МНОГОКАНАЛЬНАЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА КОНЦЕНТРАЦИИ РАЗЛИЧНЫХ ГАЗОВ Российский патент 2004 года по МПК G01N21/39 

Изобретение относится к волоконно-оптическим автогенераторным системам на основе волоконных лазеров с микрорезонаторными зеркалами и может быть использовано в системах измерения различных физических величин, например концентрации газов, температуры, давления и др.

В настоящее время большое внимание уделяется разработке мультиплексных измерительных систем на основе микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков с частотным кодированием сигнала, принцип действия которых основан на зависимости частоты автоколебаний от величины различных внешних воздействий.

Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемым результатам является мультиплексная система автогенераторных микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков физических величин, см. патент РФ №2142615, кл. G 01 H 9/00, 1998 г.

Система используется для измерения различных физических величин, например температуры, давления, концентрации газов и др. В автогенераторной мультиплексной системе, содержащей два измерительных канала, резонансное взаимодействие волоконного лазера (ВЛ) с микрорезонаторной структурой осуществляется на основе модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений одного из зеркал, в качестве которого служит микрорезонатор (МР). При этом один торец одномодового световода сопряжен с автоколлиматором (А), формирующим параллельный пучок света на отражающую поверхность МР, ориентированного под заданным углом θ к оптической оси А, а второй является выходным. В качестве блока обработки сигнала используется частотомер.

К недостаткам данной мультиплексной системы (МС) следует отнести следующее.

Оптическим резонатором ВЛ в аналоге является весь волоконно-оптический тракт (от зеркала М до отражающей поверхности микрорезонаторной структуры 6), включающий в себя как активный, так и пассивный отрезки световодов. Значительная длина волоконного тракта, составляющая 10÷ 100 м, приводит к сильной чувствительности МС к дестабилизирующим факторам, воздействующим на весь тракт. По существу весь волоконно-оптический тракт является антенной, принимающей различные воздействия на него, например изгибы световодов, изменение температуры окружающей среды, давления и т.д., что приводит к нестабильности характеристик оптического резонатора ВЛ и снижает точность измерений МС.

Кроме того, благодаря резонансному характеру возбуждения автоколебаний, при котором частота релаксационных колебаний ВЛ f_рел совпадает с собственной частотой МР f (f_рел≈_{f), зоны возбуждения автоколебаний в пространстве параметров МС представляют собой дискретные области. При этом опрос зоны возбуждения разных микрорезонаторных структур осуществляется за счет сканирования тока питания ВЛ. Это значит, что при данном способе мультиплексирования микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков физических величин, в том числе и датчиков концентрации газов, осуществляется последовательное возбуждение автоколебаний в каждом из каналов с резонансными частотами, соответствующими данному МР, следовательно, получение информации о величине измеряемого параметра в данной МС осуществляется не непрерывно, а дискретно.}

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке многоканальной волоконно-оптической измерительной системы концентрации газов, отличающейся от аналога следующими преимуществами:

- увеличена точность измерений;

- сняты ограничения на удаленность чувствительного элемента, реагирующего на изменение концентрации газов, от места размещения регистрирующей электронной аппаратуры;

- расширены функциональные возможности системы.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в многоканальной волоконно-оптической измерительной системе концентрации различных газов, содержащей источник излучения, разветвитель, разделяющий световой поток от источника излучения и направляющий его в N измерительных каналов, каждый из которых содержит микрорезонатор, а также фотоприемник и блок обработки сигнала, при этом источник излучения представляет собой полупроводниковый лазер накачки, в качестве разветвителя использован многомодовый волоконный разветвитель, входной торец которого оптически связан с полупроводниковым лазером накачки, а N свободных торцов сопряжены с N измерительными каналами, каждый из которых дополнительно содержит отрезок активного одномодового световода с зеркалом на основе Брегговской решетки и представляет собой волоконный лазер, длины отрезков световодов и интенсивности излучения волоконных лазеров задаются в соответствии с условиями возбуждения автоколебаний микрорезонаторов в отдельных каналах, при этом микрорезонатор в каждом канале выполнен в виде планарной микрорезонаторной структуры с получением опорного и сигнального каналов, причем сигнальный канал содержит пленку-сорбент, а каждый волоконно-оптический лазер выполнен с возможностью возбуждения гармонических колебаний на разностных частотах, соответствующих одновременно возбуждаемым автоколебаниям в опорном и сигнальном каналах.

