بخشی از مقاله
چکیده- در این پژوهش مطالعهای بر انواع و ساختار فیبرهای نوری انجام شده و پراکندگی بریلیون مورد توجه قرار گرفته است. کاربرد حسگری فیبرهای نوری در زمینه دما و کرنش و نحوه استنباط این پارامترها با استفاده از پراکندگی بریلیون مد نطر این پروژه میباشد. پس از مطالعه حسگری فیبرهای نوری با استفاده از پراکندگی بریلیون، فیبرهای کریستال فوتونی برای رسیدن به بهینهترین سیستم و بالاترین دقت اندازهگیری با استفاده از نرم افزار comsol و matlab طراحی گردیده و در نهایت مشخص گردید که حساسیت دمایی فیبرهای کریستال فوتونی نسبت به فیبرهای معمولی تفاوت چندانی ندارند، اما حساسیت کرنش آنها به میزان 20 درصد با طراحی خاص قابل افزایش میباشد.
-1 مقدمه
در ساختارهای فیبر نوری کلا دو نوع فیبر داریم. فیبرهای هسته سیلیکا که دارای هسته، پوسته و محافظ هستند و فیبرهای کریستال فوتونی که دارای هستهی جداگانهای نیستند، بلکه حفرههای خالی داخل فیبر تشکیل هسته می-دهند که امکان انتقال سیگنال با توان بالا را فراهم میسازند. مهمترین کاربرد فیبرهای نوری اندازهگیری پارامترهای فیزیکی در محیط مثل دما، فشار، کرنش، غلظت مواد، میدان الکتریکی و... میباشد.
لذا حسگری با اهمیت ترین کاربرد فیبرهای نوری است. پدیده پراکندگی یک پدیده فیزیکی درون فیبری است که در سال 1957 توسط فابلنسکی[1] مشاهده گردید. که به علتهای مختلف چون عدم یکنواختی چگالی ماده، شکست فیبر، تغییر ضریب شکست در نواحی ماده و... رخ میدهد.با اندازهگیری میزان پراکندگی در نقطهای از فیبر میتوان پارامترهای فیزیکی ذکر شده را اندازهگیری کرد. پراکندگی بریلیون یکی از پراکندگیها غیر الاستیک در فیبر است که از تغییر ضریب شکست ماده به علت انتشار موج فشار - آکوستیک - درون فیبر نشات میگیرد. این موج فشار میتواند به علت تغییر دما یا اعمال کرنش و فشار در نقطهای از فیبر باشد.[2]
پراکندگی بریلیون یک پدیده غیر خطی است که در دو حالت خودبهخودی و القایی اتفاق میافتد. در رنج دمایی 40- تا 90+ شیفت فرکانسی بریلیون به صورت خطی با دما و کرنش افزایش مییابد. وابسته به طول موجهای مختلف شیب این رابطه متفاوت میشود- طبق رابطه اعلام شده-. در طولموج 1550 نانومتر ضریب دمایی 1,15 مگاهرتز به ازای هر درجه دمایی است. ضریبی که برای کرنش در این منبع اشاره میشود برابر505,5 مگاهرتز به ازای یک درصد کرنش است.
-2 معادلات ریاضی
تغییر دما یا اعمال کرنش در نقطهای از فیبر موجب ایجاد یک موج نوسان در محدودهی فرکانس آکوستیک در ضریب شکست فیبر میشود. نور ورودی با رسیدن به این نقطه با موج آکوستیک برخورد کرده و اندرکنش نشان میدهد، لذا مقداری از آن به صورت موج استوکس پراکنده میشود. بدیهی است که این موج پراکنده شده هم فرکانس با موج ورودی نیست بلکه به اندازه فرکانس بریلیون دچار شیفت میشود که این مقدار از رابطه - 1 - قابل محاسبه است.
