitivity using long-period grating refractometer / J.H. Chong, P. Shum, H. Haryono, A. Yohana, M.K. Rao, C. Lu, Y. Zhu // Optics Communications Vol.229, 2004. P.65-69.

92. Ng, M.N. Thermal effects on the transmission spectra of long-period fiber gratings / M.N. Ng, K.S. Chiang // Optics Communications Vol.208, 2002. P.321-327.

93. Bae, T. Interferometric fiber-optic sensor embedded in a spark plug for incylinder pressure measurement in engines/ T. Bae, R.A. Atkins, H.F. Taylor // Appl. Opt., 2003. Vol.42, №6, P.1003-1007.

94. Grossmann, B.G. Fiber optic sensor array for multi-dimensional strain measurement/ B.G. Grossmann, L.T. Huang // Smart Mater. Struct., 1998. Vol.7, №2, P.159-165.

95. Zhu, Y.Z. Miniature fiber-optic pressure sensor/ Y.Z. Zhu, A.B. Wang, // IEEE Photon. Tech. L., 2005. Vol.17 №2, P.447-449.

96. Sirkis, J. In-Line Fiber Etalon (ILFE) Fiberoptic Strain Sensors / J. Sirkis, T.A. Berkoff, R.T. Jones, H. Singh, A.D. Kersey, E.J. Friebele, M.A. Putnam // J.Lightwave Technol., 1995. Vol.13, №7, P.1256-1263.

97. Chen, X. A novel Fabry-Perot fiber-optic sensor with multiple applications / X. Chen, F. Shen, Y. Zhang, Z. Wang, A. Wang // in Sensors for Harsh Environments, A. Wang, ed., Proc. SPIE 2004. Vol.5590, P.l 11-121.

98. Peng, W. Self-compensating fiber optic flow sensor system and its field applications / W. Peng, G.R. Pickrell, Z. Huang, J. Xu, D.W. Kim, B. Qi, Wang A.// Appl. Opt., 2004. Vol.43, №8: P.1752-1760.

99. Qi, B. Novel data processing techniques for dispersive white light interferometer / B. Qi, G.R. Pickrell, J. Xu, P. Zhang, Y. Duan, W. Peng, Z. Huang// Opt. Eng., 2003. Vol.42, №11, P.3165-3171.

100. Lee, C.E. Interferometric Optical Fiber Sensors Using Internal Mirrors / C.E. Lee, H.F. Taylor // Electron. Lett., 1988. Vol.24, №4, P.193-194.

101. Betts, P. Bragg grating Fabry-Perot interferometer with variable finesse / P. Betts, J.A. Davis // Opt. Eng., 2004. Vol.43, №5, P.1258-1259.

102. Shen, F. UV-induced intrinsic Fabry-Perot interferometric fiber sensors / F. Shen, W. Peng, K. Cooper, G. Pickrell, A. Wang // Sensors for Harsh Environments, A. Wang, ed., Proceedings of SPIE 2004. V.5590, P.47-56.

103. Tsai, W. H. A Novel Structure for the Intrinsic Fabry-Perot Fiber-Optic Temperature Sensor / W. H. Tsai, C.J. Lin // J. Lightwave Technol., 2001. Vol.19, №5, P.682-686.

104. Zhang, Y. Microgap multicavity Fabry-Perot biosensor / Y. Zhang, X. Chen, Y. Wang, K.L. Cooper, A. Wang // J. Lightwave Technol., 2007. Vol. 25, №7, P. 1797-1804.

105. Chao, S. C. Extended Gaussian approximation for single-mode graded-index fibers/ S.C. Chao, W.H. Tsai, M.S. Wu // J. Lightwave Technol., 1994. Vol.12, №3, P.392-395.

106. Rozzi, Т. E. Rigorous analysis of the step discontinuity in a planar dielectric waveguide / Т.Е. Rozzi // IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 1978. Vol. MTT-26, №7, P.73 8-809.

107. Rao, Y.J. Micro Fabry-Perot interfrometers in silica fibers machined by femtosecond laser / Y.J. Rao, M. Deng, T. Zhu // OPTICS EXPRESS, 2007. Vol. 15, №21, P.14123-14128.

