Лазерные оптико-электронные прибoры
Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции
и ордена Трудового Красного Знамени
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени Н.Э.Баумана.
______________________________________________________
Факультет РЛ
Кафедра РЛ2
Реферат по дисциплине 
"Лазерные оптико-электронные прибо-
ры" 
студента
Майорова Павла 
Леонидовича, группа РЛ3-101.
Руководитель
Немтинов Владимир Борисович
Тема реферата: 
"Оптическая обработка информации"
Вступление
Сенсоризация производственной деятельности, 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.
Волоконно-оптические датчики
Первые попытки создания датчиков на основе оптических волокон можно 
отнести к середине 1970-х годов. Публикации о более или менее приемлемых 
разработках и экспериментальных образцах подобных датчиков появились во второй 
половине 1970-х годов. Однако считается, что этот тип датчиков сформировался как 
одно из направлений техники только в начале 1980-х годов. Тогда же появился и 
термин "волоконно-оптические датчики" (optical fiber sensors). Таким образом, 
волоконно-оптические датчики — очень молодая область техники.
От электрических измерений к электронным
Конец X IX века можно считать периодом становления метрологии в ее общем 
виде. К тому времени произошла определенная систематизация в области 
электротехники на основе теории электромагнетизма и цепей переменного тока. До 
этого физические величины измерялись главным образом механическими средствами, 
а сами механические измерения распространены были незначительно. Электрические 
же измерения ограничивались едва ли не исключительно только электростатическими. 
Можно сказать, что метрология, развиваясь по мере прогресса электротехники, с конца 
XIX века стала как бы ее родной сестрой.
Рассмотрим этапы и успехи этого развития. В течение нескольких десятков лет, 
вплоть до второй мировой войны, получили распространение электроизмерительные 
приборы, принцип работы которых основан на силах взаимодействия электрического 
тока и магнитного поля (закон Био — Совара). Тогда же эти приборы внедрялись в 
быстро развивающуюся промышленность. Особенность периода в том, что наука и 
техника, причастные к электроизмерительным приборам, становятся ядром 
метрологии и измерительной индустрии.
После второй мировой войны значительные успехи в развитии электроники 
привели к громадным переменам в метрологии. В пятидесятых годах появились 
осциллографы, содержащие от нескольких десятков до сотни и более электронных 
ламп и обладающие весьма высокими функциональными возможностями, а также 
целый ряд подобных устройств, которые стали широко применяться в сфере 
производства и научных исследований. Так наступила эра электронных измерений. 
Сегодня, по прошествии 30 лет, значительно изменилась элементная база 
измерительных приборов. От электронных ламп перешли к транзисторам, 
интегральным схемам (ИС), большим ИС (БИС). Таким образом, и сегодня 
электроника является основой измерительной техники.
От аналоговых измерений к цифровым
Однако между электронными измерениями, которые производились в 1950-e 
годы, и электронными измерениями 1980-х годов большая разница. Суть ее 
заключается в том, что во многие измерительные приборы введена цифровая техника.
Обычно электронный измерительный прибор имеет структуру, подобную 
изображенной на рис. 1. Здесь датчик в случае измерения электрической величины 
(электрический ток или напряжение) особой роли не играет, и довольно часто 
выходным устройством такого измерителя является индикатор. Однако при 
использовании подобного прибора в какой-либо измерительной системе сплошь и 
рядом приходится сталкиваться с необходимостью обработки сигнала различными 
электронными схемами. Внедрение цифровой измерительной техники подразумевает в 
идеале, что цифровой сигнал поступает непосредственно от чувствительного элемента 
датчика. Но пока это скорее редкость, чем правило. Чаще же всего этот сигнал имеет 
аналоговую форму, и для него на входе блока обработки данных установлен аналого-
цифровой преобразователь (АЦП). Цифровая же техника используется главным 
образом в блоке обработки данных и в выходном устройстве (индикаторе) или в одном 
из них.
Рис. 1. Типовая структура электронного измерителя
Основное преимущество использования цифровой техники в процессе 
обработки данных — это сравнительно простая реализация операций высокого уровня, 
которые трудно осуществимы с помощью аналоговых устройств. К таким операциям 
относятся подавление шумов, усреднение, нелинейная обработка, интегральные 
преобразования и др. При этом функциональная нагрузка на чувствительный элемент 
датчика уменьшается и снижаются требования к характеристикам элемента. Кроме 
того, благодаря цифровой обработке становится возможным измерение весьма малых 
величин.
