Transcript Światła jako narzędzia pomiarowego w charakterystyce średnicy

Prof.dr hab.inż Janusz Mroczka
Światło jako narzędzie
pomiarowe
w charakterystyce
średnicy
transparentnego włókna
Włókna optyczne

Włókna optyczne –
homogeniczne lub
niehomogeniczne włókna szklane
lub polimerowe, charakteryzujące
się wysoką przepuszczalnością
w paśmie optycznym, wysokim
stopniem symetrii osiowej, gładką
powierzchnią styczną, a ponadto
produkowane są w podobnym
procesie technologicznym.
Kolej automatyczna, Lotnisko w Detroit © TPI Composites
Cirrus SR22 © Cirrus Aircraft
© DuPoint
© Corning
© General Electric
© TPI Composites
Adam Małysz © sport.pl
Pomiar średnicy włókna w procesie technologicznym

Wymagania dla techniki
pomiarowej:

Nieinwazyjność

Pomiar in situ

Niewrażliwość na zakłócenia
(izotropowe i anizotropowe
zmiany n), wibracje włókna,…

Działanie w czasie rzeczywistym

Dokładność pomiaru spełniająca
wymagania norm

Uniwersalność: charakterystyka
włókna, włókna + I płaszcz,
włókna + II płaszcz.
© Jan Dorosz
Nieinwazyjne metody pomiarowe



Dyfraktometria laserowa
w pomiarze średnicy włókien wzmacniających.

Nieskomplikowany układ pomiarowy.

Model rozproszenia oparty na zasadzie HuygensaFresnela.

Prosty model dyfrakcyjny jest nieadekwatny w opisie
rozpraszania światła na włóknie optycznym.
Metoda laserowej wiązki skanującej (Laser Beam Scanner)
w pomiarze średnicy światłowodów.

Nieskomplikowany układ pomiarowy.

Wpływ promieniowania propagującego się przez włókno
kompensowany jest w drodze kalibracji.

Wynik pomiaru należy interpretować jako uśrednioną
wartość średnicy po pewnej długości włókna.
Inne: laserowa interferometria dopplerowska (PDI, SDI),
spektralna optyczna tomografia koherencyjna (FDOCT).

Wysoka wrażliwość na zakłócenia; metody laboratoryjne.
Motywacje podjęcia badań i droga poznania


Potrzeby:

Udoskonalenie obecnych metod pomiaru średnicy włókien wchodzących w skład materiałów
kompozytowych.

Stworzenie metody umożliwiającej pomiar średnicy światłowodów w czasie rzeczywistym.

Potrzeba pomiaru średnicy rdzenia światłowodu jedno- i wielomodowego.

Zwiększenie dokładności pomiaru średnicy światłowodów (*).
Droga poznania:


Ukierunkowana na opracowanie autorskich metod jednoznacznego rozwiązania problemu
odwrotnego w rozpraszaniu promieniowania przez włókna optyczne, polegająca na dążeniu
do uzyskania pola zjawisk fizycznych, które będzie nieskomplikowane zarówno w interpretacji
fizycznej, jak i również w modelowaniu matematycznym.
Narzędzie poznawcze:

Rozproszenie quasi-monochromatycznego, niekoherentnego promieniowania na badanym
włóknie.
Thomas Young, The Royal Society,1803
DYFRAKTOMETRIA WYSOKIEJ
ROZDZIELCZOŚCI
W POMIARZE ŚREDNICY WŁÓKNA WZMACNIAJĄCEGO 5–8 µm
Zarys problematyki wykorzystania dyfrakcji promieniowania
laserowego w pomiarach cech włókna szklanego
 = 0,6328 µm, TM-TM, m = 1,5505 + ,  = 90º
Natura pola rozproszonego pod małym kątem
= 0,6328 µm, TM-TM, m = 1,5505 + ,  = 90º
d = 0,00001 m, 1- = 0,01º
Aspekty symulacji pola rozproszonego w warunkach zastosowania
quasi-monochromatycznego, niekoherentnego promieniowania
Modelowanie kompleksowe:

Opis rozproszenia z wykorzystaniem optyki
statystycznej; trudny w realizacji.
Modelowanie aproksymacyjne:

Fala rozproszona jako superpozycja wzajemnie
niekoherentnych fal elementarnych o różnych
długościach, a włókno rozprasza każdą z fal
niezależnie:
I inc
N
I sca  , x, m    I sca  , xi , mi 
i 1

Konieczność uwzględnienia dyspersyjnych zmian
współczynnika załamania (równanie Sellmeiera).

