RU2161783C2 - Fiberoptical temperature-sensitive element based on microresonator - Google Patents
Fiberoptical temperature-sensitive element based on microresonator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2161783C2 RU2161783C2 RU98124039/28A RU98124039A RU2161783C2 RU 2161783 C2 RU2161783 C2 RU 2161783C2 RU 98124039/28 A RU98124039/28 A RU 98124039/28A RU 98124039 A RU98124039 A RU 98124039A RU 2161783 C2 RU2161783 C2 RU 2161783C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fiber
- laser
- microresonator
- fiberoptical
- optical
- Prior art date
Links
Landscapes
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к волоконно-оптическим преобразователям физических величин (температуры, давления, ускорения) с использованием микромеханических резонаторов, возбуждаемых светом. The invention relates to fiber-optic converters of physical quantities (temperature, pressure, acceleration) using micromechanical resonators excited by light.
Известны работы по созданию нового класса волоконно-оптических датчиков (ВОД) физических величин, в том числе ВОД температуры, на основе использования микромеханического резонатора (МР) и волоконно-оптического лазера, взаимодействующего с МР. Сообщается о разработках различных схем по оптическому возбуждению колебаний и их практической реализации. Во всех случаях модуляция интенсивности оптического излучения происходит на собственной резонансной частоте МР. Known work on the creation of a new class of fiber-optic sensors (VOD) of physical quantities, including the temperature VOD, based on the use of a micromechanical resonator (MR) and a fiber-optic laser interacting with MR. The development of various schemes for the optical excitation of oscillations and their practical implementation is reported. In all cases, the modulation of the intensity of optical radiation occurs at the natural resonant frequency of the MR.
При поглощении МР оптического излучения его освещенная сторона испытывает температурное расширение, возникает изгибный момент сил, изменяющийся в фазе с модулированным оптическим излучением, который приводит к механическим колебаниям на собственной резонансной частоте МР. Внешнее воздействие (температура, давление и т. п. ) преобразуется во внутреннее механическое напряжение МР, что приводит к изменению его собственной резонансной частоты, определяемой размерами МР и его физическими свойствами. В связи с малой амплитудой колебаний МР (≅ 0,1 мкм) в ВОД применяется интерферометрический метод съема информации о резонансной частоте МР с помощью интерферометра Фабри-Перо, резонатор которого образован отражающей поверхностью МР и полупрозрачным зеркалом, либо торцом световода, сопряженным с отражающей поверхностью МР. When MR optical radiation is absorbed, its illuminated side undergoes thermal expansion, a bending moment of forces arises, which changes in phase with modulated optical radiation, which leads to mechanical vibrations at the natural resonant frequency of the MR. The external influence (temperature, pressure, etc.) is converted into the internal mechanical stress of the MR, which leads to a change in its own resonant frequency, determined by the dimensions of the MR and its physical properties. Due to the small amplitude of the MP oscillations (≅ 0.1 μm), the interferometric method is used to extract information about the resonant frequency of the MR using a Fabry-Perot interferometer, the resonator of which is formed by the reflecting surface of the MR and a translucent mirror, or by the end of the fiber coupled to the reflecting surface Mr.
Типовая конструкция ВОД температуры с МР, взятая в качестве аналога, выполнена в виде двухканальной схемы (Electronics Letters, 1991, v. 27, N 11, p. 934-935). Один канал служит для оптического возбуждения акустических колебаний МР, а другой канал предназначен для интерферометрического съема информации. Канал возбуждения колебаний МР образован модулятором, связанным с лазерным диодом, излучающим на длине волны λ = 830 нм, микрорезонатором, отражающая поверхность которого выполнена в виде микромостика, световодом, один торец которого сопряжен с лазерным диодом, а другой с отражающей поверхностью МР. Второй канал содержит лазерный источник излучения на длине волны λ = 633 нм, ответвитель, фотоприемник, блок обработки информации. A typical design of temperature-controlled VOD with MR taken as an analogue is made in the form of a two-channel circuit (Electronics Letters, 1991, v. 27, No. 11, p. 934-935). One channel is used for optical excitation of acoustic MR oscillations, and the other channel is designed for interferometric information retrieval. The MR oscillation excitation channel is formed by a modulator associated with a laser diode emitting at a wavelength of λ = 830 nm, a microcavity, the reflecting surface of which is made in the form of a microbridge, a light guide, one end of which is coupled to the laser diode, and the other with the reflective surface of the MR. The second channel contains a laser radiation source at a wavelength of λ = 633 nm, a coupler, a photodetector, and an information processing unit.