Цифризация и волоконно-оптические датчики
Важно отметить, что одним из этапов развития волоконно-оптических датчиков 
было функциональное расширение операций, выполняемых в блоке обработки данных 
датчика, путем их цифризации и, что особенно существенно, упрощение операций 
нелинейного типа. Ведь в волоконно-оптических датчиках линейность выходного 
сигнала относительно измеряемой физической величины довольно часто 
неудовлетворительна. Благодаря же цифризации обработки эта проблема теперь 
частично или полностью решается.
Нечего и говорить, что важный стимул появления волоконно-оптических 
датчиков — создание самих оптических волокон, о которых будет рассказано ниже, а 
также взрывообразное развитие оптической электроники и волоконно-оптической 
техники связи.
Становление оптоэлектроники и появление оптических воло-
кон
Лазеры и становление оптоэлектроники
Рис. 2. Снижение минимальных потерь передачи для различных типов оптических 
волокон
Оптоэлектроника — это новая область науки и техники, которая появилась на 
стыке оптики и электроники. Следует заметить, что в развитии радиотехники с самого 
начала ХХ века постоянно прослеживалась тенденция освоения электромагнитных 
волн все более высокой частоты. Вытекающее из этого факта предположение, что 
однажды радиотехника и электроника достигнут оптического диапазона волн, 
становится все более и более достоверным, начиная с 1950-х годов. Годом 
возникновения оптоэлектроники можно считать 1955-й, когда Е. Лоебнер (Loеbner Е. 
Е. Optoelectronic devices and networks//Proc. 1ЕЕЕ. 1955. V. 43. N 12. Р. 1897 — 1906) 
описал потенциальные параметры различных оптоэлектронных устройств связи, нынче 
называемых оптронами, т. е. когда были обсуждены основные характеристики соеди-
нения оптического и электронного устройств.
С тех пор оптоэлектроника непрерывно развивается, и полагают, что до конца 
ХХ века она превратится в огромную отрасль науки и техники, соизмеримую с 
электроникой. Появление в начале 1960-х годов лазеров способствовало ускорению 
развития оптоэлектроники. Потенциальные характеристики лазеров описаны еще в 
1958 г., а уже в 1960 г. был создан самый первый лазер — газовый, на основе смеси 
гелия и неона. Генерирующие непрерывное излучение при комнатной температуре 
полупроводниковые лазеры, которые в настоящее время получили наиболее широкое 
применение, стали выпускаться с 1970 г.
Появление оптических волокон
Важным моментом в развитии оптоэлектроники является создание оптических 
волокон. Особенно интенсивными исследования стали в конце 1960-x годов, а 
разработка в 1970 г. американской фирмой "Корнинг" кварцевого волокна с малым 
затуханием (20 дБ/км) явилась эпохальным событием и послужила стимулом для 
увеличения темпов исследований и разработок на все 1970-е годы.
На рис. 2 показано снижение минимальных потерь передачи для различных 
оптических волокон на протяжении минувших десяти с лишним лет. Можно заметить, 
что для кварцевых оптических волокон потери за 10 лет (в 1970-е годы) уменьшились 
примерно на два порядка.
Изначальной и главной целью разработки оптических волокон было 
обеспечение ими оптических систем связи. Тем не менее в 1970-е годы, когда в 
технике оптических волокон применительно к оптическим системам связи были 
достигнуты уже значительные успехи, влияние волокон на развитие волоконно-
оптических датчиков, о которых пойдет речь в этой книге, оказалось несколько 
неожиданным.
Одно- и многомодовые оптические волокна.
Рис. 3. Одномодовое (а) и многомодовое (б) оптическое волокно
Оптическое волокно обычно бывает одного из двух типов: одномодовое, в котором 
распространяется только одна мода (тип распределения передаваемого 
электромагнитного поля), и многомодовое — с передачей множества (около сотни) 
мод. Конструктивно эти типы волокон различаются только диаметром сердечника — 
световедущей части, внутри которой коэффициент преломления чуть выше, чем в 
периферийной части — оболочке (рис. 3).
В технике используются как многомодовые, так и одномодовые оптические 
волокна. Многомодовые волокна имеют большой (примерно 50 мкм) диаметр 
сердечника, что облегчает их соединение друг с другом. Но поскольку групповая 
скорость света для каждой моды различна, то при передаче узкого светового импульса 
происходит его расширение (увеличение дисперсии). По сравнению с многомодовыми 
у одномодовых волокон преимущества и недостатки меняются местами: дисперсия 
уменьшается, но малый (5...10 мкм) диаметр сердечника значительно затрудняет 
соединение волокон этого типа и введение в них светового луча лазера.
