Микрорезонаторный волоконно-оптический преобразователь физических величин

Использование: волоконно-оптические автогенераторные устройства на основе волоконных лазеров с микрорезонаторными зеркалами для измерения различных физических величин. Сущность предложенного решения заключается в следующем. Предложена новая схема микрорезонаторного волоконно-оптического преобрезователя физических величин на основе использования активных световодов, легированных редкоземельными элементами Y_B⁺³-E_r⁺³ для создания высокоэффективных эрбиевых волоконных лазеров с малыми длинами волоконных резонаторов l0,1 м. Новейшая технология изготовления микрорезонаторов позволяет реализовать микрорезонаторный волоконно-оптический преобразователь физических величин с улучшенными точностными характеристиками, существенно повысить быстродействие и динамический диапазон. 1 ил.

Микрорезонаторный волоконно-оптический преобразователь физических величин (МВОП) относится к волоконно-оптическим автогенераторным системам на основе волоконных лазеров с микрорезонаторными зеркалами и может быть использован в системах измерения различных физических величин, например, температуры, давления и др.

В настоящее время большое внимание уделяется разработке волоконно-оптических датчиков (ВОД) с частотным кодированием сигнала, принцип действия которых основан на зависимости частоты автоколебаний микрорезонатора от величины различных внешних условий.

Известны работы по созданию нового класса ВОД на основе использования микромеханического резонатора (МР) и оптического изучения, взаимодействующего с МР.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является МВОП (см. патент РФ 2135957 кл. G01D 5/353, G02В 6/26 1997 г.), содержащий волоконно-оптический лазер (ВОЛ), световод, автоколлиматор, микрорезонатор с отражающей поверхностью, фотоприемник, анализатор спектра, полупроводниковый лазер накачки.

В известном МВОП резонансное взаимодействие ВОЛ с микрорезонатором осуществляется на основе модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений одного из зеркал, в качестве которого служит МР.

При этом существование автоколебательного режима в системе ВОЛ-МР осуществляется за счет модуляции амплитуды коэффициента отражения R оптического резонатора ВОЛ, возникающей вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений МР, нормаль к отражающей поверхности которого ориентирована под углом к оптической оси коллимированного пучка света.

Уникальные свойства ВОЛ, позволяющие обеспечить эффективное оптическое согласование МР с ВОЛ, а также новейшая технология изготовления МР являются основанием рассматривать данную систему ВОЛ-МР в качестве основы для разработки новых принципов построения частотных преобразователей физических величин различных конструкций.

Однако данный МВОП обладает следующими недостатками.

Оптическим резонатором ВОЛ в аналоге является весь волоконно-оптический тракт (от зеркала M₁ до отражающей поверхности МР), включающий в себя как активный, так и пассивный отрезки световодов. Значительная длина волоконного тракта, составляющая 10÷100 м, приводит к сильной чувствительности МВОП к дестабилизирующим факторам, воздействующим на весь тракт. По существу весь волоконно-оптический тракт является антенной, принимающей различные воздействия на него, например, изгибы световодов, изменение температуры окружающей среды, давления и т.д., что приводит к нестабильности характеристик оптического резонатора ВОЛ и снижению точности измерений.

Кроме того, известное решение характеризуется высокими требованиями к стабильности мощности излучения полупроводникового лазера накачки.

Задача, решаемая данным предложенным решением, заключается в разработке МВОП физических величин, отличающегося от ближайшего аналога следующими преимуществами:

- увеличена точность измерений;

- сняты ограничения на удаленность чувствительного элемента, реагирующего на изменение внешних воздействий, от места размещения регистрирующей электронной аппаратуры;

- расширены функциональные возможности МВОП.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что МВОП, содержащий полупроводниковый лазер накачки, волоконно-оптический лазер, микрорезонатор, фотоприемник, анализатор спектра, автоколлиматор, дополнительно снабжен направленным (одноканальным) волоконным ответвителем, входной торец которого оптически связан с полупроводниковыми лазером накачки, а свободный торец ответвителя сопряжен с измерительным каналом, содержащим отрезок активного одномодового световода, автоколлиматор и микрорезонатор, при этом микрорезонатор выполнен в виде микрорезонаторной структуры с получением опорного и сигнального каналов, выполненных с возможностью обеспечения одновременного возбуждения автоколебаний микрорезонаторной структуры в опорном и сигнальном каналах, а ВОЛ выполнен с возможностью возбуждения гармонических колебаний на разностных частотах одновременно возбуждаемых автоколебаний микрорезонаторной структуры в опорном и сигнальном каналах.

Суть предлагаемого технического решения заключается в следующем. Предложена новая схема МВОП на основе использования активных световодов, легированных редкоземельными элементами Y_B⁺³-E_r⁺³ для создания высокоэффективных эрбиевых волоконных лазеров (ЭВЛ) с малыми длинами волоконных резонаторов l0,1 м. Широкий диапазон энергетических и динамических характеристик рассматриваемых ЭВЛ дает возможность создания МВОП нового типа.

