Оптический гравиметр Российский патент 2021 года по МПК G01V7/00 

Появившиеся в последние годы научные публикации показывают, что микрорезонаторы с модами шепчущей галереи (далее - МШГ) могут успешно и эффективно применяться в качестве высокочувствительных датчиков линейных и угловых ускорений. Такие устройства могут использоваться в решении навигационных задач с регистрацией градиента гравитационного поля Земли. Также МШГ микрорезонаторы имеют перспективы использования в качестве гироскопов. В то же время, проводимые исследования пока не привели к созданию коммерческих продуктов такого типа. Это объясняется тем, что требуются дополнительные исследования существующих и поиск новых принципов построения таких приборов. Кроме того, поскольку подобные устройства на МШГ-микрорезонаторах относятся к средствам измерений, данное направление нуждается помимо прочего и в метрологических исследованиях, поскольку в рассматриваемых областях их применение не может иметь место без калибровки и определения метрологических характеристик рассматриваемых устройств.

Известен гравиметр, в котором в качестве чувствительного элемента использовался микрорезонатор, изготовленный на конце кварцевого оптического волокна путем его плавления, образуя таким образом единое устройство микрорезонатор-кантилевер [1,2]. В качестве соединительного элемента используется растянутое оптоволокно. При изменении гравитации изменяется расстояние между микрорезонатором и оптоволокном, при этом изменяется мода микрорезонатора. Чувствительность устройства позволяет детектировать сигнал в 0,7×10^-6 g. Недостатком устройства является ограниченность диапазона измерений за счет конечного значения расстояния между микрорезонатором и соединительным элементом.

Известен гравиметр, в котором в качестве сенсора используется микрорезонатор из специального мягкого материала [3,4], при воздействии ускорения на который происходит его деформация, а, следовательно, и изменение моды. Для ввода лазерного излучения в микрорезонатор использовалось растянутое оптическое волокно. Чувствительность микрорезонатора из полидиметилсилоксана (ПДМС) - 4×10^-3 g. Основными недостатками предложенного устройства является неизбежная деградация добротности микрорезонатора во времени. У подобных материалов может присутствовать неупругая деформация, и форма микрорезонатора при значительных ее изменениях может не восстановиться до первоначальной. В таком устройстве возможно перемещение соединительного элемента вдоль края микрорезонатора, что приведет к потере фундаментальной моды и возбуждению других геометрических мод микрорезонатора.

Известны гироскопы на интегральных оптических МШГ микрорезонаторах [5] на эффекте Саньяка. Сенсор состоит из кольцевого микрорезонатора, соединительного элемента, электрооптического фазового модулятора и фотодетектора. В кольцевом микрорезонаторе генерируются два противоположно направленных луча с ТЕ-поляризацией. Эти лучи проходят через отдельные ветви соединительного элемента и сдвигаются модулятором на π/2, после чего детектируются фотодетектором. При повороте элемента происходит сдвиг фазы между двумя лучами, по этому сдвигу возможно узнать о повороте устройства. Полученные результаты показывают, что возможно детектирование скорости вращения 0,01%. Недостатком такого устройства является сложность технологии производства интегральных оптических микрорезонаторов.

В качестве ближайшего технического решения выбран гравиметр (патент США №US 6,668,111 B2) [6,7], в котором в качестве чувствительного элемента предложен сферический оптический микромикрорезонатор на подвижной консоли. Излучение лазера вводится в микрорезонатор при помощи полосковых антирезонансных отражающих волноводов на пьедестале (SPARROW: Stripline Pedestal Anti-resonant Reflecting Waveguides). Микрорезонатор закреплен сверху соединительного элемента на небольшом расстоянии от него, при изменении ускорения свободного падения, действующего на микрорезонатор, это расстояние меняется. Измерение гравитации происходит за счет изменения параметров моды микрорезонатора, которое возникает при изменении расстояния между микрорезонатором и соединительным элементом.

Недостатком прототипа является ограничение диапазона измерений ускорения свободного падения за счет ограниченного диапазона изменения расстояния между микрорезонатором и оптическим волокном. Диапазон измерений лежит между касанием микрорезонатора и соединительного элемента и расстояния, при котором происходит потеря связи.

Технический результат: увеличение диапазона измерений ускорения свободного падения, увеличение точности измерений.