Вследствие этого одномодовые оптические волокна нашли преимущественное 
применение в линиях связи, требующих высокой скорости передачи информации 
(линии верхнего ранга в иерархической структуре линий связи), а многомодовые чаще 
всего используются в линиях связи со сравнительно невысокой скоростью передачи 
информации. Имеются так называемые когерентные волоконно-оптические линии 
связи, где пригодны только одномодовые волокна. В многомодовом оптическом 
волокне когерентность принимаемых световых волн падает, поэтому его 
использование в когерентных линиях связи непрактично, что и предопределило 
применение в подобных линиях только одномодовых оптических волокон.
Напротив, хотя при использовании оптических волокон для датчиков 
вышеуказанные факторы тоже имеют место, но во многих случаях их роль уже иная. В 
частности, при использовании оптических волокон для когерентных измерений, когда 
из этих волокон формируется интерферометр, важным преимуществом одномодовых 
волокон является возможность передачи информации о фазе оптической волны, что 
неосуществимо с помощью многомодовых волокон. Следовательно, в данном случае 
необходимо только одномодовое оптическое волокно, как и в когерентных линиях 
связи. Тем не менее, на практике применение одномодового оптического волокна при 
измерении нетипично из-за небольшой его дисперсии. Короче говоря, в сенсорной 
оптоэлектронике, за исключением датчиков-интерферометров, используются 
многомодовые оптические волокна. Это обстоятельство объясняется еще и тем, что в 
датчиках длина используемых оптических волокон значительно меньше, чем в 
системах оптической связи. 
Характеристики оптического волокна как структурного элемента 
датчика и систем связи
Прежде чем оценивать значимость этих характеристик для обеих областей 
применения, отметим общие достоинства оптических волокон:
? широкополосность (предполагается до нескольких десятков терагерц);
? малые потери (минимальные 0,154 дБ/км);
? малый (около 125 мкм) диаметр;
? малая (приблизительно 30 г/км) масса;
? эластичность (минимальный радиус изгиба 2 MM);
? механическая прочность (выдерживает нагрузку на разрыв примерно 7 кг);
? отсутствие взаимной интерференции (перекрестных помех типа известных в 
телефонии "переходных разговоров");
? безындукционность (практически отсутствует влияние электромагнитной 
индукции, а следовательно, и отрицательные явления, связанные с грозовыми 
разрядами, близостью к линии электропередачи, импульсами тока в силовой 
сети);
? взрывобезопасность (гарантируется абсолютной неспособностью волокна 
быть причиной искры);
? высокая электроизоляционная прочность (например, волокно длиной 20 см 
выдерживает напряжение до 10000 B);
? высокая коррозионная стойкость, особенно к химическим растворителям, 
маслам, воде.
В области оптической связи наиболее важны такие достоинства волокна, как 
широкополосность и малые потери, причем в строительстве внутригородских сетей 
связи наряду с этими свойствами особое значение приобретают малый диаметр и 
отсутствие взаимной интерференции, а в электрически неблагоприятной окружающей 
среде — безындукционность. Последние же три свойства в большинстве случаев здесь 
не играют какой-либо заметной роли.
В практике использования волоконно-оптических датчиков имеют наибольшее 
значение последние четыре свойства. Достаточно полезны и такие свойства, как 
эластичность, малые диаметр и масса. Широкополосность же и малые потери 
значительно повышают возможности оптических волокон, но далеко не всегда эти 
преимущества осознаются разработчиками датчиков. Однако, с современной точки 
зрения, по мере расширения функциональных возможностей волоконно-оптических 
датчиков в ближайшем будущем эта ситуация понемногу исправится.
Как будет показано ниже, в волоконно-оптических датчиках оптическое 
волокно может быть применено просто в качестве линии передачи, а может играть 
роль самого чувствительного элемента датчика. В последнем случае используются 
чувствительность волокна к электрическому полю (эффект Керра), магнитному полю 
(эффект Фарадея), к вибрации, температуре, давлению, деформациям (например, к 
изгибу). Многие из этих эффектов в оптических системах связи оцениваются как 
недостатки, в датчиках же их появление считается скорее преимуществом, которое 
следует развивать.
Следует также отметить, что оптические волокна существенно улучшают 
характеристики устройств, основанных на эффекте Саньяка.
Классификация волоконно-оптических датчиков и примеры 
их применения
Современные волоконно-оптические датчики позволяют измерять почти все. 
