ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ АВТОГЕНЕРАТОР Российский патент 2001 года по МПК G01D5/26 G01H9/00 G01H1/06 

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

Известны работы по созданию нового класса волоконно-оптических автогенераторов на основе использования микромеханического резонатора (МР) и оптического когерентного излучения, взаимодействующего с МР. В литературе сообщается о разработках различных схем по оптическому возбуждению колебаний МР 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, вследствие чего в МР возникает изгибный момент, изменяющийся в фазе с моделированным оптическим излучением, который приводит к механическим колебаниям на собственной резонансной частоте МР.

Внешнее воздействие (температура, давление, ускорение и др.) 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 автогенераторах 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.

Непосредственная связь с цифровым устройством измерения без необходимости преобразования аналог-цифра, большая протяженность оптического канала передачи, высокая потенциальная точность измерений резонансной частоты делают этот тип датчиков перспективным.

Однако микрорезонаторные автогенераторы, основанные на фотометрическом возбуждении МР и оптическом детектировании колебаний, обладают следующим недостатком.

Положение рабочей точки А интерферометра Фабри-Перо нестабильно и ее смещение зависит одновременно как от дрейфа основных характеристик МР, так и от нестабильности источника излучения и параметров интерферометра Фабри-Перо. Иными словами, на эффективность функционирования автогенератора влияет одновременно нестабильность характеристик канала возбуждения МР и канала интерферометрического съема информации, что требует принятия специальных мер по стабилизации положения рабочей точки А.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является волоконно-оптический автогенератор, описанный в авторском свидетельстве СССР N 1769001, кл. G 01 H 9/00, 1990. Известный волоконно-оптический автогенератор содержит волоконно-оптический лазер, один торец световода которого сопряжен с фокусирующей системой, расположенной между этим торцом и микрорезонатором.

Известное техническое решение характеризуется следующими недостатками, характерными для измерителей амплитудного типа на эффекте модуляции фазы:
- низкие чувствительность и точность измерений,
- жесткие требования к стабильности мощности источника излучения,
- жесткие требования к стабильности длин внутреннего и внешнего резонаторов.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке микрорезонаторного автогенератора с высоким коэффициентом преобразования, что позволяет увеличить чувствительность и точность устройства.

Поставленная задача обеспечивается тем, что в волоконно-оптическом автогенераторе, содержащем волоконно-оптический лазер, один торец световода которого сопряжен с фокусирующей системой, расположенной между этим торцом и микрорезонатором, фокусирующая система выполнена в виде градиентной стержневой линзы в четверть периода и цилиндрической линзы, выполненной из кварцевого световода, при этом отражающая поверхность микрорезонатора образует со вторым торцом световода, являющимся выходным, двухзеркальный оптический резонатор волоконно-оптического лазера, а отражающая поверхность микрорезонатора в исходном положении ориентирована к оптической оси коллимированного луча под некоторым углом θ_и
Микрорезонаторный автогенератор построен на основе применения волоконно-оптического лазера (ВОЛ) и модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений одного из зеркал, в качестве которого служит МР. При этом один торец одномодового световода ВОЛ сопряжен с фокусирующей системой, формирующей сфокусированный пучок света на отражающую поверхность МР, ориентированную под углом 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, достигается за счет применения фокусирующей системы, состоящей из 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 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 пучка, а ширина пятна a определяется дифракционным пределом, который оценивается соотношением:
a ≈ 2,44f_oλ/D,
где f₀ - фокусное расстояние рассматриваемой ЦЛ,
λ - длина волны излучения.

Фокусное расстояние f₀ в свою очередь определяется формулой:

где n - показатель преломления материала ЦЛ,
R - радиус сечения световода, из которого вырезана ЦЛ.

Таким образом, ширина пятна составляет

Полученная формула, связывающая параметры a, R, λ, n, D, позволяет в заявляемой конструкции автогенератора реализовать максимальное взаимодействие лазерного излучения с отражающей поверхностью МР системы путем формирования в плоскости отражающей поверхности МРС (фокальной плоскости ЦЛ) светового пятна, размеры которого соизмеримы с геометрическими размерами отражающей поверхности.

В заявляемой конструкции автогенератора 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 f₀ ≈ 2,2 мм.

Независимо от топологии и конструкции МР при выполнении определенных условий в рассматриваемой схеме устанавливается автоколебательный режим с частотой F, практически совпадающей с резонансной частотой f = F. Период следования выходных импульсов автогенератора обратно пропорционален частоте оптически возбужденных акустических колебаний микрорезонатора.

Эти условия формулируются следующим образом:
- в исходном состоянии угол отклонения θ_и отражающей поверхности МР находится в интервале θ₁≅ θ_и≅ 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≈nf_рел, где n = 1, 2, 3. . . . Отметим, что f_рел определяется относительной накачкой r = P_н/P_н.п., где P_н.п. - пороговый уровень накачки лазера;
- средняя мощность излучения превышает определенный пороговый уровень , зависящий от характеристик МР и волоконного лазера.

Выходной сигнал заявляемого автогенератора модулируется резонансной частотой МР вследствие модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора волоконно-оптического лазера.