Устройство работает следующим образом. Промодулированное лазерное излучение на длине волны λ = 830 нм по каналу возбуждения через световод направляется на МР и приводит его в возбужденное состояние на собственной резонансной частоте. Второй торец световода с отражающей поверхностью МР образует интерферометр Фабри-Перо. Информация о резонансной частоте МР с помощью второго источника излучения на длине волны λ = 633 нм фиксируется интерферометрически с помощью интерферометра Фабри-Перо. Отраженное от интерферометра излучение через ответвитель направляется на фотоприемник, связанный с блоком обработки информации. Под действием переменного температурного поля изменяется резонансная частота МР, которая с помощью интерферометра Фабри-Перо фиксируется в измерительном канале датчика. The device operates as follows. Modulated laser radiation at a wavelength of λ = 830 nm is sent to the MR through the excitation channel through the fiber and brings it into an excited state at its own resonant frequency. The second end of the fiber with the reflective surface of the MR forms a Fabry-Perot interferometer. Information on the resonant frequency of MR using a second radiation source at a wavelength of λ = 633 nm is recorded interferometrically using a Fabry-Perot interferometer. The radiation reflected from the interferometer through the coupler is sent to a photodetector connected to the information processing unit. Under the influence of a variable temperature field, the resonance frequency of the MR changes, which is fixed using the Fabry-Perot interferometer in the measuring channel of the sensor.
Недостатком данного технического решения является то, что для осуществления высокоточных измерений необходимо обеспечить, во-первых, стабильность оптического отклика X мкм/Вт в канале возбуждения МР и, во-вторых, стабильность оптической характеристики YA мВт/мкм интерферометра Фабри-Перо в рабочей точке A в интерференционном канале съема информации.The disadvantage of this technical solution is that for high-precision measurements, it is necessary to ensure, firstly, the stability of the optical response of X μm / W in the MR excitation channel and, secondly, the stability of the optical characteristic Y A mW / μm of the Fabry-Perot interferometer in point A in the interference channel information retrieval.
Кроме того, конструкция МР в виде микромостика вносит погрешность измерений, обусловленную вкладом статического смещения микромостика под действием средней мощности лазерного источника излучения, а также погрешность, обусловленную наличием остаточных термонапряжений, образующихся в результате различных технологических процессов, связанных с изготовлением микромостика. К недостаткам следует также отнести нелинейность температурного коэффициента резонансной частоты от температуры, невысокое отношение сигнал-шум (до 30 дБ), ограниченный диапазон измерений (50-150oC).In addition, the design of the MR in the form of a microbridge introduces a measurement error due to the contribution of the static displacement of the microbridge under the influence of the average power of the laser radiation source, as well as an error due to the presence of residual thermal stresses resulting from various technological processes associated with the manufacture of the microbridge. The disadvantages include the non-linearity of the temperature coefficient of the resonant frequency versus temperature, a low signal-to-noise ratio (up to 30 dB), and a limited measurement range (50-150 o C).
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является ВОД температуры (см. патент РФ N 2110049, кл. G 01 K 11/32, 1996 г.). Конструктивно устройство содержит микрорезонатор с отражающей поверхностью, волоконный световод, лазерный канал возбуждения МР и интерференционный канал съема информации, фотоприемник и блок обработки информации, при этом один торец световода и отражающая поверхность МР образуют интерферометр Фабри-Перо. Кроме того, лазерный канал возбуждения МР и интерференционный канал съема информации совмещены и выполнены в виде волоконно-оптического лазера, другой торец волоконного световода является выходным, причем микрорезонатор с отражающей поверхностью выполнен типа микроконсоли. Closest to the proposed technical solution in terms of technical nature and the achieved result is the WATER temperature (see RF patent N 2110049, class G 01 K 11/32, 1996). Structurally, the device comprises a microcavity with a reflective surface, a fiber optical fiber, an MR laser excitation channel and an information pickup interference channel, a photodetector and an information processing unit, while one end of the optical fiber and an MR reflective surface form a Fabry-Perot interferometer. In addition, the laser channel for excitation MR and the interference channel for acquiring information are combined and made in the form of a fiber-optic laser, the other end of the fiber is the output, and the microresonator with a reflective surface is made like a micro-console.
