Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB-TU Ostrava Nekomunikační Aplikace Optických Vláken Autor: Ing. Petr Šiška, Ph.D. a Ing. František Hanáček Kontakt: [email protected]
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB-TU Ostrava
Nekomunikační Aplikace
Optických Vláken
Autor: Ing. Petr Šiška, Ph.D. a Ing. František Hanáček
Kontakt: [email protected]
Obsah
ÚVOD....................................................................................................................................................... 1 1 VLÁKNOVĚ OPTICKÉ SENZORY ............................................................................................ 2 2 DĚLENÍ VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ...................................................................... 3
2.1 OBOR POUŽITÍ A MĚŘENÁ VELIČINA .......................................................................................... 3 2.2 PROSTOROVÉ ROZLOŽENÍ MĚŘENÉ VELIČINY ............................................................................ 4 2.3 POVAHA PŘEMĚNY PŘEVODU VELIČINY..................................................................................... 5 2.4 MODULACE MĚŘENÉ VELIČINY.................................................................................................. 6 2.5 VÝROBNÍ TECHNOLOGIE SNÍMAČŮ A PŘEVODNÍKŮ.................................................................... 7
3 FUNKČNÍ PRINCIPY.................................................................................................................... 8 3.1 LUMINISCENCE.......................................................................................................................... 8 3.2 FLUORESCENCE....................................................................................................................... 10 3.3 FOSFORESCENCE ..................................................................................................................... 11 3.4 HALLŮV JEV ............................................................................................................................ 11
3.4.1 Hallovo napětí ................................................................................................................... 12 3.4.2 Hallova konstanta.............................................................................................................. 12
3.5 FOTOELEKTRICKÝ JEV............................................................................................................. 12 3.6 ELEKTROOPTICKÝ JEV............................................................................................................. 14
4 MODULÁTORY OPTICKÉHO ZÁŘENÍ ................................................................................. 16 4.1 BLOKOVÉ MODULÁTORY......................................................................................................... 18
4.1.1 Elektrooptický modulátor fáze........................................................................................... 18 4.1.2 Elektrooptický intenzitní modulátor .................................................................................. 19 4.1.3 Akustooptický blokový modulátor s frekvenčním posuvem................................................ 20
4.2 INTEGROVANÉ OPTICKÉ MODULÁTORY ................................................................................... 22 4.2.1 Modulátor fáze................................................................................................................... 23 4.2.2 Interferometrický intenzitní modulátor.............................................................................. 24
4.3 CELOVLÁKNOVÉ MODULÁTORY .............................................................................................. 26 4.3.1 Fázová modulace............................................................................................................... 26 4.3.2 Frekvenční modulace......................................................................................................... 27
5 INTENZITNÍ SENZORY............................................................................................................. 28 5.1 PŘENOSOVÝ KONCEPT............................................................................................................. 28 5.2 ODRAZOVÝ KONCEPT .............................................................................................................. 30 5.3 OHYBOVÝ KONCEPT ................................................................................................................ 31 5.4 INTRINZITNÍ (VNITŘNÍ) KONCEPT............................................................................................. 33
6 INTERFEROMETRICKÉ SENZORY....................................................................................... 35 6.1 ROZDĚLENI VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH INTERFEROMETRŮ........................................................... 36 6.2 SENZOR S MACH – ZEHNDEROVÝM INTERFEROMETREM......................................................... 37 6.3 SENZORY S MICHELSONOVÝM INTERFEROMETREM................................................................ 37 6.4 SENZORY SE SAGNACOVÝM INTERFEROMETREM .................................................................... 38 6.5 SENZORY S FABRY-PEROTOVÝM REZONÁTOREM.................................................................... 39
7 POLARIZAČNÍ SENZORY ........................................................................................................ 40 7.1 POPIS POLARIZACE .................................................................................................................. 40
7.1.1 Lineárně polarizované světlo............................................................................................. 41 8 MŘÍŽKOVÉ OPTICKÉ SENZORY........................................................................................... 43
8.1 TEORETICKÝ ZÁKLAD.............................................................................................................. 43 8.2 VÝROBNÍ TECHNOLOGIE.......................................................................................................... 44
8.2.1 Holografické techniky vepisování FBG ............................................................................. 45 8.2.2 Technika vepisování mřížek bod po bodu.......................................................................... 49
8.3 APLIKACE VLÁKNOVÝCH SENZORŮ S MŘÍŽKOU....................................................................... 50 8.4 BRAGGOVSKÁ VLÁKNA ........................................................................................................... 51
9 OPTOVLÁKNOVÉ DISTRIBUOVANÉ SYSTÉMY................................................................ 52 9.1 LINEÁRNÍ ROZPTYL ................................................................................................................. 52
9.1.1 Rayleighův rozptyl ............................................................................................................. 52 9.2 NELINEÁRNÍ ROZPTYL ............................................................................................................. 53
9.2.1 Brillouinův rozptyl............................................................................................................. 53 9.2.2 Ramanův rozptyl................................................................................................................ 55
9.3 PRINCIP OTDR........................................................................................................................ 57 9.3.1 Klíčové parametry OTDR.................................................................................................. 58 9.3.2 PON ready......................................................................................................................... 59
9.4 PRINCIP OFDR........................................................................................................................ 59 9.5 PRINCIP DTS........................................................................................................................... 60
9.5.1 Brillouin DTS .................................................................................................................... 60 9.5.2 Raman DTS........................................................................................................................ 61
10 APLIKACE VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ.......................................................... 63 10.1 SNÍMÁNÍ TEPLOTY................................................................................................................... 63
10.1.1 Vláknově optické senzory teploty v automobilovém průmyslu......................................... 63 10.1.2 Interferometrický vláknově optický senzor teploty .......................................................... 64 10.1.3 Vláknově optický senzor teploty založený na teplotní absorpci polovodiče..................... 64 10.1.4 Intenzitní vláknově optický senzor teploty ....................................................................... 65 10.1.5 VOS teploty s generací záření.......................................................................................... 65 10.1.6 Vláknově optický senzor pro vysoké teploty .................................................................... 65
10.2 SNÍMÁNÍ TLAKU ...................................................................................................................... 67 10.2.1 Snímání tlaku pomocí Fabryho-Perotova interferometrického senzoru......................... 67
10.3 SPECIÁLNÍ SENZORY................................................................................................................ 69 10.3.1 Vláknově optický dozimetr............................................................................................... 69 10.3.2 Útlum na optickém vlákně vyvolaný radiací.................................................................... 70 10.3.3 Vláknově optický dosimetr (FADOS) pro radioterapii .................................................... 71
10.4 SENZORY BIOLOGICKÝCH VELIČIN .......................................................................................... 72 10.4.1 Vláknově optický senzor dechu, vlhkostní senzor ............................................................ 72 10.4.2 Vláknově optický senzor na měření změny obvodu hrudi při dýchání ............................. 73 10.4.3 Vláknově optický senzor pH ............................................................................................ 74 10.4.4 Senzor k monitorování mutovaných strepkoků z lidských slin ......................................... 77
POUŽITÉ ZDROJE A LITERATURA .............................................................................................. 79
ÚVOD 1
Úvod
Je tomu již více než třicet let od doby, kdy se začaly rozvíjet a využívat vláknově optické
senzory. Jejich rozvoj byl umožněn sestrojením optického vlnovodu a laseru. Původní optické
vlnovody byly vyvinuty pro telekomunikační účely, ukázalo se však, že mohou být použity v
rozmanitých odvětvích a oborech, z toho důvodu je dnes na optických vláknech založena řada
technologií, například gyroskopy, lékařské nástroje, měřicí přístroje, osvětlení, atd [1,2]. Sestrojení a
popis optického vlnovodu publikovali nezávisle na sobě v roce 1954 Abraham van Heel a Herold H.
Hopkins společně s Narinderem Kapanym. První laser pak sestavil v roce 1961 Elias Snitzer [3].
První experimenty uskutečněné za použití těchto vynálezů se datují na počátek let 70. minulého století,
která jsou počátkem rozvoje oborů zabývajících se senzory a vláknově optickými systémy.
Vláknově optických senzorů existuje v dnešní době obrovská škála a slouží pro měření velké
většiny fyzikálních veličin. Tyto senzory pro svoji činnost využívají vnějších vlivů, které mohou
působit na vlákno. Vnějšími vlivy působícími na optické vlákno jsou například teplota, tlak, vlhkost,
síla, záření, různé plyny apod. Působení těchto vnějších vlivů na vláknově optický senzor způsobuje
modulaci optického záření, která je pak vhodným způsobem vyhodnocována.
Optická vlákna vyráběná z křemenného skla jsou v dnešní době nejvýznamnějším přenosovým
médiem pro přenos vysokorychlostních optických komunikačních systémů na velké vzdálenosti. Jejich
nejvýznačnějšími rysy jsou velmi nízká ztrátovost a disperze. Nejnižší publikovaná hodnota
dosažených přenosových ztrát při vlnové délce 1550 nm je 0,154 dB/km [4]. Což ve skutečnosti
představuje, že intenzita světelného signálu šířícího se takovýmto optickým vláknem poklesne na
polovinu původní hodnoty až ve vzdálenosti 20 km. Takovéto přenosové vlastnosti v dnešní době
žádné jiné médium nenabízí.
Vláknově optické senzory nabízejí řadu výhod při jejich použití [5]. Kromě snadného přenosu
světelných signálů jsou to hlavně odolnost vůči elektromagnetickým interferencím (EMI), nízká
hmotnost, malé rozměry, vysoká citlivost, velká šířka pásma [1,2,6].
Jako jejich nevýhody je možné uvést citlivost snímačů, a tedy celého senzorového systému na
zachycení vlivu nežádoucích měřených veličin. Tato citlivost je významnou nevýhodou, neboť
způsobuje, že senzorový systém přenáší na výstup signál zatížený chybou. Nicméně tento problém
existuje i u konvenčních senzorů. Jako jistou nevýhodu lze obecně u nových typů senzorů uvést i cenu,
a to z důvodu, že komponenty použité pro tyto systémy jsou vyráběny v malých sériích [6].
1 VLÁKNOVĚ OPTICKÉ SENZORY 2
1 Vláknově optické senzory
Co to vlastně je fotonický/optický senzor? Zjednodušeně lze říct, že senzor či senzorický
systém je složen ze snímacího zařízení, komunikačního kanálu a subsystému generujícího a/nebo
detekujícího, zpracovávajícího a upravujícího signál. Všechny tyto části mohou, ale nemusí být
integrovány do jednoho celku. Je-li tedy v kterémkoliv ze subsystémů využito světelného záření je pak
tento fotonický systém označován za Optický senzor (OS) či dříve jako Fotonický senzor (Photonic
Sensor - PS), jež je určen a charakterizován snímacím subsystémem, viz. obrázek 1.
Obrázek 1 - Obecné schéma senzoru
Obecně řečeno, fotonický/optický senzor je fotonický systém, ve kterém měřená veličina nebo
vstupní signál ( iV ) zavádí do optického systému modifikaci či modulaci některé z charakteristik
světla. Po detekci, zpracování a úpravě je systémem, obvykle v elektrické oblasti, poskytnut výstupní
signál ( OV ), který je platnou reprodukcí původní veličiny. Měřená veličina tedy může přenášenému
nebo odraženému světlu modulovat amplitudovou, fázovou, frekvenční nebo polarizační
charakteristiku. V souladu s tímto pojetím, jestliže kterýkoliv proces či část systému využívá vláknově
optické technologie, mluvíme pak o podskupině OS, která se označuje jako vláknově optické senzory
(VOS, anglicky FOS - Fiber Optic Sensor) [6].
2 DĚLENÍ VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 3
2 Dělení vláknově optických senzorů
Pro zvolení senzoru vhodného k řešení určitého problému se vychází z logické úvahy, kdy je
potřeba znát odpovědi na otázky typu:
• Jakou veličinu budeme měřit?
• Jak by měla být měřená veličina určena v prostoru?
• Jaké by mělo být snímací zařízení?
• Jaký druh modulace světla by byl nejvhodnější pro senzorický systém?
• Jaká technologie by byla vhodná?
Vláknové optické senzory lze totiž rozčlenit do řady skupin podle mnoha kritérií. Různá
rozdělení je možné nalézt v celé řadě zdrojů [1,2,6-11]. Zde uvedené kategorie vláknově optických
senzorů vychází z rozdělení uvedeného v literatuře [6].
2.1 Obor použití a měřená veličina
a) Mechanické: Tato skupina zahrnuje měření vibrací, posunu, rychlosti, zrychlení, síly a
tlaku. Měření změn v přenášeném optickém signálu, které jsou způsobené například
seismickými otřesy, paprsky či membránami, kontaktními nebo bezkontaktními
metodami jsou typické příklady uplatnění těchto senzorů pro měření uvedených
veličin.
b) Teplotní: Teplota může být měřena v důsledku závislostí emisního spektra na
absorpci, indexu lomu, přenosových parametrech, periodě difrakční mřížky,
nelineárních jevech jako je rozptyl, atd., které vznikají v materiálech a zařízeních.
c) Elektromagnetické: Elektrická pole, elektrický proud a magnetická pole mohou být,
s přispěním elektro-optických, magneto-optických a Faradayových jevů,
transformována a změřena ve fotonických materiálech a zařízeních.
d) Radiační: Pro přeměnu a měření rentgenových paprsků a jaderného záření se využívá
mimo jiné jevů luminiscence a fluorescence, které tato záření způsobují ve
fotonických materiálech a zařízeních.
2 DĚLENÍ VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 4
e) Chemického složení: Jako transformační mechanismus pro měření chemického
složení se využívají změny světelného záření (absorpcí, fluorescencí, časových
zpoždění) v závislosti na chemické koncentraci.
f) Toku a vířivosti kapalin: Mimo jiné metody se pro tato měření používá disperze a
absorpce vyprovokovaná na značkovacích částicích.
g) Biomedicínckých veličin: Kyselost, kyslík, oxid uhličitý, krevní tok, tok žaludečních
šťáv, nitrolebeční tlak, monitorování teploty, identifikace DNA či sledování
mozkových spojení to jsou veličiny, které mohou být měřeny například za použití
absorpce a luminiscence.
2.2 Prostorové rozložení měřené veličiny [1,6]
a) Bodový senzor: Umožňuje měření určité veličiny v určitém místě, obrázek 2 (a) [6].
Tímto způsobem pracuje většina senzorů, jako například ty používané pro
monitorování teploty, zrychlení, tlaku či chemických parametrů [1].
b) Integrovaný senzor: Zde je měřená veličina integrovaná ze všech měřených
proměnných hodnot, které ve výsledku tvoří jedinou výslednou hodnotu. Jako příklad
lze uvést vláknově optický senzor pro měření elektrického proudu s využitím
Faradayova jevu, obrázek 2 (b) [6].
c) Distribuovaný senzor: Tento senzor je navržený tak, aby byl schopný detekovat
v prostoru, může tedy určit měřenou veličinu podél celé vlastní délky, obrázek
2 (c) [6]. Tento princip je široce používaný při měření teploty za použití nelineárních
dějů ve vláknech, jako jsou Brillouinův nebo Ramanův rozptyl, případně v některých
typech senzorů pnutí [1,12].
d) Kvazi-distribuovaný senzor: Tyto senzory pracují na principu ležícím někde mezi
principem bodového a distribuovaného senzoru, obrázek 2 (d) [6]. V tomto případě je
informace o měřené veličině získávána v určitých a předem definovaných bodech
podél délky vlastního vlákna. Využívají se speciální vlákna citlivá na určitou látku
nebo se přidávají speciální materiály, které se vkládají do optické smyčky, tak aby
bylo umožněno snímání měřené veličiny [1,13].
2 DĚLENÍ VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 5
Obrázek 2 - Bodové (a), integrované (b), distribuované (c) a kvazi-distribuované (d) snímání [4]
2.3 Povaha přeměny převodu veličiny [1,6,7,8,14]
Dalším rozdělením vláknově optických senzorů je rozdělení v závislosti na povaze přeměny
převodu veličiny. Takto se dělí na intrinsitní, a na extrinsitní senzory, kde optické vlákno je použito
k vazbě světla. Obvykle do nebo z oblasti, ve které je světelný paprsek ovlivňován měřenou veličinou.
Tento externí proces, ale může být zachycen do vlákna několika vhodnými způsoby a to pomocí
svaření spojů, lepením nebo mechanickým spojem [1].
a) Intrinsitní senzory: Jsou to senzory, kde ve skutečnosti interakce nastane uvnitř
vlastního optického vlákna [1]. Vláknové optické senzory využívají Braggových
mřížek v optických vláknech [15]. Tento druh senzorů nevyžaduje speciální péči a
jsou tak relativně snadno použitelné. Největší výhodou intrinsitních Braggových
mřížkových senzorů je jejich schopnost multiplexovat mřížky o různých periodách
v jediném vlákně. Distribuované snímání tisíců vláknových Braggových mřížek je
možné s pomocí spojitě laditelného laserového zdroje.
Braggovské mřížky vlákna jsou periodická kolísání indexu lomu uvnitř optického
vlákna. Tato kolísání indexu lomu způsobují odrazy, jejichž vlnová délka je závislá na
periodě mřížky. Perioda mřížkování se mění s roztahováním nebo zkracováním
optického vlákna, které vyplývá z působení tahové síly, teploty nebo jiných vlivů [12].
Představiteli senzorů této skupiny jsou třeba Intrinsitní Fabry-Perotův interferometr,
který měří mezeru mezi po sobě následujícími Braggovskými mřížkami nebo
kmitočtově kolísající Intrinsitní Fabry-Perotův interferometrický senzor, jenž má
spojitě se měnící periodu, která rozšiřuje šířku pásma odraženého signálu [8].
2 DĚLENÍ VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 6
b) Extrinsitní senzory: U těchto senzorů je optické vlákno použito k vazbě světla.
Obvykle do/nebo z oblasti, ve které je světelný paprsek ovlivňován měřenou
veličinou. Tento externí proces, ale může být zachycen do vlákna několika vhodnými
způsoby a to pomocí svaření spojů, lepením nebo mechanickým spojem [1].
Extrinsitní Fabry-Perotovy interferometry monitorují interference mezi Fresnelovými
odrazy na konci optického vlákna a vnějšího odrazného povrchu. Tyto senzory jsou
univerzální, neboť vnější odrazná zrcadla mohou být vyrobena s ohledem na měření
konkrétního jevu. Extrinsitní Fabry-Perotovy interferometry obecně nabízejí možnost
bodového měření. V této konstrukci jsou blízko sebe umístěna dvě optická vlákna
uvnitř kapilárního pouzdra. Délka kapilárního pouzdra bývá okolo 3 mm. Odrazy od
konců každého vlákna vytváří optický rezonátor. Účinnější senzory mají navíc ještě
konec optického vlákna vylepšený přídavnou odraznou plochou, díky které se sníží
šířka pásma a zvýší se intenzita signálu. Senzor je často vyroben jako symetrický a
může tedy být použit pro měření z obou stran. Nicméně, odrazy od konce odrazného
vlákna se mohou smíchat s žádaným interferenčním signálem, a proto je obvykle
jeden konec seříznutý v takovém úhlu, aby se zabránilo přídavným odrazům.
Extrinsitní Fabry-Perotovy interferometry této architektury jsou nejčastěji používány
jako senzory pnutí a průtahoměry. Průtahoměry jsou připojeny k měřené struktuře v
určité vzdálenosti od senzoru, kdežto měřiče pnutí jsou začleněny uvnitř struktury, aby
poskytovaly lokální informace. Typickým rysem vláken v Extrinsitních Fabry-
Perotových interferometrech použitých pro měření prodloužení je, že nejsou pevně
připojená k vnější kapilární trubičce. Takovýhle způsob uložení umožní tolerovat i
větší nepřesnosti. Naopak měřiče pnutí mají oba konce přilepeny, měřená délka
měřičů pnutí pak typicky odpovídá lepená vazbě [8].