Технический результат достигается за счет введения дополнительных элементов в устройство. Оптический гравиметр содержит оптический микрорезонатор, размещенный на конце подвижной консоли. Соединительный элемент для связи микрорезонатора с лазером накачки размещен на неподвижной платформе и связан с блоком контроля моды микрорезонатора, которая подключена к блоку обработки и управления. Второй конец консоли соединен с устройством перемещения консоли, которое контролируется узлом управления устройством перемещения консоли, связанное с блоком обработки и управления. Устройство перемещения консоли используется для возвращения микрорезонатора на позицию устойчивой связи с соединительным элементом, что позволяет увеличить диапазон измерений ускорения свободного падения.

Также для увеличения точности измерений можно использовать устройство в режимах, аналогичных режимам полуконтактный (tapping mode) и/или бесконтактный (non-contact mode) атомно-силового микроскопа, в которых консоль колеблется с помощью устройства перемещения консоли, а результат измерений считывается по изменению фазы и/или амплитуды колебаний ширины моды микрорезонатора.

В качестве оптического микрорезонатора в устройстве могут быть использованы любые оптические микрорезонаторы с модами шепчущей галереи сферической, дисковой, кольцевой или других форм, а также волноводные оптические микрорезонаторы, произведенные из любых материалов, включая кремний, MgF₂, CaF₂,LiNbO₃, плавленый кварц и др.

В качестве соединительного элемента в оптическом гравиметре могут быть использованы призмы, растянутое оптическое волокно, конусовидное волокно, оптические волноводы на чипе, дифракционные решетки и другие устройства, позволяющие ввести лазерное излучение в микрорезонатор.

Подвижная консоль может быть расположена вертикально, в таком случае она будет представлять собой пружину, на которую закреплен микрорезонатор. В качестве устройства перемещения консоли, могут быть использованы пьезоэлементы, сервоприводы либо другие устройства перемещения консоли.

Оптический гравиметр, помещенный на подвижную поверхность, может быть использован для регистрации вибраций, в том числе, сейсмической активности, подвижек грунта, льда и др.; технологических вибраций, вибраций установок, метрополитена и др.

Схема оптического гравиметра представлена на Фиг. 1. Оптический гравиметр содержит оптический микрорезонатор (1), размещенный на конце подвижной консоли (2), который связывается с источником лазерного излучения (4) при помощи соединительного элемента (3), размещенного на неподвижной платформе (9). Второй конец консоли соединен с устройством перемещения консоли (7), соединительный элемент связан с блоком контроля моды микрорезонатора (5), подключенному к блоку обработки и управления (8), связанному с узлом управления устройством перемещения консоли (6), который подключен к устройству перемещения консоли (7).

Устройство работает следующим образом. Излучение лазера накачки вводится в микрорезонатор при помощи соединительного элемента, расположенного на неподвижной платформе. Оптическое излучение микрорезонатора поступает на тот же элемент соединения, при этом возможно использование дополнительного соединительного элемента для ввода или вывода оптического излучения из микрорезонатора. Далее сигнал поступает на блок контроля моды микрорезонатора, а после в блок обработки и управления. По полученной информации об изменении моды микрорезонатора в блоке обработки и управления происходит расчет воздействия гравитации на микрорезонатор. В случае если полученные изменения моды микрорезонатора достигают пороговых значений измерения, блок обработки и управления посылает сигнал на узел управления устройством перемещения консоли, который изменяет положение консоли для возвращения микрорезонатора на позицию устойчивой связи с соединительным элементом. Приложенные изменения передаются в блок обработки и управления, который включает полученные сведения в расчет воздействующего на микрорезонатор ускорения свободного падения. Таким образом, диапазон измерений расширяется.

Расстояние d(t) между микрорезонатором и соединительным элементом изменяется следующим образом:

d(t)=d₀+d_g(t)+d_p(t),

где d₀ - расстояние между микрорезонатором и соединительным элементом в статичном режиме, d_g(t) - изменение расстояния, вносимого гравитацией, d_p(t) - изменение расстояния, вносимое устройством перемещения консоли.

Указанная выше конфигурация позволяет увеличить точность измерений за счет использования режима работы, аналогичному режимам полуконтактный (tapping mode) и бесконтактный (non-contact mode) атомно-силового микроскопа, в которых консоль колеблется пьезоэлементом [8]. В таком режиме консоль с микрорезонатором вынужденно колеблется устройством перемещения консоли с постоянной частотой и амплитудой. При изменении воздействующей гравитации изменяется частота и амплитуда колебаний моды микрорезонатора, по которым рассчитывается воздействующее ускорение свободного падения.

Расстояние d(t) в таком режиме изменяется следующим образом:

d(t)=d₀+d_Ampcos(2πƒ_dt)+d_g(t)+d_p(t),

где d_Amp и ƒ_d - амплитуда и частота вынужденных колебаний консоли.

