ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ НА ОСНОВЕ МИКРОРЕЗОНАТОРА Российский патент 2001 года по МПК G01K11/32 

Изобретение относится к волоконно-оптическим преобразователям физических величин (температуры, давления, ускорения) с использованием микромеханических резонаторов, возбуждаемых светом.

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.

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.

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.

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.

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 Y_A мВт/мкм интерферометра Фабри-Перо в рабочей точке A в интерференционном канале съема информации.

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 (50-150^oC).

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.

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 f_мр. Под действием переменного температурного поля изменяется величина f_мр. Основной вклад в температурную зависимость собственной частоты колебаний микроконсоли вносит зависимость модуля Юнга, плотности материала и геометрических размеров микроконсоли от температуры.

Промодулированное МР излучение волоконно-оптического лазера попадает с выходного торца световода на фотоприемник, электрически связанный с блоком обработки информации.

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.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке ВОД температуры на основе МР с высоким коэффициентом преобразования, отличающегося высокой чувствительностью и точностью.

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 Θ_n.
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 Θ_n к оптической оси падающего пучка, а второй является выходным.

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.

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.

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.

Фокусное расстояние f в свою очередь определяется формулой

где n - показатель преломления материала ЦЛ,
R - радиус кривизны ЦЛ.

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.

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.

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.

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.

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.

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 f_мр = F.

Эти условия формируются следующим образом:
- в исходном состоянии угол отклонения Θ_n отражающей поверхности МР находится в интервале Θ₁ ≅ θ_n ≅ Θ₂, границы которого (Θ₁,Θ₂) зависят от характеристик МР и волоконно-оптического лазера;
- резонансная частота МР близка к частоте релаксационных колебаний волоконно-оптического лазера f_рел или ее гармоник, т.е. f_мр ≈ n_оf_рел, где n_о = 1, 2, 3. . . Отметим, что f_рел определяется относительной накачкой r = P_н/P_н.п., где P_р.н. - пороговый уровень накачки лазера;
- средняя мощность излучения превышает определенный пороговый уровень зависящий от характеристик МР и волоконно-оптического лазера.

Выходной сигнал предлагаемого ВОД температуры модулируется резонансной частотой МР вследствие модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора волоконно-оптического лазера.

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.

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 R_о оптического резонатора волоконно-оптического лазера, возникающей при колебаниях МР.

Волоконно-оптический лазер представляет собой отрезок одномодового активированного световода длиною L_о, накачка которого может осуществляться различными способами, например через отрезок буферного неактивированного световода, идеально согласованного с активированным световодом.

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.).

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.

На чертеже представлена схема ВОД температуры, где 1 - волоконно-оптический лазер, активированный эрбием, накачка которого осуществляется на длине волны λ_н = 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 Θ_n 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.

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 Θ_n.
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 t_к, L_к - толщина и длина микроконсоли соответственно, E - модуль Юнга, ρ - плотность материала.

Основной вклад в температурную зависимость собственной частоты колебаний f_мр микроконсоли дает зависимость E, ρ, t_к, L_к от температуры. Промодулированное МР излучение волоконно-оптического лазера попадает с выходного торца световода 6 на фотоприемник 11, электрически связанный с блоком обработки информации 12.

Кроме того, эксперимент показал, что при изменении H в значительных пределах (± 1,5 мм) срыва автоколебаний не наблюдалось при Δf_мр/f_мр ≈ 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.

Таким образом, предложен новый принцип построения ВОД температуры на основе волоконно-оптического лазера и микрорезонатора в виде микроконсоли.

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.

Пороговая чувствительность ВОД температуры при относительной флюктуации частоты ≈ 10^-6 и коэффициенте преобразования K_т = -5,7·10^-5 K^-1 составляет ≅ 0,02^oC.

В диапазоне измеряемых температур (-100. ..+200^oC) K_т практически не изменяется, нелинейность не превышает 1%.

В заявляемом устройстве отношение сигнал-шум более 50 дБ, увеличена точность измерения частоты МР, упрощена конструкция устройства и расширены его функциональные возможности.

Изобретение относится к волоконно-оптическим преобразователям физических величин с использованием микромеханических резонаторов, возбуждаемых светом. В волоконно-оптическом датчике температуры на основе микрорезонатора для возбуждения автоколебаний используется волоконно-оптический лазер. Лазер сопряжен с модифицированным автоколлиматором входным торцом световода и выполнен с возможностью формирования в плоскости отражающей поверхности микрорезонатора светового пятна заданных размеров. Отражающая поверхность микрорезонатора образует с выходным торцом световода двухзеркальный оптический резонатор волоконно-оптического лазера. Причем отражающая поверхность микрорезонатора в исходном положении ориентирована к оптической оси коллимированного луча под некоторым заданным углом. Такая конструкция преобразователя отличается высокой чувствительностью и точностью. 1 ил.

Волоконно-оптический датчик температуры на основе микрорезонатора, содержащий микрорезонатор с отражающей поверхностью, волоконный световод, волоконно-оптический лазер, лазерный канал возбуждения микрорезонатора и интерференционный канал съема информации, отличающийся тем, что 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 θ_n.