МИКРОРЕЗОНАТОРНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ Российский патент 2000 года по МПК G01H9/00 

Изобретение относится к волоконно-оптическим преобразователям физических величин (температуры, давления, электромагнитных нолей и др.) с использованием микромеханических резонаторов (МР), возбуждаемых светом.

Конструктивно МР, как правило, представляют собой микробалку, микроконсоль, микромембрану и т.п., изготовленные из монокристаллов кремния или пьезокварца методами анизотропного травления, плазмохимии монокристаллических материалов. Внешнее воздействие деформирует подложку МР и через изменение внутреннего механического напряжения изменяет резонансную частоту акустических колебаний, возбуждаемых светом.

В связи с малой амплитудой колебаний МР (~0,1 мкм) в волоконно-оптических датчиках (ВОД) физических величин применяются как интерферометрический метод съема информации о резонансной частоте МР с помощью интерферометра Фабри-Перо, так и частотный.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является ВОД физических величин с оптическим методом возбуждения колебаний МР и частотным съемом информации (см. патент РФ N 2135957, БИ N 24 от 27.06.99 г.).

Устройство содержит волоконно-оптический лазер (ВОЛ), МР, выполненный в виде микромостика (микромостика на мембране), коллиматор, выполненный в виде градиентной стержневой линзы (ГСЛ) в четверть периода, формирующей Гауссовы пучки, одномодовый изотропный световод, полупрозрачное зеркало, в качестве которого служит граница раздела световод-воздух с коэффициентом отражения R₁-3,2%, фотоприемник, анализатор спектра, полупроводниковый лазер накачки на длине волны =0,98 мкм.

В известном техническом решении один торец световода ВОЛ оптически сопряжен с коллиматором, расположенным между этим торцом и МР, а второй торец является выходным и связан с анализатором 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 углом
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.

Недостатком данного решения является следующее. Наличие в конструкции ВОД автоколлиматора на основе стержневых линз снижает стабильность параметров коллимированного пучка в условиях воздействия на автоколлиматор таких дестабилизирующих факторов, как изменение температуры, давления, ускорения и др. Нестабильность параметров коллимированного пучка ухудшает такие характеристики микрорезонаторных ВОД физических величин, как надежность, точность, быстродействие, а также снижает эффективность взаимодействия ВОЛ с МР за счет нестабильности угла начальной ориентации оптической оси коллимированного пучка относительно нормали к отражающей поверхности МР. Кроме того, в известном техническом решении конструкция и технология изготовления МР ограничивают возможность его применения для измерения параметров магнитных полей. Действительно, выполненный из монокристалла кремния методом анизотропного травления и плазмохимии МР также снабжен дополнительным покрытием из металла, которое выполняют роль второго зеркала резонатора ВОЛ (первое - граница раздела световод-воздух на входе фотоприемника). Такой МР мало эффективен для измерения напряженности магнитного поля.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке микрорезонаторного волоконно-оптического датчика физических величин для измерения магнитных полей, на основе применения магнитосилового эффекта, возникающего при взаимодействии измеряемого магнитного поля с микрорезонатором, что обуславливает изменение его характеристик и, следовательно, изменение резонансной частоты в системе ВОЛ-МР.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в микрорезонаторном волоконно-оптическом датчике магнитных полей, включающем волоконно-оптический лазер в качестве источника оптического излучения, микрорезонатор с зеркальным отражателем, автоколлиматор, фотоприемник, анализатор спектра, в качестве автоколлиматора использован волоконный автоколлиматор, выполненный в виде одномодового кварцевого световода со сферической линзой, сформированной на торце световода, а микрорезонатор выполнен в виде пленки из магнитного материала, а также тем, что в качестве магнитного материала микрорезонатора использовано спиновое стекло, а также тем, что в качестве магнитного материала микрорезонатора использован монокристалл железоиттриевого граната.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в разработке волоконно-оптического датчика магнитных полей, в котором коллимирование луча, взаимодействующего с МР, осуществляется с помощью волоконного автоколлиматора, а изменение параметров измеряемого магнитного поля сопряжено с изменением характеристик МР, приводящих к изменению резонансной частоты в системе ВОЛ-МР (при осуществлении модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений одного из зеркал резонатора ВОЛ, в качестве которого служит МР).

Предлагаемый волоконный автоколлиматор выполнен в виде участка одномодового кварцевого световоде со сферической микролинзой, сформированной непосредственно на торце этого световода.

В Гауссовом приближении зависимость параметров коллимированного пучка d, от геометрических размеров микролинзы и характеристики световода описывается выражениями:

где d - диаметр коллимированного пучка, формируемого микролинзой на ее выходе;
θ₀ - угол расходимости коллимированного пучка;
d_с - диаметр световедущей сердцевины световода;
NA - числовая апертура одномодового световода;
l - длина микролинзы;
n - показатель преломления материала микролинзы.