Przyjęcie aproksymacyjnego, dyskretnego modelu
widma źródła promieniowania (aproksymacja Gaussa)
i ustalenie wpływu liczby fal elementarnych na pole
rozproszone (kompromis pomiędzy wiernością
odzwierciedlenia pola i czasem obliczeń).

Rozmycie chromatyczne pola rozproszonego
utrudnia analizę położenia prążków w pasywnej,
intensywnościowej analizie.
© Mitsubishi Electric
2

   0  
 I 0 exp  4 log 0.5 
 

 fwhm  

Wpływ quasi-monochromatycznego, niekoherentnego
promieniowania na pole rozproszone pod niewielkim kątem
a)
b)
0: 0.430 µm
: 10
= 0,320,54 µm (a), 0,40450,6245 µm (b),
N = 2201, szkło Schott N-PSK3,  = 1E-8
0: 0.5145 µm
: 90
Włókno optyczne jako obiekt quasi-dyfrakcyjny: wpływ
niejednorodności i nieciągłości n
(0 = 0,43 m,  = 0,320,54 mm, N = 2201, TM-TM, dp = 7 m,
szkło Schott N-PSK3,  = 1E-8,  = 90º,  = 0,02°
Wnioskowanie o średnicy włókna

Metodologia wnioskowania przyczynowo-odwrotnego:
Stworzenie empirycznego modelu przyczynowego, którego struktura abstrahuje od rzeczywistych
zjawisk fizycznych wpływających na pole rozproszone pod niewielkim kątem, a następnie poszukiwanie
zależności odwrotnych.


Adekwatne modelowanie pola rozproszonego pod niewielkim kątem możliwe jest tylko w
szczególnych przypadkach przy wykorzystaniu ścisłej teorii dyfrakcji światła – teorii Lorenza-Mie.

Możliwości stosowania aproksymacyjnego modelu dyfrakcyjnego, opartego na zasadzie
Huygensa-Fresnela, ograniczone są do przypadków, gdy rozmiary obiektu rozpraszającego falę
są dużo większe od długości fali.
Wyniki wnioskowania odwrotnego dla przyjętych warunków eksperymentu (d = 7 µm):
Odpowiedź modelu odwrotnego
Parametry eksperymentu
Parametr
0
Szczytowa długość fali
(m)
Szerokość ½ widma fwhm (nm)
Kąt padania wiązki
Kąt polaryzacji


(deg)
Warunki
odniesienia
Przedział
zmienności
0.430
± 0.001
0.24
65
±1
– (1)
10.0
± 0.1
dˆ  μm 
%
 dˆ
1
7.00
(deg)
Współczynnik załamania
n(0)
Współczynnik ekstynkcji

90
± 0.1
0.006
1.5637
± 0.025
0.023
1E-8
1E-8 – 1E-7
– (1)
(1) – Nie stwierdzono wpływu parametru na daną pomiarową w przyjętej rozdzielczości
symulacji kąta rozproszenia.
© Trish Pettijohn,
University of Arizona
INTERFEROMETRIA W OBSZARZE
TĘCZY
W POMIARZE ŚREDNICY WŁÓKNA HOMOGENICZNEGO
I ŚWIATŁOWODU JEDNOMODOWEGO 125 µm
Zarys problematyki wykorzystania tęczy monochromatycznej
w pomiarze cech geometrycznych włókna szklanego
a)
b)
c)
 = 0,6328 µm, TM-TM, m = 1,4957 + 0,  = 90º, d = 100 µm (a)
d = 125 µm (b, c)
Wpływ quasi-monochromatycznego, niekoherentnego
promieniowania na tęcze 1. rzędu

a)
Wpływ szerokości ½ widma promieniowania
(fwhm) na tęczę 1. rzędu
1-
2-
0 = 0,6328 m,  = 0,52280,7428 m, N = 2201, TM-TM, d = 125 m,
szkło Schott NPK52A,  = 1E-8,  = 90º,  = 0,01° (a)  = 0,0001° (b).

