Микрорезонаторный волоконно-оптический датчик магнитных полей

 

Изобретение используется в измерительной технике как датчик магнитных полей. Разработан многоканальный волоконно-оптический датчик магнитных полей. Все каналы функционируют одновременно и независимо друг от друга. Технический результат изобретения - существенное увеличение числа измеряемых параметров магнитных полей и точности измерений. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к волоконно-оптическим автоколебательным системам на основе резонансного взаимодействия лазерного источника излучения с микрорезонатором и может быть использовано при построении микрорезонаторных датчиков физических величин (например, температуры, давления, электромагнитных полей и др.).

Микромеханические резонаторы (МР) из магнитных материалов, возбуждаемые оптическим излучением, открывают возможности для создания пассивных волоконно-оптических датчиков (ВОД) магнитных полей, основанных на зависимости резонансной частоты f, добротности Q собственных мод акустических колебаний МР от величины магнитного поля Н. Зависимости f(H), Q(H) могут обуславливаться, например, такими механизмами, как магнитосиловое взаимодействие или магнитострикционный эффект и т. д. Оптическое возбуждение и измерение параметров колебаний МР осуществляется как правило с помощью автогенераторных схем, обеспечивающих высокую точность измерения и возможность построения волоконно-оптических измерительных систем с частотным мультиплексированием.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является микрорезонаторный волоконно-оптический датчик магнитных полей (см. патент РФ 2157512 от 28.12.99).

В известном техническом решении один торец световода волоконно-оптического лазера (ВОЛ) оптически сопряжен с коллиматором, расположенным между этим торцом и МР, а второй торец является выходным и связан с сигнализатором спектра через фотоприемник, при этом отражающая поверхность МР образует с выходным торцом световода двухзеркальный оптический резонатор ВОЛ, а отражающая поверхность МР в исходном положении ориентирована к оптической оси коллимированного луча под некоторым заданным лучом _и. Дискретная форма выходного сигнала ВОД, большая протяженность канала передачи и высокая точность измерения резонансной частоты делают этот тип ВОД перспективным при его использовании в системах измерения физических величин.

К недостаткам данного технического решения следует отнести ограниченные функциональные возможности устройства, обусловленные тем, что с помощью данного ВОД измеряется лишь одна составляющая вектора магнитного поля, совпадающая с направлением продольной оси МР.

Расширение функциональных возможностей устройства с целью одновременного измерения N независимых параметров магнитного поля традиционно осуществляется либо посредством наращивания числа идентичных датчиков с ориентацией осей МР в заданных направлениях, либо путем создания мультиплексных систем, содержащих N измерительных каналов, при этом функционирование каждого из них сопряжено с генерацией волоконного лазера в соответствующих дискретных зонах возбуждения, т.е. поочередно (патент РФ 2142115 от 17.09.98).

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке микрорезонаторного ВОД физических величин для одновременного измерения нескольких составляющих магнитного поля.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что микрорезонаторный ВОД магнитных полей, включающий волоконно-оптический лазер, полупроводниковый лазер накачки, микрорезонатор с зеркальным отражателем, волоконный автоколлиматор, фотоприемник, анализатор спектра дополнительно снабжен многомодовым волоконным разветвителем, входной торец которого связан с полупроводниковым лазером, а N свободных торцов оптически связаны с N волоконными лазерами, торцы которых оптически связаны с N микрорезонаторами, каждый из которых ориентирован вдоль измеряемой компоненты магнитного поля, при этом выходной торец волоконного разветвителя сопряжен со входом фотоприемника; - микрорезонаторный волоконно-оптический датчик магнитных полей по п.1 содержит N входных зеркал волоконно-оптических лазеров, выполненных в виде дихроических зеркал с возможностью отражения излучения на линии генерации волоконно-оптического лазера и пропускания излучения на длине волны генерации полупроводникового лазера, при этом дихроические зеркала выполнены в виде Брэговских отражателей, сформированных в световоде.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в разработке многоканального ВОД магнитных полей за счет одновременного возбуждения N независимых волоконно-оптических лазеров одним полупроводниковым лазером накачки с помощью многомодового 2N волоконного разветвителя.

В результате реализуется многоканальный ВОД магнитных полей с оптимальными характеристиками, при этом все N каналов функционируют одновременно и независимо друг от друга, что обуславливает существенное увеличение числа измеряемых параметров магнитных полей, точность измерений, развязку между измерительными каналами, а также расширяет перечень используемых материалов МР.

В качестве примера на чертеже принято, что N=3. На чертеже представлена схема микрорезонаторного волоконно-оптического датчика магнитного поля нового типа, где 1 - волоконный лазер, активированный эрбием, накачка которого осуществляется на длине волны _н=0,98 мкм, 2 - полупроводниковый лазер, с помощью которого осуществляется накачка волоконных лазеров, 3 - волоконный разветвитель, входной торец которого связан с полупроводниковым лазером, а другие торцы сопряжены соответствующими волоконными лазерами через дихроические зеркала 4, 4 - дихроические зеркала M₁, отражающие излучение на линии генерации лазера _г и пропускающие на длине волны излучения полупроводникового лазера _н, при этом дихроические зеркала выполнены в виде Брэговских отражателей, сформированных непосредственно в световодах, 5 - одномодовые световоды, 6 - автоколлиматоры, выполненные в виде участков одномодовых кварцевых световодов со сферическими микролинзами на торцах световодов, 7 - микрорезонаторы, выполненные в виде микромостика из материала с магнитной анизотропией (например, никеля, аморфного сплава типа "metlglass", различных ферритов со структурой граната и др.), 8 - зеркала М₂, в качестве которых используются отражающие поверхности МР, 9 - фотоприемник, 10 - анализаторы спектра, Н_{i, j, k} - измеряемые магнитные поля, 11 - угол между нормалью к отражающей поверхности МР и оптической осью пучка, сформированного АК, l₁, l₂, l₃ - длины активных световодов волоконного лазера.