2.4 Modulace měřené veličiny [6]
V závislosti na typu modulace, která je použita pro modulaci optického záření můžeme
optické snímače rozděleny na čtyři skupiny:
a) Amplitudové nebo Intenzitní senzory: V těchto senzorech měřená veličina pozměňuje
vláknem přenášenou optickou intenzitu. Pro jejich sestavení lze použít levné
nekoherentní i koherentní světelné zdroje společně s jednoduchými optickými
součástkami, což umožňuje vzniknout senzorům, které jsou technicky i ekonomicky
2 DĚLENÍ VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 7
konkurenceschopné na trhu, proto mohou být použity v širokém spektru aplikací
včetně průmyslových [15,16,17].
b) Fázové nebo Interferometrické: Patří sem senzory, ve kterých měnící se měřená
veličina způsobuje modulaci fáze světelného záření. Tento typ senzorů vyžaduje
koherentní zdroj záření, jednovidová optická vlákna a složitá optická zařízení pro
kontrolu polarizace, někdy i polarizaci zachovávající vlákna, která ve výsledku
zvyšují cenu senzoru. Nicméně nabízejí možnost dosažení nejvyšší citlivosti. Řadí se
sem i široká skupina vláknově optických gyroskopů [9]. V nedávné době byla
představena nová skupina interferometrie, která poskytuje výborné výsledky, jelikož
je zde použito světelných zdrojů s nízkou koherencí, dostala označení interferometrie
v bílém světle.
c) Polarometrické: Skupina senzorů, ve kterých měnící se měřená veličina moduluje
polarizaci světla. Příkladem je měření elektrického proudu založené na Farayově jevu.
d) Spektroskopické: Senzory, ve kterých měřený předmět moduluje spektrum optického
záření.
2.5 Výrobní technologie snímačů a převodníků [6]
Vzhledem k tomu, že snímače jsou obecně částí systému, na kterou má použitá technologie
obrovský význam, lze vláknové optické senzory rozdělit podle použité výrobní technologie snímačů:
a) Vláknová optická technologie: Takové technologie, kde optická zařízení jsou
představovány optickými vlákny.
b) Integrovaná optická technologie: Zde jsou optická zařízení (vlnovody) vyrobeny
pomocí technologie integrované optiky.
c) Integrovaná opto-elektronika: Tato technologie „harmonicky“ kombinuje fotonická
zařízení (optická, opto-elektronická) společně s elektronickými zařízeními pro
generování a/nebo detekci, zpracování a/nebo úpravu signálů, vše integrované na
jedné jediné podložce. Mohou stejně tak integrovat celou sestavu tvořící senzorový
systém.
d) Hybridní optická technologie: Zde jsou „harmonicky“ kombinovány fotonické a/nebo
elektronické části zařízení v různých technologiích (vláknové a/nebo integrované) na
stejné podložce. I zde je možné integrovat celou sestavu senzorového systému.
3 FUNKČNÍ PRINCIPY 8
3 Funkční principy
Tato kapitola se zabývá objasnění základních jevů a principů využitých pro snímání veličin
pomocí vláknově optických senzorů.
3.1 Luminiscence
Luminiscence je spontánní (samovolné) záření (obvykle) pevných nebo kapalných látek, které
vzniká jako přebytek záření tělesa nad úrovní jeho tepelného záření v dané spektrální oblasti při dané
teplotě. Toto záření má určitou dobu doznívání, tedy trvá i po skončení budícího účinku. Lze také říci,
že luminiscence je děj, při němž záření o kratší vlnové délce (větší frekvenci) vyvolává v látce
určitého složení vznik záření o delší vlnové délce (nižší frekvenci). Luminiscence vzniká excitací
atomu působením jiného záření, elektronů apod., a následným návratem elektronů do základního
stavu, čímž dojde k vyzáření fotonu.
Luminiscence se dělí na:
fluorescenci
fosforescenci
zpožděnou fluorescenci
Definice fluorescence:
1. Nastane-li emise záření z excitovaného elektronového stavu jedním či více spontánními
energetickými přechody, jedná se o fluorescenci.
2. Praktické kritérium: fluorescenci pozorujeme během buzení a po jeho vypnutí prakticky
ihned vymizí (doba dohasínání je obvykle řádově 10-8 s).
Definice fosforescence:
1. Uplatňuje-li se při emisi záření z excitovaného elektronového stavu metastabilní hladina,
jedná se o fosforescenci.
2. Praktické kritérium: fosforescence má delší dobu dohasínání než fluorescence (>>10-8 s)
a obvykle ji nelze pozorovat v roztocích při pokojové teplotě.
3 FUNKČNÍ PRINCIPY 9
Definice zpožděné fluorescence:
Zpožděná fluorescence je zářivý přechod z téhož singletního stavu (S1) jako při fluorescenci,
ale s delší dobou dohasínání danou časem, po který je molekula v metastabilním tripletovém
stavu.
Obrázek 3 - Schéma zářivých a nezářivých přechodů
Stokesův zákon: Vlnová délka luminiscenční emise při fotoluminiscenci je větší nebo rovna vlnové
délce excitačního světla (λem ≥ λex).
Většina složitých organických molekul nefluoreskuje, intenzivní fluorescenci ale vykazují
některé aromatické sloučeniny (polyaromatické uhlovodíky nebo heterocykly) nazývané fluorofory
nebo fluorescenční barviva. Typickými fluorofory jsou např.:
• chinin (tonik)
• fluorescein, rhodamin B (nemrznoucí směsi, fluorescenční značení)
• POPOP (scintilátory)
• akridinová oranž (DNA)
• umbeliferon (ELISA)
• antracén, perylén (znečištění životního prostředí oleji)
Charakteristické je teplotní zhášení luminiscence, tj. snižování kvantového výtěžku s teplotou.
3 FUNKČNÍ PRINCIPY 10
3.2 Fluorescence
Jak již bylo uvedeno výše, fluorescence je jev spočívající v tom, že některé látky (fluorofory)
po ozáření (excitaci) světlem určité vlnové délky λexcit vyzařují (emitují) světlo jiné vlnové délky λemit
> λexcit. Využití tohoto jevu v mikroskopii se stalo základem tzv. fluorescenční mikroskopie, která
nachází široké uplatnění zejména v oblasti přírodních věd a v medicíně. Pokud např. na jednu látku
navážeme fluorescein (emituje zelené světlo při excitaci modrým světlem) a na jinou rhodamine
(emituje červené světlo při excitaci žluto-zeleným světlem), pak můžeme porovnávat vzájemné pozice
různých molekul ve stejné buňce apod.
Hlavní charakteristiky fluorescence jsou:
intenzita – počet fotonů procházejících v daném směru jednotkovou plochou za jednotku času
spektrální složení – spektrální hustota fotonového toku na jednotkový interval vlnových
délek nebo frekvencí
polarizace – směr kmitání elektrického vektoru elektromagnetické vlny
doba dohasínání – je dána vnitřní dobou života excitovaného stavu, z něhož dochází k emisi;
úzce souvisí s pochody vedoucími k nezářivé deaktivaci tohoto stavu
koherenční vlastnosti – vztahy mezi fázemi světelných vln
Emisní spektrum je závislost intenzity fluorescence na vlnové délce (nebo energii, vlnočtu, či
frekvenci) při konstantní vlnové délce budícího záření.
Excitační spektrum je závislost intenzity fluorescence na vlnové délce (nebo energii, vlnočtu,
či frekvenci) při konstantní vlnové délce emitovaného záření.
Kashovo pravidlo: Před emisí fluorescenčního kvanta dochází obvykle k relaxaci vibrační energie a
vnitřní konverzi, takže fluorescenční přechod nastává z nejnižší vibrační hladiny prvního excitovaného
stavu S1.
Vavilovův zákon: Kvantový výtěžek je poměr počtu světelných kvant emitovaných a absorbovaných
fluoroforem za sekundu.
Kvantový výtěžek a doba trvání excitovaného stavu složitých molekul v roztoku nezávisí na
vlnové délce budícího záření.
Φ(f) = intenzita Fluorescence / intenzita absorpce = af II
3 FUNKČNÍ PRINCIPY 11
Kvantový výtěžek (Φf ) < 1
Z toho vyplývá obecná vlastnost fluorescence: Emisní spektra jsou nezávislá na vlnové délce
excitace.
3.3 Fosforescence
Tento typ luminiscence se liší od fluorescence v době jejího trvání. Doba trvání fosforescence
je řádově delší než 10-2 s (až minuty). Tento časově delší jev nastává tehdy, když se elektrony po
excitaci dostávají do energetických hladin, z kterých se nemohou přímo vrátit do základní hladiny.
Tyto hladiny se nazývají metastabilní. V metastabilní hladině setrvávají elektrony do té doby, než
vyzáří energii v podobě fotonů, která je udržovala v této hladině. Teprve pak přecházejí do základní
hladiny. Tento jev lze pozorovat u fosforeskujících látek, jako jsou krystaly a sulfidy těžkých kovů.
Obrázek 4 - Srovnáni energetických úrovní IČ absorpce, Ramanova rozptylu a Fluorescence
3.4 Hallův jev
Hallův jev je proces generace Hallova elektrického pole v polovodiči (existuje i v kovech, ale
vzhledem k vysoké koncentraci vodivostních elektronů se téměř neuplatňuje) za současného působení
vnějšího elektrického i magnetického pole. Důsledkem toho se hromadí na jedné straně látky záporný
náboj a na straně druhé náboj kladný. Díky tomu, že póly mají různý potenciál, vzniká Hallovo napětí.
Vzorkem tak protéká proud o hustotě jx = qnvd
Působením Lorenzovy síly Fy = qvdBz (kde Bz je indukce) jsou nosiče vychylovány k jednomu
pólu vzorku. Hallovo pole pak vyvolává opačnou sílu k Lorentzově síle Fy = qEH
Tento jev byl objeven Edwinem Hallem v roce 1879 a na jeho počest nese jeho jméno.
3 FUNKČNÍ PRINCIPY 12
3.4.1 Hallovo napětí
Vložíme-li vodivou destičku tloušťky d, kterou protéká řídící elektrický proud I, do
magnetického pole s magnetickou indukcí By, kolmou na směr proudu, pak ve třetím směru, kolmém
na směr proudu a zároveň na směr magnetického pole změříme potenciálový rozdíl UH. Následkem
Hallova jevu vzniká Hallovo napětí:
dIB
RU yHH = (2)
3.4.2 Hallova konstanta
Součinitel RH nazývaný Hallova konstanta má rozměr m3A − 1s − 1. Umožňuje stanovit typ
vodivosti polovodiče (za předpokladu, že známe orientaci elektrického pole a magnetického pole ve
vzorku). Dá se vyjádřit jako:
nHH qn
AR 1−= (3)
Pro polovodič typu N je znaménko záporné, kdežto pro polovodič typu P je kladné. AH je tzv.
rozptylový faktor. Jeho hodnota se pohybuje mezi 1 (hodnota kovů) a 2 (pro slabě dotované
polovodiče je asi 1,17)
Hallův jev se používá k měření magnetických polí, proudu (bez kontaktu) apod.
3.5 Fotoelektrický jev
Fotoelektrický jev či fotoefekt je fyzikální jev, při němž jsou elektrony uvolňovány
(vyzařovány, emitovány) z látky (nejčastěji z kovu) v důsledku absorpce elektromagnetického záření
(např. rentgenové záření nebo viditelného světla) látkou. Emitované elektrony jsou pak označovány
jako fotoelektrony a jejich uvolňování se označuje jako fotoelektrická emise (fotoemise).
Pokud jev probíhá na povrchu látky, tzn. působením vnějšího elektromagnetického záření se
elektrony uvolňují do okolí látky, hovoří se o vnějším fotoelektrickém jevu. Fotoelektrický jev však
může probíhat i uvnitř látky, kdy uvolněné elektrony látku neopouští, ale zůstávají v ní jako vodivostní
elektrony. V takovém případě se hovoří o vnitřním fotoelektrickém jevu.
Pokud na látku dopadají elektrony, které způsobují vyzařování fotonů, mluví se o inverzním
(obráceném) fotoelektrickém jevu.
3 FUNKČNÍ PRINCIPY 13
Studium fotoelektrického jevu mělo vliv na pochopení duality vln a částic. Bylo zjištěno, že
při osvětlení některých látek (především kovy) se tyto látky nabijí. Například zinek osvětlený
ultrafialovým světlem se nabije kladně.
Při ozáření vzorku spektrem elektromagnetického vlnění došlo k pohlcení krátkých vlnových
délek a delší vlnové délky ve spektru zůstaly. Pro krátké vlnové délky došlo k emisi vodivostních
elektronů z kovu. Počet těchto elektronů rostl s intenzitou vlnění. Jev byl ale pozorován jen pro krátké
vlnové délky, pro velké délky vln jev nenastal ani při libovolné intenzitě. Pro krátké vlnové délky se
se zvýšením intenzity dopadajícího záření zvyšoval počet uvolněných elektronů, avšak intenzita
neovlivnila energii těchto elektronů.
Podle představ klasické fyziky by elektronům měla být předána kinetická energie dopadajícího
elektromagnetického vlnění. Energie elektromagnetických vln souvisí s intenzitou záření, tzn. energie
vyzařovaných elektronů by měla záviset na intenzitě dopadajícího záření. Experimenty však ukázaly,
že kinetická energie vyzařovaných elektronů je závislá na frekvenci a nikoliv na intenzitě dopadajícího
záření.
Experimentálně bylo zjištěno, že pokud frekvence dopadající záření klesne pod tzv. mezní
(prahový) kmitočet ν0, fotoemise se neobjevuje. Mezní frekvence je charakteristickou vlastností každé
látky. Pokud je frekvence ν dopadajícího záření vyšší než mezní frekvence ν0, mají fotoelektrony
energii v rozmezí od nuly do určité maximální hodnoty Emax. Maximální hodnota energie Emax je
lineární funkcí frekvence a platí pro ni vztah
( ) 00max hvhvvvhE −=−= (4)
kde h je Planckova konstanta.
Obrázek 5 - Fotoelektrický jev a mezní frekvence
Tyto vlastnosti fotoelektrického jevu není vlnová fyzika schopná vysvětlit, proto se pro popis
tohoto jevu využívá fyziky částicové.
3 FUNKČNÍ PRINCIPY 14
3.6 Elektrooptický jev
Mnoho modulátorů optického signálu je založeno na lineárním elektrooptickém jevu, kde se
index lomu krystalu mění v závislosti na řízeném elektrickém poli. Tento efekt je charakterizován
v souvislosti s šíření optického signálu skrz krystal. Optický signál mající lineární polarizaci získává
průchodem skrz krystal pouze takovou polarizaci, jež mu umožňuje symetrie krystalu.
Elektrooptický tenzor rij, který popisuje daný efekt matematicky je definován jako rovnice
∑=
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛Δ
3
12
1j
ji
En ijr (5)
Z této definice vyplývá, že aplikované elektrické pole mění velikost, tvar a orientaci indexu
lomu elipsoidy, takže analýza může být velmi obtížná. Ve velkém množství případů se naštěstí
problém velmi zjednoduší díky výhodě v krystalové symetrii.
Pro elektrooptické aplikace je Lithium niobát (LiNbO3) jedním z nejvíce využívaných
materiálů. LiNbO3 je dielektrický krystal s velkými elektrooptickými koeficienty a je transparentní pro
vlnové délky od 0,4 do 4,5 μm. Pokud se nenachází v elektrickém poli je dvojlomný s indexem lomu
vycházejícím z rovnice 6,
12
2
2
2
2
2
=++eoo n
zny
nx
. (6)
Kde no je obyčejný index lomu a ne mimořádný index lomu. Pro světlo šířící se podél osy x a y
existují dva povolené stavy lineární polarizace. Pro speciální případ, kdy se světelný signál šíří podél
osy z, zůstává lineární polarizace nezměněna.
Tato vlastnost vychází z charakteristiky materiálu LiNbO3, neboť tento materiál spadá do 3m
krystalové struktury a jeho elektrický tenzor je
⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡−
=
000000
0000
12
51
51
33
1312
1312
rr
rrrrrr
ijr (7)
3 FUNKČNÍ PRINCIPY 15
Pro vlnovou délku 1300 nm je hodnota no = 2,224 a hodnota ne = 2,144, respektive vybrané
elektrooptické koeficienty jsou r13= 9,6.10-12 m/V, r33=30,9.10-12 m/V, r51=32,6.10-12 m/V a r12=6,8.10-
12m/V. Jak je z těchto hodnot vidět, největší elektrooptický koeficient pro modulování lineárně
polarizovaného světelného signálu má r33.
Pokud je k využití r33 elektrooptického koeficientu aplikováno podle osy z řízené pole Ez na
LINbO3, rovnice elipsoidy se změní na:
( ) 111 2332
22132 =⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+++⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+ zEr
nyxEr
n ze
zo
(8)
Nevzniká v tomto případě žádná změna v orientaci elipsoidy, z toho vyplývá, že pokud se šíří
optický signál přes nezměněné hlavní osy (x, y) zůstává lineární polarizace rovněž nezměněna, ale
změní se indexy lomu uvnitř krystalu.
V případě změny šíření, kdy hlavní osa šíření bude y a polarizovaná podél osy z, změní se
index lomu nz. Změnu popisuje následující vztah
zez
Ernn 332211
+= (9)
Kde pro malou změnu indexu lomu můžeme zavést následující aproximaci
ze
ez Ernnn 33
3
2−= (10)
Index lomu se mění lineárně s amplitudou aplikovaného elektrického pole. Jinak řečeno, index
lomu v případě x-polarizované vlny je roven:
zo
ox Ernnn 13
3
2−= (11)
Další kombinace šíření optického signálu a aplikovaného pole vedou ke složitějšímu chování v
LiNbO3.
4 MODULÁTORY OPTICKÉHO ZÁŘENÍ 16
4 Modulátory optického záření
K rozšíření použitelnosti vláknově optických senzorů je nezbytné vložit do optického vlákna
nějaký prvek, reagující na veličinu, kterou chceme snímat. Tento prvek nazýváme modulátor.
Modulátory se proto používají u extrinzitních vláknově optických senzorů.
Modulátory optického záření jsou klíčovou částí vláknově optických senzorů, s velkou
možností změny výstupního signálu. Použitím modulátorů měníme na výstupu amplitudu, fázi,
frekvenci nebo polarizaci signálu. Modulátory pro vláknově optické senzory využívají, jako základní
princip, jevy elektrooptický, akustooptický a magnetooptický.
Rozeznáváme tři druhy řazení optických modulátorů do senzorických systémů:
Blokové modulátory,
Integrované modulátory,
Celovláknové modulátory.
Blokové modulátory, které se vřazují do optického vlákna, kde optické záření prochází skrz
jednotný blok materiálu, jsou relativně staré a v prodeji řadu let, avšak neumožňují dostatečné
navázání vstupního optického signálu, požadují velké množství elektrické energie a kvalitní externí
optiku k navázání modulovaného optického signálu zpět do vlákna.
Integrované modulátory optického signálu, které mají přímo od výrobce vnořenou vstupní i
výstupní část vlákna do modulátoru, vykazují daleko menší energetickou náročnost na provoz než
Blokové modulátory. Samozřejmě, v integrovaném řešení, odpadá problém s navázáním a následně
s vyvázáním optického signálu.
V celovláknových modulátorech optický signál nikdy neopustí optické vlákno, které je
upraveno k získání požadované modulace. Výhodou tohoto způsobu modulace je eliminace problémů
s navázání a vyvázání optického signálu z modulátoru. Tyto typy modulátorů jsou stále ve stavu
výzkumu a vývoje.