108. Сидоров, А.И. Физические основы и методы управления излучением в устройствах интегральной оптики. / А.И. Сидоров //Уч. пособ. СПб.: Изд. СПб ТЭТУ «ЛЭТИ», 2007, С.80

109. Бурков, В.Д. Численное моделирование явлений резонансной автомодуляции в системе эрбиевый волоконный лазер-микрорезонатор /

110. B.Д. Бурков, Ф.А. Егоров, Я.В. Малков, В.Т. Потапов, Т. В. Потапов // Радиотехника и электроника, 2000. №7, Т.454, С.880-886.

111. Бурков, В.Д. Микрорезонаторные волоконно-оптические датчики и системы измерения физических величин на их основе / В.Д. Бурков, Ф.А. Егоров, Я.В. Малков, В.Т. Потапов // Радиотехника 2000. №8, С.42-49.

112. Mamedov, A.M. Distributed interferometric fiber sensor system. / A.M. Mamedov, V.T. Potapov, S.V. Shatalin //Optics Letters, 1992. Vol. 17, №.22, P.1623-1625.

113. Mamedov, A.M. Interferometry with Rayleigh backscattering in a single-mode optical fiber / A.M. Mamedov, V.T. Potapov, S.V. Shatalin // Optics Letters, 1993. Vol. 19, №3, P.225-227.

114. Потапов, В.Т. Автодинные мультиплексные волоконно-оптические датчики / В.Т. Потапов, A.M. Мамедов, С.В. Шаталин, Р.В. Юшкайтис // Квантовая электроника, 1993. Vol.20, №9, С.905-912.

115. Мамедов, A.M. Распределенный интерферометрический волоконно-оптический датчик. / A.M. Мамедов, В.Т. Потапов, С.В. Шаталин, Р.В. Юшкайтис//Письма в ЖТФ, 1993. Т.19, вып.8, С.6-12.

116. Потапов, В.Т. Интерференционные эффекты при релеевском рассеянии излучения в оптических волокнах / В.Т. Потапов, В.Н. Трещиков, С.В. Шаталин // Радиотехника и электроника. 1998. Т.43, №12, С. 1505-1510.

117. C.291-292, Украина, Ялта-Гурзуф.

118. Солимено, С. Дифракция и волноводное распространение оптического 1 излучения / С. Солимено, Б. Крозиньяни, П. Порто // М.: Мир, 1989.

119. Шевченко, В.В. Потери на излучение в изогнутых волноводах поверхностных волн / В.В. Шевченко // Изв. Вузов, Радиотехника, 1971. №5. С.768.

120. Кривошлыков, С.Г. Функциональные возможности и чувствительность датчиков на основе многомодовых градиентных оптических волноводов / С.Г. Кривошлыков, И.Н. Сисакян // Квантовая электроника, 1987. Т. 14. № 3. С.481-491.

121. Methods for Computer Design of Diffractive Optical Elements // Edited by Victor A. Soifer-John Wiley & Sons, Inc., New York, USA, 2002.

122. Бусурин, В.И. Волоконно-оптические датчики: физические основы вопросы расчёта и применения / В.И. Бусурин, Ю.Р. Носов // М.: ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ 1990.

123. Djavid, М. Coupled-mode analysis of photonic crystal add-drop filters based on ring resonators / M. Djavid, A. Ghaffari, M.S. Abrishamian // J. Opt. Soc. Am. B, 2008. Vol.25, №11, P.1829-1832.

124. Li, Y. Radiation modes and tilted fiber gratings / Y. Li, T. G. Brown // J. Opt. Soc. Am. B, 2006. Vol. 23, №.8, P.1544-1555.

125. Bandyopadhyay, S. Empirical Relations for Design of Linear Edge Filters Using Apodized Linearly Chirped Fiber Bragg Grating / S. Bandyopadhyay, P. Biswas, A. Pal, S.K. Bhadra, K. Dasgupta // J. Lightwave Technol, 2008. Vol.26, №.24, P.3853-3859.

126. Joao, L.R. Performance Optimization of Gaussian Apodized Fiber Bragg Grating Filters in WDM Systems" / L.R. Joao, A.V.T. Cartaxo // J. Lightwave Technol, VOL. 20, NO. 8, AUGUST 2002

127. Eldada, L. Advances in Polymer Integrated Optics / L. Eldada, K.M.T. Stengel, L.W. Shacklette // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2000. Vol.6, P.54-68.140.www.terraelecctronica.ru/files/note/s50508.pdf

128. Meltz, G. Formation of Bragg gratings in optical fibers by transverse holographic method / G. Meltz, W.W. Morey, W.H. Glenn // Opt. Lett., 1989. Vol.14, №.15, P.823-825.

