Волоконно-оптический датчик

 

Использование: область волоконной оптики , в частности измерение малых акустических и электромагнитных возмущений, постоянных и перемещенных во времени. Сущность изобретения: волоконно-оптический датчик содержит источник когерентного излучения, световод, катушку, фотодетектор и фазовый дискриминатор. Источник когерентного излучения выполнен в виде двухчастотного лазера С ортогональными поляризациями мод, а световод - в виде анизотропного одномодовбго оптического волокна Между лазером и световодом размещены последовательно установленные полуволновая пластина и первый микрообьектив. Между световодом и фотодетектором размещены последовательно установленные второй микрообъектив и поляризаторанализатор, плоскость поляризации которого ориентирована под углом 45° относительно осей анизотропии оптического волокна, совмещенных с плоскостями поляризации мод лазера. 1 ил

(19) (! 1) COlO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (п)в Н 04 В 10/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ пО изОБРетеййям и ОткРытиям

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Щ1йР.;!.. IF

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4822705/10 (22) 03.05 .90 (46) 15.08.92. Бюл. N 30 (71) Ленинградский политехнический институт им. M.È.Êàëèíèíà (72) В.Н.Филиппов (56) Волоконная оптика и приборостроени

/ Под ред. М.Бутусова, Л „1987, с 134 — 136.

Патент CLLIA N 4162397, кл, Н 04 В 9/00, 1979. (54) ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК (57) Использование: область волоконной оптики, в частности измерение малйх акустических и электромагнитных возмущений, постоянных и перемещенных во времени.

Сущность изобретения: волоконно-оптиче ский датчик содержит источник когерентноИзобретение отйосится к измерению малых акустических и электромагнитных возмущений, постоянных и переменных во времени.

Известны устройства для измерения малых акустических возмущений, содержащие источники излучения — лазер, оптическое волокно, оптическую систему формирования светового пучка и фотодетектор.

Недостатком устройств является неконтролируемое затухание сигналов (фединг сигналов). Это результат воздействия на оптическое волокно окружающей среды, Наиболее близким к предлагаемому является волоконно-оптический датчик акустических колебаний. содержащий источник когерентного излучения, акустооптический модулятор, делительное зеркало, два оптических волокна, смесительное зеркало, фосо излучения, световод, катушку, фотодетектор и фазовый дискриминатор. Источник когерентного излучения вйполнен в виде двухчастотного лазера с ортогональными поляризациями мод, а световод — в виде анизотропного одномддовбго оптического волокна. Между лазером и световодом размещены последовательно установленные полуволновая пластина и первый мйкрообьектив, Между световодом и фотодетектором размещены последовательйо установленные второй микрообъектив и поляризаторанализатор, плоскость поля ризации которого ориентирована под углом 45 относительно осей анизотропии оптического волокна, совмещенных с плоскостями поляризации мод лазера. 1 ил, тодетектор и фазовый дискриминатор. Излучение лазера делйтся на"два пучка "делительным зеркалом . Один пучок проходит через акустооптический модулятор и вводится в оптическое волбкно. Он играет роль опорного пучка. Другой пучок вводится в (Л волокно, расположеннбб в жидкбсти. Аку- (А) стическая волна, расйроСтрайяющаяся в (, ф этой жидкости, вызывает изменения коэффициента преломления или длины волокна.

Результатом является изменение фазы света, распространяющегося вволокне,,по закону акустического возмущения. Световые пучки, прошедшие опорное и сигнальное soлокно, смешиваются на смесительном зеркале и поступают на фотодетектор. На нагрузке фотодетектора выделяется сигнал с частотой fAo определяемой акустооптическим модулятором. Сигнал акустооптиче1755382 ского модулятора fAo промодулирован по фазе по закону акустического возмущения; которому подверглось волокно. Для восстановления информационного (акустического) сигнала используют фазовый дискриминатор.