4 MODULÁTORY OPTICKÉHO ZÁŘENÍ 17
Obrázek 6 - Základní princip modulátoru
Obrázek 7 - Typy modulátorů: Blokový, Integrovaný a Celovláknový
4 MODULÁTORY OPTICKÉHO ZÁŘENÍ 18
4.1 Blokové modulátory
V optických systémech, včetně vláknově optických senzorů (VOS), jsou nejčastěji používány
Blokové modulátory. Tato zařízení jsou velmi dobře dostupná a jejich charakteristiky jsou velmi dobře
známy. Následující kapitola se zabývá blokovými modulátory, které jsou založeny na elektrooptickém
a akustooptickém jevu.
Blokové modulátory můžeme dále dělit na:
Elektrooptický modulátor fáze,
Elektrooptický intenzitní modulátor,
Akustooptický blokový modulátor s frekvenčním posuvem.
4.1.1 Elektrooptický modulátor fáze
Blokový elektrooptický modulátor fáze je na obrázku 8, optické modulace fáze je zde docíleno
změnou indexu lomu krystalu Δν(t). L je délka bloku modulátoru, protože je optická vlnová délka
mnohonásobně menší než L, vedou nepatrné změny v indexu lomu k výrazné změně fázové modulace.
Pro zařízení s L = 5 mm pracující na vlnové délce 1300 nm a s fázovým posuvem o π rad (180°) stačí
změna indexu lomu Δn pouze kolem hodnoty 1,3.10-4.
V elektroooptických modulátorech je dosaženo změny indexu lomu pomocí aplikování
elektrického pole na krystal. Změna elektrooptického indexu lomu v krystalu je lineární v závislosti na
elektrickém poli, dle vztahu.
( ) Erntn2
3
=Δ (12)
Kde r je elektrooptický koeficient, V(t) je napětí aplikované přes elektrody (obr 8). Dalším
parametrem, který je potřeba znát je tloušťka krystalu d, poté lze zapsat Φ (t) jako:
( ) ( )tVdLrnt
22 3
λπ
=Φ (13)
Hodnota modulace Vπ je tedy pro fázový posun π rad, přepsána do vztahu
( )dLrnV 3
λπ = (14)
4 MODULÁTORY OPTICKÉHO ZÁŘENÍ 19
Obrázek 8 - Blokový modulátor fáze
4.1.2 Elektrooptický intenzitní modulátor
Blokový elektrooptický intenzitní modulátor může být jednoduše realizován s výhodou
polarizační závislosti fázového modulátoru. Jednoduchou implementaci intenzitního modulátoru
umožňuje vložení polarizačního fázového modulátoru mezi dva polarizátory, jak je vidět na obrázku č.
9. Změnou napětí V(t) modulátoru fáze, dochází ke změně fáze uvnitř modulátoru a následně optický
signál (fázově modulovaný) musí projít přes výstupní polarizátor, čímž docílíme intenzitní modulace.
( ) ( )[ ] ( )[ ] zyixyiEyE zxo φφ expexp2
+= (15)
Vztah popisuje intenzitní modulátor, u něhož je na vstup přiveden polarizovaný světelný
signál (45°).
Obrázek 9 - Blokový intenzitní modulátor
4 MODULÁTORY OPTICKÉHO ZÁŘENÍ 20
Vztah pro napěťovo-fázově závislou modulaci je
( ) ( ) ( )tVdLrrntVm 1333
3
22
−=Δλπφ (16)
Nifáze je
( ) constLnnV
xB +−=Δ=0
22λπφ (17)
A následně optický signál jdoucí skrz polarizátory je
( )[ ] ( )[ ] ( )2
sin2
sin 22 tVLtVtVP
P mB
IN
OUT φφφ Δ+Δ=
Δ= (18)
Výsledná funkce pro intenzitní modulátor
( ) Ld
rrnV
13333 −
=λ
π (19)
4.1.3 Akustooptický blokový modulátor s frekvenčním posuvem
Akustooptická zařízení jsou nejčastěji používána v senzorických aplikacích jako optické
frekvenční posuvy, jejich nasazení na trhu je skoro tak rozšířené jako v případě intenzitních
modulátorů. V akustooptických modulátorech prochází optický signál krystalem, kde je změna
průchozí vlny generována akustickou vlnou. Přerušení vychází z fotoelastického jevu, kde mechanické
napětí produkuje lineární variaci změny indexu lomu.
Akustooptické zařízení je vyrobeno z materiálu jako LiNbO3 a křemene. Aby mohla být vlna
efektivně puštěna do tohoto krystalu, musí mít rozsah od desítek MHz do jednotek GHz. Rychlost
šíření zvuku uvnitř LiNbO3 je okolo 6.103 m.s-1 a tak akustická vlna s frekvencí 1 GHz má vlnovou
délku λ= 6000 nm (6 μm) což se dá přirovnat k optické vlně.
Akustooptický modulátor pracuje ve dvou základních módech:
L << Λa2/λ − pracuje v Raman-Nathově režimu, vytvářejícím několikanásobné rozložené
paprsky obr. 10, které mají relativní závislost na intenzitě akustické vlny a její frekvenci.
4 MODULÁTORY OPTICKÉHO ZÁŘENÍ 21
Obrázek 10 - Akustooptický modulátor pracující v Raman-Nathově režimu
L >> Λa2/λ − druhý režim je tzv. Braggův režim, kde je pouze jedna rozložená vlna, která je
následně použita ve vláknově optických aplikacích.
Obrázek 11 - Akustooptický modulátor pracující v Braggově režimu
ki představuje vstupní vlnový optický vektor, kd pak rozložený optický vlnový vektor.
λπ nkk di
2=≈ (20)
Braggův úhel je popsán relací
a
B nΛ=
πλθ
2sin , (21)
je typicky velmi malý, na příklad pro l=630 nm, n=2,2 a f=500 MHz je Braggův úhel 0,65°.
4 MODULÁTORY OPTICKÉHO ZÁŘENÍ 22
4.2 Integrované optické modulátory
Jsou vytvořeny z optických vlnovodů vyrobených na ploše odpovídajícího substrátu. Tyto
modulátory nejsou limitovány optickou difrakcí. Integrované optické modulátory je možné realizovat
s velice malými požadavky na řídící napětí, s velkou šířkou pásma, malými rozměry a hlavně
kompatibilními s optickými vlákny. Integrované optické modulátory jsou využívány pro vláknově
optické senzory obsahující fázové modulátory, intenzitní modulátory a optická frekvenční řazení. Na
jednom čipu může být kombinováno více komponentů. Jako příklad multifunkčního integrovaného
optického čipu můžeme uvést vláknový gyroskop, který je znázorněn na obr. 12. Zde zařízení, které je
integrováno na jednom čipu obsahuje výkonový dělič, modulátor fáze a frekvenční posuv.
Obrázek 12 - Vláknově optický gyroskop
Kanálový vlnovod je základní součástkou integrovaných optických zařízení. Jednokanálový
vlnovod má oblast s indexem lomu n3 obklopenou oblastmi s nižšími indexy lomů n1 a n2 .
Obrázek 13 - Kanálový vlnovod
Jednovidový vlnovodný režim podporuje pouze jeden vid z TE nebo TM polarizace s typickou
velikostí vidu, která je menší než 10 μm, jak je vidět na obrázku 14. Optické vlnovody jsou tvořené
z LiNbO3 dopovaného titanem ke zvýšení indexu lomu krystalu, to vede ke zvětšení rozsahu
použitelnosti integrovaného optického zařízení. Tyto integrované zařízení jsou vyrobeny pomocí
standardní fotolitografické techniky.
4 MODULÁTORY OPTICKÉHO ZÁŘENÍ 23
Obrázek 14 - Vedené vidy kanálového vlnovodu
Ztráty vazebních členů mezi jednovidovým optickým vláknem a LiNbO3 vlnovodem můžeme
minimalizovat použitím správného vlnovodu, jehož profil se blíží k profilu optického vlákna. Typická
ztráta vazebního členu je od 0,5 do 1,0 dB na rozhraní a ztráty připadající na rozptyl a útlum jsou
okolo 0,2 a 0,8 dB/cm při vlnové délce 1300 nm, resp. 850 nm.
4.2.1 Modulátor fáze
Jednoduchý integrovaný optický modulátor fáze se skládá z jednovidového vlnovodu a dvou
elektrod o délce L mezi nimiž je šířka d. Pole vzniklé mezi dvěma elektrodami přesahuje do optické
cesty a způsobuje změnu indexu lomu, což ve svém důsledku způsobí změnu fázové modulace Φ(t).
Výstupní signál můžeme zapsat jako:
( ) ( )[ ] ttiEtE ooOUT φθω ++= exp (22)
Fázová modulace může být zapsána jako
( ) ( )tLVd
rnt Γ=
22 3
λπφ (23)
kde
( )dLrnV
Γ= 3
λπ (24)
4 MODULÁTORY OPTICKÉHO ZÁŘENÍ 24
Obrázek 15 - Modulátor fáze s jednovidovým vlnovodem a dvěma elektrodami
Obrázek 16 - Napětí aplikované na fázový modulátor
4.2.2 Interferometrický intenzitní modulátor
Vlnovodný modulátor fáze může být kombinován na substrátu s jinými zařízeními, jako např.
s interferometrickým modulátorem intenzity, jak je ukázáno na obrázku č. 17. Vstupní vlna je
rozdělena do dvou jednovidových ramen se zapojenými paralelními elektrodami, přivedené napětí
nám následně moduluje výstupní signál.
Obrázek 17 - Interferometrický intenzitní modulátor
4 MODULÁTORY OPTICKÉHO ZÁŘENÍ 25
Obrázek 18 - Princip intenzitního modulátoru
Vztah mezi vstupním a výstupním výkonem je popsán poměrem Pout/Pin.
( )φΔ+= cos121
in
out
PP
(25)
Na obrázku 18 jsou znázorněny stavy, které nastanou při Δφ =0 a Δφ =π. V těchto mezních
stavech se při Δφ =0 (není zde žádný fázový posuv) výsledná vlna sečte. V případě, pokud je fázový
posun mezi stavy roven Δφ =π tzn., dochází zde k součtu kladné a záporné vlny, výstupní výkon bude
nulový.
Fázový posun je typicky kontrolován uspořádáním elektrod. Optická přenosová funkce
aplikovaná na napětí může být napsaná jako:
( )⎭⎬⎫
⎩⎨⎧
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡++= B
in
out
VtV
PP θπ
π
cos121
(26)
Kde Vπ je změna napětí požadující plnou on/off modulaci, Vπ je dán vztahem:
Ld
rnV
Γ= 32
λπ (27)
4 MODULÁTORY OPTICKÉHO ZÁŘENÍ 26
4.3 Celovláknové modulátory
Přímá modulace optického signálu v optickém vlákně je atraktivním konceptem vláknově
optických senzorových aplikací. Tento koncept eliminuje použití jakýchkoliv optických vazebních
členů, což snižuje množství vkládaného útlumu. Při srovnání celovláknových modulátorů a diskrétních
modulačních zařízení, jsou celovláknové modulátory pomalejší. Jejich velkou výhodou ovšem je, že se
dají použít přímo na optické vlákno (optickou cestu) bez jejího přerušení. Rozeznáváme dva typy
modulací:
Fázová modulace
Frekvenční modulace
4.3.1 Fázová modulace
Fázová modulace v celovláknových modulátorech spočívá buď v tahu vlákna, nebo tlaku na
vlákno (tažení nebo tlačení na vlákno) pomocí externích zařízení. To je vyjádřeno matematicky ve
vztahu:
( ) ( ) ( )[ ]tLntnLt Δ+Δ=λπφ 2
(28)
kde Δn(t) a ΔL(t) jsou změny indexu lomu resp. změna délky modulovaného vlákna. Na rozdíl
od blokových a integrovaných modulátorů, kde je efekt změny délky vlákna zanedbatelný, u
celovláknových modulátorů má i malá změna délky vlákna vliv na významnou změnu fáze. Nejvíce
rozšířeným provedením celovláknového modulátoru fáze je uspořádání, kdy je optické vlákno
namotáno na piezoelektrický kruh. Tento prstenec je vyroben z PZT, což je olověný zirconid titanát.
Modulace zde probíhá, jak již bylo řečeno, změnou délky. Změny délky dosáhneme přivedením napětí
na tento válec, díky němu se mění průměr válce a tedy délka vlákna, které je na něm namotáno.
Citlivost tohoto modulátoru je kolem 50 m.rad/V-otáčku pro vlnovou délku signálu 630 nm,
s průměrem válce 2 cm.
Obrázek 19 - Vláknově optický modulátor fáze z piezoelektrického prstence
4 MODULÁTORY OPTICKÉHO ZÁŘENÍ 27
Obrázek 20 - Vláknově optický modulátor fáze z piezoelektrického pláště
Druhý způsob modulace fáze s celovláknovým modulátorem je protažení vlákna vnitřkem
modulátoru, jak vidíme na obrázku 20. Piezoelektrického efektu je zde dosaženo pomocí vnějšího
pláště modulátoru. Optické vlákno je nejdříve protaženo kovovou trubičkou, na níž je trubička z PVF2
(polyvinil fluorid) a nad ní je kovová elektroda. V předchozím případě celovláknové fázové modulace
docházelo k natahování vlákna, u tohoto typu dochází ke stlačování zavedeného vlákna v trubičce. Na
18 cm dlouhém celovláknovém modulátoru při vstupní vlnové délce 630 nm dosahuje citlivost 30
mrad /V-m.
4.3.2 Frekvenční modulace
Celovláknová frekvenční modulace je založena na propojení postupné vlny TE/TM vedené
v optickém vlákně. Vedené vidy TE/TM vlny mají pouze rozdíl v konstantě šíření Δβ. Akustická vlna
o frekvenci ωa, která je navedena na vlákno rozruší (rozvibruje) index lomu profilu vlákna, což má za
důsledek frekvenční posuv ± ωa. Efektivní přelévání energie mezi TE/TM je vyjádřeno pomocí vztahu:
aΛ=Δ
πβ 2 (29)
Tento způsob modulace byl použit na vlákno podporující šíření dvou vidů, samozřejmě
s vysokou dvojlomností a podporující dva polarizační stavy. Na obrázku 21 je zachyceno zapojení
tohoto modulátoru.
Obrázek 21 - Vláknově optický frekvenční modulátor
5 INTENZITNÍ SENZORY 28
5 Intenzitní senzory [18]
Intenzitní senzory jsou poměrně jednoduché a vyžadují jen jednoduchou převodní elektroniku.
Hlavní přístupy použité pro konstrukci intenzitních senzorů obsahují tři mechanismy: přenos, odraz a
mikroohyby. Nicméně existuje několik dalších mechanismů, které lze využít nezávisle nebo společně
se třemi uvedenými hlavními mechanismy, jsou to: absorpce, rozptyl, fluorescence, polarizace a
optické mřížkování. I když jsou intenzitní senzory ve své podstatě analogové, nacházejí významné
využití v digitálních (on/off) aplikacích spínačů a čítačů.
5.1 Přenosový koncept
Princip přenosového intenzitního senzoru je běžně založen na narušení šířícího se světelného
paprsku. Obrázek 22 (a) ukazuje uspořádání vláknových sond pro měření podélného posunutí.
Obrázek 22 (c) pak znázorňuje křivku závislosti výstupní intenzity na vzdálenosti mezi sondami.
Křivka odpovídá funkci 2/1 r , kde r je vzdálenost. Ještě více citlivý přenosový přístup používá
senzor pro měření radiálního posuvu, obrázek 22 (b). Tento senzor vykazuje nulový přenos v případě,
že jsou sondy vůči sobě posunuty o vzdálenost odpovídající průměru sondy. Přibližně prvních 20 %
vzdálenosti při posuvu poskytuje lineární výstupní charakteristiku. Křivka zobrazená na obrázku 22
(c) odpovídá sondám obsahujícím jedno vlákno o poloměru 400 μm.
Obrázek 22 - Intenzitní senzor založený na přenosovém přístupu [18]
Nejcitlivější přenosový senzor lze získat pomocí modifikace přenosového přístupu, tento
přístup je založen na principu potlačeného totálního vnitřního odrazu. Obě sondy, umístěné vůči sobě,
mají leštěním zbroušené čelo vlákna v určitém úhlu vůči jejich ose, což způsobuje vyrušení totálního
vnitřního odrazu pro všechny šířící se vidy, princip ukazuje obrázek 23. Čím blíže k sobě jsou konce
5 INTENZITNÍ SENZORY 29
obou vláken, tím více energie je navázáno do přijímacího vlákna. Hodnotu intenzity navázaného světla
do přijímacího vlákna v závislosti na vzdálenosti a úhlu zkosení čela ukazuje obrázek 24.
Obrázek 23 - Intenzitní senzor založený na principu potlačeného totálního vnitřního odrazu [18]
Obrázek 24 - Převodní charakteristiky senzoru s potlačeným totálním vnitřním odrazem [18]
5 INTENZITNÍ SENZORY 30
5.2 Odrazový koncept
Reflexní, odrazový senzorický přístup je vhodný pro široké spektrum použití díky jejich
přesnosti, jednoduchosti a potenciálně nízké ceně. Následující obrázek 25 naznačuje funkci, jedno-
vláknového reflexního senzoru.
Obrázek 25 - Princip jednovláknového reflexního senzoru [18]
Senzor se skládá ze dvou svazků optických vláken nebo z páru optických vláken. Jeden svazek
vláken přenáší světlo k odraznému místu a druhý svazek zachytává odražené světlo a přenáší jej
k detektoru. Intenzita zachyceného světla je závislá na vzdálenosti mezi sondou a odrazným místem.
Tato výstupní funkce (křivka) senzoru se skládá ze tří oblastí: náběžné hrany (front slope), přechodové
oblasti - optické špičky (transition) a sestupné hrany (back slope). Jelikož náběžná hrana je prakticky
lineární umožňuje měřit posunutí teoreticky s přesností jedné miliontiny palce. V praxi lze využít oba
regiony náběžnou i sestupnou hranu křivky. Neboť náběžná hrana je více citlivá, sestupná hrana má
naopak větší efektivní rozsah.
Obrázek 26 - Výstupní křivka reflexních senzorů [18]
5 INTENZITNÍ SENZORY 31
Přesnost měření závisí rovněž na konfiguraci sondy. Hemisférická sonda v porovnání
s neuspořádanou sondou má větší dynamický rozsah, ale nižší citlivost. Vláknový pár zase více
rozšiřuje dynamický rozsah. Jednovláknová sonda, použitá společně s děličem svazku, který vydělí
vysílaný a přijímaný optický svazek, odstraní náběžnou hranu z křivky, neboť její výstupní křivka ji
neobsahuje.
Obrázek 27 - Konfigurace vláken sond [18]
V závislosti na konfiguraci vláken sondy lze odrazné sondy vyrobit přímo specificky pro
širokou řadu aplikací. Pro aplikace, které vyžadují ještě větší dynamický rozsah, lze tyto sondy doplnit
o systém čoček. Použitím vláknových optických sond společně s čočkami tak lze dosáhnout
dynamického rozsahu v řádu centimetrů.
5.3 Ohybový koncept
Dalším zajímavým provedením senzorů je využití ohybů. Jestliže je vlákno ohnuto je určitá
část optického výkonu ztracena na rozhraní jádra a pláště. Tedy, ohýbá-li snímač optické vlákno
v závislosti na měnící se fyzikální veličině, pak množství přijatého optického výkonu odpovídá
hodnotě této působící fyzikální veličiny. Obrázek 28 ukazuje, jak je snímač stiskáván působícím
tlakem a přitom ohýbá optické vlákno, pak množství přenášeného světla klesá úměrně tomuto
posunutí.