Суть предлагаемого технического решения заключается в следующем. Предложена новая схема построения многоканальной волоконно-оптической измерительной системы концентрации газов, допускающей непрерывную и одновременную работу различных измерительных каналов на основе использования активных световодов, легированных редкоземельными элементами Y+3в

-Е+3r для создания высокоэффективных эрбиевых волоконных лазеров (ЭВЛ) с малыми длинами волоконных резонаторов l≤ 0,1 м. Широкий диапазон энергетических и динамических характеристик рассматриваемых ЭВЛ дает возможность создания мультиплексной автогенераторной волоконно-оптической измерительной системы концентрации газов нового типа. При этом применение в каждом канале многоэлементных планарных микрорезонаторных структур, одновременно взаимодействующих с излучением отдельного волоконно-оптического лазера, открывает дополнительные возможности для увеличения точности измерения за счет существенного ослабления влияния аддитивных дестабилизирующих воздействий на измерительный канал системы. Следует отметить, что в данном случае резонансные частоты элементов микрорезонаторной структуры f_к1, f_к2 (где к - номер канала), взаимодействующих с одним и тем же лазером, должны быть достаточно близкими

f_рел≈_fк1≈fк2.

Проявлением резонансной автомсдуляции в двух одновременно возбуждаемых микрорезонаторах планарной структуры является появление в спектре автомодуляции интенсивности лазера разностных частот Δ F_к=f_к1-f_к2(f_к<f_к2), что позволяет организовать измерительный канал по дифференциальной схеме измерений. При этом измерительный процесс в каждом к-ом канале построен таким образом, что в одновременно возбуждаемой паре МР один МР является опорным, а другой -измерительный, снабженным пленкой-сорбентом, чувствительной к измеряемой концентрации газа.

Применение таких микроструктур целесообразно, например, при разработке волоконно-оптических датчиков концентрации различных газов. Благодаря сравнительно малой длине волоконного лазера влияние дестабилизирующих факторов существенно ослабляется и, следовательно, улучшается точность.

Применение волоконных лазеров с короткими резонаторами позволяет также существенно расширить диапазон собственных частот используемых микрорезонаторов. Кроме того, в связи с тем, что волоконно-оптическая схема рассматриваемой измерительной системы инвариантна к типу применяемых волоконных лазеров, характеризующихся малым временем жизни метастабильного уровня, порядка 0,1 мсек, и, следовательно, высокими частотами релаксационных колебаний в измерительном канале, возможно применение микрорезонаторов с собственными частотами до 10 МГц, что позволяет существенно повысить быстродействие и динамический диапазон измерительной системы концентрации газов.

Современная технология микромеханики позволяет создавать кремниевые микрорезонаторы с собственными частотами основной моды колебаний свыше 100 МГц, имеющих акустическую добротность более 10³ и обладающих высокой эффективностью возбуждений колебания. Проблема разработки селективных анализаторов состава газовых смесей в агрессивных средах стимулирует поиск путей построения мультиплексной автогенераторной волоконно-оптической измерительной системы концентрации газов различных конструкций. В этой связи особую перспективу открывает возможность построения многоканальной измерительной системы концентрации различных газов на основе применения многомодового волоконного разветвителя и набора N независимых эрбиевых волоконных лазеров и N пар микрорезонаторных зеркал. Оптическая накачка активных светводов осуществляется излучением единственного полупроводникового лазера накачки ПЛ с помощью многомодового волоконного разветвителя типа 2× N. Роль второго полупрозрачного зеркала в ВЛ может выполнять Брэгговская решетка (БР), сформированная непосредственно в световоде и характеризующаяся высокой стабильностью параметров. При этом измерительные каналы отличаются друг от друга длиной отрезка активного светвода l_k и интенсивностью излучения волоконно-оптических лазеров Р_k. Кроме того, следует учитывать тот факт, что в каждом измерительном канале длины отрезков отдельных световодов l_k, а также интенсивность ВЛ P_k задаются в соответствии с условиями возбуждения автоколебаний в отдельных каналах ВЛ_k-МР_k:f_peл(P_k1_k)·f_k.

Следовательно, в условиях непрерывной накачки многоканальные датчики одновременно возбуждаются устойчивые автоколебания множества микрорезонаторов, при этом выходной сигнал фотоприемника содержит гармонические составляющие с разностными резонансными частотами рассматриваемых микрорезонаторов. В предлогаемом техническом решении микрорезонаторная структура выбрана в виде микроконсолей из кремния и пьезокварца, при этом один из них (в измерительном канале) снабжен пленкой-сорбентом.

