Курсовая работа (т): Проектирование высокоэффективного магнитооптического датчика тока на основе магнитооптического эффекта Керра

Проектирование высокоэффективного магнитооптического датчика тока на основе магнитооптического эффекта Керра

Федеральное агентство по образованию

государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

Уфимский государственный университет

экономики и сервиса

Кафедра МАПТС

Курсовой проект по дисциплине

«Волоконно-оптические датчики»

Студент Абузаров И.Х.

Консультант Ураксеев М.А.

Принял Ураксеев М.А.

Уфа 2014 г.

Содержание:

Введение

1. Теоретическая часть

.1 Электрооптический эффект

1.2 Поляризация света

1.3 Электрооптический эффект в кристаллах

.4 Распространение света в анизотропной среде

.5 Электрооптический эффект Керра

.6 Ячейка Керра

1.7 Эффект Поккельса

2. Расчетно-конструкторская часть

.1 Структурная схема

.2 Оптические характеристики

.3 Расчет узлов электрической принципиальной схемы

.3.1 Расчет элементов входного усилителя

.3.2 Расчет полосового фильтра

.3.3 Расчет элементов аналого-цифрового преобразователя и его включение с индикаторами

3. Заключение

Список литературы

Введение

В настоящее время во всем мире интенсивно ведутся работы по созданию оптических систем сбора, обработки и передачи информации. В таких системах используются волоконно-оптические датчики-преобразователи различных физических величин. Бурное развитие оптических систем сбора информации связано как с особенностями различных отраслей науки и техники, так и с замечательными свойствами этих систем. Они искро- и пожаро- безопасны, малогабаритны, потребляют мало энергии. Они также позволяют создавать как локальные так и распределённые на большом пространстве чувствительные элементы и системы непрерывного контроля. Особенно перспективны оптические датчики во взрывоопасных производствах, системах экологического мониторинга, предприятиях с вредными и пожароопасными производствами.

По данным маркетингового агентства Frost&Sullivan, ежегодные мировые продажи оптических датчиков в последние годы составят около $2.5 млрд с ежегодным приростом 11% по всем отраслям промышленности. По оценкам Японской Ассоциации развития оптоэлектронной промышленности и технологии, к 2010 году объемы продаж возрастут до $5 млрд.

За последние годы увеличилось число публикаций в патентной и научно-технической литературе (см. патенты в приложении) по новым высокоэффективным магнитооптическим датчикам (ВОД) физических величин. Работы в этой области давно ведут многие компании: KDD (Германия), Toshiba(Япония), IBM, Verbatim(США) и др. . В этих устройствах в качестве чувствительных используются магнитооптические элементы, в основе которых лежит магнитооптический эффект (МОЭ).

В данном курсовой работе мы спроектируем ВОД тока на основе магнитооптического эффекта Керра, в котором для управления, обработки, запоминания и хранения получаемой информации применяется микроконтроллер.

1. Теоретическая часть

.1 Электрооптический эффект

Электрооптический эффект - это изменение коэффициента преломления некоторых материалов под действием электрического поля. Материалы, обладающие таким свойством, называют электрооптическими материалами. Электрооптические эффекты бывают двух видов: 1) коэффициент преломления линейно зависит от силы поля, приложенного к кристаллу, не имеющему внутренней симметрии (например, пьезокристаллу); 2) коэффициент пропорционален квадрату силы поля в веществах с внутренней симметрией. Первый называют эффектом Поккельса, а второй - эффектом Керра. Эффект Поккельса проявляется на кристаллах KDP(KH2PO4), DKDP(KD2PO4), ODP(NH4H2P04), UNbO3 и подобных им, эффект Керра можно наблюдать в нитроглицерине, сероуглероде и подобных им жидкостях. В технике, например в оптической связи, чаще используют эффект Поккельса из-за хорошей линейности и низкого рабочего напряжения.

Электрическое поле создает в. электрооптическом веществе анизотропию, порождающую двойное лучепреломление. Двойное лучепреломление изменяет поляризацию волны. А изменение поляризации широко используют для модуляции света. Под действием приложенного к кристаллу поля становятся различными коэффициенты преломления по трем осям кристалла (в оптических кристаллах такие состояния описываются эллипсоидом рефракции), Среди этих осей z - оптическая ось, а оси х и у образуют с плоскостью поляризации углы в 45°. Неполяризованный свет лазера приобретает такую поляризацию после прохождения входного поляризатора.