Динамика системы может быть описана следующим уравнением [8]:

где m и c_d - эффективная масса и жесткость консоли соответственно, - собственная частота кантилевера.

При изменении расстояния d меняется ширина моды Δν(d):

где ν - центральная частота моды, Q₀ - внутренняя добротность микрорезонатора. Суммарная добротность Q_c(d):

где r - радиус МШГ микрорезонатора, λ - длина волны лазера накачки, n - индекс преломления, q - радиальный номер моды (мы используем фундаментальную моду, так что q=1).

Источники информации:

1. Y. L. Li and P. F. Barker. "Field Evaluation of a Portable Whispering Gallery Mode Accelerometer". 2018, Sensors, vol. 18, 4184

2. Y. L. Li and P. F. Barker. "Characterization and Testing of a Micro-g Whispering Gallery Mode Optomechanical Accelerometer". 2018, J. Light. Technol, vol. 36, (18), 3919

3. T. Ioppolo, V. D. Fourguette, and L. Larocque. "Effect of acceleration on the morphology-dependent optical resonances of spherical resonators". 2011, J. Opt. Soc. Am. B, vol. 28, No. 2, pp. 225-227

4. T. Ioppolo, U. K. Ayaz, and M. V. "High-resolution force sensor based on morphology dependent optical resonances of polymeric spheres". 2009, J. Appl. Phys, vol. 105, 013535

5. M. N. Armenise, V. Passaro and M. Armenise. "Modeling and design of a novel miniaturized integrated optical sensor for gyroscope systems". 2001, J. Light. Technol, vol. 19, No 10, pp. 1476-1494

6. J.-P. Laine, C. Tapalian, B. Little and H. Haus. "Acceleration sensor based on high-Q optical microshere resonator and pedestal antiresonant reflecting waveguide coupler". 2001, Sensors and Actuators A: Physical, vol. 93 (l), pp. 1-7.

7. Патент США №US 6,668,111 B2

8. H. (2012) AFM, Tapping Mode. In: Bhushan B. (eds) Encyclopedia of Nanotechnology. Springer, Dordrecht.

Изобретение относится к устройствам для измерения ускорения свободного падения. Сущность: устройство содержит оптический микрорезонатор (1), размещенный на первом конце подвижной консоли (2). Микрорезонатор (1) через соединительный элемент (3), размещенный на неподвижной платформе (9), связан с лазером (4) накачки. Второй конец консоли (2) соединен с устройством (7) перемещения консоли. Соединительный элемент (3) связан с блоком (5) контроля моды микрорезонатора, подключенным к блоку (8) обработки и управления. Блок (8) обработки и управления соединен с узлом (6) управления устройством перемещения консоли, соединенным с устройством (7) перемещения консоли. Технический результат: увеличение диапазона измерений ускорения свободного падения, увеличение точности измерений. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Оптический гравиметр, содержащий оптический микрорезонатор, размещенный на конце подвижной консоли, соединительный элемент для связи микрорезонатора с лазером накачки, размещенный на неподвижной платформе, отличающийся тем, что второй конец консоли соединен с устройством перемещения консоли, соединительный элемент связан с блоком контроля моды микрорезонатора, подключенным к блоку обработки и управления, связанному с узлом управления устройством перемещения консоли, который подключен к устройству перемещения консоли.

2. Оптический гравиметр по п. 1, отличающийся тем, что консоль колеблется с помощью устройства перемещения консоли, результат измерений считывается по изменению фазы и/или амплитуды колебаний ширины моды микрорезонатора.

3. Оптический гравиметр по п. 1, отличающийся тем, что в качестве оптического микрорезонатора используются оптические микрорезонаторы с модами шепчущей галереи сферической, или дисковой, или кольцевой формы, или волноводные оптические микрорезонаторы, произведенные из таких материалов, как кремний, или MgF₂, или CaF₂, или LiNbO₃, или плавленный кварц.

4. Оптический гравиметр по п. 1, отличающийся тем, что в качестве соединительного элемента используются такие устройства, как призмы, или растянутое оптическое волокно, или конусовидное волокно, или оптические волноводы на чипе, или дифракционные решетки.

5. Оптический гравиметр по п. 1, отличающийся тем, что подвижная консоль, расположенная вертикально, представляет собой пружину, на которую закреплен микрорезонатор.

6. Оптический гравиметр по п. 1, отличающийся тем, что в качестве устройства перемещения консоли используются такие устройства, как пьезоэлементы или сервоприводы.

7. Оптический гравиметр по п. 1, помещенный на подвижную поверхность, используется для регистрации вибраций или сейсмической активности.