Obrázek 28 - Ohybový senzor [18]
5 INTENZITNÍ SENZORY 32
Stejně jako odrazové senzory i tyto ohybové jsou potenciálně nízko-nákladové a přesné.
Důležité je i zmínit, že tyto senzory mají ukončené optické trasy (nemají volná čela vláken) a jsou tak
vhodné i pro použití v nečistých prostorech.
Výstupní křivka těchto senzorů vykazuje části s nelineárním chováním. Počáteční nelinearita
je způsobena deformačními vlastnostmi ochranných polymerových vrstev. Koncová nelinearita při
velkých posunutích je způsobena vyčerpáním světla z vlákna. Centrální, lineární část křivky je pak
aktivní senzorovou oblastí. Zjednodušeně řečeno, když se zvětšuje počet ohybových bodů a/nebo
vzdálenost mezi ohybovými body se zmenšuje, pak citlivost senzoru vzrůstá.
Obrázek 29 - Výstupní křivka ohybového senzoru [18]
5 INTENZITNÍ SENZORY 33
5.4 Intrinzitní (vnitřní) koncept
Intrinzitní senzory mění intenzitu světla vracejícího se ze senzoru, ale na rozdíl od
přenosového, odrazové a ohybového přístupu nemusí docházet k žádnému pohybu či posunutí.
Intrinzitní senzory využívají chemických vlastností skla jádra optického vlákna (skla pláště nebo
plastových ochran optického vlákna) pro dosažení senzorové činnosti. Hlavními mechanismy jsou
absorpce, rozptyl, fluorescence, změna indexu lomu či polarizace.
V případě absorpce vznikají díky dopování skla optického jádra takzvaná absorpční spektra.
Obecně řečeno, některé špičky absorpčního spektra jsou teplotně závislé a některé ne. Poměr intenzit
na dvou určitých vlnových délkách pak poskytuje teplotní funkci senzoru. Podobně lze přistoupit i
k využití rozptylu.
Fluorescence lze dosáhnout dopováním skla různými příměsemi. Senzor pak může pracovat ve
dvou režimech. Světelný zdroj může být použit ke stimulování fluorescence, která je ovlivněna
teplotou nebo vlákno může být buzeno vnějším zářením a detekovat fluorescenci vznikající přímo ve
vlákně, ta je pak mírou úrovně dopadajícího záření.
Změny indexu lomu mohou měnit množství přijímaného světla pomocí změn numerické
apertury vlákna. Pomocí celé řady polymerových materiálů používaných jako ochrany vláken, jež mají
silnou závislost indexu lomu na teplotě lze vytvořit teplotní senzor.
Na závěr, dopováním skla vzácnými oxidy lze učinit optické vlákno citlivé na magnetická
pole. Za přítomnosti magnetického pole tato vlákna otáčejí polarizaci světla šířícího se vláknem, což
způsobuje částečné potlačení a korelaci světelné intenzity s magnetickým polem. Takové pojetí je
označováno jako Faradayova rotace.
Citlivost přenosových senzorů je možné dále zvýšit přidáním absorpčního mřížkování na čelo
vlákna. Pro změnu intenzity z maxima na minimum pak stačí pohyb o rozměru jedné mřížky na rozdíl
od rozměru průměru sondy, což může zvýšit citlivost pětinásobně. Tento postup lze použít nejen pro
senzory radiálního posunutí, ale i pro senzory rotační.
Přenosové senzory lze také použít společně s dalšími optickými materiály umístěnými
v optické trase. Tyto materiály mění intenzitu jako funkci závislou na okolním prostředí. Lze takto
získat i spínací funkci, neboť tyto materiály umístěné v optické trase dokáží měnit úroveň signálu
v závislosti na změnách prostředí velmi rychle. Jako příklad lze uvést tekuté krystaly, které je možné
použít při teplotním a tlakovém spínání. V případě neustálých změn okolí pak takový spínač vykazuje
analogové chování.
5 INTENZITNÍ SENZORY 34
Jako další příklady lze uvést např.:
• Fotoelastické materiály společně s polarizovaným zářením jsou citlivé na tlak.
• Fotochromické materiály ve spojení s UV zářením jsou teplotně citlivé.
• Materiály obsahující dopanty se silně absorpčními pásy jsou teplotně citlivé.
• Některé fotoluminiscentní materiály ovlivňují přenos v přítomnosti elektrického pole.
Myšlenku použít aktivní materiály lze aplikovat i v případě odrazových senzorů a to tak, že se
využijí jako odrazné materiály. Zvlášť zajímavým je odrazný senzor využívající fluorescence. Tento
princip je také označován jako vlnová modulace, jelikož modulované světlo má vyšší vlnovou délku
než je vlnová délka světla dopadajícího. Obrázek 30 ukazuje princip činnosti takového senzoru. UV
záření se šíří jednou větví sondy a dopadá na odraznou plošku, která fluoreskuje a odráží světlo zpět
k snímací sondě. Tento typ senzoru bývá často v provedení jednovláknovém, neboť vysílané a
přijímané světlo mají jiné vlnové délky a tak se mohou šířit optickým vláknem bez vzájemného
ovlivňování. Uvedená fluorescence je charakteristickou vlastností pouze materiálu odrazné plošky,
navíc však je intenzita vracejícího se záření citlivá na teplotu. Z těchto důvodů je tedy tento přístup
aplikovatelný jak pro chemické analýzy tak i pro snímání teploty.
Obrázek 30 - Princip odrazového senzoru s fluorescenční odraznou plochou [18]
6 INTERFEROMETRICKÉ SENZORY 35
6 Interferometrické senzory [7]
Interferometrie je optická metoda, při které se sledují rozdíly mezi dvěma optickými svazky,
jež uběhly stejné dráhy. Přesněji, fázový posuv mezi nimi, který je následně detekován pomocí
interferometru. Obecně tyto senzory obsahují koherentní laserový zdroj a dvě jednovidová vlákna.
Nejčastější platformou využívanou pro konstrukci interferometrických senzorů jsou planární
vlnovody. Světlo je rozděleno a zavedeno do obou vláken, a pokud okolí ovlivňuje jedno vlákno a
druhé je ve stabilních podmínkách dojde k fázovému posuvu, který lze velmi přesně detekovat.
Princip činnosti:
Interferometrie je technika schopná detekovat tři mechanismy ovlivňující optický svazek šířící
se podél dané optické dráhy, a to:
• změnu délky trasy;
• změnu vlnové délky;
• změnu rychlosti šíření.
Změna některé z těchto veličin se projeví změnou fáze vlny. Ta je podle rovnice závislá na
délce dráhy L, indexu lomu n a na vlnové délce λ.
λπ nL2=Φ (30)
Vlnovodné interferometry jsou důsledkem rozvoje telekomunikačního průmyslu. Ten vyvinul
optická vlákna pro přenos signálu a planární vlnovody pro usnadnění integrace a manipulace se
signálem. Zpočátku využívala optická vláknová interferometrie kombinaci klasické a vláknové optiky.
S pokračujícím vývojem byly postupně všechny klasické optické členy nahrazeny členy vláknovými.
Tyto struktury se jako senzory používaly převážně pro měření tlaku a teploty.
Vývoj vláknových interferometrů pak směřoval do oblastí akustiky, gyroskopie a do měření
tlaku a teplot. V chemii se interferometry používaly převážně pro měření absorbance a fluorescence.
Zásadním problémem vlnovodné interferometrie je v návrhu referenčního kanálu. Jelikož, již
zmíněným základním principem interferometrie je měření rozdílu mezi senzorickým a referenčním
kanálem.
6 INTERFEROMETRICKÉ SENZORY 36
Druhý kanál (referenční) interferometru musí být navržen tak, aby došlo k maximálnímu
vynulování nežádoucích signálů. Signál pozadí (šum) má původ v tepelných jevech, mechanických
změnách, případně ve změnách indexu lomu „bulkového“(pevného) materiálu.
Dále je třeba vzít v potaz změnu indexu lomu vzorkovacího média a nespecifické reakce (čili
další chemické a fyzikální reakce, které ovšem nejsou cílem detekce).
Je žádoucí, aby referenční rameno bylo umístěno co nejblíže k senzorickému kanálu, a aby
mělo stejnou strukturu, délku a i ostatní vlastnosti. Jediným rozdílem musí být citlivost na danou
specifickou veličinu, která má být detekována.
Většina interferometrických schémat, včetně materiálů a výrobních technologií, byla převzata
z telekomunikační sféry. Děliče svazku, Y – uzly (symetrické rozvětvení buzené do společné větve) a
modulátory se dodnes používají při návrhu a vývoji referenčních kanálů a pro docílení maximální
detekce.
Optické vláknové senzory založené na fázové modulaci světelné vlny, která se šíří optickým
vláknem jsou schopny měřit změny fáze řádově o 10-8 (přičemž vlnová délka světla v optickém vlákně
je kolem 1µm) což umožňuje měřit extrémně malé změny dráhy optického signálu.
6.1 Rozděleni vláknově optických interferometrů
Jako základ konstrukce fázových optických senzorů se používají optické vláknové
interferometry. Optické vláknové interferometry lze rozdělit do tří základních skupin:
1. Dvojramenný jednovidový interferometr (Mach-Zehnderův nebo Michelsonův) využívající
porovnání fáze světelné vlny, která se šíří senzorovým optickým vláknem a vlny, která se šíří
referenčním optickým vláknem. Využívá se zde homodynního nebo heterodynního způsobu
detekce vlny.
2. Jednovláknový interferometr s obousměrnou optickou vazbou (Sagnacův interferometr)
porovnávající fázi dvou světelných vln, které se šíří proti sobě v cívce optického vlákna.
3. Mezividový interferometr využívající interferenci dvou anebo více vidů světelné vlny, která se
šíří stejným optickým vláknem, jeho výhodou je možnost použití mnohovidových optických
vláken, nevýhodou jsou problémy při vyhodnocování interferenčního obrazu.
6 INTERFEROMETRICKÉ SENZORY 37
6.2 Senzor s Mach – Zehnderovým interferometrem
Mach – Zehnderův optický interferometr je nejpoužívanějším, základním typem optických
vláknových senzorů. Ramena interferometru tvoří jednovidová optická vlákna. Zdrojem světla je laser
pracující s videm TEM00. Fotodetektor (příp. systém detektorů) registruje signál, který vzniká
následkem interference optických paprsků z referenčního a senzorového ramena. Modulace fáze
optického signálu vzniká v senzorovém optickém vlákně působením snímané fyzikální veličiny na
délku, průřez a index lomu jádra optického vlákna.
Obrázek 31 - Schéma Mach-Zehnderova interferometru
Nevýhodou fázových senzorů založených na dvouramenném jednovidovém interferometru je
složitá optická konstrukce, nutnost použití jednovidových vláken a problémy s odstraněním
interference různých fyzikálních veličin (např. tlaku a teploty, tlaku a magnetického pole, apod.)
6.3 Senzory s Michelsonovým interferometrem
Je to dvouramenný interferometr, ve kterém se měří fázový posun mezi optickým signálem
šířícím se v senzorovém a referenčním optickém vlákně. Optický signál prochází ramenem
interferometru a po odrazu se vrací tím stejným optickým vláknem k detektoru světla.
6 INTERFEROMETRICKÉ SENZORY 38
Obrázek 32 - Schéma Michelsonova interferometu
Michelsonovy optické vláknové interferometry lze principiálně použít všude tam, kde se
používají i Mach-Zehnderovy interferometry. V praxi se nejčastěji používají ke snímání fyzikálních
veličin, které způsobují změnu odrazových vlastností konce senzorového optického vlákna. Lze jimi
měřit velmi malé posuny, rychlost pohybu externího zrcadla a na základě Dopplerova jevu měřit
rychlost pohybujících se částic (horké a agresivní plyny, kapaliny na těžko dostupných místech, průtok
krve v žílách).
6.4 Senzory se Sagnacovým interferometrem
Tento senzor je založen na principu Sagnacova jevu, který vzniká tehdy, šíří–li se proti sobě
dvě elektromagnetické vlny po uzavřené optické dráze (např. cívce optického vlákna) a projdou tuto
dráhu za různý čas. To se může vyskytnout, rotuje-li cívka prostorem vzhledem k inerciální
souřadnicové soustavě. Rozdíl času průchodu elektromagnetických vln cívky se projeví jako posunutí
interferenčního obrazce, které je úměrné úhlové rychlosti Ω otáčení (rotace) cívky.
Pokud jsou frekvence elektromagnetických vln šířících se proti sobě různé, fázový posun mezi
nimi se mění s časem a na výstupu senzoru lze detekovat zázněje (interferenční minima a maxima se
střídají s frekvencí úměrnou rychlosti otáčení cívky). Senzory úhlové rychlosti využívající Sagnacův
interferometr lze rozdělit na:
• jednofrekvenční senzory: měří se fázový posun mezi dvěma elektromagnetickými
vlnami se stejnou frekvencí. Výstupní signál je analogový.
• dvoufrekvenční senzory: měří se v nich frekvence záznějů, jež jsou přímo úměrné Ω.
Výstupní signál je digitální.
6 INTERFEROMETRICKÉ SENZORY 39
Obrázek 33 - Schéma Sagnacova interferometru
Na základě fázové modulace optického signálu Sagnacovým interferometrem lze vytvořit
senzory úhlové rychlosti (gyroskopy), lze jej použít jako senzor intenzity magnetického pole,
elektrického pole a elektrického proudu.
6.5 Senzory s Fabry-Perotovým rezonátorem
Použití Fabryho-Perotova rezonátoru umožňuje konstruovat velmi kompaktní a citlivé fázově
optické vláknové senzory různých fyzikálních veličin.
Umožňují bodově měřit různé fyzikální veličiny na těžko dostupných místech. Častěji se
používají aplikace senzorů, kde optické vlákno je jen prvkem vstupu a výstupu optického signálu a
Fabry-Perotův rezonátor je externí, tento princip může být použit pro konstrukci miniaturního senzoru
teploty.
Výhodou senzoru s Fabry-Perotovým rezonátorem je jednodušší detekce signálu v porovnání
s jinými interferometrickými senzory, nevýhodou je náročná technologie výroby rezonátoru.
Obrázek 34 - Schéma Fabry-Perotova interferometru
7 POLARIZAČNÍ SENZORY 40
7 Polarizační senzory
7.1 Popis polarizace
světlo je příčné elektromagnetické vlnění, ve kterém kmitají v navzájem kolmých rovinách
elektrické pole (charakterizované elektrickou intenzitou) a magnetické pole charakterizované
magnetickou indukcí. Navíc směr obou vektorů (vždy kolmý na směr šíření) neustále mění svůj směr.
Pokud vyznačíme na světelný paprsek kmitání vektoru intenzity, může být popsán takto (paprsek se
pohybuje směrem k nám):
Různé směry vektoru intenzity vyjadřují neustálou proměnnost roviny, ve které intenzita
kmitá, protože směr vektoru intenzity nemá stálý směr (pól, ke kterému by intenzita směrovala),
nazýváme takové světlo (popř. vlnění) světlo (vlnění) nepolarizované.
Definice:
Světlo nazveme nepolarizované, jestliže jeho vektor elektrické intenzity neustále mění směr
orientované úsečky, po které kmitá:
Světlo nazveme polarizované, jestliže jeho vektor elektrické intenzity kmitá stále po stejně
orientované úsečce.
Obrázek 35 - Příčné elektromagnetické vlnění
7 POLARIZAČNÍ SENZORY 41
7.1.1 Lineárně polarizované světlo
Můžeme jej získat několika způsoby:
• odrazem světla;
• lomem světla;
• dvojlomem;
• pomocí tzv. polaroidů.
Polarizace odrazem
Předpokládejme, že na rovinné rozhraní dopadá nepolarizované světlo pod úhlem dopadu a.
Víme, že se na tomto rozhraní světlo odrazí pod úhlem a‘ (podle zákona odrazu světla) a za určitých
okolností (rozhraní průhledných nebo průsvitných prostředí, vhodný úhel dopadu) se může také lámat
do druhého prostředí.
Odražený paprsek bude částečně lineárně polarizovaný a jeho vektor intenzity elektrického
pole bude kmitat v rovině kolmé na rovinu dopadu (= bude kmitat v přímce rovnoběžné s rovinou
rozhraní). Stupeň polarizace závisí na úhlu dopadu.
Obrázek 36 - Polarizace odrazem
Za určitých okolností může při odrazu světla nastat úplná lineární polarizace světla. Jestliže
bude světlo dopadat pod tzv. Brewsterovým úhlem α B, bude odražený paprsek úplně lineárně
polarizován. Velikost Brewsterova úhlu závisí na indexu lomu n2 prostředí, na kterém dochází
k odrazu světla. Pro jeho velikost platí rovnice:
2ntg B =α (31)
7 POLARIZAČNÍ SENZORY 42
Polarizace lomem
Jestliže se při dopadu světla na rozhraní dvou prostředí světlo láme a světlo se šíří do druhého
prostředí, dochází opět k částečné polarizaci světla, přičemž vektor intenzity elektrického pole kmitá
v rovině dopadu (je kolmý na vektor intenzity elektrického pole odraženého světla).
Při polarizaci lomem nikdy nedochází k úplné polarizaci světla.
Polarizace dvojlomem
V tzv. anizotropních látkách (zejména v anizotropních krystalech – islandský vápenec, křemen
a dalších látkách krystalizujících v soustavě čtverečné, kosočtverečné, šesterečné, jednoklonné a
trojklonné) závisí rychlost světla na směru šíření světla.
Dopadá-li na takovou látku nepolarizované světlo, rozdělí se při průchodu na dva paprsky –
řádný (řídí se Snellovým zákonem lomu a má konstantní index lomu) a mimořádný (neřídí se
Snellovým zákonem lomu, jeho index lomu závisí na směru, v němž se světlo krystalem šíří).
Říkáme, že nastal dvojlom. Oba paprsky jsou úplně lineárně polarizovány a jejich intenzity
elektrického pole kmitají v navzájem kolmých kmitových rovinách.
Fotografie 1 - Polarizace dvojlomem
Polarizace polaroidem
Polaroid (nebo polarizační filtr) je speciálně vyrobený filtr pro získávání polarizovaného
světla. Tvoří jej dvě vrstvy průhledného plastu, mezi nimiž se nachází látka s relativně dlouhými
molekulami (např. herapatit = perjodid síranu chininového), které jsou při výrobě speciálně srovnány
tak, aby jejich podlouhlé osy byly rovnoběžné. Jestliže polaroidem prochází nepolarizované světlo, je
intenzita elektrického pole v jednom směru pohlcena a ve směru kolmém částečně propuštěna.
Lidské oko nedokáže rozlišit polarizované světlo od nepolarizovaného. Musíme si proto
pomoci tzv. analyzátorem (což není nic jiného než další polaroid). Jestliže se při natáčení analyzátoru
mění intenzita procházejícího světla, je dopadající světlo polarizované lineárně.
8 MŘÍŽKOVÉ OPTICKÉ SENZORY 43
8 Mřížkové optické senzory [6]
Struktury s optickým mřížkováním jsou využívány ve velké řadě aplikací s vysokým
technickým i ekonomickým potenciálem. Mřížkování v optických vláknech je pravděpodobně
nejrozšířeněji používaná struktura uvnitř vláken pro telekomunikační i senzorové účely. Vlákno s
optickým mřížkováním (OFG) může být definováno jako: Optické vlákno s periodicky se opakujícími
narušeními indexu lomu v jádře, která rozkládají optický signál v základním vedeném vidu o specifické
vlnové délce na jiné jádrové, plášťové či vyzařované vidy.
Přenosové systémy telekomunikačních sítí jsou dnes v podstatě postaveny na jednovidových
vláknech a zařízeních s integrovanou optikou, proto tedy vlákna s optickou mřížkou nacházejí
uplatnění např. v systémech s vlnovým multiplexem (WDM), v zařízeních jako jsou add/drop filtry,
kompenzátory disperze, kompresory pulsů, ultra-úzkopásmové filtry, selektivní reflektory, jemně
laditelné filtry, atd.
