Nekomunikační aplikace optických vláken

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.


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].


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].


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


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.


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.


3.2 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


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.


3.4.1 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.


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.


3.6 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)


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.


Obrázek 6 - Základní princip modulátoru

Obrázek 7 - Typy modulátorů: Blokový, Integrovaný a Celovláknový


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)


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


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.


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°.


4.2 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.


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)


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


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)


4.3 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


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


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]


5.2 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]


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]


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]


5.4 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.


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.


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.


6.2 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.


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.


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


7.1.1 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)


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


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.


8.2.1 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]


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


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]


8.2.1.2 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.


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.


8.3 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]


8.4 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


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:


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:


[ ]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)


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)


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.


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.


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


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]:


( )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


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

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


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.


10.1.4 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


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)


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


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


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


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]


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]


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]


10.4.2 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]


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)


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).


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


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


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

Date post:	16-Apr-2015
Category:	Documents
Upload:	patrik-hanulak
View:	187 times
Download:	2 times

Nekomunikační aplikace optických vláken

Documents