129. James, S.W. Optical fiber long-period grating sensors: characteristics and applications / S.W. James, R.P. Tatam // Measurement Science and Technology 2003. Vol.14, №5, P.R49-R61.

130. Thyagarajan, K. A simple and direct method to estimate long period grating parameters. / K. Thyagarajan, M. Das, M.N. Satyanarayan // Optics Communications 2003. Vol.218, P.67-72.

131. Palai, P. Characterization and simulation of long period gratings fabricated using electric discharge. / P. Palai, M.N. Satyanarayan, M. Das, K. Thyagarajan, B.P. Pal // Optics Communications 2001. Vol.193, P.181-185.

132. Hwang, I.K. Long-period fiber gratings based on periodic microbends / I.K. Hwang, S.H. Yun, B.Y. Kim // Optics Letters 1999. Vol.24, №18, P.1263-1265.

133. Pilevar, S. Effects of grating period and mode order on the growth and sensitivity of the resonant peaks of long period gratings./ S. Pilevar, T.W. MacDougall, C.C. Davis // IEICE Transactions on Electronics 2000. Vol.E831. C, №3, P.448-453.

134. Guan, B.O. Growth characteristics of long-period gratings in hydrogen-loaded fiber during and after 193nm UV inscription / B.O. Guan, H.Y. Tam, H.L.W. Chan, C.L. Choy, M.S. Demokan // Measurement Science and Technology 2001. Vol.12, №7, P.818-823.

135. Hill, K.O. Bragg grating fabricated in monomode photosensitive optical fiber by UV exposure through a phase mask / K.O. Hill, B. Malo, F. Bilodeau, D.C. Johnson, J. Albert // Appl. Phys. Lett., 1993. Vol.62, №.10, P.1035-1037.

136. Albert, J. Photosensitivity in Ge-doped silica optical waveguides and fibers with 193 nm light from an ArF excimer laser / J. Albert, B. Malo, F. Bilodeau,

137. D.C. Johnson, K.O. Hill, Y. Hibino, M. Kawachi // Opt. Lett., 1994. Vol.19, №.6, P.387-389.

138. Herman, P.R. 157-nm photosensitivity in germanosilicate waveguides / P.R. Herman, K. Beckley, S. Ness // OSA Techn. Dig. Series, 1997. Vol.17, BME4, P.159-161.

139. Kashyap, R. Fiber Bragg Gratings / R. Kashyap //Academic Press, 1999.

140. Медведков, О.И. Запись волоконных брэгговских решеток в схеме с интерферометром Ллойда и моделирование их спектральных свойств / О.И. Медведков, И.Г. Королев, С.А. Васильев // препринт НЦВО ИОФ РАН 2004. №6.

141. Su, L. C02-laser fabricated long-period grating sensors in gradedindex multimode fibers / L. Su, C. Lu, K.S. Chiang // OSA, Optical Fiber Communication Conference (OFC) 2006. P.OWI42.

142. Davis, D.D. Long-period fiber grating fabrication with focused C02 laser pulses / D.D. Davis, Т.К. Gaylord, E.N. Glytsis, S.G. Kosinski, S.C. Mettler, A.S. Vengsarkar//Electronics Letters 1998.Vol.34, №3, P.302-303.

143. Yamasaki, S. Characteristics of long-period fiber grating utilizing periodic stress relaxation / S. Yamasaki, M. Akiyama, K. Nishide, A. Wada, R. Yamauchi // IEICE Transactions on Electronics 2000. Vol.E83-C, №3, P.440-443.

144. Drozin, L. Long-period fiber gratings written by C02 exposure of H2-loaded, standard fibers / L. Drozin, P.-Y. Fonjallaz, L. Stensland // Electronics Letters2000. Vol.36, №8, P.742-744.

145. Kakarantzas, G. Structural long-period gratings in photonic crystal fibres / G. Kakarantzas, T.A. Birks, P.St.J. Russell // Optics Letters 2002. Vol.27, №12, P.1013-1015.