Радиус микролинзы R рассчитывается по формуле
(2)
которая подучена из условия, что торец световода располагается в фокальной плоскости микролинзы, а показатель преломления среды (воздуха), в которой распространяется коллимированный пучок, принят равным 1. Оптимальное значение расстояния L между микролинзой и МР определяется экспериментально из условия максимального значения отношения сигнал-шум.

Стабильность параметров коллимированного пучка обеспечивается, во-первых, конструкцией автоколлиматора, представляющей собой монолитную структуру из одномодового материала, в которой соединение кварцевого световода с микролинзой из кварцевого стекла осуществляется с помощью сварки в электрической дуге, позволяющей получить высокую механическую прочность и эффективное оптическое сопряжение элементов, во-вторых, слабым влиянием дестабилизирующих факторов (изменений температуры, давления, электромагнитных полей и др.) на показатель преломления и геометрические размеры микролинзы.

Так, в соответствии с формулой (1), исходя из известных значений термооптических и фотоупругих характеристик для кварцевого стекла (световода), получим оценки:


Это значит, что в диапазоне температур 0...800^oC изменения параметров коллимированного пучка не превышают соответственно 5 и 3%.

Далее отметим, что при данном способе возбуждения автоколебаний в системе ВОЛ-МР основным фактором, определяющим эффективность взаимодействия ВОЛ и МР, является угол расходимости пучка θ₀, определяющий ширину интервала Δθ_u= θ₂-θ₁, а именно, чем меньше угол расходимости θ₀, тем больше ширина интервала Δθ_u, и наоборот.

В предлагаемой конструкции автоколлиматора АК обеспечивается возможность вариации значений θ₀ в широких пределах, что приводит к существенному увеличению ширины зоны существования устойчивых автоколебаний в системе ВОЛ-MP и, следовательно, повышает эффективность их взаимодействия и улучшает технические характеристики устройства: точность, надежность, стабильность.

Для иллюстрации возможностей волоконного АК ниже приводятся оценки параметров коллимированных пучков (d, θ₀) при некоторых типовых значениях геометрических размеров волоконных АК и характеристик одномодового световода.

Имеем, при
- диаметре микролинзы, D (мкм), 200...300;
- длине микролинзы, l (мкм), 700...900;
- радиусе микролинзы, R (мкм), 200...300;
- параметрах одномодового световода ( λ = 1,55 мкм, NA - 0,15, d_с = 6,5 мкм)
следующие параметры коллимированных пучков:
- диаметр коллимированного пучка, формируемого микролинзой на ее выходе (мкм), d - 50...150,
- угол расходимости коллимированного пучка (рад)
Q₀ = 8 • 10^-3...2 • 10^-2
Что касается сущности магнитосилового эффекта и его использования, то здесь следует отметить следующее.

Дифференциальное уравнение изгибных колебаний МР, находящегося под действием продольной силы F_x, направленной вдоль его длины, в общем случае эаписывается в виде

где μ - масса единицы длины МР;
E - модуль Юнга МР,
I - момент инерции поперечного сечения МР.

Представляя изгибные колебания y (x, t) в виде ϕ(x)l^iωt, получаем:
ϕ^IV-ρϕ^II-K⁴ϕ = 0, (4)
где
здесь ω_к - частота собственных колебаний МР.

Решение уравнения (3) с учетом (4) требует введения соответствующих граничных условий.

Рассмотрим в качестве примера МР, выполненный в двух модификациях: в виде микроконсоли и микробалки. Для микроконсоли граничные условия в рассматриваемом случае можно представить как

где l - длина микроконсоли.

При размещении МР в виде микроконсоли (из магнитомягкого аморфного сплава) во внешнее магнитное поле с напряженностью H_x под действием силы F_x изменяются характеристики МР, что приводит к изменению частоты собственных колебаний МР, описываемых выражением (3).

Если магнитное поле намагничивает консоль до насыщения, то
F_x = S•M_s•H_x,
где M_s - намагниченность насыщения;
S - площадь поперечного сечения консоли (a x d),
где a - ширина, d - толщина консоли, H_x - напряженность магнитного поля.

Решая (3) совместно с (5) в модернизованных функциях Крылова I (Бабанов И. Н. "Теория колебаний", М. , Наука, стр.29), получаем трансцендентное уравнение, из которого следует, что при F_xl²/EI≤1 частота собственных колебаний МР зависит линейно от величины H_x:

При H_x≤H_A (где H_A - поле анизотропии, параметр ферромагнетика) эффект магнитосилового взаимодействия мал, и в выражении (6) можно пренебречь соответствующим членом в квадратных скобках по сравнению с единицей. Тогда частота собственных колебаний МР будет изменяться, главным образом, за счет изменения модуля упругости E от H_x:

При использовании МР в виде балки, закрепленной с двух сторон, ход рассуждений аналогичен. Применительно к балке, краевые условия запишутся в виде:

Решая уравнение (3) с учетом (8) в функциях Крылова [I], находим, что частота f собственных колебаний МР, нагруженного продольной силой F_x, связана с частотой ненагруженного резонатора f₀ следующим образом:
f²= f20

При увеличении продольной силы F_x влияние упругих свойств балки на изгибную жесткость уменьшается, и в пределе при F_x_→ ∞ формула (10) переходит в формулу для частоты колебаний струны с α = 0,0197.