На чертеже представлена типовая схема многоканального волоконно-оптического датчика концентрации концентрации различных газов дифференциального типа. Здесь 1 - эрбиевый волоконный лазер, 2 -полупроводниковый лазер накачки, 3 - многомодовый разветвитель, входной торец которого связан с полупроводниковым лазером 2, а другие торцы сопряжены с соответствующими резонаторами волоконного лазера 1, 4-дихроические зеркала, отражающие излучение на линии генерации лазера λ и пропускающие на длине волны полупроводникового лазера накачки λ _H=0,98 мкм, при этом дихроические зеркала выполнены на основе Брэгговских отражателей, сформированных непосредственно в световодах, 5 - микрорезонаторные зеркала, 6 - фотоприемник, 7 - блок обработки сигналов.

Устройство работает следующим образом.

Накачка волоконных лазеров 1 осуществляется полупроводниковым лазером 2, излучение которого с помощью волоконного разветвителя 3 направляется в соответствующие отрезки активных световодов 8. В условиях непрерывной накачки в данном устройстве одновременно могут возбуждаться автоколебания различных пар микрорезонаторов. При этом выходной сигнал фотоприемника 6 содержит гармонические составляющие на разностных частотах, соответствующих колебаниям N пар микрореpонаторов, тем самым осуществляется частотное мультиплексирование дифференциальный микрорезонаторных ВОД концентрации газов, обладающих высокой чувствительностью и точностью. Определение концентрации газа осуществляется блоком обработки сигналов 7 по определенному алгоритму с учетом площади сорбента, коэффициента диффузии газа и массы газа m_г, поглощенной пленкой с сорбентом и определяемой по формуле: Δ F_к=f_к1-f_к2(f_к<f_к2), где f - собственная частота микрорезонатора.

Важно отметить, что предложенная многоканальная волоконно-оптическая измерительная система концентрации газа допускает дальнейшее развитие в направлениях увеличения количества измерительных каналов и повышения точности измерений за счет дополнительного спектрального или поляризационного разделения каналов и использования одномодовых (одночастотных) волоконных лазеров с активной средой на основе поляризующих световодов.

Использование: волоконно-оптические автогенераторные системы на основе волоконных лазеров c микрорезонаторными зеркалами, системы измерения различных физических величин. Сущность изобретения: предложена новая схема построения многоканальной волоконно-оптической измерительной системы концентрации газов, допускающей непрерывную и одновременную работу различных измерительных каналов на основе использования активных световодов, легированных редкоземельными элементами для создания высокоэффективных эрбиевых волоконных лазеров с малыми длинами волоконных резонаторов. Проявлением резонансной автомодуляции в двух одновременно возбуждаемых микрорезонаторах планарной структуры является появление в спектре автомодуляции интенсивности лазера разностных частот, что позволяет организовать измерительный канал по дифференциальной схеме измерений. При этом измерительный процесс в каждом к-ом канале построен таким образом, что в одновременно возбуждаемой паре микрорезонаторов один микрорезонатор является опорным, а другой - измерительным, снабженным пленкой-сорбентом, чувствительной к измеряемой концентрации газа. Техническим результатом является повышение точности измерений. 1 ил.

Многоканальная волоконно-оптическая измерительная система концентрации различных газов, содержащая источник излучения, разветвитель, разделяющий световой поток от источника излучения и направляющий его в N измерительных каналов, каждый из которых содержит микрорезонатор, а также фотоприемник и блок обработки сигнала, отличающаяся тем, что источник излучения представляет собой полупроводниковый лазер накачки, в качестве разветвителя использован многомодовый волоконный разветвитель, входной торец которого оптически связан с полупроводниковым лазером накачки, а N свободных торцов сопряжены с N измерительными каналами, каждый из которых дополнительно содержит отрезок активного одномодового световода с зеркалом на основе Брегговской решетки и представляет собой волоконный лазер, длины отрезков световодов и интенсивности излучения волоконных лазеров задаются в соответствии с условиями возбуждения автоколебаний микрорезонаторов в отдельных каналах, при этом микрорезонатор в каждом канале выполнен в виде планарной микрорезонаторной структуры с получением опорного и сигнального каналов, причем сигнальный канал содержит пленку-сорбент, а каждый волоконно-оптический лазер выполнен с возможностью возбуждения гармонических колебаний на разностных частотах, соответствующих одновременно возбуждаемым автоколебаниям в опорном и сигнальном каналах.