Устройство работает следующим образом. Перед началом измерений микрорезонатор включается в цепь обратной связи путем подведения его к одному из торцов одномодового световода волоконно-оптического лазера. В результате между вторым торцом световода и отражающей поверхностью МР образуется интерферометр Фабри-Перо. При определенной мощности оптического излучения волоконно-оптического лазера, длине интерферометра Фабри-Перо, длине волны лазера λ в устройстве возникают незатухающие поперечные акустические колебания с частотой, определяемой размерами и типом МР, которые модулируют оптическое излучение волоконно-оптического лазера на резонансной частоте микрорезонатора fмр. Под действием переменного температурного поля изменяется величина fмр. Основной вклад в температурную зависимость собственной частоты колебаний микроконсоли вносит зависимость модуля Юнга, плотности материала и геометрических размеров микроконсоли от температуры.The device operates as follows. Before starting the measurements, the microcavity is included in the feedback circuit by bringing it to one of the ends of the single-mode fiber of the optical fiber laser. As a result, a Fabry-Perot interferometer is formed between the second end of the fiber and the reflective surface of the MR. At a certain optical radiation power of a fiber-optic laser, the length of the Fabry-Perot interferometer, and the laser wavelength λ, undamped transverse acoustic oscillations occur in the device with a frequency determined by the size and type of MR, which modulate the optical radiation of the fiber-optic laser at the resonant frequency of the microcavity f MP . Under the influence of an alternating temperature field, the value of f Mr changes. The main contribution to the temperature dependence of the natural frequency of oscillations of the microconsole is made by the dependence of the Young's modulus, material density, and geometric dimensions of the microconsole on temperature.
Промодулированное МР излучение волоконно-оптического лазера попадает с выходного торца световода на фотоприемник, электрически связанный с блоком обработки информации. Modulated MR radiation from a fiber optic laser enters from the output end of the fiber to a photodetector electrically connected to the information processing unit.
К недостаткам данного технического решения следует отнести следующие:
- жесткие требования к стабильности заданных параметров интерферометра Фабри-Перо; так изменение длины резонатора H должно удовлетворять неравенству ΔH ≪ λ, где λ - длина волны волоконно-оптического лазера;
- ограниченные возможности увеличения чувствительности и точности ВОД температуры, обусловленные низким коэффициентом взаимодействия лазерного излучения с отражающей поверхностью МР вследствие ограниченных возможностей фокусировки лазерного пучка в плоскости отражающей поверхности МР;
- высокие требования к стабильности ширины спектра излучения волоконно-оптического лазера.The disadvantages of this technical solution include the following:
- stringent requirements for the stability of the specified parameters of the Fabry-Perot interferometer; Thus, a change in the resonator length H must satisfy the inequality ΔH ≪ λ, where λ is the wavelength of the fiber-optic laser;
- limited opportunities to increase the sensitivity and accuracy of the temperature of the water, due to the low coefficient of interaction of laser radiation with the reflective surface of the MR due to the limited possibilities of focusing the laser beam in the plane of the reflective surface of the MR;
- high requirements for the stability of the width of the emission spectrum of a fiber optic laser.
Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке ВОД температуры на основе МР с высоким коэффициентом преобразования, отличающегося высокой чувствительностью и точностью. The problem solved by this invention is to develop water temperature-based MR with a high conversion coefficient, characterized by high sensitivity and accuracy.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в волоконно-оптическом датчике температуры на основе микрорезонатора, содержащем микрорезонатор с отражающей поверхностью, волоконный световод, волоконно-оптический лазер, лазерный канал возбуждения микрорезонатора и интерференционный канал съема информации, фотоприемник и блок обработки информации, один торец световода волоконно-оптического лазера сопряжен с модифицированным автоколлиматором, расположенным между этим торцом и микрорезонатором и выполненным с возможностью формирования в плоскости отражающей поверхности микрорезонатора светового пятна заданных размеров, а второй является выходным, при этом отражающая поверхность микрорезонатора образует с выходным торцом световода двухзеркальный оптический резонатор волоконно-оптического лазера, а отражающая поверхность микрорезонатора в исходном положении ориентирована к оптической оси коллимированного луча под некоторым заданным углом Θn.
Суть предлагаемого технического решения заключается в разработке ВОД температуры, в котором для возбуждения колебаний МР и съема информации используется волоконно-оптический лазер, выходной оптический сигнал которого модулируется резонансной частотой МР посредством модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений одного из зеркал, в качестве которого служит МР. При этом один торец одномодового световода волоконно-оптического лазера сопряжен с модифицированным автоколлиматором, формирующим сфокусированный пучок света на отражающую поверхность МР, ориентированную под углом Θn к оптической оси падающего пучка, а второй является выходным.The solution to this problem is ensured by the fact that in a fiber-optic temperature sensor based on a microcavity containing a microcavity with a reflecting surface, a fiber optic fiber, a fiber optic laser, a laser excitation channel of a microcavity and an interference channel for acquiring information, a photodetector and an information processing unit, one end of the fiber a fiber optic laser is coupled to a modified autocollimator located between this end face and a microcavity and configured to radiation in the plane of the reflecting surface of the microresonator of the light spot of a given size, and the second is the output, while the reflecting surface of the microresonator forms a two-mirror optical fiber laser resonator with the output end of the fiber, and the reflecting surface of the microresonator in the initial position is oriented to the optical axis of the collimated beam under a certain angle Θ n .