146. Grellier, A.J.C. Heat transfer modeling in C02 laser processing of optical fibres / A.J.C. Grellier, N.K. Zayer, C.N. Pannell // Optics Communications 1998. Vol.152, P.324- 328.

147. Davis, D.D. C02 laser-induced long-period fibre gratings: spectral characteristics, cladding modes and polarisation independence / D.D. Davis, Т.К. Gaylord, E.N. Glytsis, S.C. Mettler // Electronics Letters 1998. Vol.34, №14, P.1416-1417.

148. Kim, B.H. Measurement of refractive index change due to C02 laser irradiation using an LPG pair in optical fibres / B.H. Kim, T.J. Ahn, Y. Park, D.Y. Kim, B.H. Lee, Y. Chung, U.C. Paek, W.T. Han // Proceedings of SPIE, 2001. 4579 P.286-295.

149. Fujimaki, M. Fabrication of long-period fiber gratings by use of ion implantation / M. Fujimaki, Y. Ohki // Opt. Lett., 2000. V. 25, P.88-89.

150. Lin, C.Y. Periodical corrugated structure for forming sample fiber Bragg grating and long-period fiber grating with tunable coupling strength / C.Y. Lin, G.W. Chern, L.A. Wang // J. of Lightwave Technol., 2001. V.19, №8, P. 12121220.

151. Han, M. Fiber-optic physical and biochemical sensing based on transient and traveling long-period gratings / M. Han, Y. Wang, Y. Wang, A. Wang // Optics Letters, 2009. V.34, №1, P.100-102.

152. Сидоров, А.И. Формирование полимерных периодических структур на поверхности оптических волокон / А.И. Сидоров А.А. Цирухин // ЖТФ, 2010. Т.80. Вып.1. С.125-129.

153. Способ изготовления гофрированных оптических волокон / А.И. Сидоров, А.А. Цирухин // Патент РФ, №2379717.

154. Lee, K.S. Transmissive tilted gratings for LP0i-to-LPn mode coupling / K.S. Lee, T. Erdogan // IEEE Photonics Technol. Lett. 1999. V. 11. №10. P.1286-1288.

155. Lee, K.S. Mode coupling in spiral fiber gratings / K.S. Lee, T. Erdogan // Electron. Lett. 2001. V.37. №3. P. 156-157.

156. Kopp, V.I. Single- and double-helix chiral fiber sensors / V.I. Kopp, V.M. Churikov, G. Zhang, J. Singer, C.W. Draper, N. Chao, D. Neugroschl, A.Z. Genack // J. Opt. Soc. Am. B. 2007. Vol. 24, №.10. P. A48-A52.

157. Lee, K.S. Coupling analysis of spiral fiber gratings / K.S. Lee // Optics Communications 198. 2001. P.317-324.

158. Способ изготовления спиральных длиннопериодных волоконных решеток/ А.И. Сидоров, А.А. Цирухин // Заявка на Патент РФ, 2008 г. №2008143851/28. Положительное решение от 25.01.10

159. Рабинович, В.А. Краткий химический справочник / В.А. Рабинович, З.Я. Хавин //Л.: Химия. 1978. С. 392.

160. Chern, G.W. Transfer-matrix method based on perturbation expansion for periodic and quasi-periodic binary long-period gratings / G.W. Chern, L.A. Wang // JOSA A. 1999. V. 16. №11. P. 2675.

161. Tsao, C.Y.H. Modal characteristics of three-layered optical fiber waveguides: a modified approach / C.Y.H. Tsao, D.N. Payne, W.A. Gambling // JOSA A. 1989. V.6, №4. P. 555-563.

162. Bhatia V., Vengsarkar A.M. Optical fiber long-period gratings sensors // Opt. Lett. 1996. V. 21. №9. P.692-694.

163. Сидоров, А.И. Влияние параметров гофров на модуляцию эффективного показателя преломления длиннопериодных волоконных решеток с полимерным покрытием / А.И. Сидоров, А.А. Цирухин // Оптический журнал. 2010 V.77. В.2. С.53-58.

164. Chehura, Е. Temperature and strain discrimination using a single tilted fiber Bragg grating / E. Chehura, S.W. James, R.P. Tatam // Opt. Comm. 2007. V. 275. P. 344-347.