Предлагаемый принцип построения волоконно-оптического датчика магнитных полей позволяет реализовать измерительное устройство также на основе магнитострикции. При этом могут быть использованы известные модификации конструкции МР: микроконсоль, микромостик на мембране.

На чертеже представлена схема микрорезонаторного волоконно-оптического датчика магнитного поля нового типа, где - ВОЛ, активированный эрбием, накачка которого осуществляется на длине волны λ_н = 0,98 мкм, 2 - одномодовый световод, 3 - АК, выполненный в виде участка одномодового кварцевого световода со сферической микролинзой, сформированной непосредственно на торце световода, 4 - зеркало M₁ оптического резонатора, в качестве которого служит граница раздела световод-воздух, 5 - МР, представляющий собой ленту (пленку) из магнитомягкого аморфного сплава (например, спиновое стекло (металл-глас), монокристалл железоиттриевого граната) в виде микроконсоли (микробалки), 6 - угол между нормалью к отражающей поверхности МР и оптической осью пучка, сформированного волоконным АК 3, 7 - зеркало M₂, в качестве которого использована отражающая поверхность МР, l - длина микролинзы, D - диаметр микролинзы, d - диаметр коллимированного пучка, H - расстояние между микролинзой и МР, 8 - микролинза, R - радиус микролинзы, 9 - фотоприемник, 10 - анализатор спектра, H_x магнитное измеряемое поле.

Устройство работает следующим образом.

При размещении датчика в измеряемое магнитное поле H_x в результате магнитосилового взаимодействия поля и МР 5 изменяются характеристики МР 5. При этом продольная ось МР 5 и направление магнитных сил F_x совпадают. Независимо от конфигурации МР (консоль, балка) изменение характеристик МР приводит к изменению его собственной резонансной частоты. В системе ВОЛ 1-МР 5 устанавливается автоколебательный режим с частотой колебаний F, совпадающей с резонансной частотой i-й моды колебаний МР: f_i = F, где i = 1,2,...m. При этом автоколебательный режим в системе ВОЛ-МР осуществляется за счет модуляции амплитуды коэффициента отражения оптического резонатора ВОЛ вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений зеркала, в качестве которого служит МР.

Таким образом, предложен новый принцип построения микрорезонаторного волоконно-оптического ВОД магнитного поля, содержащего волоконный автоколлиматор, обеспечивающий высокую стабильность параметров коллимированного пучка в широком диапазоне воздействия дестабилизирующих факторов.

Изобретение позволяет получить следующие положительные свойства:
- снижение массы и габаритов ВОД;
- повышение надежности, точности, стабильности, быстродействия;
- увеличение эффективности взаимодействия волоконно-оптического лазера и микрорезонатора.

Использование: в волоконно-оптических преобразователях физических величин с использованием микромеханических резонаторов, возбуждаемых светом. Сущность изобретения: в волоконно-оптическом датчике магнитных полей коллимирование луча, взаимодействующего с микрорезонатором 5, осуществляется с помощью волоконного автоколлиматора 3. Изменение параметров измеряемого магнитного поля сопряжено с изменением характеристик микрорезонатора 5, приводящих к изменению резонансной частоты в системе волоконно-оптический лазер -микрорезонатор. Волоконный автоколлиматор 3 выполнен в виде участка одномодового кварцевого световода со сферической микролинзой, сформированной непосредственно на торце этого световода. Технический результат: разработка микрорезонаторного волоконно-оптического датчика физических величин для измерения магнитных полей. 1 с. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Микрорезонаторный волоконно-оптический датчик магнитных полей, включающий волоконно-оптический лазер в качестве источника оптического излучения, микрорезонатор с зеркальным отражателем, автоколлиматор, фотоприемник, анализатор спектра, отличающийся тем, что в качестве автоколлиматора использован волоконный автоколлиматор, выполненный в виде одномодового кварцевого световода со сферической линзой, сформированной на торце световода, а микрорезонатор выполнен в виде пленки из магнитного материала. 2. Микрорезонаторный волоконно-оптический датчик магнитных полей по п.1, отличающийся тем, что в качестве магнитного материала микрорезонатора использовано спиновое стекло. 3. Микрорезонаторный волоконно-оптический датчик магнитных полей по п.1, отличающийся тем, что в качестве магнитного материала микрорезонатора использован монокристалл железоиттриевого граната.