The essence of the proposed technical solution lies in the development of temperature WATER, in which an optical fiber laser is used to excite MR oscillations and extract information, the output optical signal of which is modulated by the MR resonant frequency by modulating the quality factor of a two-mirror optical resonator due to photoinduced angular deviations of one of the mirrors, the quality of which serves mr. In this case, one end of the single-mode fiber of a fiber-optic laser is coupled to a modified autocollimator, which forms a focused beam of light on the reflective surface of the MR, oriented at an angle Θ n to the optical axis of the incident beam, and the second is the output.
Изменение мощности излучения при отражении от МР приводит вследствие эффекта фотоиндуцированной деформации к модуляции угла отклонения отраженного пучка Θ(t), т.е. к модуляции мощности оптического излучения. The change in the radiation power upon reflection from the MR leads, due to the photoinduced deformation effect, to modulation of the deflection angle of the reflected beam Θ (t), i.e. to modulate the power of optical radiation.
В заявляемом устройстве высокий коэффициент преобразования, обеспечивающий увеличение чувствительности и точности, достигаются за счет применения модифицированного автоколлиматора (МАК), состоящего из автоколлиматора АК, выполненного в виде градиентной стержневой линзы (ГСЛ) в четверть периода, и цилиндрической линзы (ЦЛ), изготовленной из кварцевого световода. Цилиндрическая линза, соответствующим образом вырезанная, отшлифованная и отполированная, по форме близка к полукругу, а в сечении представляет собой сегмент. Искривленная поверхность ЦЛ с целью уменьшения аберрации в оптической системе обращена к ГСЛ. In the inventive device, a high conversion coefficient, providing an increase in sensitivity and accuracy, is achieved through the use of a modified autocollimator (MAK), consisting of an AK autocollimator made in the form of a gradient rod lens (GSL) for a quarter of a period, and a cylindrical lens (CL) made of quartz fiber. A cylindrical lens, suitably cut, sanded and polished, is close in shape to a semicircle, and in cross section it is a segment. The curved surface of the CL in order to reduce aberration in the optical system is turned to GSL.
Суть положительных результатов, достигаемых с помощью МКА, заключается в следующем. Лазерное излучение, прошедшее ГСЛ и ЦЛ, фокусируется в фокальной плоскости цилиндрической линзы в виде пятна, имеющего вытянутую форму, длина которого практически совпадает с диаметром D коллимированного АК пучка, а ширина пятна a определяется дифракционным пределом, который оценивается соотношением
где f - фокусное расстояние рассматриваемой ЦЛ,
λ - длина волны излучения.The essence of the positive results achieved with the help of ICA is as follows. The laser radiation transmitted by the GSL and the CL is focused in the focal plane of the cylindrical lens in the form of a spot having an elongated shape, the length of which practically coincides with the diameter D of the collimated AK beam, and the spot width a is determined by the diffraction limit, which is estimated by the relation
where f is the focal length of the considered CL,
λ is the radiation wavelength.
Фокусное расстояние f в свою очередь определяется формулой
где n - показатель преломления материала ЦЛ,
R - радиус кривизны ЦЛ.The focal length f, in turn, is determined by the formula
where n is the refractive index of the material CL,
R is the radius of curvature of the CL.
Таким образом, ширина пятна составляет
Полученная формула, связывающая параметры a, R, λ, n, D, позволяет в предлагаемой конструкции ВОД температуры реализовать максимальное взаимодействие лазерного излучения с отражающей поверхностью микрорезонаторной системы (МРС) путем формирования в плоскости отражающей поверхности МРС (фокальной плоскости ЦЛ) светового пятна, размеры которого соизмеримы с геометрическими размерами отражающей поверхности МР.Thus, the spot width is
The obtained formula, relating the parameters a, R, λ, n, D, allows us to realize the maximum interaction of laser radiation with the reflecting surface of the microresonator system (MRS) in the proposed design of the temperature water register by forming a light spot in the plane of the reflecting surface of the MRC (focal plane CL), dimensions which is commensurate with the geometric dimensions of the reflective surface of the MR.
В заявляемой конструкции ВОД температуры представляется возможным упростить технологию изготовления МРС. Так, например, в случае микромостика на мембране, чем больше ширина микромостика b, тем сложнее проблема удаления (вытравления) материала из области пространства между микромостиком и мембраной, и наоборот, чем меньше ширина микромостика, тем ниже требования к точности оборудования, применяемого при изготовлении МРС. In the inventive design of water temperature it seems possible to simplify the manufacturing technology of MPC. For example, in the case of a microbridge on the membrane, the larger the width of the microbridge b, the more difficult the problem of removing (etching) the material from the region of space between the microbridge and the membrane, and vice versa, the smaller the width of the microbridge, the lower the accuracy requirements for the equipment used in the manufacture IFA.