Данное устройство обладает существенным недостатком — неконтролируемым затуханием сигнала (федингом), ведущим к срыву работы датчика, Фединг сигнала определяется следующим образом, Оптическое волокно (и опорное, и сигнальное) в реальных условиях укладки подвергается воздействиям окружающей среды (нагреву, изгибам, сжатию, вибрации и ударам). Это ведет к неконтролируемым изменениям двулучепреломления волокна, переменным во времени, В результате меняется поляризация света, прошедшего волокно. Таким образом, поляризация пучков нэ смесительном зеркале оказываются рассогласованными, Видность интерференционной картины и, следовательно, амплитуда сигнала с частотой fAO on еДЕляЕтся иЗМЕнЕниЕм

Р внешних условий, в которых находятся опорное и сигнальное волокна. Если поляризации пучков на смесительном зеркале ортогональны, то амплитуда сигнала с частотой fAo равна нулю. В случае совпадения поляризаций пучков амплитуда сигнала максимальна. Итак, воздействия окружающей среды на волоконный тракт датчика приводят к срыву его работы, что в конечном счете приводит к снижению точности датчика.

Цель изобретения — повышение точности датчика за счет уменьшения влияния внешнего воздействия окружающей среды на волокно.

Поставленная цель достигается тем, что

s у сoтTр оoйAсcтTвeеe, содержащем источник когерентного излучения, оптическое волокно, фотодетектор и фазовый дискриминатор, источник оптического излучения выполнен в виде двухчастотного лазера с ортогональными поляризациями мод. а световод — 8 виде анизотропного одномодового оптического волокна, причем азимуты поляризаций мод лазера совпадают с ориентацией осей анизотропии волокна. Кроме того, в устройство включен анализатор-поляризатор, расположенный между выходным торцом световода и ориентированный под углом 45 относительно осей анйзотропии волокна.

Использование двухчастотного лазера с ортогональными поляризациями и айизотропного волокна приводит к тому. что оптическая схема датчика становится одноплечевой. Волоконно-оптический датчик, построенный по такой схеме, обладает устойчивостью к воздействиям окружающей среды на волокно. Это определяется тем, что используется анизотропное волок5 но. Поляризация излучения, распространяющегося в таком волокне, мало меняется при возмущениях волокна, Кроме того, и это

I главное, оба интерферирующих пучка пространственно совмещены практически иде10 ально — они распространяются в одних и тех же условиях (в одном и том же волокне).

Внешние вОзмущения меняют условия распространения одного интерферирующего пучка (мода с частотой fl) точно так же, как

15 и условия распространения другого интерферирующего пучка (мода с частотой fz), Поэтому, даже если поляризации интерферирующих пучков меняются (при очень сильных воздействиях), они меняются

20 согласованно, Соотношение ортогональности поляризаций интерферирующих пучков, распространяющихся в волокне, остается постоянным во всех случаях. На поляризаторе-анализаторе перед фотоприемником

25 выделяются коллинеарные компоненты полей мод лазера, которые, проинтерферировэв, дают сигнал разностной частоты f<-f2 на нагрузке фотоприемника. Так как соотношение ортогональности поляризаций ин30 терферирующих мод сохраняется, сохраняется также постоянной амплитуда сигнала разностной частоты f > — fz. Таким образом, существенным отличительным признаком является то, что оптическая схема

35 датчика при использовании описанных лазера и волокна, является одноплечевой, На чертеже изображена структурная схема волоконно-оптического датчика.

Датчик содержит лазер 1 с возможно40 стью генерации двух мод с частотами f> и fz и ортогональными поляризациями, полуволновую пластинку 2, микрообьективы 3, одномодовое анизотропное оптическое волокно 4, намотанное на катушку 5, поляри45 затор-анализатор 6, фотодетектор 7 и фазовый дискриминатор 8.

Устройство работает следующим образом.