V oblasti senzorové mají největší přínos jako vláknově optické snímače. A proto je na ně
kladena řada technických a funkčních požadavků: vlnově zakódovaná odezva, přenosová a/nebo
odrazová filtrace, lineární výstup, vysoká citlivost, velký dynamický rozsah a rozlišení, in-line optické
připojení, kompatibilita s vláknově optickými sítěmi, schopnost WDM a TDM, necitlivost na
elektromagnetické rušení, flexibilita ve velikosti (od 0,1 mm po několik cm), robustnost, stabilita a
odolnost po dlouhou dobu, snadná výroba, atd.
Obecně se vláknové mřížky dělí na dvě skupiny a to na mřížky s krátkou periodou (častěji
označovány jako Braggovské mřížky, jejich perioda je do 1μm) a mřížky s dlouhou periodou (100 –
500 μm).
8.1 Teoretický základ
Pro snazší pochopení principu funkce mřížky ve vlákně poslouží následující obrázek 37. Na
tomto schématickém obrázku je v jádře vlákna vytvořena mřížka, již představuje střídající se oblast
s indexem ( )cc nn Δ+ a periodou Λ , která je následována oblastí s indexem lomu cn . Jestliže je
optický signál oiP vpuštěn do jádra struktury jako vedený vid, je na každém rozhraní nebo ploše
mřížky určitá část vedeného, dopadajícího světla rozptýlena kvůli změně indexu lomu cnΔ . Toto
rozptýlené záření se pak fázově sčítá, ale pouze v určitých směrech, ve kterých je splněna fázová
podmínka. Přesněji řečeno, jsou-li ve vlákně splněny podmínky jednovidové činnosti, pak na každé
ploše mřížky je určitá část fotonů vidu, který tvoří, slabě odražena ve fázi s odrazy na předchozích
plochách mřížky, čímž je vygenerován zpětně vedený vid o rezonanční neboli Braggovské vlnové
8 MŘÍŽKOVÉ OPTICKÉ SENZORY 44
délce Bλ . Energie nesená tímto videm se pak určí integrací rozptýleného záření o vlnové délce Bλ ,
v obrázku je označena jako orP . Zbytek optické energie ooP je přenesen jako dopředně se šířící vid.
Obrázek 37 - Schématický obrázek principu funkce optické mřížky [6]
Pozice špičky odraženého spektra, která získává hodnotu rezonanční vlnové délky Bλ ,
vychází ze vzorce: Λ= effB n2λ (32)
V tomto výrazu odpovídá effn efektivnímu indexu vidu. Měření vlnové délky špičky
odraženého záření pak tedy odpovídá přímému měření optické periody mřížky Λeffn . Jakékoliv
narušení, které mění hodnotu effn a/nebo periodu mřížky Λ tak změní měřenou Braggovskou
vlnovou délku. Z tohoto důvodu lze vláknové mřížky považovat za intrinzitní vláknové snímače, které
mění spektrum odraženého záření.
8.2 Výrobní technologie
Periodická narušení se vytváří ve struktuře díky jevu zvanému fotosenzitivita. Díky němu lze
v určitých místech vhodně dotovaného křemenného skla zvýšit index lomu úměrně dodané dávce UV
záření. Požadovaných struktur se změnami indexů lomu se docílí osvětlováním dle světelného vzoru.
Za účelem vepsání mřížkování do vlákna bylo vymyšleno několik technik pro vytvoření
odpovídajícího světelného vzoru. V zásadě se dělí na dvě hlavní skupiny, techniky holografické a bod
po bodu.
8 MŘÍŽKOVÉ OPTICKÉ SENZORY 45
8.2.1 Holografické techniky vepisování FBG
Jak je znázorněno na obrázku 38, světelný proužkový vzor je vytvořen pomocí vzájemné
interference dvou fokusovaný UV paprsků s vhodnými úhly dopadu a s požadovanými prostorovými a
podélnými optickými vlastnostmi (kvalita paprsku, koherentní parametry, atd.). V oblasti překrytí
těchto dvou monochromatických paprsků se intenzita, v kterémkoliv bodě podél z-tové osy, vyjádří
dle rovnice: ( ) ( ) ( ) ( )( )[ ]zLnIIIIzI PUVcoUVBBBB 22/sin/2cos2 21
2121 −++= θλπ , (33)
kde 1BI , 2BI jsou intenzity paprsku jedna a dvě, θ je jejich úhel dopadu, UVλ je vlnová
délka UV záření, coUVn je index lomu materiálu jádra při UV záření a PL je délka překrývající se
stopy podél z-tové osy.
Za účelem získání maximální viditelnosti proužků ( ( ) ( )MINMAXMINMAX IIIIv +−= / ) a
kontrastního poměru musí mít oba paprsky identickou intenzitu. Oba paprsky musí mít rovněž
totožnou optickou frekvenci, amplitudu a časovou i prostorovou koherenci. V takovém případě je
viditelnost jednotná po celé délce PL interferenčního obrazce. Za této ideální situace lze po celé délce
PL získat konstantní, vysoce kvalitní mřížkování, je-li umístěno jádro vlákna v oblasti interferencí
s osou šíření kolmo vůči rovinám proužků.
Obrázek 38 - Znázornění holografického vepisování mřížky [6]
8 MŘÍŽKOVÉ OPTICKÉ SENZORY 46
Nicméně zde vyvstávají tři klíčové požadavky pro opakovatelné získání vysoce kvalitních a
přesných mřížek. Hlavními parametry, jež je nezbytné kontrolovat jsou:
• Kvalita a stabilita paprsků,
• precizní a přesné nastavení úhlů dopadu,
• mechanická stabilita celého systému.
V souladu s rovnicí (33) je vzdálenost mezi proužky určena vlnovou délkou UV světla a
úhlem dopadu θ , nebo-li ( ) ( )θλ sin2// coUVUVcoG n=Λ . Braggovská vlnová délka je tedy závislá na
coeffn skrze úhel dopadu UV dávky ( coGcoeffB n Λ= 2λ ). Předpokládáme-li perfektní intenzitní
stabilitu ( 0=ΔI ) pro opakovatelné získání přesnosti vlnové délky Braggovských mřížek, pak
kontrola a stabilita úhlu dopadu paprsků θ hraje nejdůležitější roli.
8.2.1.1 Holografická výroba konstantních FBG mřížek
Jednou z možností jak získat rovnoměrné, konstantní mřížky je použití interferometru se
dvěma skly umístěnými na držácích odizolovaných vůči vibracím, společně se zařízením pro přesnou
kontrolu úhlu, viz. Obrázek 39a. Základním prvky takového interferometru jsou dělič svazku, dvě UV
zrcadla upevněná na precizním a přesném zařízení kontrolujícím úhel a jedna nebo dvě cylindrické
UV čočky.
Protože dělič svazku prostorově invertuje paprsek, tak v případě špatné prostorové koherence
zdroje může být vážně zhoršena kvalita interferenčních proužků. Tato nevýhoda může být odstraněna
použitím třetího zrcadla umístěného v cestě jednoho z UV paprsků (UVB). Z důvodu získání
shodných cest obou interferujících paprsků je časová koherence UV zdroje rovněž důležitá. Kromě
toho je stabilita proužkových obrazců ovlivněna v cestě paprsků i vzdušnými turbulencemi. Snížením
délky cesty a zmenšením rozměrů interferometru tak napomůže ke zvýšení jeho stability.
Další možností, která je jednodušší a kompaktnější je použití Lloydova interferometru
s jedním zrcadlem, obrázek 39b. Jeho nevýhodou je omezení délky mřížkování, která je limitována na
polovinu průměru UV svazku, díky jednomu použitému zrcadlu a také koherentním vlastnostem
zdroje záření.
Mnoho nevýhod výše uvedených interferometrů odstraňují technologie využívající fázové
masky. Fázová maska je planární, difrakční, optický prvek, který rozděluje dopadající paprsek, podle
přesně navržené mřížky. Pro danou UV vlnovou délku lze navrhnou fázovou masku tak, aby
koncentrovala rozdělený výkon do ±1 difrakčního řádu a minimalizovala nulový řád. Převážně jsou
vyráběny masky optimalizované pro kolmý úhel dopadu ( 0=θ ). U takovýchto masek je dopadající
8 MŘÍŽKOVÉ OPTICKÉ SENZORY 47
UV záření rozděleno do prvních dvou řádů (přibližně 35 % - 40 % do +1 a -1 řádu) a pouze malá část
(měně než 4%) zůstává v nulovém řádu. Samotné vlákno je umístěno přímo pod masku, do místa, kde
vzniká interferenční obrazec, obrázek 39c. Perioda interferenčních proužků má poloviční periodu
fázové masky a je nezávislá na vlnové délce UV záření. Což usnadňuje výrobu vláknový mřížek se
stejnou Braggovskou vlnovou délkou. Nicméně, každá fázová maska má nulový řád minimalizovaný
pro jednu určitou vlnovou délku a proto by měla být používána obezřetně, neboť na jiné vlnové délce
může ovlivnit vzor mřížky.
Holografický interferometr je kompaktní a obecně méně náchylný na vibrace, avšak fázovou
masku je nezbytné čas od času vyčistit, neboť používáním dochází k její degradaci. Bohužel, pro
každou Braggovskou vlnovou délku je potřeba mít jinou fázovou masku. Z důvodu odstranění této
nevýhody a také kvůli zamezení nulového řádu vznikl přidáním dvou pevných zrcadel nebo
obdélníkového křemenného bloku holografický interferometr z obrázku 39d. Fázová maska je zde
použita jako dělič výkonu a pokud jedno nebo obě zrcadla jsou otočná a/nebo přemístitelná může tak
vzniknou rozměrově malý interferometr, který v sobě slučuje flexibilitu zrcadlových interferometrů a
kompaktnost interferometrů s fázovou maskou.
Obrázek 39 - Schémata interferometrů používaných pro vepisování konstantních mřížek [6]
8 MŘÍŽKOVÉ OPTICKÉ SENZORY 48
8.2.1.2 Holografická výroba nerovnoměrných FBG mřížek
Aperiodické, rozmítané či nerovnoměrné mřížky jsou velmi užitečné ve značném rozsahu
senzorických i komunikačních aplikací. Parametry mřížky ovlivňují šířku pásma a řídí obálku modulu
a fáze odezvy odrážející se na mřížce. Při docílení takovéto činnosti může být pozice Braggovské
vlnové délky umístěna po celé délce mřížky díky měnícímu se indexu lomu a/nebo periodě mřížky,
dle: ( ) ( ) ( )zznz GeffB Λ= 2λ .
Obrázek 40 - Poziční závislost rezonanční podmínky mřížky v případě rozmítané Braggovské mřížky [6]
Pro získání pozičně závislého (rozmítaného) efektivního indexu lze použít několik metod:
• Amplitudovou apodizaci proužkových obrazců UV záření,
• pozičně závislou periodu proužků,
• kombinaci obou předchozích metod.
Efekt poziční závislosti rezonanční podmínky mřížky je znázorněna na obrázku 40. Vlnová
délka odraženého světla v různých bodech po délce mřížkové struktury se řídí fázovou podmínkou.
Při výrobě aperiodických mřížek se používá řada technik, které využívají optické součástky a
aperiodické fázové masky. Přesné a precizní aperiodické mřížky lze vyrobit právě při použití
aperiodické fázové masky (obrázek 41a). Při použití zaostřujících a rozostřujících cylindrických čoček
v cestě dopadajících paprsků dojde k vytvoření aperiodických interferenčních proužků, viz. obrázek
41b. Lineárně se zvětšující periodu proužků lze totiž získat s pomocí kolimovaného paprsku a jedné
cylindrické čočky.
8 MŘÍŽKOVÉ OPTICKÉ SENZORY 49
Obrázek 41 - Základní techniky výroby rozmítaných mřížek [6]
8.2.2 Technika vepisování mřížek bod po bodu
Obrázek 42 představuje způsob výroby mřížek, která je označována jako bod po bodu (point-
by-point) či také metoda jedné štěrbiny (single slit).
Obrázek 42 - Základní princip techniky bod po bodu [6]
Touto metodou je možné vyrobit velké množství různě navržených mřížkových struktur,
neboť nárůst indexu je závislý na dávce UV záření a energii z pulzních či CW zdrojů pro každý bod je
možné řídit, stejně jako pozici vlákna. Rozmítané mřížky lze přesně vyrobit pomocí zvyšování
překladů vlákna při každém jeho ozáření. Tato metoda má však i dvě nevýhody a to: a) metoda bod po
bodu je velmi zdlouhavý výrobní proces, b) jelikož je prakticky nemožné přesně zaostřit UV záření na
štěrbinu o submikronových rozměrech, vznikají difrakční obrazce vyšších řádů.
8 MŘÍŽKOVÉ OPTICKÉ SENZORY 50
8.3 Aplikace vláknových senzorů s mřížkou
V širším smyslu slova lze zjednodušeně rozdělit tyto senzory na dvě skupiny: monitorující
činnost a sledovací aplikace. Senzory monitorující činnost obvykle vyžadují střední stupeň citlivosti
vůči měřené veličině, kdežto senzory pro sledování vyžadují citlivost ultra vysokou.
Senzory pro monitorování činnosti se obvykle používají pro monitorování napětí ve velkých
strukturách (např. most, trup lodi, atd.), monitorování a sledování kritických parametrů v kritických
místech daného systému (teplota, tlak, zrychlení), monitorování vibrací pro určení místa poruch.
Senzory sledovacích aplikací jsou naopak používány pro měřená velmi slabých signálů a
vyžadují tak velmi vysoké rozlišení. Dobrým příkladem vysoce výkonného sledovacího senzoru může
být vláknově optický hydrofon, používaný pro podvodní pozorování. Tento senzor kvůli vysokým
požadavkům na rozlišení bylo dříve velmi obtížné sestavit pomocí Braggovských mřížek a výhradně
se využívalo vláknových interferometrických senzorů. To změnil až příchod vláknových laserových
senzorů s Braggovskou mřížkou (FBGLs), které umožnily vznik nových sledovacích sensorů.
Za třetí možnou aplikační oblast lze považovat senzory využívající některých vlastností
monitorovacích i sledovacích senzorů. Tyto hybridní senzory se označují jako vláknově optické
ultrazvukové senzory. Požadavky na tyto senzory jsou malé rozměry a schopnost provozu na mega
Hertzových frekvencích. Využívají se ve dvou specifických oblastech a to: ultrazvukové lékařské
snímání v živém organismu a akustická emisní spektroskopie pro nedestruktivní vyhodnocení
metalických a kompozitních struktur.
Na obrázku 43 je tabulka vybraných aplikací různých typů mřížkových vláknových senzorů.
Obrázek 43 - Shrnutí možných aplikací různých typů mřížkových senzorů [6]
8 MŘÍŽKOVÉ OPTICKÉ SENZORY 51
8.4 Braggovská vlákna
Aby popis mřížkových senzorů byl kompletní a nedošlo k nedorozumění, je nezbytné se
zmínit i o skupině vláken, která je označována jako Braggovská vlákna. Na rozdíl od vláken
s Braggovskou mřížkou (viz. kapitola 8.1), ve kterých je mřížkování ve směru kolmém vůči směru
šíření záření, je mřížkování Braggovských vláken ve směru šíření záření (obrázek 44). Jedná se
v podstatě o soustředné vrstvy nižšího a vyššího indexu lomu, tato vlákna nesou někdy i označení
Braggovská zrcadla. Tato vlákna jsou vyráběna buď z křemičitého skla či ve formě vláken
z fotopických krystalů a to s plným nebo vzduchovým jádrem.
Obrázek 44 - Braggovské vlákno
Princip činnosti těch vláken se řídí Braggovým zákonem (obrázek 45), který zaručuje, že
energie navázaná do oblasti jádra se díky podélnému mřížkování při odrazu na rozhranních vrací zpět
do jádra. Jejich nejčastější využití v senzorové technice tedy spočívá v transportu UV záření či slabého
rentgenového záření neboť ostatní přenosová média jsou pro tato záření příliš ztrátová. Konkrétně pro
tento účel se využívají vlákna se vzduchovým jádrem [19].
Obrázek 45 - Braggův zákon
10 APLIKACE VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 52
9 Optovláknové distribuované systémy
Optovláknové distribuované systémy jsou takové systémy, které využívají optického vlákna
k jiným účelům, než byly primárně určeny. Jevu, kterého se využívá, nazýváme rozptyl světla.
Elektrické pole elektromagnetické vlny (světelné vlny), která se šíří optickým vláknem, působí
na elektrony atomů a molekul. Tyto elektrony na základě výše uvedeného působení vyzařují
sekundární vlny. Jak je známo, v homogenním prostředí se rovinná světelná vlna šíří jen v přímém
směru, do stran se tedy nerozptyluje. Rozptyl světla je tedy výsledek složení všech sekundárních vln,
který souvisí s jejich vzájemnou koherencí.
V ideálním homogenním prostředí platí, že sekundární zdroje záření jsou stejné. V tomto
případě lze dokázat, že složení sekundárních vln v homogenním prostředí dává pouze přímou vlnu.
Nedochází tedy k rozptylu světla. Z makroskopického hlediska je rozptyl světla podmíněný pouze
nehomogenitou prostředí. Rozptyl světla lze pozorovat i tehdy, když prostředí obsahuje rozptýlené
částečky menší, než vlnová délka λ světla [20].
9.1 Lineární rozptyl
9.1.1 Rayleighův rozptyl
Zákonitost rozptylu světla v nehomogenních prostředích poprvé teoreticky vysvětlit J. W.
Rayleigh v roce 1899. Dokázal, že intenzita světla jako funkce souřadnice r a úhlu θ je nepřímo
úměrná čtvrté mocnině vlnové délky λ4. Tento výsledek je známý jako Rayleighova rovnice:
( )242
0
22
00r
FIi θ
λε
απ= , (34)
kde i0 je intenzita světla rozptýleného jednou částicí pod úhlem θ, I0 celková intenzita
dopadajícího (primárního) záření, ε0 permitivita vakua (8,85419.10-12 C2J-1m-1), α polarizovatelnost
částice, λ vlnová délka primárního záření v daném disperzním prostředí, θ úhel pozorování, tj. úhel
sevřený primárním paprskem a paprskem rozptýleného světla, F(θ) je funkce úhlu pozorování, jejíž
tvar závisí na charakteru primárního paprsku (polarizace).
V případě optických vláken se jedná o dominující jev. Nehomogenity v optickém vlákně se
projevují jako fluktuace indexu lomu prostředí (oxidu křemíku SiO2) a jsou důsledkem nehomogenity
hustoty a složení skla při tuhnutí. Tyto vzniklé nehomogenity jsou principiálního charakteru a není
možné je odstranit. Vzniklé sekundární zdroje v místech fluktuace září do všech směrů se stejnou
10 APLIKACE VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 53
pravděpodobností, nicméně v samotném vláknu se projeví pouze ty směry, pro které je splněna mezní
podmínka šíření. Příspěvek Rayleighova rozptylu k celkovému útlumu optického vlákna délky L je:
LR Rγα −= exp , (35)
kde γR je koeficient Rayleighova rozptylu:
FCR KTpn βλ
πγ 284
3
38
= , (36)
kde λ je vlnová délka, n je index lomu prostředí (jádra optického vlákna), p je střední hodnota
fotoelastického koeficientu, βC je koeficient izotermické stlačitelnosti při fiktivní teplotě TF a K je
Boltzmanova konstanta [21].