С другой стороны, условие эффективного взаимодействия коллимированного оптического пучка с МРС налагает определенные ограничения на геометрические размеры (длину L и ширину b) микромостика, которые должны удовлетворять соответствующим условиям
При этом необходимо отметить, что увеличение ширины микромостика b относительно ширины светового пятна приводит к уменьшению коэффициента преобразования, что проявляется в ухудшении точности и чувствительности устройства.On the other hand, the condition for the effective interaction of a collimated optical beam with MRS imposes certain restrictions on the geometric dimensions (length L and width b) of the microbridge, which must satisfy the corresponding conditions
It should be noted that an increase in the width of the microbridge b relative to the width of the light spot leads to a decrease in the conversion coefficient, which is manifested in a deterioration in the accuracy and sensitivity of the device.
Отсюда следует, что при выполнении условия a = b = 30 мкм при типичных значениях исходных данных λ = 1,5 мкм, D = 450 - 500 мкм, n = 1,45 из выражения (1) представляется возможным оценить R:
Необходимо отметить, что, в действительности, в силу различного рода оптических искажений (аберраций) в ЦЛ имеет место размытие пятна фокусировки, приводящее к увеличению его ширины по сравнению с рассчитанным значением a.It follows that if the condition a = b = 30 μm is satisfied for typical values of the initial data λ = 1.5 μm, D = 450 - 500 μm, n = 1.45 from expression (1), it seems possible to estimate R:
It should be noted that, in reality, due to various kinds of optical distortions (aberrations), the focusing spot is blurred in the CL, which leads to an increase in its width compared to the calculated value of a.
Поэтому с целью обеспечения определенного запаса в качестве фокусировки целесообразно применять ЦЛ с радиусом кривизны R = 1 мм с соответствующим фокусным расстоянием f ≈ 2,2 мм. Однако следует подчеркнуть, что применение в предлагаемой конструкции ВОД температуры МР типа микроконсоли по известным соображениям является предпочтительным. Therefore, in order to ensure a certain margin, it is advisable to use a CL with a radius of curvature R = 1 mm with the corresponding focal length f ≈ 2.2 mm as a focusing. However, it should be emphasized that the use in the proposed design of WATER temperature of the temperature of the type of microconsole for known reasons is preferable.
Независимо от топологии и конструкции МР при выполнении определенных условий в рассматриваемой схеме ВОД температуры устанавливается автоколебательный режим с частотой F, практически совпадающей с резонансной частотой fмр = F.Regardless of the topology and design of the MR, when certain conditions are fulfilled, the self-oscillating regime with the frequency F, which practically coincides with the resonant frequency f mp = F, is established in the temperature water circuit under consideration.
Эти условия формируются следующим образом:
- в исходном состоянии угол отклонения Θn отражающей поверхности МР находится в интервале Θ1 ≅ θn ≅ Θ2, границы которого (Θ1,Θ2) зависят от характеристик МР и волоконно-оптического лазера;
- резонансная частота МР близка к частоте релаксационных колебаний волоконно-оптического лазера fрел или ее гармоник, т.е. fмр ≈ nоfрел, где nо = 1, 2, 3. . . Отметим, что fрел определяется относительной накачкой r = Pн/Pн.п., где Pр.н. - пороговый уровень накачки лазера;
- средняя мощность излучения 
- in the initial state, the deflection angle Θ n of the MR reflecting surface is in the range интерв 1 ≅ θ n ≅ Θ 2 , the boundaries of which (Θ 1 , Θ 2 ) depend on the characteristics of the MR and the fiber-optic laser;
- the resonant frequency of the MR is close to the frequency of relaxation oscillations of the fiber-optic laser f rel or its harmonics, i.e. f Mr ≈ n о f rel , where n о = 1, 2, 3.. . Note that f rel is determined by the relative pump r = P n / P n.p. where P rn - threshold level of laser pumping;
- average radiation power
Выходной сигнал предлагаемого ВОД температуры модулируется резонансной частотой МР вследствие модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора волоконно-оптического лазера. The output signal of the proposed water temperature is modulated by the resonant frequency MR due to the modulation of the quality factor of a two-mirror optical resonator of a fiber-optic laser.
В результате возникновения в системе МР - волоконно-оптический лазер автоколебаний на резонансной частоте МР отпадает необходимость в интерферометре Фабри-Перо и, следовательно, стабилизации положения рабочей точки этого интерферометра. As a result of the occurrence of self-oscillations in the MR - fiber-optic laser system at the MR resonance frequency, there is no need for a Fabry-Perot interferometer and, therefore, stabilization of the position of the operating point of this interferometer.