Излучение лазера 1, генерирующего две

50 моды с частотами f> и f2 и с ортогональными поляризациями, вводится в одномодовое анизотропное волокно 4 с помощью полуволновой пластинки 2 и первого микрообьектива 3. В качестве такого оптического

55 источника можно использовать зеемановский лазер (ЛГН-212) либо двухчастотный лазер с внутренними зеркалами (Л Г Н208А,6). Управляя ориентацией полуволновой пластинки 2, добиваются совпадения азимутов поляризаций мод лазера f< и fg

1755382 соответственно с направлением "быстрой" где В = 2 (— )/ л и ° t где = л(п1 — 42)/ л — аниэотропия волоки медленной оси анизотропии волокна. на, Оптическое волокно 4 намотано надатчико- Воэ оэдеиствие измеряемых датчиком фиполеи сводится к изменению дливую катушку 5. Последняя помещается в зических полей жидкость, в которой распространяются зву- 5 ны волокна. Из ф (3) ковые волны. По з формулы () следует, что лениям н од деиствием звукового дав- изменение длины оптичес еняется длина оптического волокна. водит к модул ц ф птического волокна приСоответственно изменяется фаза оптиче- ной частоты.. Сигнал модуляции азы сигнала раэностского изл чения, а и у, распространяющегося в поступает на фазовый дискриминатор. Выной частоты.. Сигнал фотодетектора и сигнал фазового дискриминатора волокне. Если катушку 5 выполнить из пье- 10 ходной сигнал ф эмеряемому фиэическозоэлектрического или магнитострикционно- пропорционален и го материала, то помещение катушки 5 му параметру. соответственно в электрическое или маг- Общая конфи а ия пост приводит к изменению чика, позволяющая поддерживать неизменфазы света в оптическом волокне. Опреде- 15.ной взаимн ю о иента ию лив изменение фазы коге ентн ния, пол чают ин о м фазы когерентного излуче- полей интерферирующих пучков позв у ф р ацию о величине создать датчик, устойчиво работающий при зных паразитных воздействиях воздействия, которому подверглась датчи- разнообразных па а окружающей среды на волокно.

Рассмотрим подробнее процесс моду- 20 Ф о р мул а и зоб ля ии фазы в т ц ф света в датчике. В датчиковом Волоконно-оптическ мула изо ретения волокн е распространяются две волны с ор- жащий источник коге енто г

- птическии датчик, содерч к когерентзого излучения, волн on е ля ляриэациями; Поля этих световод, катушку, фотодетектор и ф р де ются во времени так: дискриминатор, отличающийся тем, аэовыи

„} „о. с целью ооеышения точности аа счет уменьшения влияния внешнего воздейст2 ж n2 L еик окружающей среды, источник котерентХ ного излучения выполнен в виде ром: где 11, f2 — частоты мод. генерируемых лазе- двухчастотного лазера с ортогональн ьными

30 поляризациями мод, а световод — в виде

А — длина волны излучения лазеров; анизотропного одномодового оптического п1,пр — эффективные коэффициенты волокна, между лазером и световодом разпреломления анизотропного волокна по:: мещены последовательно установленные ибыстройии "медленной" оси волокна соот- введенные полуволновая пластина и пе35 .вый микрообъектив, а между световодом и — длина волокна. фотодетектором размещены последоваСвет, прошедший через волокно, прохо- тельно установленные введенные второй дит затем через второй микрообьектив и микрообьектив и поляризатор-анализатор, оляризатор-анализатор, ориентировкой="" плоскость поляризации которого ориентиный под углом 45 относительно направле- 40 рована под углом 45О относительно своей ния одной из осей аниэотропии волокна. На анизотропии оптического волокна, совменагрузке фотодетектора 7 выделяется сиг- щенныхсплоскостямиполяризациимодланал разностной частоты: . эера.

i зЬ(2 к (ft-fp)t+ В3 ), (3) 1755382 л р

Составитель B,Филлипов

Техред M.Ìîðãåíòàë . Корректор И.Муска

Редактор М,Петрова

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 2899 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5