9.2 Nelineární rozptyl
Jedná se o tzv. nelineární útlumové mechanismy, které vznikají zejména při vyšších hustotách
optického výkonu v optických vláknech. Nelineární rozptyl způsobuje přechod optického výkonu
z jednoho vidu do jiného, který se následně šíří stejným, nebo opačným směrem a při jiné frekvenci
(vlnové délce vzhledem k primárnímu zdroji záření). Tento typ rozptylu je silně závislý na hustotě
optického výkonu v optických vláknech a vzniká pouze nad určitou prahovou hodnotou tohoto
výkonu.
9.2.1 Brillouinův rozptyl
Elektromagnetická vlna (světelná vlna) může v tuhé látce (v kapalině nebo v plynu)
interagovat s jinými typy vln, například s akustickými vlnami. Při pružné deformaci prostředí dochází
ke změně indexu lomu tohoto prostředí. Proto deformace prostředí v prostoru a čase způsobená
přítomností akustických vln má vliv na šíření elektromagnetických vln. Rozptyl světelné vlny na
akustické vlně nazýváme Brillouinův rozptyl (někdy také Brillouinův-Mandelštamův rozptyl).
V optických vláknech mají vliv na vznik akustických vln tepelné vibrace molekul. Říkáme, že na
interakci světla s fonony se zúčastňují akustické fonony.
Brillouinův rozptyl můžeme vyjádřit pomocí kvantově-mechanické interakce akustické a
optické vlny. Šířící se světlo si lze představit jako soubor fotonů, tj. částic s energií jednoho fotonu:
FFE ωh= , (37)
kde ωF je uhlová rychlost světelné vlny a ħ je redukovaná Planckova konstanta. Akustickou
vlnu si lze představit jako soubor fononů, tj. částic s energií jednoho fononu:
10 APLIKACE VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 54
AAE ωh= . (38)
Z pohledu kvantové mechaniky se na interakci světelné vlny díváme jako na proces, kdy foton
dává vznik novému fotonu a jednomu fononu a naopak. Tyto dva procesy jsou znázorněny na obr. 46
a, b.
Obrázek 46 a, b – Vznik fotonu, zánik fononu [20]
V případě vzniku fotonu a zániku fononu musí být splněn zákon o zachování energie, respektive
součet energie fotonů a energie fononů před interakcí se rovná energii vzniklé částice (rozptýlený
foton) po interakci. Matematické vyjádření:
FAF ωωω ′=± hhh . (39)
Matematické znamínko ve vztahu č. 8 reprezentuje situaci vzniku (zániku) fotonu. Frekvence
akustické vlny bude daná:
( ) ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ Θ
=2
sin2c
n FFFA
νωωω . (40)
K největší změně frekvence (vlnové délky) dojte tedy, když se rozptýlená vlna šíří zpět, tj. kdy
Θ = π. Ze vztahu č. 8 můžeme určit frekvenci (vlnovou délku) rozptýlené vlny:
AFF ωωω ±=′ . (41)
Dle vztahu č. 41 je patrné, že se v rozptýleném světle mohou objevit frekvence (ωF + ωA),
kterým říkáme anti-Stokesovy složky a frekvence (ωF - ωA), kterým říkáme Stokesovy složky
Brillouinova spektra. To samé platí pro vyšší řády (ωF ± n ωA). Tyto frekvence se nacházejí po obou
stranách základní frekvence primárního (excitačního) záření ωF [20].
Prahovou hodnotu navázaného optického výkonu do jednovidového vlákna, při které vzniká
Brillouinův rozptyl, můžeme vyjádřit pomocí rovnice:
10 APLIKACE VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 55
[ ]W 10.4,4 223 δλαλ dBB dP −= , (42)
kde d je průměr jádra vlákna, αdB je útlum v dB.km-1 a δλ je šířka zdroje světla GHz. Typická
hodnota PB je 80 mW.
9.2.2 Ramanův rozptyl
Vedle kvantově mechanického modelu Ramanova rozptylu (stejně jako u Brillouinova
rozptylu) existuje popis založený na indukci dipólového momentu v molekule působením oscilujícího
elektrického pole excitačního záření. Tento indukovaný dipól μi je následně zdrojem rozptýleného
záření a je přímo úměrný intenzitě elektrického pole E:
Ei αμ = . (43)
Koeficient úměrnosti α nazýváme koeficientem elektrické polarizovatelnosti. Určuje, do jaké
míry je v molekule možné změnit rozložení nábojů. Tento koeficient vypovídá o účinnosti, se kterou
je schopno působící střídavé elektrické pole indukovat v molekule dipólový moment. Protože z
obecného hlediska má vektor μi jiný směr než vektor E, nemůže být elektrická polarizovatelnost
skalární veličinou nýbrž tenzorem reprezentovaným symetrickou maticí [22]:
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛
=
zzzyzx
yzyyyx
xzxyxx
ij
ααααααααα
α . (44)
Vzájemné pohyby atomů při normálních vibračních módech způsobují změny tenzoru
polarizovatelnosti v izotropních i anizotropních molekulách. Okamžitá výchylka vibrací je dána
vztahem:
tRr vibπν2cos0= , (45)
kde R0 je amplituda dané vibrace o frekvenci νvib. Při zanedbání členů vyšších řádu Taylorova
rozvoje tenzoru polarizovatelnosti a následnou úpravou dostaneme výsledný vztah dipólového
momentu [23]:
( )[ ]
( )[ ]. 2cos21
2cos21
)2cos(
0000
0000
000
tERr
tERr
tE
vib
vib
i
ννπα
ννπαπναμ
+⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
∂∂
+
+−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
∂∂
+
+=
(46)
10 APLIKACE VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 56
Ve výsledném vztahu č. 46, jsou patrné dva členy s rozdílnou hodnotou frekvence od
primárního (excitačního) záření. Opět se zde mohou objevit anti-Stokesovy a Stokesovy složky
Ramanova spektra. Tyto frekvence se nacházejí po obou stranách základní frekvence primárního
záření, viz obr. 47. Z výsledného vztahu č. 46 je zřejmé:
0αα<<
∂∂
r, (47)
proto je intenzita Ramanova rozptylu mnohem menší než intenzita Rayleighova rozptylu. Pro
vznik anti-Stokesovovy části Ramanova rozptylu je nutné, aby se molekula již na počátku celého
procesu nacházela v některém z vyšších vibračních energetických stavů v rámci základního
elektronického stavu. Vzhledem k tomu, že populace těchto vyšších vibračních stavů se řídí
Boltzmanovým rozdělením, je procento molekul nacházejících se v takovém stavu malé [22].
Tomu také odpovídají mnohem nižší intenzity anti-Stokesových linií ve srovnání se
Stokesovými liniemi:
kTh vib
eNN
ν−
=0
1 , (48)
kde N0, N1 jsou populace molekul v základním, respektive vyšším vibračním energetickém
stavu, h je Planckova konstanta, νvib je vibrační frekvence, k je Boltzmanova konstanta a T je teplota.
Obrázek 47 - Ramanovo spektrum rozptýleného záření [22]
Prahovou hodnotu navázaného optického výkonu do jednovidového vlákna, při které vzniká
Ramanův rozptyl, můžeme vyjádřit pomocí rovnice:
[ ]W 10.9,5 22dBR dP λα−= , (49)
10 APLIKACE VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 57
kde d je průměr jádra vlákna, αdB je útlum v dB.km-1 a δλ je šířka zdroje světla GHz. Typická
hodnota PR je 1,3 W.
9.3 Princip OTDR
Metoda zpětného rozptylu, neboli optická reflektometrie (Optical Time Domain
Reflectometry), je metoda založená na měření optického výkonu, který je rozptýlen (Rayleigho
rozptyl) v různých bodech vlákna zpět k vstupnímu čelu vlákna. Z toho plyne, že pomocí této metody
lze měřit útlum vlákna, analyzovat útlum jak v celé délce, tak i v jednotlivých úsecích, zjišťovat
podélnou homogenitu vlákna, útlum svárů a konektorů, délku vlákna a zároveň lokalizovat poruchy.
OTDR se používá rovněž ke zjišťování optické kontinuity trasy. Případné Fressnelovy odrazy na
bodové poruše nebo na koncích vlákna jsou z hlediska měření nežádoucím jevem, ale jsou vhodné pro
měření délky a lokalizaci poruch. Fressnelův odraz nastává při dopadu optického záření na rozhraní
dvou prostředí s různým indexem lomu.
Pokud tedy je vyslán do optického vlákna obdélníkový impuls s výkonem P0 a šířkou Δt, tak
se část toho výkonu rozptýlí v místech fluktuace indexu lomu optického vlákna důsledkem Rayleigho
rozptylu a vrátí se zpět k čelu. Poté lze ze vzdálenosti od čela optického vlákna spočítat výkon P(z),
který lze popsat následujícím vztahem:
( ) zgR etSPzP ανα 2
021 −Δ= , (50)
kde νg je skupinová rychlost šíření signálu, S je koeficient zpětného rozptylu, αR – příspěvek
Rayleigho rozptylu k celkovému útlumu; α – střední hodnota koeficientu útlumu vlákna na délce (z) v
dopředném a zpětném směru.
10 APLIKACE VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 58
Blokové schéma OTDR je na obr. 48.
Obrázek 48 - Blokové schéma OTDR
Světelný impuls je vyslán do vlákna injekčním laserem prostřednictvím buď směrového
vazebního článku nebo vazební optiky doplněné o polopropustné zrcátko či jiný typ rozdělovače
optického svazku. Zpětně odražené nebo rozptýlené světlo je z vlákna detekováno lavinovou
fotodiodou. Detekovaný elektrický signál je veden do analogového či digitálního integrátoru.
Důvodem je fakt, že vracející se signál je velmi zatížen šumem, a proto pro získání použitého signálu
je nutné provést jeho zprůměrování. Signál z integrátoru je zaveden do logaritmického zesilovače nebo
je logaritmování zprůměrovaného signálu provedeno digitálně.
9.3.1 Klíčové parametry OTDR
• Mrtvá zóna identifikační (event dead zone) – udává nejmenší vzdálenost dvou
odrazných poruch, při které lze poruchu bezpečně rozlišit. Udává se na nejkratším
pulsu pro konektor s R ≤ - 45 dB.
• Mrtvá zóna útlumová (attenuation dead zone) – charakterizuje vzdálenost za poruchou
s určitou velikostí odrazu, kde nelze spolehlivě měřit útlum vlákna. Udává se na
nejkratším pulsu pro konektor s R ≤ - 45 dB.
• Dynamický rozsah – tento rozsah vypovídá o maximální hodnotě útlumu měřené trasy
při určité přesnosti měření poruchy blízko jejího konce. Udává se na nejdelším pulsu.
Využitelným rozsahem označujeme dynamický rozsah zmenšený o úroveň šumu.
Typicky 8 dB až 6 dB.
10 APLIKACE VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 59
9.3.2 PON ready
V současné době je v oblasti OTDR velice diskutovaná technologie PON ready. PON ready
znamená velký dynamický rozsah při relativně krátkém pulsu. Pomocí dostatečně rychlé elektroniky a
lavinových fotodiod jsou tyto systémy schopny minimalizovat mrtvé zóny za děličem. Příkladem
z praxe je 100ns při 21 dB.
9.4 Princip OFDR
Na rozdíl od systému založeného na bázi OTDR, systém na bázi OFDR vyhodnocuje
frekvenční změnu pulsů vyslaných do optického vlákna, které představují míru spektrálních vložných
ztrát, ztráty odrazem nebo skupinové zpoždění. Fázová informace kmitočtové domény se následně
využije pro výpočet skupinového zpoždění. Zjednodušená varianta senzorické sítě využívající
technologii OFDR je ukázána na obr. 49. Optický switch charakterizuje OFDR systém buď ve stavu
přenosu, nebo ve stavu detekce. Optický výkon z polovodičového laseru je vyděleno do tras pomocí
prvního optického vazebního členu 1:2 (coupler). Polovina optického výkonu je přes vazební člen
prochází testovací jednotkou (DUT, device under test), druhá polovina prochází referenční cestou. Obě
optické cesty jsou spojeny ve druhém optickém vazebním členu a vyplývající vzájemná interference je
snímána ve fotodetektoru. Frekvenční odezva testovací jednotky H(ω) může být napsána jako
výsledný produkt amplitudové nebo fázové charakteristiky:
( ) ( ) ( )ωφωρω ieH = . (51)
Jestliže je intenzita elektromagnetického pole emitovaná polovodičovým laserem EIN
dostatečná, pak ve druhém optickém vazebním členu, celková intenzita elektromagnetického pole
bude:
( ) ( )( )ωτωφωρ −+= iININOUT eEEE
21
21 , (52)
kde τ je rozdíl způsobený zpožděním mezi dvěma interferometry, celkový výkon P je úměrný
čtverci velikosti intenzity elektrického pole:
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )ωτωφωρωωωρωω +++∝ cos21
21 222
INININ EEEP . (53)
Provedením Fourierovy transformace a splněním podmínek pro jednotlivé části vztahu č. 53
mohou být jednotlivé části spektrálně odděleny. První dvě části vztahu č. 53 budou reprezentovat
pouze nízké kmitočty a projeví se při t = 0 v časové oblasti. Třetí a nejdůležitější část vztahu č. 53 nese
10 APLIKACE VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 60
informaci důležitou pro činnost OFDR systému a jeho umístnění v časové oblasti bude určeno
rozdílem τ vzniklým zpožděním mezi dvěma částmi interferometru.
Obrázek 49 - Příklad systému OFDR
Výhodou systému OFDR je schopnost přesného měření na krátkých vzdálenostech a
neexistence mrtvé zóny. Často se systémy OFDR používají v zapojení vícenásobných optických tras.
Délka optického vlákna, které v tomto případě slouží jako senzor, se pohybuje do 100 m.
9.5 Princip DTS
Technologicky jsou DTS (Distribution Temperature System) systémy založené na principu
optického reflektometru, tzn., že do vlákna je vyslán světelný impuls o vlnové délce 975 nm, 1064 nm
nebo 1550 nm v závislosti na konstrukci DTS systému a šířce 10 ns. Určitá část světelného impulsu se
vrací zpět do DTS systému se stejnou vlnovou délkou (elastický – Rayleighův rozptyl) a s odlišnou
vlnovou délkou (neelastický – Brillouin/Raman rozptyl). DTS systémy se proto dělí dle využívaného
druhu neelastického rozptylu.
9.5.1 Brillouin DTS
DTS detekující Brillounův stimulovaný rozptyl využívají jednovidového optického vlákna
(průměr jádra 9 μm a průměr pláště 125 μm) a jsou schopny měřit teplotu i mechanické napětí
působících podél optického vlákna do vzdálenosti více než 50 km. Prostorová rozlišitelnost Brillouin
DTS systémů je standardně 0,5 m s teplotní rozlišitelností 0,05 °C [24].
Brillouin DTS jsou schopny měřit jak teplotu podél optického vlákna, tak i mechanické napětí
působící na vlákno. Teplota snímaná podél optického vlákna může být odvozená z poměru elastického
(Rayleighova) rozptylu a neelastického Brillouinova rozptylu známého jako Landau Placzek poměr
(Landau-Placzek Ratio, LPR) [25]:
10 APLIKACE VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 61
( )12 −= aT
FT
TLPR ρνβ , (54)
kde TF je fiktivní teplota, βT je isotermická stlačitelnost, ρ je hustota materiálu a νa je
akustická rychlost. V praxi se setkáme s hodnotami TF = 1943 K, ρ = 2200 Kg.m-3, βT = 7.10-11 m2N-1,
νa = 5960 m.s-1 při LPR = 30. Teplotní citlivost Brillouinova rozptylu je 0,3 % K-1. Protože
Brillouinův rozptyl je citlivý i na mechanické napětí působící na optické vlákno, byl zaveden vztah
vyjadřující vzájemnou závislost mezi mechanickým napětím a teplotou. Pomocí známých tabulek
odezev teplotních funkcí, může být mechanické napětí získáno použitím napěťo-mechanických odezev
při známé teplotě, definovaných jako:
( ) ( )( )Td
TdTdR
εζεζ
ε−
=1
, (55)
kde ζ(ε)Td je Brillouin přenos pro danou teplotu Td kolísající pouze s mechanickým napětím ε
na testovaném optickém vlákně. Intenzita Brillouinova rozptylu, snímaná pomocí DTS, odpovídá
vztahu:
( ) ( ) 2
21221 rdeqeeqTI rqkiirqki
BSpp −− +∝ ∫ γ
ω, (56)
kde T je teplota, ω je akustická úhlová rychlost, kp je vlnový vektor rozptýleného světla, γ je
relativní fáze při změně směru módu pole. Jak je známo z teorie Brillouinova rozptylu, rozdělujeme
v oblasti optického spektra tento rozptyl na část anti-Stokesovu a část Stokesovu. Teplotně (napěťovo-
mechanicky) závislá je pouze část anti-Stokesova (viz obr. 50).
9.5.2 Raman DTS
DTS detekující Ramanův stimulovaný rozptyl využívají mnohovidového optického vlákna
(průměr jádra 50 μm a průměr pláště 125 μm) s velkou hodnotou numerické apertury pro
maximalizování vedené intenzity zpětně odraženého světla. Relativně vyšší útlumová charakteristika
mnohovidového vlákna limituje dosah takových DTS systémů na přibližně 8 – 10 km. Prostorová
rozlišitelnost DTS systémů je standardně 1 m při teplotním rozlišení 0,01 °C [24].
Ramanův rozptyl na rozdíl od Brillouinova rozptylu není citlivý na mechanické napětí, proto
zpětně rozptýlené světlo uvnitř optického vlákna nese pouze informaci o teplotě podél optického
vlákna, respektive o teplotě, kde nastal Ramanův rozptyl. Pro přesnou predikci teplotní změny musí
být zpětně se vracející rozptýlené světlo vztaženo k teplotně nezávislému (referenčnímu) jevu se
stejným prostorovým rozlišením. Z poznatku, že část spektra Ramanova rozptylu, označovaná jako
10 APLIKACE VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 62
Stokesova, je teplotně nezávislá (viz obr. 50), využívá se tohoto jevu v poměru k části anti-Stokesově
k vyhodnocení teplotní změny [25]:
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ Δ−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛==
kTh
PP
I vib
AS
S
S
ASRS
νλλ
exp4
, (57)
kde PAS a PS jsou výkony anti-Stokesovy a Stokesovy části Ramanova spektra korespondující
s vlnovými délkami λAS a λS. Δνvib je vibrační frekvence, která v reálných podmínkách dosahuje
hodnoty 11,9 THz, k je Boltzmanova frekvence, T je teplota a h je Planckova konstanta.
Obrázek 50 - Ramanovo a Brillouinovo spektrum
10 APLIKACE VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 63
10 Aplikace vláknově optických senzorů
Jak bylo již na začátku knihy řečeno, vláknově optické senzory, lze použít pro měření všech
fyzikálních veličin, na které si můžeme vzpomenout. Vláknově optické senzory jsou založeny na
principu optického vlákna a tím pádem přebírají veškeré jeho výhody a nevýhody. Vláknově optické
senzory můžeme modifikovat vložením senzitivní části, tato část je variabilní. (Vložením prvku
ovlivňujeme útlum optického vlákna, intenzitní VOS). Je možné konstatovat, že dnes neexistuje
fyzikální veličina, kterou by nebylo možné jimi měřit, zatím však nedošlo u VOS k tak velkému
rozšíření, jak se z počátku předpokládalo. Jako hlavní důvod této skutečnosti lze považovat,
ekonomickou náročnost VOS, tak i určitý konzervativní přístup uživatelů měřící a regulační techniky
[25] a zejména skutečnost, že rozvoj VOS je podmíněn technologickým rozvojem výroby a použití
vláknově optických komunikací. Použití vláknově optických senzorů je v některých aplikacích
nenahraditelné (hydrofony a gyroskopy) [25,1], protože i nejlepší klasické senzory nedosahují tak
vynikajících parametrů. Tato skutečnost vyplývá ze zcela odlišného fyzikálního charakteru nosiče
informací [25,1,7]. Mezi základní výhody vláknově optických senzorů patří jejich nízká hmotnost,
velmi malé rozměry, pasivita, vysoká citlivost, linearita, široké spektrum použití a hlavní výhodou je
odolnost proti elektromagnetickému rušení. Mezi hlavní nevýhody patří vysoká cena [25]. Vláknově
optické senzory můžeme využít jako senzory rotace, zrychlení, elektrického pole a magnetického pole,
teploty, tlaku, vlhkosti, viskozity, chemických a biochemických vlastností. Pro názornost zde budou
zobrazeny pouze některé druhy, pokud vás nějaké specifické druhy snímání veličin zaujmou, není nic
jednoduššího, než zajít do knihovny a daný druh si najít a nastudovat.