b)
Wpływ szerokości ½ widma promieniowania
(fwhm) na położenie kątowe pierwszego
(1-) i drugiego (2-) ciemnego prążka
Rezonansowe rozpraszanie quasi-monochromatycznego
i niekoherentnego promieniowania w polu bliskim i dalekim

W warunkach rozpraszania quasi monochromatycznego i niekoherentnego promieniowania możliwe jest wystąpienie
rozpraszania rezonansowego (b). Nie zaobserwowano jednak wpływu takiego rezonansu na położenie prążków
tęczy w polu dalekim w przyjętej rozdzielczości symulacji kąta rozproszenia (0,01º).
0 = 0,6328 m,  = 0,57480,6908 m, N = 2201, TM-TM, d = 100 m,
szkło Schott NPK52A,  = 1E-8,  = 90º,  = 0,01°.
Wnioskowanie o średnicy włókna homogenicznego lub światłowodu
jednomodowego 125 µm


Metodologia wnioskowania przyczynowo-odwrotnego:

Analiza pola z wykorzystaniem szeregów Debye’go dowodzi,
że złożone zjawisko rozpraszania quasi-monochromatycznego,
niekoherentnego promieniowania może być rozpatrywane jako
wynik wektorowej superpozycji komponentów odpowiedzialnych
za powstanie tęczy Airy’ego (p = 2), będących rezultatem rozpraszania
fali monochromatycznej.

Wykorzystanie informacji o wzajemnym położeniu dwóch pierwszych
ciemnych prążków tęczy, oraz sformułowanie matematycznej struktury
modelu odwrotnego na podstawie skorygowanej całki Airy’ego.
Wyniki wnioskowania odwrotnego dla przyjętych warunków eksperymentu (d = 125 µm):
Odpowiedź modelu odwrotnego
Parametry eksperymentu
Parametr
0
Szczytowa długość fali
(m)
Szerokość ½ widma fwhm (nm)
Kąt padania wiązki
Kąt polaryzacji


(deg)
(deg)
Współczynnik załamania
n(0)
Współczynnik ekstynkcji

Współczynnik eliptyczności

dˆ  μm 
Warunki
odniesienia
Przedział
zmienności
0.6328
± 0.001
0.17
40
±2
0.015
90.0
± 0.1
0.012
90.0
± 0.1
1.4957
± 0.0005
0.08
1E-8
1E-8 – 1E-7
0.0009
0.007
0 – 0.007
 3.3
124.81
 dˆ
%
– (1)
(1) – Nie stwierdzono wpływu parametru na daną pomiarową w przyjętej rozdzielczości symulacji
kąta rozproszenia.
Wstęp do wykorzystania tęczy mnogiej w pomiarze średnicy płaszcza
i rdzenia światłowodu o skokowym profilu refrakcyjnym
0 = 0,6328 m, TM-TM, dp = 125 m, szkło Schott NPK52A, mr() = mp() + 0,01,
 = 1E-8,  = 90º,  = 0,02°, (b):  = 0,52280,7428 m, N = 2201
Pomiar średnicy płaszcza i rdzenia z wykorzystaniem
promieniowania o zmiennych parametrach widmowych
0 = 0,6328 m,  = 90°, dp = 125 m, mp() = 1,4957 + i1E-8 (Schott, NPK52A), mr() = mp() + 0,01
DFT: Ts = 0,01°,  DFT = 154–164°, NDFT = 65536 (uzup. zerami), okno Blackmana-Harrisa.
Podsumowanie najważniejszych osiągnięć badawczych
1.
Zaproponowanie metody rozwiązania problemu odwrotnego w nieinwazyjnym
pomiarze średnicy włókna wzmacniającego (d < 25 µm), wykorzystującej dyfrakcję
quasi-monochromatycznego, niekoherentnego promieniowania.
2.
Wytworzenie tęczy Airy’ego, co umożliwiło jednoznaczne rozwiązanie problemu
odwrotnego w nieinwazyjnym pomiarze średnicy włókna homogenicznego lub
światłowodu jednomodowego (d = 125 µm) przy zastosowaniu adekwatnego
modelu matematycznego.
3.
Stworzenie fundamentu prac nad wykorzystaniem zjawiska tęczy mnogiej
w nieinwazyjnej charakterystyce cech geometrycznych światłowodu o skokowym
profilu refrakcyjnym.
© ~SimplyBackgrounds @ Deviant Art