165. Sakata, H. Optical fiber temperature sensor using a pair of nonidentical long-period fiber gratings for intensity-based sensing / H. Sakata, H. Ito // Opt. Comm. 2007. V. 280. P. 87-90.

166. Patrick, H. Analysis of the response of long period fiber gratings to external index of refraction / H. Patrick, A.D. Kersey, F. Bucholtz // J. of Lightwave Techn. 1998. V. 16. N9. P.1606-1612.

167. Matsko, A.B. Optical resonators with whispering-gallery modes part I: Basics / A.B. Matsko, V.S. Ilchenko // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2006.V. 12. P.3-14.

168. Ilchenko, V.S. Optical resonators with whispering-gallery modes part II: Applications / V.S. Ilchenko, A.B. Matsko // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2006. V. 12. P. 15-32.

169. Lee, K.S. Coupling analysis of spiral fiber gratings / K.S. Lee // Opt. Comm. 2001. V. 198. P. 317-324.

170. Kopp, V.I. Single- and double-helix chiral fiber sensors / V.I. Kopp, V.M. Churikov, G. Zhang // JOSA В, V. 24, N. 10, P. A48-A52, 2007.

171. Patric, H.J. Analysis of the response of long period fiber gratings to external index of refraction / H.J. Patric, A.D. Kersey, F. Bucholtz // J. of Lightwave Technol., 1998. V. 16, No 9, P.1606-1612.

172. Vengsarkar, A.N. Long-period fiber gratings as band-rejection filters. / A.N. Vengsarkar, P.J. Lemaire, J.B. Judkins, V. Bhatia, T. Erdogan, J.E. Sipe // Journal of Lightwave Technology, 1996. Vol.14, №1, P.58-65.

173. Адаме, M. Введение в теорию оптических волноводов. / М. Адаме //М. : Мир. 1984. С.512

174. Buck, J.A. Fundamentals of optical fibres. / J.A. Buck New York: 1995. John Wiley and Sons

175. Kogelnik, H. Theory of optical waveguides / H. Kogelnik //In Tamir, T. (Ed.), Guided-wave optoelectronics. 1988. Berlin: Springer-Verlag.193. www.lfpti.ru /filterir.htm

176. Сидоров, А.И. Формирование и оптические свойства длиннопериодных волоконных решёток с полимерным покрытием / А.И. Сидоров, А.А. Цирухин //Известия «ЛЭТИ». 2009 V.3. С.15-25.

177. Okamoto, К. Fundamentals of optical waveguides. / К. Okamoto // San Diego: Academic Press, 2000.

178. Бусурин, В.И. Волоконно-оптические датчики: физические основы, вопросы расчета и применения. / В.И. Бусурин, Ю.Р. Носов // М.: Энергоатомиздат, 1990. С.320.

179. Tsao, C.Y.H. Modal characteristics of three-layered optical fiber waveguides: a modified approach / C.Y.H. Tsao, D.N. Payne, W.A. Gambling // JOSA A. 1989.Vol.6, №4. P.555-563.

180. Vengsakar, A.M. Long-period fiber gratings as band rejection filters / A.M. Vengsakar, P.J. Lemaire, J.B. Judkins, V. Bhatia, T. Erdogan, J.E. Sipe // J. Lightwave Technol. 1996. Vol.14, 58-65.

181. Mazurin, O.V. Handbook of Glass Data / O.V. Mazurin, M.V. Streltsina, T.P. Shvaiko-Shaveikovskaya//Elsevier, Amsterdam, 1987.

182. Сидоров, А.И. Формирование и оптические свойства длиннопериодных волоконных решёток с полимерным покрытием / А.И. Сидоров, А.А. Цирухин // Известия ЛЭТИ. 2009. Т. 3. С. 15-24.

183. Цирухин, А.А. Влияние температуры на оптические характеристики длиннопериодной гофрированной волоконной решётки / А.А. Цирухин // Известия «ЛЭТИ» 2010. №3, С. 3-10.

184. Hou, R. Modelling of long-period fibre grating response to refractive index higher than that of cladding / R. Hou, Z. Ghassemlooy, A. Hassan, C. Lu, K.P. Dowker // Measurement Science and Technology 2001. Vol.12 №10, P.1709-1713.