Устройство работает следующим образом. Накачка волоконных лазеров (ВЛ) осуществляется полупроводниковым лазером (ПЛ), излучение которого с помощью ВР направляется в соответствующие отрезки активных световодов l_i. При этом длины активных участков световодов l_i и уровни их накачки P_i, зависящие от коэффициентов деления ВР, определяются из условий резонанса между частотой релаксационных колебаний соответствующего ВЛ и собственной частотой МР f_i: f_{peл i}(P_i, l_i)f_i.

В условиях непрерывной накачки в данном устройстве одновременно возбуждаются автоколебания различных МР. Микрорезонаторы из материала с магнитной анизотропией, выполненные, например, в виде микромостика, ориентированы вдоль заданных направлений i, j, k. Каждый из них обладает преимущественной чувствительностью к соответствующим компонентам поля H_i, H_j, H_k.

Под действием магнитного поля относительное изменение резонансной частоты МР, обусловленное магнитострикцией, равно f/f0,147(b/h)²₀(H_i,j,k), где b, h - длина и толщина микромостика соответственно; ₀(H_i,j,k) - продольная магнитострикция в магнитном поле.

В случае магнитоупругого эффекта (зависимость модуля Юнга Е от магнитного поля, Е - эффект) имеем Измерение градиента поля основано на зависимости резонансной частоты микромостика, намагниченного до насыщения параллельно поверхности МР, от поперечной распределенной силы с плотностью q_x=mha dH_y/dx, действующей на МР, где а - ширина микромостика, m - магнитный момент насыщения МР.

В результате имеем f/f0,0735 (m²l⁸)/(E²h⁶)(dH_y/dx)².

В качестве материалов МР целесообразно применение никеля (N_i), аморфных сплавов типа "metlglass", различных ферритов со структурой граната (например, ЖИГ) и др.

Выходной сигнал фотоприемника (ФП) содержит гармонические составляющие с резонансными частотами MP_i рассматриваемых измерительных каналов ВОД магнитного поля. Таким образом, при непрерывной накачке ВЛ с помощью ПЛ осуществляется непрерывное частотное мультиплексирование выходного сигнала датчика: f₁(H_i), f₂(H_j), f₃(Н_k).

Результаты численного моделирования свойств рассматриваемого ВОД, проведенные в рамках приближения скоростных уравнений для трехуровневого эрбиевого лазера, подтверждают возможность реализации данного устройства при длинах отрезков активных световодов (с концентрацией эрбия >510¹⁸ см^-3) l_i<1 м и параметрах МР f₁50 кГц, f₂70 кГц, f₃90 кГц (Q_{1, 2, 3}>200).

Исходя из относительного уровня флуктуаций частоты автоколебаний в системах ВЛ-МР (f/f)_фл10^-5, получим оценку пороговой чувствительности Н_п для ВОД с магнитострикционным микромостиком из N_i при температуре Т=300 К, имеющим размеры b=200 мкм, h=10 мкм, H_п510^-4Э. Таким образом, предложен новый принцип построения микрорезонаторного ВОД магнитных полей, содержащего ВР, обеспечивающий при непрерывной генерации ВЛ одновременное функционирование нескольких измерительных каналов.

При этом оптическое возбуждение и измерение частот MP_i, зависящих от параметров магнитного поля, осуществляется с помощью автогенераторных схем, обеспечивающих высокую точность измерений с частотным мультиплексированием при непрерывном функционировании всех измерительных каналов одновременно.

Формула изобретения

1. Микрорезонаторный волоконно-оптический датчик магнитных полей, включающий волоконно-оптический лазер, полупроводниковый лазер накачки, микрорезонатор с зеркальным отражателем, волоконный автоколлиматор, фотоприемник, анализатор спектра, отличающийся тем, что датчик дополнительно снабжен многомодовым волоконным разветвителем, входной торец которого связан с полупроводниковым лазером, а N свободных торцов оптически связаны с N волоконными лазерами, торцы которых оптически сопряжены с N микрорезонаторами, каждый из которых ориентирован вдоль измеряемой компоненты магнитного поля, при этом выходной торец волоконного разветвителя сопряжен со входом фотоприемника.

2. Микрорезонаторный волоконно-оптический датчик магнитных полей по п.1, отличающийся тем, что N входных зеркал волоконно-оптических лазеров выполнены в виде дихроических зеркал с возможностью отражения излучения на линии генерации волоконно-оптического лазера и пропускания излучения на длине волны генерации полупроводникового лазера, при этом дихроические зеркала выполнены в виде Брэговских отражателей, сформированных в световоде.

РИСУНКИ

Рисунок 1