Линейно поляризованный свет можно представить в виде двух составляющих х и у, имеющих одинаковые фазы. Когда поле отсутствует, направление поляризации света после прохождения через кристалл сохраняется и анализатор, расположенный перпендикулярно входному поляризатору, не дает свету выйти из прибора. Если к кристаллу приложить электрическое поле, изменятся коэффициенты преломления по осям х и у, что приведет к различию скорости-света вдоль этих осей, а это, в свою очередь, к различию фаз проходящего света по составляющим х и у. Разность фаз будет нарастать по мере прохождения через кристалл. На выходе из кристалла результатом суммирования колебаний по составляющим будет эллиптически поляризованный свет, При этом только часть энергии выйдет из прибора через анализатор-это энергия колебаний, имеющих плоскость поляризации, параллельную заданной анализатором.

При изменении напряжения, приложенного к кристаллу, будет, меняться форма эллипса поляризации света. Таким образом, появляется возможность модулировать амплитуду световых волн при помощи электрического напряжения. Если разность хода по составляющим х и у станет в точности равной половине длины волны, свет на выходе из кристалла станет линейно поляризованным в направлении, перпендикулярном поляризации при входе, и интенсивность (квадрат амплитуды) излучения станет максимальной. Напряжение, дающее этот эффект, называют полуволновым, и ясно, что в модуляторах удобнее использовать материалы с малым полуволновым напряжением,

Зависимость интенсивности излучения от напряжения, приложенного к кристаллу, нелинейна, но можно придать ей линейность, поместив между кристаллом и анализатором четвертьволновую пластинку.

Электрооптический эффект применяют не только для описанной выше модуляции света, но и для изготовления быстродействующих оптических затворов (время срабатывания порядка наносекунд), известных как затворы Керра, для изготовления оптических отклоняющих систем, в оптической памяти, в трехмерных модуляторах, в оптических бистабильных элементах.

Для активного управления рабочие тела должны изменять свои оптические характеристики по заданному закону при достаточной частоте управляющего воздействия. В соответствии со сказанным возможно рабочие тела должны обладать значительным электрооптическим (линейным или квадратичным), магнитооптическим или упругооптическим эффектом или высокой квадратичной поляризуемостью при наличии направления синхронизма; для пассивного управления необходимо значительное двупреломление или вращение плоскости поляризации.

В последнее десятилетие во всем мире интенсивно ведется исследование влияния электрического поля на измерение оптических свойств материалов - стекол, кристаллов, полимеров, в первую очередь на изменение их показателя преломления, двойного лучепреломления, дисперсии, поляризации.

Наведенное электрическим полем двойное лучепреломление, называемое электрооптическим эффектом Керра, обычно определяется для изотропного материала выражением:

где -длина волны в м., Е- напряженность электрического поля в В/м, -соответственно показатели преломления в направлениях параллельно и перпендикулярно электрическому полю и В-константа Керра в м/В2

Ведутся интенсивные поиски в нескольких направлениях, объединенных общей целью, -созданием электрооптических (ЭО) стеклообразных, кристаллических и полимерных материалов с высокой константой Керра, превышающей константу Керра кварцевого стекла, для активных ЭО волоконных интегральных структур, а так же разработкой технологий создания таких структур на базе этих материалов. ЭО волокно представляет наибольший интерес с точки зрения его использования в системах оптической связи и передачи информации, в модуляторах, переключателях и других электрооптических устройствах.

.2 Поляризация света

Свет, у которого направления колебаний вектора упорядочены каким-то образом, называется поляризованным.

Световая волна - это электромагнитная волна, у которой вектор всегда перпендикулярен направлению распространения . Естественный свет- это смесь огромного числа цугов, каждый цуг поляризован, но направления векторов этих цугов различное. Поэтому естественный свет не поляризован, у него отсутствует какое-либо упорядочение направлений колебаний вектора .

Электромагнитная волна, у которой вектор колеблется в одной плоскости, называется плоско поляризованной.

Принцип действия поляризатора электромагнитной волны

Пусть на пути электромагнитной волны расположена решетка из тонких, длинных, расположенных на расстоянии a<λ друг к другу проводников.