Применение двухэлементных микрорезонаторных структур, одновременно взаимодействующих с излучением ЭВЛ, обуславливает резонансную автомодуляцию в двух одновременно возбуждаемых микрорезонаторах. В результате в спектре автомодуляции интенсивности ЭВЛ появляются разностные частоты F резонансных частот f₁, f₂ двух элементов микрорезонаторной структуры:

F=f₂-f₁, (f₂>f ₁)

Этот факт позволят организовать измерительный канал по дифференциальной схеме измерений, что открывает дополнительные возможности для увеличения точности измерений за счет существенного ослабления влияния аддитивных дестабилизирующих воздействий внешних факторов.

Следует отметить, что в данном устройстве резонансные частоты каждого из двух элементов микрорезонаторной структуры f₁ и f₂, взаимодействующих с одним и тем же лазером, должны быть достаточно близкими:

f_релf₁f₂,

где f_рег - частота релаксационных колебаний ЭВЛ.

При этом измерительный процесс построен таким образом, что в одновременно возбуждаемой паре МР один МР является опорным, а другой - измерительным, чувствительным к измеряемому параметру.

Применение ЭВЛ с уникальными свойствами, а также новейшая технология изготовления МР с заданными акустическими и оптическими характеристиками и топологией (микромембрана, микромостик, микроконсоль) позволяют реализовать МВОП с улучшенными точностными характеристиками, существенно повысить быстродействие и динамический диапазон преобразователя физических величин.

На фиг.1 представлена схема МВОП физических величин, позволяющая контролировать резонансные частоты основных мод акустических колебаний, величина которых зависит от топологии и конструкции МР, характеристик ЭВЛ и автоколлиматора.

Здесь 1 - ЭВЛ, 2 - полупроводниковый лазер накачки, 3 - направленный волоконный ответвитель, входной торец которого связан с полупроводниковым лазером накачки 2, а свободный сопряжен с измерительным каналом, 4 - дихроическое зеркало, отражающее излучение на длине генерации лазера _л и пропускающее на длине волны полупроводникового лазера накачки _н=0,98 мкм, при этом дихроическое зеркало выполнено на основе Брэгтовской решетки и сформировано непосредственно в световоде 5, 6 - микрорезонатор, выполненный в виде микрорезонаторной структуры с получением опорного и сигнального каналов, 7 - автоколлиматор, 8 - фотоприемник, 9 - анализатор спектра (АС).

Устройство работает следующим образом. Накачка ЭВЛ 1 осуществляется полупроводниковым лазером 2, излучение которого с помощью направленного волоконного ответвителя 3 направляется в отрезок активного световода 5 ЭВЛ, взаимодействующего с микрорезонатором 6 через автоколлиматор 7.

В условиях непрерывной накачки в данном МВОП возбуждаются автоколебания двух микрорезонаторов на частотах f₁ и f₂, один из которых является опорным, а другой - сигнальным.

Проявлением резонансной автомодуляции в двух одновременно возбуждаемых микрорезонаторах является появление в спектре автомодуляции интенсивности лазера разностной частоты F=f₂-f₁(f₂>f₁ ), фиксируемой фотоприемником 8.

Разностная частота F, снимаемая с АС, является функцией контролируемых воздействий, измеряемых по определенному алгоритму с учетом конструкции микрорезонатора 6 и параметров измерительного канала.

Отметим, что предложенное устройство допускает дальнейшее его усовершенствование в направлении повышения точности и чувствительности за счет усовершенствования конструкции опорного и сигнального каналов, а также - применения одномодовых (одночастотных) волоконных лазеров с активной средой на основе поляризующих световодов.

Таким образом, предложенное решение позволяет повысить точность МВОП и улучшить его основные технические характеристики.

Микрорезонаторный волоконно-оптический преобразователь физических величин, содержащий полупроводниковый лазер накачки, волоконно-оптический лазер, микрорезонатор, фотоприемник, анализатор спектра, автоколлиматор, отличающийся тем, что преобразователь дополнительно снабжен направленным волоконным ответвителем, входной торец которого оптически связан с полупроводниковым лазером накачки, а свободный торец ответвителя сопряжен с измерительным каналом, содержащим отрезок активного одномодового световода, автоколлиматор и микрорезонатор, при этом микрорезонатор выполнен в виде микрорезонаторной структуры с получением опорного и сигнального каналов, выполненных с возможностью обеспечения одновременного возбуждения автоколебаний микрорезонаторной структуры в опорном и сигнальном каналах, а волоконно-оптический лазер выполнен с возможностью возбуждения гармонических колебаний на разностных частотах одновременно возбуждаемых автоколебаний микрорезонаторной структуры в опорном и сигнальном каналах.