Например, давление, температуру, расстояние, положение в пространстве, скорость 
вращения, скорость линейного перемещения, ускорение, колебания, массу, звуковые 
волны, уровень жидкости, деформацию, коэффициент преломления, электрическое 
поле, электрический ток, магнитное поле, концентрацию газа, дозу радиационного 
излучения и т.д.
Если классифицировать волоконно-оптические датчики с точки зрения применения в 
них оптического волокна, то, как уже было отмечено выше, их можно грубо разделить 
на датчики, в которых оптическое волокно используется в качестве линии передачи, и 
датчики, в которых оно используется в качестве чувствительного элемента. Как видно 
из таблицы 1, в датчиках типа "линии передачи" используются в основном 
многомодовые оптические волокна, а в датчиках сенсорного типа чаще всего — 
одномодовые.
Таблица 1. Характеристики волоконно-оптических датчиков
Структура
Измеряемая физи-
ческая величина
Используемое фи-
зическое явление, 
свойство
Детектируемая ве-
личина
Оптическое волокно
Параметры и осо-
бенности измерений
Датчики с оптическим волокном в качестве линии передачи
Проходящего типа
Электрическое на-
пряжение, напря-
женность электри-
ческого поля
Эффект Поккельса
Составляющая по-
ляризация
Многомодовое
1... 1000B; 0,1...1000 
В/см
Проходящего типа
Сила электрического 
тока, напряженность 
магнитного поля
Эффект Фарадея
Угол поляризации
Многомодовое
Точность ?1% при 
20...85? С
Проходящего типа
Температура
Изменение погло-
щения 
полупроводников
Интенсивность 
пропускаемого света
Многомодовое
-10...+300? С 
(точность ?1? С)
Проходящего типа
Температура
Изменение посто-
янной люминес-
ценции
Интенсивность 
пропускаемого света
Многомодовое
0...70? С (точность 
?0,04? С)
Проходящего типа
Температура
Прерывание опти-
ческого пути
Интенсивность 
пропускаемого света
Многомодовое
Режим "вкл/выкл"
Проходящего типа
Гидроакустическое 
давление
Полное отражение
Интенсивность 
пропускаемого света
Многомодовое
Чувствительность ... 
10 мПа
Проходящего типа
Ускорение
Фотоупругость
Интенсивность 
пропускаемого света
Многомодовое
Чувствительность 
около 1 мg
Проходящего типа
Концентрация газа
Поглощение
Интенсивность 
пропускаемого света
Многомодовое
Дистанционное 
наблюдение на 
расстоянии до 20 км
Отражательного 
типа
Звуковое давление в 
атмосфере
Многокомпонентная 
интерференция
Интенсивность от-
раженного света
Многомодовое
Чувствительность, 
характерная для 
конденсаторного 
микрофона
Отражательного 
типа
Концентрация ки-
слорода в крови
Изменение спек-
тральной характе-
ристики
Интенсивность от-
раженного света
Пучковое
Доступ через катетер
Отражательного 
типа
Интенсивность СВЧ-
излучения
Изменение коэф-
фициента отражения 
жидкого кристалла
Интенсивность от-
раженного света
Пучковое
Неразрушающий 
контроль
Антенного типа
Параметры высо-
ковольтных им-
пульсов
Излучение световода
Интенсивность 
пропускаемого света
Многомодовое
Длительность 
фронта до 10 нс
Антенного типа
Температура
Инфракрасное из-
лучение
Интенсивность 
пропускаемого света
Инфракрасное
250...1200? С 
(точность ?1%)
Датчики с оптическим волокном в качестве чувствительного элемента
Кольцевой интер-
ферометр
Скорость вращения
Эффект Саньяка
Фаза световой волны
Одномодовое
>0,02 ?/ч
Кольцевой интер-
ферометр
Сила электрического 
тока
Эффект Фарадея
Фаза световой волны
Одномодовое
Волокно с сохра-
нением поляризации
Интерферометр 
Маха-Цендера
Гидроакустическое 
давление
Фотоупругость
Фаза световой волны
Одномодовое
1...100 рад?атм/м
Интерферометр 
Маха-Цендера
Сила электрического 
тока, напряженность 
магнитного поля
Магнитострикция
Фаза световой волны
Одномодовое
Чувствительность 10-
9 А/м
Интерферометр 
Маха-Цендера
Сила электрического 
тока
Эффект Джоуля
Фаза световой волны
Одномодовое
Чувствительность 10 
мкА
Интерферометр 
Маха-Цендера
Ускорение
Механическое 
сжатие и растяжение
Фаза световой волны
Одномодовое
1000 рад/g
Интерферометр 
Фабри-Перо
Гидроакустическое 
давление
Фотоупругость
Фаза световой волны 
(полиинтер-
ференция)
Одномодовое
—
Интерферометр 
Фабри-Перо
Температура