Суть предлагаемого технического решения заключается в разработке микрорезонаторного ВОД температуры, в котором для возбуждения автоколебаний используется волоконно-оптический лазер, сопряженный с МАК, при этом для существования автоколебательного режима в системе волоконно-оптический лазер - МР достаточно модуляции амплитуды коэффициента отражения Rо оптического резонатора волоконно-оптического лазера, возникающей при колебаниях МР.The essence of the proposed technical solution is to develop a microcavity water of temperature, in which a fiber-optic laser coupled to a MAC is used to excite self-oscillations, and for the existence of a self-oscillation regime in a fiber-optic laser-MR system, modulation of the reflection coefficient amplitude R about the optical fiber resonator is sufficient -optical laser arising from the oscillations of MR.
Волоконно-оптический лазер представляет собой отрезок одномодового активированного световода длиною Lо, накачка которого может осуществляться различными способами, например через отрезок буферного неактивированного световода, идеально согласованного с активированным световодом.A fiber-optic laser is a segment of a single-mode activated fiber with a length of L o , the pumping of which can be carried out in various ways, for example, through a segment of a buffer non-activated fiber, which is ideally matched with the activated fiber.
Уникальные свойства волоконно-оптического лазера, позволяющие обеспечить эффективное оптическое согласование МР с волоконно-оптическим лазером, а также новейшая технология изготовления МР, основанная на методе анизотропного травления и плазмохимии монокристаллических материалов, таких как Si, SiO2, CaAs, позволяют реализовать МРС с заданными акустическими характеристиками и топологией (например, в виде микромембраны, микромостика, микроконсоли и т. п.), что позволяет реализовать в системе МР - волоконно-оптический лазер автоколебания, резонансная частота которых зависит от воздействия соответствующих внешних факторов (температуры, давления, ускорения и др.).The unique properties of the fiber-optical laser, allowing to provide an effective optical matching MR with optical fiber laser, as well as the latest MR manufacturing technology based on a method of anisotropic etching and plasma chemistry monocrystalline materials such as Si, SiO 2, CaAs, allow to realize IFA predetermined acoustic characteristics and topology (for example, in the form of a micro-membrane, micro-bridge, micro-console, etc.), which makes it possible to realize a self-oscillating fiber-optic laser in the MR system, res -resonance frequency which depends on the respective impact of external factors (temperature, pressure, acceleration, etc.).
Таким образом, по сравнению с известным решением, заявляемое устройство обладает следующими новыми свойствами:
- увеличен коэффициент эффективного взаимодействия лазерного излучения с микрорезонатором, линейные размеры которого соизмеримы с пятном коллимированного пучка;
- исключена необходимость использования интерферометра Фабри-Перо, что снижает требования к стабилизации положения рабочей точки датчика и повышает точность измерений;
- упрощена конструкция датчика и расширены возможности построения ВОД температуры с более высоким (до 50 дБ и выше) отношением сигнал/шум, что улучшает чувствительность, линейность, диапазон измерений.Thus, in comparison with the known solution, the claimed device has the following new properties:
- increased coefficient of effective interaction of laser radiation with a microcavity, the linear dimensions of which are comparable with the spot of a collimated beam;
- eliminated the need to use a Fabry-Perot interferometer, which reduces the requirements for stabilizing the position of the operating point of the sensor and improves the accuracy of measurements;
- the design of the sensor is simplified and the possibilities for constructing the temperature water input with a higher signal to noise ratio (up to 50 dB and higher) are improved, which improves sensitivity, linearity, and measurement range.
На чертеже представлена схема ВОД температуры, где 1 - волоконно-оптический лазер, активированный эрбием, накачка которого осуществляется на длине волны λн = 0,98 мкм, 2 - одномодовый световод, 3 - МАК, 4 - АК, 5 - ЦЛ, 6 - зеркало М1 оптического резонатора, в качестве которого служит граница раздела световод - воздух, 7 - МРС, представляющая собой микроконсоль (мембрану, микромостик и т.п.), 8 - заданный угол Θn между нормалью к отражающей поверхности МР и оптической осью пучка света, сформированного МАК (отражающая поверхность МРС 7 является вторым зеркалом М2 оптического резонатора), 10 - расстояние H между МАК 3 и МРС 7, 11 - фотоприемник, 12 - блок обработки информации.The drawing shows a diagram of the water temperature, where 1 is an erbium-activated fiber-optic laser pumped at a wavelength of λ n = 0.98 μm, 2 is a single-mode fiber, 3 is MAK, 4 is AK, 5 is TsL, 6 - mirror M 1 of the optical resonator, which serves as the interface between the optical fiber and air, 7 - MPC, which is a micro-console (membrane, micro-bridge, etc.), 8 - a given angle Θ n between the normal to the reflective surface of the MR and the optical axis a beam of light formed by MAC (reflective surface of the MPC 7 is the second mirror M 2 of the optical resonator) 10 - distance H 3 between the MAC and MRS 7, 11 - photodetector, 12 - information processing unit.
