оптический наноакселерометр

Формула изобретения

Оптический наноакселерометр, содержащий источник излучения, отличающийся тем, что в него введены источник постоянного оптического сигнала, два оптических нановолоконных N-выходных разветвителя, два выходных оптических нановолоконных Y-разветвителя, два оптических N-входных нановолоконных объединителя обратной связи, две телескопические нанотрубки - внутреннюю и внешнюю, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного Y-разветвителя, первый выход которого подключен к входу первого оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя, а второй выход подключен к входу второго оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя, выходы первого оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя оптически связаны со входами первого оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи, а выходы второго оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя оптически связаны со входами второго оптического N-входного нановолоконного объединителя обратной связи, телескопические нанотрубки расположены между вторыми выходами первого и второго выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей по оси распространения их выходных оптических сигналов, в среднем (исходном) положении внутренняя нанотрубка разрывает оптические связи между выходами первого N-выходного оптического нановолоконного разветвителя и входами первого N-входного оптического нановолоконного объединителя обратной связи, а также оптические связи между выходами второго N-выходного оптического нановолоконного разветвителя и входами второго N-входного оптического нановолоконного объединителя обратной связи, выход первого оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи подключен ко входу первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя, а выход второго оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи подключен ко входу второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя, первый выход первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя является выходом устройства «А-», а первый выход второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя является выходом устройства «А+».

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при решении задач навигации, управления, гравиметрии.

Известны маятниковые акселерометры, предназначенные для измерения кажущегося ускорения, содержащие маятник (чувствительный элемент) и цепь обратной связи (датчик положения, усилитель, исполнительный элемент) [Командно-измерительные приборы /Под ред. Назарова Б.И. - М.: МО СССР, 1975].

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический акселерометр [Патент № 2156979, РФ, Соколов СВ. и др.], содержащий источник излучения, два световода (оптических ответвления), оптический объединитель, кольцевой оптический волновод.

Недостатком данных устройств является сложность и невозможность наноразмерного исполнения.

Заявленное устройство направлено на упрощение решение задачи измерения кажущегося ускорения и решение задачи наноразмерного исполнения устройства.

Поставленная задача возникает при разработке и создании навигационных систем, обеспечивающих обработку информации в тера- и гигагерцовом диапазонах, а также при измерении ускорения во время различных виброиспытаний и гравиметрических исследований.

Заявленное устройство строится на основе оптических нановолокон, варианты технического исполнения которых описаны в [Оптика наноструктур / Под редакцией А.В.Федорова: СПб. «Недра», 2005 г.; Krenn J.R., Dereux A., Weeber J.C., et al. Squeezing the optical near-field zone by plasmon coupling of metal nanoparticles. Physical Review Letters, 1999, 82, 12, 2590], и телескопических нанотрубок, под которыми понимается пара вложенных одна в другую нанотрубок [Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators / Quanshui Zheng, Qing Jiang // Phys. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002].

Сущность изобретения состоит в том, что оптический наноакселерометр, содержащий источник излучения, отличается тем, что в него введены источник постоянного оптического сигнала, два оптических нановолоконных N-выходных разветвителя, два выходных оптических нановолоконных Y-разветвителя, два оптических N-входных нановолоконных объединителя обратной связи, две телескопические нанотрубки - внутреннюю и внешнюю, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу оптического нановолоконного Y-разветвителя, первый выход которого подключен к входу первого оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя, а второй выход подключен к входу второго оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя, выходы первого оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя оптически связаны со входами первого оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи, а выходы второго оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя оптически связаны со входами второго оптического N-входного нановолоконного объединителя обратной связи, телескопические нанотрубки расположены между вторыми выходами первого и второго выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей по оси распространения их выходных оптических сигналов, в среднем (исходном) положении внутренняя нанотрубка разрывает оптические связи между выходами первого N-выходного оптического нановолоконного разветвителя и входами первого N-входного оптического нановолоконного объединителя обратной связи, а также оптические связи между выходами второго N-выходного оптического нановолоконного разветвителя и входами второго N-входного оптического нановолоконного объединителя обратной связи, выход первого оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи подключен ко входу первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя, а выход второго оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи подключен ко входу второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя, первый выход первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя является выходом устройства «А-», а первый выход второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя является выходом устройства «А+».

На чертеже представлена функциональная схема оптического наноакселерометра.

Устройство состоит из источника постоянного оптического сигнала 1, оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₁, двух выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей 2_{i, i=2,3}, двух оптических нановолоконных N-выходных разветвителей 3_i, _i=1,2, двух телескопических нанотрубок 4_i, _i=1,2, (4 ₁ - внутренняя нанотрубка, 4₂ - внешняя нанотрубка), двух оптических N-входных нановолоконных объединителей обратной связи 5_i, _i=1,2.

Выходами устройства являются первый выход первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₂ («А-») и первый выход второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₃ («А+»).

Выход источника постоянного оптического сигнала 1 подключен ко входу оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₁ , первый выход которого подключен к входу первого оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя 3₁, а второй выход подключен к входу второго оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя 3₂. Выходы первого оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя 3₁ оптически связаны со входами первого оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи 5₁, а выходы второго оптического нановолоконного N-выходного Y-разветвителя 3₂ оптически связаны со входами второго оптического N-входного нановолоконного объединителя обратной связи 5₂.