Если падающая на такую решетку электромагнитная волна поляризована так, что вектор параллелен проводникам, то волна через решетку не пройдет. Произойдет это по следующим причинам:

а) вектор падающей волны будет действовать на электроны проводников с силой  Электроны под действием этой силы начнут совершать вдоль проводников вынужденные колебания;

в) колеблющиеся электроны будут излучать электромагнитные волны такой же частоты, что и падающая волна и такой же амплитуды, но фаза будет отличаться от падающей на π;

г) складываясь, эти две волны за решеткой погасят друг друга ,а перед решеткой возникнет отраженная волна.

Если же падающая волна поляризована так, что вектор перпендикулярен проводникам, то заметных колебаний электронов в этом направлении возникнуть не может, амплитуда вторичной волны будет ничтожна, и первичная волна пройдет через решетку, не изменив свою интенсивность.

Поляроид

Для света длина волны λ=(0,4-0,76)10-6м и изготовить решетку с периодом a<λ не так просто. Но роль решетки могут играть очень длинные углеводородные молекулы, растянутые в определенном направлении. Электроны могут перемещаться вдоль таких молекул, как вдоль проводников, и не могут - поперек. Таким образом, световая волна с вектором , направленным вдоль молекул поляроида, не пройдет через него. Волна, с вектором поперек молекул, пройдет почти без изменения интенсивности. Такое направление в поляроиде называется осью пропускания PP, она направлена перпендикулярно длинным осям молекул.

Закон Малюса

Поставим на пути естественного света два поляроида, оси пропускания которых развернуты друг относительно друга на угол

Вектор световой волны после первого поляроида будет параллелен PP. Этот поляроид называют поляризатором, т.к. после него естественный свет стал поляризованным. После второго поляроида останется лишь вектор , параллельный P'P' его оси пропускания:

Рис. 5

Т.к. интенсивность света I~E2, то, после второго поляроида интенсивность будет

.

Если II выразить через I0, то закон Малюса примет вид:

.

Частично поляризованный свет. Степень поляризации

Закон Малюса строго выполняется лишь для идеальных поляроидов - поляризатора и анализатора.

Если эти поляроиды частично пропускают свет с вектором , перпендикулярным осям пропускания, то после поляризатора свет будет частично поляризован. Идеальный поляризатор при PP параллельном P'P' пропустит свет интенсивностью Imax, а при PP перпендикулярной P'P' - свет интенсивностью Imin.

Степенью поляризации частичного поляризованного света называется величина

.

При идеальном поляризаторе Imin =0 и P=1, свет плоскополяризован.

Модель. Закон Малюса

Эллиптическая и круговая поляризация

Пусть вдоль оси x распространяются две плоскополяризованные когерентные световые волны, у которых колебания вектора происходят вдоль осей y и z, соответственно (см. рисунок ниже).

Так как колебания векторов и когерентны, то при их сложении получится вектор , конец которого будет, в общем случае, описывать эллипс в плоскости y, z Такой свет называют эллиптически поляризованным. Ориентировка эллипса и направление вращения конца вектора зависит от разности фаз α При α=0, α=±π эллипс вырождается в прямую: результирующая волна будет плоскополяризована. При α=±π/2 и конец вектора будет двигаться по кругу. В этом случае говорят, что свет поляризован по кругу.

Поляризованный свет можно получить, используя отражение или преломление света от обычных неизотопных сред (напpимеp, от стекла). Оказывается, отраженный и пpеломленный свет частично поляpизован. Степень поляpизации того и дpугого луча существенно зависит от угла падения луча.

Плоскости колебаний отpаженного и пpеломленного лучей взаимно пеpпендикуляpны: у отpаженного луча она совпадает с плоскостью падения, у преломленного - ей пеpпендикуляpна. Существует угол падения (у каждой паpы пpозpачных сpед он свой), пpи котоpом отpаженный свет становится полностью плоскополяpизованным (степeнь поляpизации pавна единице), а пpеломленный луч остается частично поляpизованным. Степень его поляpизации пpи этом углe максимальна. Этот угол называется углом Бpюстеpа. Угол Бpюстеpа опpеделяется из условия (закон Бpюстеpа).