Суть предлагаемого технического решения заключается в разработке микрорезонаторного волоконно-оптического автогенератора, в котором для возбуждения автоколебаний используется волоконно-оптический лазер, при этом для существовании автоколебательного режима в системе волоконно-оптический лазер - микрорезонатор достаточно модуляции амплитуды коэффициента отражения P оптического резонатора волоконно-оптического лазера, возникающей при колебаниях микрорезонатора.

Волоконно-оптический лазер представляет собой отрезок одномодового активированного световода длиною L₀, 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 МР структуры с заданными акустическими характеристиками и топологией (например, в виде микромембраны, микромостика, микроконсоли и т.д.), что позволяет реализовать в системе МР - волоконно-оптический лазер автоколебания, резонансная частота которых зависит от воздействия соответствующих внешних факторов (температуры, давления, ускорения и др.).

На фиг. 1 представлена оптическая схема модифицированного автоколлиматора, где 1 - световод, 2 - АК, 3 - цилиндрическая линза, 4 - световое пятно в фокальной плоскости цилиндрической линзы, сфокусированное на отражающую поверхность микрорезонатора.

Согласно фиг. 1 ассиметричный коллимированный пучок, падающий на ЦЛ, преобразуется следующим образом. Угловая расходимость излучения α_o в горизонтальной плоскости OX, параллельной большой оси светового пятна 4 и проходящей через оптическую ось оптической системы OO', остается практически неизменной по сравнению с углом расходимости исходного АК, определяемого дифракционной расходимостью θ_o , и равна α_o≈ θ_o≈ (1...2)×10^-3 рад.

Расходимость в перпендикулярной плоскости OY существенно увеличивается и составляет По порядку величин расходимость β_o близка к числовой апертуре одномодового световода, равной Na ≈ 0,15.

Это обстоятельство существенно упрощает задачу угловой ориентации МРС в указанной плоскости. Дополнительные потери, вносимые ЦЛ в фокусирующую систему, не превышают (0,7...1) дБ. Просветление поверхности ЦЛ позволит уменьшить указанные потери до уровня 0,6 дБ.

На фиг. 2 представлена схема микрорезонаторного волоконно-оптического автогенератора заявленного типа, где 1 - волоконно-оптический лазер, активированный эрбием, накачка которого осуществляется на длине волны λ_н= 0,98 мкм, 2 - градиентная стержневая линза в четверть периода, 3 - цилиндрическая линза, 4 - световое пятно, сфокусированное на отражающую поверхность МР, 5 - одномодовый световод, 6 - фокусирующая система, 7 - зеркало М₁ оптического резонатора, в качестве которого служит граница раздела световод-воздух, 8 - МР, представляющий собой микромостик (мембрану, микроконсоль и т. п. ), 9 - заданный угол θ_и между нормалью к отражающей поверхности МР и оптической осью пучка света, сформированного фокусирующей системой 6, 10 - расстояние H между фокусирующей системой 6 и МР 8.

Устройство работает следующим образом.

Часть мощности ζ оптического пучка, сформированного фокусирующей системой 6, отражается от поверхности 4 микрорезонатора 8, нормаль к которой в исходном положении составляет угол θ_и с оптической осью OO', и возвращается обратно в резонатор волоконно-оптического лазера.

Изменение мощности излучения волоконно-оптического лазера W₁, падающей на МР 8, 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 устройстве устанавливается автоколебательный режим с частотой f ≈ F. Кроме того, эксперимент показал, что при изменении H как в субмикронном диапазоне, так и в значительных пределах (± 1,5 мм) срыва автоколебаний не наблюдалось при Δ F/F ≈ 10^-4.

При данном способе возбуждения автоколебаний увеличение эффективности взаимодействия волоконно-оптического лазера с микрорезонатором достигается за счет формирования светового пятна с размерами, соответствующими минимальной длине и ширине отражающей поверхности МР.

Таким образом, предложен новый принцип построения микрорезонаторного волоконно-оптического автогенератора. 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.

Изобретение используется для измерения температуры, давления, ускорения и др. Автогенератор построен на основе применения волоконно-оптического лазера и модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений одного из зеркал, в качестве которого служит микрорезонатор. Один торец одномодового световода волоконно-оптического лазера сопряжен с автоколлиматором, формирующим пучок света определенного размера на отражающей поверхности микрорезонатора, ориентированного под некоторым углом к оптической оси падающего пучка. Второй торец световода является выходным. Автоколлиматор выполнен в виде градиентной стержневой линзы и цилиндрической линзы. Повышены чувствительность и точность. 2 ил.

Волоконно-оптический автогенератор, содержащий волоконно-оптический лазер, один торец световода которого сопряжен с фокусирующей системой, расположенной между этим торцом и микрорезонатором, отличающийся тем, что фокусирующая система выполнена в виде градиентной линзы в четверть периода и цилиндрической линзы, выполненной из кварцевого световода, при этом отражающая поверхность микрорезонатора образуют со вторым торцом световода, являющимся выходным, двухзеркальный оптический резонатор волоконно-оптического лазера, а отражающая поверхность микрорезонатора в исходном положении ориентирована к оптической оси коллимированного луча под некоторым углом θ_n.