10.1 Snímání teploty
10.1.1 Vláknově optické senzory teploty v automobilovém průmyslu
Teplota a její snímaní v automobilu je velmi důležité a v díky zvyšujícím se nárokům na
komfort cestování se zvyšují nároky na automatizaci rozhodování samostatného automobilového
počítačového systému. Ke zkvalitnění rozhodování, potřebuje automobilový počítačový systém na
vstupní straně hromadu veličin, dle kterých bude rozhodovat o vnitřní regulaci, provozu, či chybovosti
systému. Hlavní fyzikální veličina, která slouží ke spolurozhodování u těchto procesů je výměna tepla.
Změna teploty může být způsobena obyčejnými provozními ději uvnitř automobilového systému, ale
také může být způsobena chybovostí různých částí automobilového systému, proto je nezbytné ji
snímat. Vláknově optické senzory se do budoucna jeví jako perspektivní z důvodu jednoduché
implementace, přesnosti měření, linearity měření a dynamiky měření. Pro měření teploty
v automobilovém systému budeme používat více metod pomocí vláknově optických senzorů. Pro
10 APLIKACE VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 64
zjednodušení a zpřehlednění je tento sytém rozčleněn na menší subsystémy, které přibližně
korespondují s předpokládanými maximálními hodnotami teplot, které se zde mohou vyskytnout.
První subsystém, v tomto nabývají teploty hodnot od -40 °C do 60 °C, druhý subsystém teploty
v rozmezí -40 °C do 300 °C, třetí subsystém -40 °C do 1200 °C.
• Vstupní vzduch, venkovní teplota, vnitřní teplota, klimatizace. (-40 °C – 60 °C) • Palivo, olej, voda v chladiči. (-40 °C – 300 °C) • Měření teploty hlavy válců, teplota výstupního výfukového plynu (před katalyzátorem a za
katalyzátorem), vstupní vzduch. (-40 °C- 1200 °C)
10.1.2 Interferometrický vláknově optický senzor teploty
Pro měření teploty vstupních veličin je možné použít různé způsoby VOS teploty. Jako
nejvhodnější se jeví použití interferometrického způsobu měření použití Fabryho-Perotova rezonátoru.
Umožňují bodově měřit různé fyzikální veličiny na těžko dostupných místech. Častěji se používají
senzory, kde optické vlákno je jen prvkem vstupu a výstupu optického signálu a Fabry - Perotův
rezonátor je externí, tento princip může být použit pro konstrukci miniaturního senzoru teploty.
Výhodou senzoru s Fabryho-Perotova rezonátoru je jednodušší detekce signálu v porovnání s jinými
interferometrickými senzory, nevýhodou je náročná technologie výroby rezonátoru. Rozsah tohoto
senzoru je od -40 °C do +300 °C což dostatečně pokrývá rozsah celého subsystému a není nutnost
vkládat různé vyhodnocovací parametry, tento způsob měření je možno použit i na měření druhého
subsystému dle našeho rozložení pro měření teploty paliva, olej vody v chladiči. Další výhodou je
sloučení vyhodnocení těchto teplot a přesnost měření Při použití interferometrického způsobu měření
teploty je poté možné rozšíření i na měření jiných fyzikálních veličin (tlaků, tahů). Nevýhodou je
bohužel v tuto chvíli cena těchto senzorů, do budoucna se však jeví jako nejperspektivnější
10.1.3 Vláknově optický senzor teploty založený na teplotní absorpci polovodiče
Princip je založen na posunu vlnové délky průchozího světla přes GaAs indukovanou změnou
teploty na krystalu GaAs. Čistý krystal GaAs je průhledný v infra oblasti, kdy l= 867 nm při teplotě
25 °C a normálním atmosférickém tlaku. V závislosti na změně teploty se mění absorpční hrana GaAs,
tím pádem se mění intenzita průchozího světla. Rozsah tohoto senzoru je dle výzkumu M.B.Panishe
20–973 °C.
10 APLIKACE VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 65
10.1.4 Intenzitní vláknově optický senzor teploty
Použití optických vláken jako intenzitních senzorů se změnou bez modifikace citlivé oblasti
není možné při nízkých teplotách, ale možno je použít pro teplotu od 135 °C do 300 °C. Jejich rozsah
lze snížit použitím zcitlivění měřící oblasti (použití ohybů a tím zvýšení závislosti na teplotě, použití
při jednovidovém vlákně ovlivnění evanescentního pole).
10.1.5 VOS teploty s generací záření
Senzory teploty s generací záření založeny na detekci tepelného záření, vznikající ohřevem
úseku optického vlákna, resp. ve vhodném materiálu umístěném na konci vlákna. Velkou výhodou je
že nepotřebují zdroj světelného záření a teplotu lze určit nezávisle na místě ohřívaného bodu. Výkon
vyzařovaný na všech vlnových délkách rychle narůstá se zvyšováním teploty. Konvenční optické
vlákno lze použít pro měření teploty od 135 ºC do 300 ºC. Nižší teploty až do 100 K lze měřit
s použitím optických vláken vyrobených z fluoridových a chalkogenních skel. Tyto materiály mají
dostatečně malé tlumení i v oblasti 3 µm až 1 µm, což je infračervená oblast a mohou přenášet
k detektoru tepelné záření těles s nižší teplotou.
Obrázek 51 - VOS teploty s generací záření
10.1.6 Vláknově optický senzor pro vysoké teploty [26]
Pro různé teplotní rozsahy můžeme použít různé druhy Vláknově optických senzorů, např.
interferometrické metody měření, použití VOS s braggovskou mřížkou, různé aplikace intenzitních
VOS, polarizaci zachovávajících, a jiných. Pro vysoké teploty se však tyto metody nehodí z důvodu
možného deformování použitého senzoru. Jedna z možností jak vytvořit VOS pro měření vysoké
teploty je použití záření černého tělesa.
Při vysokých teplotách materiál VOS křehne, a proto použití pro přímé snímání teploty dané
veličiny není použitelný. Pokud použijeme princip snímání radiačního záření přímou metodou,
nejedná se zde o intenzitní senzor, u kterého se mění útlumová charakteristika v závislosti na teplotě.
Princip měření spočívá na fyzikálním principu záření černého tělesa. Vytvořený VOS vložíme do
10 APLIKACE VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 66
předem připraveného teplotně odolného krytu. Tento kryt musí splňovat několik základních
fyzikálních vlastností. Primární vlastnost musí být vynikající teplotní vodič a to z důvodu, aby zde
nevznikaly prodlevy mezi změnou teploty okolí a teplotou uvnitř krytu, musí být dostatečně teplotně
odolný, teplota tání daného materiálu by měla být řádově vyšší než teplota pro, kterou se bude
používat, s tím souvisí vlastnost minimální teplotní roztažnosti, v ideálním případě skoro nulová. Tyto
podmínky jsou nyní technologicky splnitelné bez velké námahy a finančně nenáročné.
Princip měření spočívá ve využití Stefan–Boltzmann zákona, popisujícího intenzitu záření
absolutně černého tělesa, tento zákon říká, že intenzita vyzařování roste se čtvrtou mocninou
termodynamické teploty zářícího tělesa.
4* Tεσ=j (58)
4218
42
4510670400,5
152 −−−−×== KmJs
hckπσ (59)
záření j* (58) je energie toku za čas na ploše v SI jednotkách Jouly za vteřinu na m2 [J.s-1.m-2] nebo
ekvivalentně [W.m-2], T je termodynamická teplota, rozměr je [K], ε je emisivita šedého tělesa, u
perfektního černého tělesa je ε=1. Emisivita je závislá na vlnové délce ε=ε(λ). Více odrazivé materiály
mají nižší emisivitu, pro srovnání emisivita vysoce vyleštěného stříbra je kolem 0.02. σ je Stefan–
Boltzmannova konstanta vztah č. (59). Vztah č. (58) nám říká, že velikost záření černého tělesa je
závislé na ε emisivitě, poté na Stefan–Boltzmannově konstantě a čtvrté mocnině teploty T. Toto nám,
ale k popisu funkce nestačí. Princip FOS je zde založen na principu vlnovodu, do kterého se naváže
emitovaný výkon, zde je důležitá NA optického vlákna, sloužícího jako senzor, aby bylo co největší
množství emitovaného světla navázáno do senzoru a následně vyhodnoceno. Vyzářený výkon si
vyjádříme dle vztahu (60) což je záření rozprostřené na ploše.
4* TAAjP εσ== (60)
Intenzitu záření černého tělesa nám popisuje Planckův vyzařovací zákon vztah č. 61, je zde popsána
výměna energie s okolím nespojitě po kvantech.h je Planckova konstanta h = 6,625.10 − 34J.s , c je
rychlost světla, λ vlnová délka, k Boltzmannova konstanta.
( ) λλ
πλλλ
de
hcdIkThc
1
125
2
−=
, (61)
10 APLIKACE VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 67
Obecný vztah (61) popisuje vyzařování absolutně černého tělesa v celém rozsahu vlnových
délek. Pro reálná tělesa popsaná emisivitou ε, bude intenzita zmenšená ve stejném poměru. Při měření
teploty je nutné vzít v úvahu, že optické vlákno má hranici propustnosti na 2,2 μm, použitý
fotodetektor limituje spektrální rozsah měření na 1,8 μm. Omezení spektrálního rozsahu není klíčové,
protože ve vztahu (60) se omezení projeví pouze na celkové velikosti výkonu. Před vlastním měřením
je nezbytné celý systém kalibrovat. Tuto kalibraci je nutné provést při každé změně konfigurace
(změna vlákna, detektoru, geometrie vlákna, použití pomocné optiky.
Obrázek 52 - Vláknově optický senzor pro vysoké teploty [26]
10.2 Snímání tlaku
10.2.1 Snímání tlaku pomocí Fabryho - Perotova interferometrického senzoru
Měřící metoda, která je použita vychází z principu Fabryho – Perotova interferometrického
senzoru (EFPI-extrinsic Fabry-Perot interferometric). Pro vyslání a příjem optického signálu ze
snímacího elementu slouží mnohovidové optické vlákno 50/125 µm.[10]
Obrázek 53 - Fabry – Perotův vláknově optický tlakový senzor
10 APLIKACE VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 68
Snímání zde probíhá změnou citlivé vrstvy, reagující na tlak, mění se interferenční proužky,
v závislosti na tlaku, který působí na danou citlivou vrstvu. Aby senzor pracoval je vnitřní odrazová
část opatřena napařenou vrstvou sloučenin zlata, tak aby bylo zajištěno co nejmenší pohlcení
světelného signálu na citlivé vrstvě.
Snímací element vláknově optického tlakového senzoru
Jak je vidět na obrázku 53 hlavní, ale limitující část celého EFPI je část, která reaguje na
změnu tlaku v prostředí, do něhož je vložen. Snímací element můžeme rozdělit podle částí, z nichž je
sestaven, jelikož se jedná o senzor využívající Fabryho-Perotova interferometru je nejdůležitější částí
reflexní plocha. Reflexní plocha je ve formě tenkého filmu, který je složen ze zlata a chromu. Reflexní
vrstva je nanesena na křemíkovo-dioxinovou membránu, kde chrom slouží pro přilnutí zlaté reflexní
vrstvy k membráně. Tělo snímacího elementu tvoří tři destičky křemíku. Horní destičku tvoří pouze
okraje na které je nalepena pružná membrána s reflexní vrstvou, na tuto destičku je nalepena destička
tvořící doraz vlákna. Třetí vrstva plní funkci navedení optického vlákna do snímacího elementu ve
správném směru.
Obrázek 54 - Snímací element
10 APLIKACE VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 69
Snímání tlaku na elementu senzoru
Tlak působí na elastickou membránu, na kterou je nanesena reflexní vrstva Au / Cr.
Jako zdroj optického záření se používá LED dioda s vlnovou délkou 1,31 µm. Pří působení tlaku
kapaliny na membránu se změní velikost Fabryho – Perotovy dutiny, a tím se mění intenzita
odrazeného paprsku. Odrazené světlo se vrací přes vazební člen a je detekováno InGaAs fotodiodou.
Obrázek 55 - Princip snímání tlaku v kapalině [8]
10.3 Speciální senzory
10.3.1 Vláknově optický dozimetr
Použití vláknově optického dosimetru je v jistých případech nezbytné. Hlavní
výhodou vláknově optických senzorů, jak již bylo zmíněno, jsou hlavně biokompabilita, netoxičnost a
elektrokompabilita. Dosimetr se používá k měření dávek záření, v medicíně je využit k měření dávek
při léčbě nádorů pomocí radioterapií [15].
Radioterapie je užití určitých ionizujících typů energie (zvaných radiační terapie) na zahubení
rakovinotvorných buněk a zmenšujících se tumorů. Radiační terapie zraňuje nebo ničí buňky v léčené
oblasti, ničením jejich genetického materiálu, což dělá nemožným pro tyto buňky pokračovat v růstu a
jejich šíření. Většina normálních buněk zničených radiací se dokáže doplnit a fungovat správně.
Radiace ničí rakovinotvorné buňky i normální buňky, proto je nutné snímat dávky záření procházející
do tkáně tak, aby bylo zničeno co nejmenší množství zdravých buněk. [16]
Dávky záření, kterým jsou v pacientově těle tumor a ostatní orgány vystaveny jsou obvykle
počítány pomocí kalibračních dat ze zdroje záření a matematickým modelem pro zjištění vzájemného
působení mezi ionizující radiací a tkání. Dozimetry z optických vláken využívají změn optických
vlastností vláken, mezi ionizujícím zářením a optickým vláknem. [15]
Zásluhou příměsí a mechanického tlaku v průběhu táhnoucí procesu při výrobě vlákna,
vyskytuje se v optickém vlákně mnoho defektů, vedoucí ke vzniku energetických hladin mezi valenční
10 APLIKACE VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 70
a vodivostní vrstvou. Působením ionizujícího zářením vznikají další defekty. Přidané defekty vznikají
primárně částečnou radiací (α, β, n, p), kde fotonová radiace vede ke vzniku párů elektron-díra ve
vlákně směřující k fotoionizaci. Tyto vzniklé páry elektron-díra jsou zachyceny ve vytvořených
defektech v materiálu, zatímco vzniklá energie je přeměněna na světelné nebo tepelné záření. Z tohoto
děje vzniká optický signál nebo se mění optické vlastnosti vlákna použitého pro dosimetrii
s aplikovanou radiací.[15]
Vlákno může být použito jako scintilační senzor pro měření emitovaného světla, vzniklého
rekombinací elektron-díra. Další možnost snímání dávky záření je použití vlákna pro snímání termo-
luminiscence nebo radio-fotoluminiscence. Dosimetrická metoda založena na zvyšování absorpce
uvnitř vlákna v závislosti na ionizujícím záření. Výhodou této metody je zachování poměru
dopadajícího se a vracející se světla bez nutnosti úplné kalibrace optického systému.
10.3.2 Útlum na optickém vlákně vyvolaný radiací
Pro detekci ionizačního záření na optickém vlákně se zpočátku používala komunikační vlákna,
u nichž bylo známo, jakou budou mít reakci na dávky záření, v různých dávkách záření se u vláken
měnil útlum. Pro dozimetrické aplikace byla vyvinuta speciální vlákna s velkou dotací atomů těžkých
kovů, které zohledňují velké změny útlumu vlákna, způsobených ionizačním zářením např. olovem
dopované optické vlákno. Snímací část (citlivá část na záření), použitelná do biokompatibilních
katetrů, má délku 5 cm. Útlum je lineárně závislý na dávce záření procházející do radiačně citlivé
části. Relaxace optického vlákna ve snímacím elementu ovšem není lineární, závisí na době, po kterou
bylo působeno dávkami ionizačního záření na snímací element. [15]
Obrázek 56 - Závislost útlumu na radiačních dávkách v čase [15]
10 APLIKACE VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 71
Obrázek 57 - Závislost útlumu při 60 dávkách ozáření [15]
10.3.3 Vláknově optický dosimetr (FADOS) pro radioterapii
FADOS je založen na výsledcích výzkumu a měření olovem dopovaného optického vlákna,
z něhož se vyvinul snímací element, který je použitelný k nitro tělní dosimetrii v radioterapii.
Vláknově optický dosimetr, jeho snímací element je znázorněn na obrázku 58, zde je znázorněn při
použití v biokompatibilním katetru. Snímací, radiačně citlivá část vlákna je zastíněna pomocí
kovového obalu. Snímací část je přivedena na vlákno resistentní vůči radiaci z důvodu, aby nebylo
ovlivňováno snímání záření. Může být použit blízkosti tumoru při léčbě rakoviny radioterapií pomocí
dávek. Záření se zde snímá bodově a vůbec zde nevadí, že díky struktuře materiálu senzitivní části je
velikost elementu 1 - 5 cm. Průměr vlákna je 0.5 mm. Senzor je zakončen zrcadlem, proto je zde
pouze jedno vlákno pro vstup a výstup signálu. [15]
Obrázek 58 - Snímací element vláknového dosimetru [15]
Pro zvýšení kvality měření byl vynalezen systém, popisující útlumové ztráty na
vlnových délkách použitého záření, na 660 nm a 850 nm. Pro tento účel pracují dvě LED diody
v časovém multiplexu (TDM), radiační útlum je určen z obou vlnových délek, používajících stejné
vysílací elektroniky. Obrázek 59 ukazuje měření pomocí tohoto systému, znázorňuje radiační útlum na
dvou vlnových délkách, a rozdíl těchto útlumů.[15]
10 APLIKACE VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 72
Obrázek 59 - Ztráty radiačním útlumem
10.4 Senzory biologických veličin
10.4.1 Vláknově optický senzor dechu, vlhkostní senzor
Největší význam při intenzivní péči je nepřetržité monitorování aktuálního stavu dýchání,
(hvízdání při dechu, kýchání, počet nádechů a výdechů). Tuto činnost samozřejmě může obstarat
zdravotní sestra, ale je technicky i ekonomicky nemožná stálá starost jedné sestry o jednoho pacienta.
K tomuto účelu bylo vyvinuto optické vlákno s vlhkostně citlivým pláštěm, má jednoduché použití a
poskytuje dobré výsledky. Plášť vlákna, na snímací části vlákna, je tvořen plastickým filmem
natřeným neagresivní barvou, která je tvořená vlhkostně citlivým fluorescenčním materiálem
reagujícím na UV záření. [7]
Vlhkostně citlivá část je umístněna postranně k pacientovým ústům a je buzená halogenovou
lampou. Měření začíná od chvíle, kdy dosáhne vlhkost stoupající z pacientových úst vlhkosti
místnosti, potom pacientovo vydechnutí produkuje fluorescenční signál, který je detekován a pomocí
elektrooptické jednotky přenesen na stanoviště sestry. Toto využití detekce vlhkosti je užitečné pro
detekci netypického dechu u pacientů upoutaných na lůžko (neschopných pohybu). [7]
Další velmi jednoduché využití vlhkostního vláknově optického senzoru bylo vyvinuto na
základě požadavku pro neustálé sledování pravidelnosti dechu a jeho četnosti. Senzor je založen na
změně světelného odrazu světla, způsobeného změnou kondenzované vlhkosti z dýchacích cest
v průběhu dýchání. Vláknově optický senzor je obvykle umístněn uvnitř nosu.
