ОПТИКА СВЕТОРАССЕНИЯ ДЛЯ ЛАБОРАТОРНЫХ УЧЕБНЫХ ПРАКТИКУМОВ

Аннотация. Описана установка для учебных лабораторий вузов и специализированных колледжей. Данная установка позволяет организовать лабораторные работы по диагностике различных жидкостей, используемых в различных сферах как производства, так и медицины. В установке используется метод рефлектометрии. Обсуждается возможность разработки методик измерения изменений профилей исследования жидкостей на основе коэффициента отражения от торца световода. Рассматривается принципиальная схема одного из модулей установки.

Физика – опытная наука. Работа в лабораториях физического практикума является неотъемлемой частью процесса изучения различных законов физики. Студенты различных университетов, изучающие физику, в процессе лабораторного физического практикума должны, в том числе, учиться обрабатывать экспериментальные результаты. Однако систематические курсы теории вероятностей, математической статистики, измерительных приборов, которые составляют основу обработки результатов измерений, а также сама математическая теория обработки результатов эксперимента, как правило, читаются на старших курсах, либо, к сожалению, совсем не читаются. Студентам важно научиться отмечать результаты измерений, изображать графики, иметь пользоваться правилами приближенных вычислений и оформлять отчет по лабораторной работе. Кроме того, желательно все вышеуказанные вопросы рассмотреть в одном учебном пособии, по возможности, не очень большого объема. Поэтому, из-за нехватки специалистов в данной области мы решили привлечь студентов к научной деятельности, а также создать лабораторную установку с целью обучения студентов Вуза, и не только. Данную установку мы сможем создать экспериментально, которая будет использоваться додетально, а также виртуально.

Для проведения лабораторных работ, особенно по изучению физических свойств материалов, используемых в оптических системах и экспериментальной проверке некоторых теоретических положений, в учебном практикуме следует применять установки и приборы, отличающиеся простотой конструкцией и обслуживанием, чтобы обращение с ними было доступно каждому студенту.

Рефлектометр сейчас является одним из самых распространенных приборов для диагностики ВОЛС, так как представляет возможность диагностировать линию связи с использованием доступа только к одному концу волокна. Импульсные оптические рефлектометры (ОТDR - Optical Time Domain Reflectometr) различных видов применяются очень часто, особенно в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС): от производства волокна и оптического кабеля до строительства ВОЛС и их эксплуатации.

Предлагается использовать метод рефлектометрии для исследования изменений профилей жидкостей на основе коэффициента отражения от торца световода, обусловленных изменением коэффициента преломления граничащей со световодом среды. Предполагается разработать экспериментальные методики измерений и рассмотреть их разрешающие способности. Исследовать зависимости коэффициентов преломления различных жидкостей от температуры.

Самыми главными частями рефлектометра, которые и обеспечивают работу устройства, являются – когерентный излучатель, светодиод, фотоприемник и разветвитель. Светодиод создает световой сигнал, длительность которого в зависимости от модели устройства составляет от 5нс до 20мкс. Стоит отметить, что один светодиод не может выдавать различную длину волны. Оптический разветвитель выступает в роли посредника, который выпускает излучение лазера в оптоволокно, а при возвращении сигнала переводит их направление не на диод, а на приемник. Это очень чувствительное устройство, без которого функционирование рефлектометра невозможно. Одним из самых важных и дорогостоящих элементов является чувствительный фотоприемник. Он фиксирует силу отбитого сигнала, который возвращается и передает данные на регистрирующее устройство. От качества его работы зависит чувствительность принятия зондирующего сигнала, посылаемого вдоль волокна. Чем лучше данный элемент, тем более точно можно определить на каком расстоянии имеется повреждение и уровень потерь сигнала при его прохождении.

Рисунок 1. Принципиальная схема рефлектометра для измерения рассеивания, в результате которого происходит изменение концентрации жидкостей

Данное устройство имеет непростую конструкцию, принцип его работы не сложный для понимания. Прибор генерирует лазерный пучок света, который отправляется по оптоволокну в виде луча. Во время движения пучка при попадании на мелкие дефекты в линии, часть света отражается и двигается обратно на чувствительную часть рефлектометра. Она улавливает отбитый сигнал и проводит его фиксацию. Остальная часть пучка, которая смогла пройти через поврежденную часть провода, продолжает движение дальше. По мере преодоления различных препятствий часть света преломляется и возвращается обратно на регистрирующее устройство. Это продолжается до тех пор, пока луч не преодолеет всю линию до ее конца, или не наткнется на участок полного разрыва. Данный прибор фиксирует с огромной точностью расстояние до мест с существенными дефектами, которые уменьшают силу сигнала, а также участка полного обрыва.

Оборудование и материалы, которые представлены на схеме рис. 1:

-Когерентный излучатель;

-Модулятор;

-Поляризатор;

-Линза;

-Фотоприемник;

-Дифференциальный усилитель;

- Разветвитель;

- Регистрирующее устройство.

При использовании в качестве источников излучения лазеров, а также чувствительных регистрирующих систем, рефлектометр затрагивает явления релеевского рассеяния и френелевского отражения. При посылке луча по волокну часть натыкается на имеющиеся частицы и рассеивается во всех направлениях. Это явление называется релеевским рассеянием. Часть света рассеивается назад‚ в направлении‚ противоположном направлению распространения луча; это называется обратным рассеянием. Значения относительных интенсивностей обратно-рассеянных сигналов соответствуют значениям полученных из соотношения Френеля [2, c. 12]. Количество отраженного света зависит от величины изменения плотности материала, которая характеризуется показателем преломления, а также от того угла‚ под которым свет падает на поверхность раздела между двумя материалами. Это явление называется френелевским отражением.

В результате проделанного эксперимента мы определяем концентрацию жидких материалов, путем сравнения сигналов на регистрирующем устройстве рефлектометра. Мы исследуем жидкость по профилю, а такое рассеяние рассматривается по высоте. В пространстве зачастую возникают неоднородности, поэтому данное сравнение можно рассмотреть на реакции Белоусова – Жаботинского. Рассмотренный нами метод рефлектометрии позволяет исследовать данную реакцию. То есть при исследовании реакции Белоусова –Жаботинского, мы можем видеть изменение состава жидкостей.

Создание физической установки является уникальной разработкой. Мы рассмотрели принципиальную схему установки и доказали то, что можно очень точно и просто рассмотреть изменения жидкостей с помощью метода рефлектометрии. Задачей являлось привлечь студентов Вуза к научной деятельности. С помощью лабораторной установки мы заинтересовали молодых специалистов и, в свою очередь, они получили незабываемый опыт, навыки и знания.

Список литературы:

1. Листвин А.В., Листвин В.Н.  Рефлектометрия оптических волокон. - Л63 – М.: ЛЕСАРарт, 2005. 208 с, ил.
2. Глущенко А.Г., Глущенко Е.П., Фирсова А.А. Научное обозрение. Технические науки. – 2018. – № 6 – С. 11-15.
3. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Наука, 1973. - 720 с.
4. Глущенко А.Г., Глущенко Е.П. Научный вестник. 2015. – № 3 (5). – с. 108-112.
5. Кондратьев И.Г., Малюжинец Г.Д. Дифракция волн // Физическая энциклопедия [в 5 т.]. М.: 1988–1999.