Устройство работает следующим образом. Перед началом измерений микрорезонатор 7, выполненный в виде микроконсоли, включается в цепь обратной связи волоконно-оптического лазера путем подведения его к выходу МАК 3 так, что нормаль к отражающей поверхности 9 микрорезонатора 7 составляет с оптической осью МАК 3 заданный угол Θn.
При этом часть мощности ζ оптического пучка сформированного МАК 3 отражается от поверхности 9 микрорезонатора 7 и возвращается обратно в резонатор волоконно-оптического лазера 1. Изменение мощности излучения W1 волоконно-оптического лазера 1, падающей на МР 7, приводит вследствие эффекта фотоиндуцированной деформации к модуляции угла отклонения отраженного пучка Θ(t), т. е. к модуляции ζ[Θ(t)]. Экспериментальные результаты показали, что независимо от топологии и конструкции МР при выполнении заданных условий (о которых речь шла выше) в рассматриваемом датчике устанавливается автоколебательный режим с частотой, определяемой размерами и типом МР, которые модулируют оптическое излучение волоконно-оптического лазера 1 на резонансной частоте микрорезонатора:
где tк, Lк - толщина и длина микроконсоли соответственно, E - модуль Юнга, ρ - плотность материала.The device operates as follows. Before starting the measurements, the microcavity 7, made in the form of a micro-console, is included in the feedback circuit of the fiber-optic laser by bringing it to the output of the MAC 3 so that the normal to the reflecting surface 9 of the microcavity 7 makes a specified angle Θ n with the optical axis of the MAC 3.
In this case, part of the power ζ of the optical beam of the formed MAK 3 is reflected from the surface 9 of the microresonator 7 and returns back to the resonator of the fiber-optic laser 1. The change in the radiation power W 1 of the fiber-optic laser 1 incident on MP 7 leads to modulation due to the photoinduced deformation effect the deflection angle of the reflected beam Θ (t), ie, to the modulation ζ [Θ (t)]. Experimental results showed that, regardless of the topology and design of the MR, under the given conditions (which were discussed above), a self-oscillating regime is established in the sensor under consideration with a frequency determined by the size and type of MR, which modulate the optical radiation of fiber-optic laser 1 at the resonant frequency of the microresonator :
where t k , L k are the thickness and length of the microconsole, respectively, E is Young's modulus, ρ is the density of the material.
Основной вклад в температурную зависимость собственной частоты колебаний fмр микроконсоли дает зависимость E, ρ, tк, Lк от температуры. Промодулированное МР излучение волоконно-оптического лазера попадает с выходного торца световода 6 на фотоприемник 11, электрически связанный с блоком обработки информации 12.The main contribution to the temperature dependence of the eigenfrequency of oscillations f mp of the microconsole is given by the temperature dependence of E, ρ, t k , L k . The modulated MR radiation of the fiber-optic laser enters from the output end of the fiber 6 to the photodetector 11, which is electrically connected to the information processing unit 12.
Кроме того, эксперимент показал, что при изменении H в значительных пределах (± 1,5 мм) срыва автоколебаний не наблюдалось при Δfмр/fмр ≈ 10-4.In addition, the experiment showed that with a change in H within a significant range (± 1.5 mm), self-oscillation disruption was not observed at Δf mp / f mp ≈ 10 -4 .
При данном способе возбуждения автоколебаний в предлагаемом ВОД температуры эффективность взаимодействия волоконно-оптического лазера с микрорезонатором достигается за счет формирования светового пятна на отражающей поверхности МР с размерами, соответствующими минимальной длине и ширине отражающей поверхности МР. With this method of exciting self-oscillations in the proposed water temperature, the interaction efficiency of the fiber-optic laser with a microresonator is achieved by the formation of a light spot on the reflective surface of the MR with dimensions corresponding to the minimum length and width of the reflective surface of the MR.
Таким образом, предложен новый принцип построения ВОД температуры на основе волоконно-оптического лазера и микрорезонатора в виде микроконсоли. Thus, a new principle is proposed for constructing the temperature water based on a fiber-optic laser and a microcavity in the form of a micro-console.
В предлагаемой конструкции автоколебательный режим в системе волоконно-оптический лазер - МР осуществляется за счет модуляции амплитуды коэффициента отражения оптического резонатора волоконно-оптического лазера или модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений одного из зеркал, в качестве которого служит отражающая поверхность МР при высокой эффективности взаимодействия волоконно-оптического лазера и МР за счет формирования с помощью МАК в плоскости отражающей поверхности МР светового пятна заданных малых размеров. In the proposed design, the self-oscillating mode in the fiber-optic laser - MR system is carried out by modulating the amplitude of the reflection coefficient of the optical resonator of the fiber-optic laser or by modulating the quality factor of a two-mirror optical resonator due to photo-induced angular deviations of one of the mirrors, which is the reflective surface of the MR at high efficiency the interaction of a fiber-optic laser and MR due to the formation with the help of MAC in the plane of the reflecting surface MR surface of a light spot of a given small size.