Тепловое сжатие и 
расширение
Фаза световой волны 
(полиинтер-
ференция)
Одномодовое
Высокая чувстви-
тельность
Интерферометр 
Фабри-Перо
Спектр излучения
Волновая фильтра-
ция
Интенсивность 
пропускаемого света
Одномодовое
Высокая разре-
шающая способность
Интерферометр 
Майкельсона
Пульс, скорость 
потока крови
Эффект Доплера
Частота биений
Одномодовое, 
многомодовое
10-4...108 м/с
Интерферометр на 
основе мод с орто-
гональной поляри-
зацией
Гидроакустическое 
давление
Фотоупругость
Фаза световой волны
С сохранением 
поляризации
Без опорного оп-
тического волокна
Интерферометр на 
основе мод с орто-
гональной поляри-
зацией
Напряженность 
магнитного поля
Магнитострикция
Фаза световой волны
С сохранением 
поляризации
Без опорного оп-
тического волокна
Неинтерферометрич
еская
Гидроакустическое 
давление
Потери на микро-
изгибах волокна
Интенсивность 
пропускаемого света
Многомодовое
Чувствительность 
100 мПа
Неинтерферометрич
еская
Сила электрического 
тока, напряженность 
магнитного поля
Эффект Фарадея
Угол поляризации
Одномодовое
Необходимо учи-
тывать ортогональ-
ные моды
Неинтерферометрич
еская
Скорость потока
Колебания волокна
Соотношение ин-
тенсивности между 
двумя модами
Одномодовое, 
многомодовое
>0,3 м/с
Неинтерферометрич
еская
Доза радиоактивного 
излучения
Формирование 
центра окрашивания
Интенсивность 
пропускаемого света
Многомодовое
0,01...1,00 Мрад
Последовательного и 
параллельного типа
Распределение 
температуры и де-
формации
Обратное рассеяние 
Релея
Интенсивность об-
ратного рассеяния 
Релея
Многомодовое
Разрешающая спо-
собность 1 м
Рис. 5. Воло-
конно-опти-
ческий датчик 
проходящего 
типа.
Рис. 7. Волоконно-
оптический датчик 
антенного типа.
Рис. 6. Волоконно-
оптический датчик 
отражательного 
типа.
Краткая история исследований и разработок
В истории волоконно-оптических датчиков трудно зафиксировать какой-либо 
начальный момент, в отличие от истории волоконно-оптических линий связи. Первые 
публикации о проектах и экспериментах с измерительной техникой, в которой 
использовалось бы оптическое волокно, начали появляться с 1973 г., а во второй 
половине 1970-х годов их число значительно увеличилось. В 1978 году Нэмото Тосио 
предложил общую классификацию волоконно-оптических датчиков (рис. 4.), которая 
мало отличается от современной. С наступлением 1980-х годов история развития 
волоконно-оптических датчиков обрастает значительными подробностями.
Заключение
Рис.4. Классификация 
основных структур 
волоконно-оптических 
датчиков:
а) с изменением ха-
рактеристик волокна (в 
том числе специальных 
волокон)
б) с изменением па-
раметров передаваемого 
света
в) с чувствительным 
элементом на торце 
волокна
Основными элементами волоконно-оптического датчика, как можно заметить 
из табл. 1, являются оптическое волокно, светоизлучающие (источник света) и 
светоприемные устройства, оптический чувствительный элемент. Кроме того, 
специальные линии необходимы для связи между этими элементами или для 
формирования измерительной системы с датчиком. Далее, для практического 
внедрения волоконно-оптических датчиков необходимы элементы системной техники, 
которые в совокупности с вышеуказанными элементами и линией связи образуют 
измерительную систему.
Список литературы
Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики.
Оглавление
Вступление 2
Волоконно-оптические датчики 2
От электрических измерений к электронным 2
От аналоговых измерений к цифровым 3
Цифризация и волоконно-оптические датчики 4
Становление оптоэлектроники и появление оптических волокон 4
Лазеры и становление оптоэлектроники 4
Появление оптических волокон 6
Одно- и многомодовые оптические волокна. 6
Характеристики оптического волокна как структурного элемента датчика и 
систем связи 7
Классификация волоконно-оптических датчиков и примеры их применения 9
Датчики с оптическим волокном в качестве линии передачи 10
Датчики с оптическим волокном в качестве чувствительного элемента 12
Краткая история исследований и разработок 15
Заключение 15
Список литературы 16
Оглавление 16
16