Při vdechnutí je vdechující se vzduch suchý a chladný, zde je největší množství odrazeného
světla. Při výdechu se na senzoru usadí vodní páry a sníží se zde velikost odrazeného paprsku asi na
50 %. Tímto způsobem, změnou intenzity odrazeného signálu můžeme monitorovat rychlost dýchání.
[7]
10 APLIKACE VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 73
10.4.2 Vláknově optický senzor na měření změny obvodu hrudi při dýchání
Snímání funkce dýchacího systému, jak nádechu, tak i výdechu je důležité pro snímání
vitálních funkcí systémů, hlavně z toho důvodu, že při nedostatku kyslíku dochází k odumírání buněk.
Tento senzor je vhodný pro detekci hloubky vdechu, je založen na funkci mikroohybů vlákna
je upevněno na trupu osoby. Může se zde použít jak mnohovidové tak i jednovidové vlákno. Princip
snímání je založen na periodické změně objemu trupu při dýchání, tzn., probíhá zde periodická změna
mikroohybu, vyměřena změnou obvodu hrudní koše při dýchání. Přímočaré měření proudu vzduchu je
bezvýznamné bez zjištění nádechu a výdechu. Pro kvantitativní měření počtu nádechů a výdechů
potřebujeme volné spojení s pacientovým dýchacím systémem, takové, aby samo dýchání nebylo nijak
omezováno.[17]
Obrázek 60 - Ohybový vláknově optický senzor RCCC [17]
Senzor k měření změny obvodu hrudi při dýchání (respiratory chest circumference changes
RCCC), je znázorněn na obrázku 60, využívá se zde plastové optické vlákno s velikostí průměru
vlákna 400 µm a poloměrem ohybu 40 mm a eliptickým tvarem ohybu. Zdroj světla je zde dioda se
spektrální odezvou 0.56 A/W na vlnové délce 845 µm, na výstupu detektoru se signál demoduluje a
zesiluje, získaný signál se vzorkuje (500 vzorků/s) pomocí A/D převodníku. Při nádechu dochází
k deformaci optického vlákna, zvyšuje se zde útlum optického vlákna. [17]
Hrudní pás je rozdělen do dvou částí, krátká elastická část (D na obrázku 60) (zde jsou
detekovány ohyby) a nastavitelná neelastická delší část. Elastická část je oddělena od neelastické části
pomocí dvou bodů (C na obrázku 60). [17]
10 APLIKACE VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 74
Obrázek 61 - Princip odrazu a lomu světla v ohybu optického vlákna
Princip odraz a lomu světla v ohybu optického vlákna znázorňuje obrázek 61, kde r je poloměr
vlákna, R je poloměr ohybu, φ0 je úhel dopadu ve vlákně a φ úhel dopadu v ohybu vlákna [17].
10.4.3 Vláknově optický senzor pH
Hodnota pH v těle člověka je velmi důležitý ukazatel správnosti pochodů chemických
dějů v organismu. Člověk jako systém orgánů, zajišťujících správný fyziologický pochod chemických
reakcí, což se jako vedlejší produkt projevuje změnou neutrálnosti prostředí, je soustavou systémů
s různou pH, jak tkání, tekutin a hlavně trávicího traktu. Změna pH může a nemusí znamenat výskyt
různých nemocí nezměrných následků. Z tohoto důvodu se rozeznávají různé druhy vláknově
optických senzorů pH.
Hodnota pH je definována jako záporně vzatý dekadický logaritmus aktivity oxoniových
kationů. Ve zředěných vodních roztocích lze hodnotu aktivity aproximovat hodnotou koncentrace a
pak platí:
( )( )+−= OHlogpH 3a (62)
kde a značí aktivitu iontu (H3O+). pH nabývá hodnot od 0 do 14. Chemicky čistá voda má
pH = 7. Kyselost značí hodnoty pH od 0 do 6, zásaditost od 8 do 14.
Složení krve
Krev je kapalná cirkulující tkáň složená z tekuté plazmy a buněk (červené a bílé krvinky,
krevní destičky). Hlavní funkcí krve je dopravovat živiny (kyslík, glukózu) a stopové prvky do tkání a
odvádět odpadní produkty (oxid uhličitý a kyselinu mléčnou). Krev též transportuje různé buňky
(leukocyty a abnormální nádorové buňky) a různé jiné substance (aminokyseliny, lipidy, hormony)
10 APLIKACE VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 75
mezi tkáně a orgány. Průměrný lidský organismus obsahuje asi 4-6 litrů krve, což je asi 60 ml krve na
kilogram tělesné hmotnosti. Krev je má červenou barvu od světle červené pokud je okysličena po
tmavě červenou když přenáší odpadní oxid uhličitý. Červená barva pochází z hemoglobinu což je
metaloproteinová sloučenina obsahující železo ve formě chemické struktury – kofaktoru hemu, na
který se váže kyslík.[30]
Krev transportuje metabolické odpadní produkty, léky a jiné chemikálie do jater na jejich
eliminaci a do ledvin se transportuje pro své pročištění. Krevní pH je v normálním stavu v rozmezí
kolem 7,35 až 7,45 pro udržení této hodnoty je přítomný v krvi tlumivý roztok kyseliny uhličité
(H2CO3) a bikarbonátu (HCO3-) [30]
Transport kyslíku O2
Množství kyslíku rozpuštěného v krvi je přímo úměrné parciálnímu tlaku kyslíku (O2) zkratka
pO2. Pro transport kyslíku se primárně využívá molekul hemoglobinu. Asi 98,5 % kyslíku je chemicky
kombinováno s hemoglobinem, jen 1,5 % je fyzikálně rozpuštěno.[30]
Transport oxidu uhličitého CO2
Při proudění arteriální (tepenné) krve přes kapiláry, rozpouští se oxid uhličitý z tkáně do krve.
Určité množství je rozpuštěno v krvi, část oxidu uhličitého reaguje s hemoglobinem a vzniká
karminohomoglobin. Zbylý oxid uhličitý je konvertován na bikarbonát a vodíkové ionty. Většina
oxidu uhličitého je transportována krví ve formě iontů bikarbonátu. Množství oxidu uhličitého
rozpuštěného v krvi je úměrné parciálnímu tlaku (CO2) - pCO2 [30]
Vláknově optický senzor krevního pH
Hlavní rozdíl mezi vláknové optickými senzory pH je v činidle, které se používá jako citlivé
na kyselost prostředí a možnost rozsahu, které je schopno měřit. U krevního pH senzoru není důležitý
rozsah, ale je důležitá přesnost, protože krevní pH se pohybuje v rozsahu 7,35 – 7,45 a jako další
důležitý činitel je rychlost odezvy citlivého materiálu.
Vláknově optický senzor krevního pH založený na činidlu SNARF – 1C
Jak bylo popsáno v kapitole 10.4.3, je pH krve v rozmezí 7,35 – 7,45, takže je nutno mít
senzor, který má velkou citlivost. Vláknově optický senzor je založen na vlastním zapouzdřeném
referenčním barvivu v koloidním roztoku, uloženém na špičce optického vlákna [28]. Jako vlastní
referenční barvivo je zde použit, jako jedna z možností, seminaphthorhodamine-1 carboxylate
(SNARF - 1C, obrázek 62).
10 APLIKACE VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 76
Koloidní roztok má vlastnosti, které jsou velmi vhodné pro tuto aplikaci. Koloidní roztoky
jsou v procházejícím světle čiré, v dopadajícím světle se jeví jako zakalené. Průchodem intenzivního
světelného paprsku koloidním roztokem, můžeme jeho dráhu sledovat jako opaleskující svítivý
paprsek, tento jev se nazývá Tyndallův fenomén, jeho principem je odraz a ohyb světla způsobený
přítomností pevných částic v prostředí [31].
Díky jednoduchému postupu výroby koloidního roztoku, je vhodný k zapouzdření a
znehybnění molekul barviva na špičce optického vlákna. Toto uložení slouží k vytvoření
miniaturizovaného fluorimetru k měření pH krve.
Obrázek 62 - SNARF - 1C [28]
Použitím techniky koloidního roztoku vzniká sklo s vyšší čistotou a homogenností a je
jednodušší pro výrobu, vyrábí se při nižší teplotě. Schopnost získat pomocí koloidního roztoku
optimalizované póry ve skle o velikosti < 50 nm a velikosti povrchu 400-1200 m2 .g-1 je dělá
atraktivním materiálem pro senzorové aplikace. [28]
Senzor je vyroben z křemenného mnohovidového vlákna (125 µm) se skokovou změnou
indexu lomu a NA = 0,41. Pomocí chemicko- technologického postupu je obnaženo jádro vlákna.
Zkosení špičky vlákna vede ke zvýšení zachycení fluorescenčního signálu zpět do vlákna. Po úpravě
vlákna je špička vlákna očištěna, osušena, a potom je ponořena do koloidního roztoku, hned nato je
dána do trouby vyhřáté na 75 ºC na dobu 1 min, Tato procedura zformuje homogenní plášť o tloušťce
asi 1µm a menší na špičce vlákna. Je zde využito snímání pomocí evanescentního pole. [28]
Pro měření pH krve se používá jako indikátor SNARF -1C znázorněný na obrázku 62
mající pKa = 7,4 což ho dělá ideálním k měření pH krve. Maximální intenzitu absorbuje tento materiál
10 APLIKACE VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 77
při vlnové délce 533 nm a jeho vyzářené spektrum je pH závislé, vysílající dvě rozpoznatelné
spektrální části. Maximální emise nastává pro kyselou část při 580 nm a pro základní uspořádání při
640 nm. pH můžeme popsat pomoci poměrného výkonu emitované intenzity. [28]
Obrázek 63 - Odezva vláknově optického senzoru v PBS při měnícím se pH [28]
Vztah mezi základní a maximální hodnotou emise v kyselejším prostředí (zásaditějším
prostředí) se popisuje jako funkce pH a může být použita k ustavení kalibrace pro měření pH měření.
V obrázku 63 je znázorněna odezva vláknově optické senzoru s použitím indikátoru SNARF - 1C, kde
je jako kapalina na které se měří změna pH použita kapalina PBS, mající stejné vlastnosti pH jako
krev.[28]
10.4.4 Senzor k monitorování mutovaných streptokoků z lidských slin
Zubní péče bývá rozdělena do několika částí. Hlavní část je prevence. Bakteriální
choroba bývá charakterizována demineralizací anorganických částí a následným odbouráním
organické části zubu. Brzké rozpoznání výskytu této agresivní bakterie pomáhá dentálním
specialistům formulovat léčebný plán pro pacienta. Pro detekci streptokoků se používají lidské sliny.
Lidské sliny mají přibližnou koncentraci bakterií kolem 10-9 na mililitr, z tohoto důvodu jsou vybrány
lidské sliny jako senzitivní médium. Vláknově optický senzor k on-line monitorování mutantů
streptokoků je zprostředkované pomocí reakcí v lidských slinách. Chemický senzor je zařízení, které
se používá k měření koncentrace nebo aktivity chemických veličin ze snímaného vzorku, slin. Ke
snímání se používá jako v jiných biologických senzorech reakce na vazbě evanescentního pole.
Chemická reakce, na které je tento senzor závislý nastane interakcí mezi analyzovaným vzorkem a
upevněným indikátorem, který je měřen pomocí spektroskopické analýzy elektromagnetického záření
10 APLIKACE VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ 78
vracejícího se ze snímacího elementu. Ke znehybnění fotosenzitivního indikátoru se používá koloidní
roztok [31]. Vláknově optický senzor umožňuje rychlé a kvantitativní měření aktivity mutantů
streptokoků v lidských slinách.
Vláknově optický senzor založený na snímání evanescentního pole je postaven na
zkoumání spektrometrických změn řídících se Beer-Lambertovým zákonem. K výrobě tohoto senzoru
je využito mnohovidové vlákno s průměrem jádra vlákna 100 µm. Z vlákna je odstraněno přibližně 10
mm pláště pomocí 40 % kyseliny fluorovodíkové. Umytá a osušená snímací část optického vlákna, je
ošetřena pomocí kyseliny dusičné, tento krok aktivuje –OH ionty na ploše optického vlákna, což
umožňuje lepší slepení koloidního filmu na vlákně.
Senzor využívá fotosenzitivního indikátoru, který je upevněn pomocí porézního
skleněného pláště na mnohovidovém vlákně, které bylo předtím zbaveno pláště. [35]
Obrázek 64 - Příprava vláknového senzoru; a) optické vlákno, b) optické vlákno zbavené pláště, c) na
jádře je plášť z porézního skla, d) nanesení vzorku na senzor [35]
LITERATURA 79
Použité zdroje a literatura
[1] GRATTAN, K. T. V., SUN, T.: Fiber optic sensor technology: an overview. Sensors and Actuators 82, (2000), p.40-61.
[2] LEE, B.: Review of the present status of optical fiber sensors. Optical Fiber Technology 9, (2003), p.57-79.
[3] HECHT, J.: City of Light: The Story of Fiber Optics. Oxford University Press, New York (1999), ISBN 0-19-510818-3.
[4] OKAMOTO, K.: Fundamentals of Optical Waveguides.2nd. Edition, Elsevier Science & Technology, USA, (2006), ISBN 978-0-12-525096-2.
[5] CULSHAW, B., DALKIN, J.: Optical Fiber Sensors: Systems and Applications. Volume 2, Artech, Norwood, (1989).
[6] LOPÉZ-HIGUERA, J. M.: Handbook of optical fibersensing technology. John Wiley and sons, Ltd. (2002), ISBN 0-471-82053-9.
[7] UDD, E.: Fiber Optic Sensors: An Introduction for Engineers and Scientists. John Wiley and sons, Inc. (1991), ISBN 0-471-83007-0.
[8] CLARK, P., BORINISKI, J., GUNTHER, M., POLAND, S., WIGENT, D., WATKINS, S.: Modern fibre optic sensors. Smart Materials Bulletin, (2001).
[9] HOTATE, K.: Fiber Sensor Technology Today. Optical Fiber Technology 3, (1997), p.356-402, Article NO. OF970230.
[10] KERSEY, A D.: A review of recent developments in fiber optic sensors technology. Opt. Fiber Technology 2, (1996), p.291-317.
[11] GRATTAN, K. T. V., MEGGITT, B. T.: Optical Fiber Sensors Technology. Vols. 1-5, Kluwer Academic Publishing, London,UK, (1998-2000).
[12] GONG, Y. D.: Guideline for the design of a fiber optic distributed temperature and strain sensor. Optics Communications 272, (2007), p.227-237.
[13] DONLAGIC, D., LESIC, M.: All-fiber quasi-distributed polarimetric temperature sensor. Optics Express Vol. 14, NO. 22 (2006).
[14] <URL: http://www.bluerr.com/papers/Overview_of_FOS2.pdf >, 25.9.2003. [15] MOYO, P., BROWNJOHN, J. M. W., SURESH, R., TJIN, S. C.: Development of fiber Bragg
grating sensors for monitoring civil infrastructure. Engineering Structures 27, (2005), p.1828-1834.
[16] MUHS, J. D.: Fiber Optic Sensors: Providing Cost-Effective Solutions To Industry Needs. Oak Ridge National Laboratory, (2002).
[17] ROGERS, K. R., POZIOMEK, E. J.: Fiber Optic Sensors for Environmental Monitoring. Chemosphere Vol. 33, NO. 6, (1996), p.1151-1174.
[18] KROHN, D. A.: Fiber Optic Sensors - Fundamentals and Applications. Instrument Society of America (1992), ISBN 0-55617-010-6.
[19] YEH, P., YARIV, A., MAROM, M.: Theory of Bragg fiber. J. Opt. Soc. Am., Vol. 68, No. 9., September 1978. DADO, Milan, et al. Kapitoly z optiky: pre technikov. Žilina: Žilinská univerzita, 1998. 348 s. ISBN 80-7100-390-5.
[20] YOSHIDA, K., et al.: Loss factors in optical fibres. Optical and Quantum Elektronics. 1981, 13, 1, s. 85-89. ISSN 0306-8919.
[21] LONG, D. A.: The Raman Effect: A Unifield Treatment of the Theory od Raman Scattering by Molecules. 1. Edition. England: John Willey & Sons, April 2002. 598 p. s. ISBN 978-0-471-49028-9, DOI: 10.1002/0470845767.
[22] BALL, D. W.: Theory of Raman Spectroscopy. Spectroscopy [online]. 2001, 16, 11, [cit. 2010-07-15]. Dostupný z WWW: <http://spectroscopyonline.findanalytichem.com >. ISSN 0887-6703.
[23] JAASKELAINEN, M.: Distributed Temperature Sensing (DTS) in Geothermal Energy Applications [online]. c 2009, poslední aktualizace 1. 9. 2009 [cit. 2009-09-01]. Dostupné z
LITERATURA 80
WWW: http://www.sensorsmag.com/specialty-markets/utilities/distributed-temperature-sensing-dts-geothermal-energy-applic-5866
[24] PELLI, S., et al.: Spectroscopic Techniques For Sensors. In RIGHINI, Giancarlo C.; TAJANI, Antonella; CUTOLO, Antonello. Optics and Photonics: An Introduction To Optoelekctronic Sensors. 5 Toh Tuck Link, Singapore 596224: World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 2009. s. 584. ISBN 978-981-283-412-6.
[25] BEJČEK, L.:Vláknová optika v řídící a měřící technice, FEKT VUT Brno, 2002 (neveřejný
text)
[26] HANAČEK, F., LATAL, J., KOUDELKA, P., SKAPA, J., SISKA, P., VASINEK, V., HURTA, J.: Fiber Optical Sensor for High Temperatures <URL: http://advances.utc.sk/index.php/AEEE/article/view/9/641 >
[27] KAUFMANN, K.R., WAVERING, T., MORROW, D., DAVIS, J., LIEBER, R.L.:
Performance characteristics of a pressure microsensor Journal of Biomechanics, 2002
[28] BUEKER, H., HAESING, F.W., GERHARD, E.: Physical properties and concepts for
applications of attenulation-based fiber optic dosimeters for medical instrumentation Fiber
Optic Medical and fluorescence Sensors and Applications,1992 SPIE vol. 1648
[29] KLENER, P. et al.: Klinická onkologie. Galén/Karolinum, Praha 2002 [30] MIGNANI, A.G., BALDINI, F.: Biomedical senzors using optical fibres, Report on
progress in physics, 1996 p. 1-28
[31] KNANOKH, A. Y., SHOMER, Y., NITZAN, M.: Fiber optic sensor for the measurement of
the respiratory chest circumference changes, Journal of Biomedical Optics, 1999 vol. 4. no. 2
p. 224-229
[32] TALLITSCH, R. B., MARTINI, F., TIMMONS, M.J.: Human anatomy (5th ed.). San
Francisco: Pearson/Benjamin Cummings. p. 529., (2006), ISBN 0-8053-7211-3.
[33] GRANT, S. A., GLASS, R.S.: A sol-gel based optic sensor for local blood pH measurements,
Sensors and Actuators B 45, 1997 p. 35-42
[34] LEVINE, I. N.: Physical Chemistry (5th ed.). Boston: McGraw-Hill, (2001), ISBN 0-07-
231808-2., p. 955.
[35] KISHEN, A., JOHN, M. S., LIM, C. S., ASUNDI, A.: A fiber optic biosensor (FOBS) to
monitor mutans streptococci in human saliva, Biosensors and Bioelectronics 18, 2003 p.
1371-1378