Пороговая чувствительность ВОД температуры при относительной флюктуации частоты ≈ 10-6 и коэффициенте преобразования Kт = -5,7·10-5 K-1 составляет ≅ 0,02oC.The threshold sensitivity of water temperature at a relative frequency fluctuation of ≈ 10 -6 and a conversion coefficient K t = -5.7 · 10 -5 K -1 is ≅ 0.02 o C.
В диапазоне измеряемых температур (-100. ..+200oC) Kт практически не изменяется, нелинейность не превышает 1%.In the range of measured temperatures (-100 ... + 200 o C) K t practically does not change, the nonlinearity does not exceed 1%.
В заявляемом устройстве отношение сигнал-шум более 50 дБ, увеличена точность измерения частоты МР, упрощена конструкция устройства и расширены его функциональные возможности. In the inventive device, the signal-to-noise ratio is more than 50 dB, the accuracy of measuring the MR frequency is increased, the design of the device is simplified and its functionality is expanded.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98124039/28A RU2161783C2 (en) | 1998-12-30 | 1998-12-30 | Fiberoptical temperature-sensitive element based on microresonator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98124039/28A RU2161783C2 (en) | 1998-12-30 | 1998-12-30 | Fiberoptical temperature-sensitive element based on microresonator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU98124039A RU98124039A (en) | 2000-09-27 |
| RU2161783C2 true RU2161783C2 (en) | 2001-01-10 |
Family
ID=20214217
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU98124039/28A RU2161783C2 (en) | 1998-12-30 | 1998-12-30 | Fiberoptical temperature-sensitive element based on microresonator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2161783C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2610382C1 (en) * | 2015-12-28 | 2017-02-09 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Научно-Производственное Предприятие "Технология" | Method of adjusting maximum sensitivity of fibre-optic hydrophone |
| CN108414104A (en) * | 2018-03-30 | 2018-08-17 | 中国计量大学 | A kind of micro- hanging bridge temperature detection device of H-type with bimetallic plated film |
-
1998
- 1998-12-30 RU RU98124039/28A patent/RU2161783C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2610382C1 (en) * | 2015-12-28 | 2017-02-09 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Научно-Производственное Предприятие "Технология" | Method of adjusting maximum sensitivity of fibre-optic hydrophone |
| CN108414104A (en) * | 2018-03-30 | 2018-08-17 | 中国计量大学 | A kind of micro- hanging bridge temperature detection device of H-type with bimetallic plated film |
| CN108414104B (en) * | 2018-03-30 | 2024-01-23 | 中国计量大学 | H-shaped micro-suspension bridge temperature detection device with bimetal coating |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2152601C1 (en) | Fiber-optic pressure transducer (design versions) and its manufacturing process | |
| JP5096858B2 (en) | Optical resonator gyroscope and method for reducing resonance asymmetry error | |
| US7274835B2 (en) | Optical waveguide displacement sensor | |
| US8290316B2 (en) | Self-referenced optical fiber sensor and related sensor network | |
| CA2921526C (en) | Phase-front-modulation sensor and method of fabrication | |
| EP2857876B1 (en) | Tunable VCSEL | |
| US20140043614A1 (en) | On-fiber optomechanical cavity based sensor | |
| KR970062655A (en) | Linear type laser sensor | |
| KR960015900B1 (en) | Polarimetric fiber laser sensor | |
| US4891512A (en) | Thermo-optic differential expansion fiber sensor | |
| JP2007114141A (en) | Laser measuring device | |
| RU2161783C2 (en) | Fiberoptical temperature-sensitive element based on microresonator | |
| Wolfelschneider et al. | Optically excited and interrogated micromechanical silicon cantilever structure | |
| RU2169904C2 (en) | Fiber-optical self-excited oscillator | |
| RU2135957C1 (en) | Microresonator fiber-optical converter of physical quantities | |
| RU2110049C1 (en) | Fiber-optic temperature sensor using microresonator | |
| Lammerink et al. | Fiber-optic sensors based on resonating mechanical structures | |
| JP2015042982A (en) | Heterodyne detection device for generating image of object by re-injection | |
| JP2019113328A (en) | Displacement measurement method and apparatus | |
| RU2135958C1 (en) | Fiber-optical active oscillator | |
| RU2142117C1 (en) | Microresonator fiber-optical transmitter of angular displacements | |
| KR20220131927A (en) | Optical device for sound wave detection | |
| RU2163354C1 (en) | Fiber-optical self-sustained oscillator | |
| RU2135963C1 (en) | Microresonator fiber-optical converter of physical quantities | |
| RU2142114C1 (en) | Microresonator fiber-optical sensor of concentration of gases |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20031231 |