Телескопические нанотрубки 4₁, 4₂ расположены между вторыми выходами первого и второго выходных оптических нановолоконных Y-разветвителей 2₂ и 2₃ по оси распространения их выходных оптических сигналов.

В среднем (исходном) положении внутренняя нанотрубка 4₁ разрывает оптические связи между выходами первого N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 3₁ и входами первого N-входного оптического нановолоконного объединителя обратной связи 5₁, а также оптические связи между выходами второго N-выходного оптического нановолоконного разветвителя 3₂ и входами второго N-входного оптического нановолоконного объединителя обратной связи 5₂.

Выход первого оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи 5 ₁ подключен ко входу первого выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₂, а выход второго оптического нановолоконного N-входного объединителя обратной связи 5₂ подключен ко входу второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₃.

Устройство работает следующим образом.

С выхода источника постоянного оптического сигнала 1 сигнал с интенсивностью 2·К усл.ед., пройдя через оптический нановолоконный Y-разветвитель 2₁ (и уменьшившись в два раза по интенсивности), поступает на входы N-выходных оптических нановолоконных разветвителей 3₁ и 3₂, с каждого выхода которых снимается постоянный оптический сигнал с интенсивностью K/N усл.ед. (N - количество выходов N-выходных оптических нановолоконных разветвителей 3₁ и 3 ₂).

При отсутствии ускорения устройство находится в исходном (начальном) состоянии - внутренняя нанотрубка 4₁ находится в среднем (исходном) положении, на входах N-входных оптических нановолоконных объединителей обратной связи 5₁, 5₂ сигнал отсутствует.

Под действием сил инерции внутренняя трубка 4₁ будет перемещаться в направлении, противоположном направлению кажущегося ускорения объекта (при этом необходимо иметь в виду, что минимально необходимая сила для перемещения нанотрубки, вес которой равен 10^-15-10^-16 г, составляет аттоньютоны [Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators / Quanshui Zheng, Qing Jiang // Phys. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002]), следовательно, минимальное ускорение объекта, необходимое для перемещения нанотрубки (нижняя граница диапазона измерения ускорений), составляет 1 м/с²).

Пусть ускорение объекта направлено вдоль оси ОХ, тогда на внутреннюю нанотрубку 4 ₁ будет действовать разность сил - силы инерции F_u =-mW (m - масса нанотрубки, W - проекция кажущегося ускорения на ось ОХ) и силы светового давления F_oc (см. фиг.1), создаваемой оптическим потоком обратной связи и пропорциональной интенсивности оптического потока I_oc на втором выходе второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₃: F_oc=Z I_oc, где Z - коэффициент пропорциональности.

Внутренняя нанотрубка 4 ₁ из среднего положения начнет перемещаться влево

(F_u F_oc), интенсивность оптического потока I _oc на выходе второго N-входного оптического нановолоконного объединителя обратной связи 5₂ начнет увеличиваться пропорционально величине перемещения «X» внутренней нанотрубки 4₁. Т.к. длины правой и левой частей внутренней нанотрубки 4₁ составляют единицы микрон, а диаметр оптических нановолокон нановолоконного объединителя - единицы нанометров, то изменение величины перемещения «X» для ясности последующего изложения можно считать непрерывным (дискретный характер изменения «X» не вносит никаких принципиальных ограничений в принцип действия устройства) - интенсивность оптического потока на выходе второго N-входного оптического нановолоконного объединителя обратной связи 5₂ будет равна «К·Х» (при этом интенсивность оптического потока на выходе первого оптического нановолоконного объединителя обратной связи 5 ₁ по-прежнему будет равна нулю). Оптический сигнал с интенсивностью I_ос=К·Х поступает далее на вход второго выходного оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₃, где, разделившись на два, проходит на выход устройства «А+», а также создает давление на внутреннюю нанотрубку 4₁ . Т.е. оптический сигнал с интенсивностью «К·Х/2» на втором выходе оптического нановолоконного Y-разветвителя 2 ₃ формирует сигнал отрицательной обратной связи, препятствующий движению внутренней нанотрубки 4₁ влево, - скорость ее движения уменьшается, изменение величины перемещения «X» замедляется.

По окончании переходного процесса (на момент остановки внутренней нанотрубки 4₁, при этом F_u=F_oc) величина перемещения «X» будет равна

X=2Wm/(KZ)

а интенсивность выходного оптического сигнала наноакселерометра I_вых на первом выходе оптического нановолоконного Y-разветвителя 2₃ «А+», соответственно

I _выx=W(m/Z),

т.е. будет пропорциональна проекции кажущегося ускорения W на ось ОХ с коэффициентом m/Z.

(Время переходного процесса определяется массой внутренней нанотрубки 4₁, силой трения при ее движении, интенсивностью «К» постоянного оптического сигнала, и составляет 10^-9-10^-10 с).

Аналогично происходит процесс измерения ускорения в отрицательном направлении оси ОХ (движение внутренней нанотрубки 4₁ при этом происходит уже вправо).

Простота данного оптического наноакселерометра, широкий диапазон измерения ускорений - от 1 м/с² до 10⁶ м/с² (что определяется возможностью осцилляции внутренней нанотрубки с частотой 10 ⁷ Гц [Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators / Quanshui Zheng, Qing Jiang // Phys. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002]), а также возможность наноразмерного исполнения делают его весьма перспективным при разработке и создании навигационных систем, а также аппаратуры для виброиспытаний и гравиметрических исследований.