Устройство волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо с воздушной полостью между зеркалами резонатора Российский патент 2025 года по МПК G01J3/26 

Настоящее изобретение относится к волоконно-оптическим технологиям, в частности к устройству волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо, использующегося в качестве спектрального интерференционного прибора, а также в качестве чувствительного элемента датчиков физических величин.

Известно устройство волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо с воздушной полостью между зеркалами резонатора [Патент US 10101202 B2, G01J3/0218, 16.10.2018].

Устройство содержит волоконно-оптический интерферометр Фабри-Перо с воздушной полостью между зеркалами резонатора, включающий в себя подводящее волокно с сердцевиной для ввода оптического излучения, оптическое волокно для формирования второй отражающей поверхности и вывода оптического излучения, а также ультракороткую полость интерферометра Фабри-Перо, ограниченную выходным торцом подводящего оптического волокна и соосно выставленной с ним отражающей поверхностью оптического волокна для вывода излучения. Выходная торцевая поверхность участка оптического волокна для ввода оптического излучения и входная торцевая поверхность участка оптического волокна для вывода оптического излучения сполированы под углом 90°. Оптическое излучение, проходя через выходной торец одномодового оптического волокна для ввода оптического излучения попадает на вторую отражающую поверхность, где, отражаясь от нее возвращается на выходной торец участка одномодового оптического волокна для ввода излучения, после чего отражается от этого торца. За счет отражения от поверхностей возникает интерференция волн. Анализ интерференционной картины позволяет использовать устройство подобного интерферометра Фабри-Перо в качестве чувствительного элемента датчиков физических параметров.

Недостатком данного устройства является отсутствие компенсации расхождения пучка оптического излучения на выходном торце оптического волокна для ввода излучения, что значительно влияет на количество приходящего оптического излучения на входной торец участка оптического волокна для вывода излучения. Это, в свою очередь, негативно влияет на параметры самого интерферометра Фабри-Перо, в том числе, на видность интерференционной картины, которая определяет качество опроса датчиков физических параметров, где чувствительным элементом является длина базы интерферометра.

Известно устройство волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо на базе открытого резонатора [Патент CN 108956534 A, G01N21/45, 07.08.2020].

Устройство содержит волоконно-оптический интерферометр Фабри-Перо с открытым резонатором, включающий в себя первый участок одномодового оптического волокна, соосно соединенный со сдвинутым относительно оси его сердцевины вторым участком одномодового оптического волокна посредством электродуговой сварки. Выходной торец второго участка одномодового оптического волокна соосно соединен с комплементарным сдвигом относительно оси сердцевины с третьим участком одномодового оптического волокна. Полость резонатора интерферометра Фабри-Перо ограничена входным и выходным торцом второго участка одномодового оптического волокна. Оптическое излучение, проходя через выходной торец первого участка одномодового оптического волокна попадает на входной торец третьего участка одномодового оптического волокна, где, отражаясь от него возвращается на выходной торец первого участка одномодового оптического волокна, после чего отражается от этого торца. За счет многократного отражения от поверхностей возникает интерференция волн. Анализ интерференционной картины позволяет использовать устройство подобного интерферометра Фабри-Перо в качестве чувствительного элемента датчиков физических параметров.

Недостатком данного устройства является высокая сложность изготовления ввиду необходимости прецизионного и нестандартного способа позиционирования участков одномодовых оптических волокон при проведении их электродуговой сварки, обоснованное принципом формирования интерферометра Фабри-Перо с воздушной полостью между зеркалами резонатора.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемому решению является устройство волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо с внешним резонатором [Патент CN 103364014 A, G01D 5/26, 23.10.2013].

В одном из возможных вариантов реализации устройство содержит волоконно-оптический интерферометр Фабри-Перо с воздушной полостью между зеркалами резонатора, включающий в себя соосно размещенные и разнесенные по оптической оси две коллимирующие структуры с зеркалами резонатора с воздушной полостью между ними, каждая из которых включает соосно соединенные оптическое волокно и выпуклую линзу. Воздушное пространство между двумя выпуклыми линзами образует резонатор интерферометра Фабри-Перо, при этом на торцы оптических волокон нанесены отражающие покрытия. Оптическое излучение, проходя через первую выпуклую линзу и воздушную полость резонатора, пройдя через вторую выпуклую линзу, попадает на торцевую поверхность второго оптического волокна с отражающим покрытием, где, отражаясь от нее, попадает на торцевую поверхность первого оптического волокна, где снова отражается. За счет многократного отражения от торцевых поверхностей оптических волокон, образующих резонатор интерферометра Фабри-Перо, возникает интерференция волн.

Недостатком данного устройства является наличие выпуклой линзы. Такое техническое исполнение объемной линзы приводит к усложнению конструкции, а также технологического процесса сборки и соосной юстировки оптического волокна с ней. Помимо прочего, в предлагаемом устройстве волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо с высокой долей вероятности возникнет так называемый «паразитный» интерферометр Фабри-Перо, который, как известно, будет оказывать негативное влияние на сигнал, полученный с устройства. В этом случае на итоговый сигнал будет накладываться сигнал с «паразитного» интерферометра, что, в свою очередь, усложнит или приведет к невозможности качественного опроса волоконно-оптического датчика на основе подобного интерферометра.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения видности интерференционной картины интерферометра Фабри-Перо с воздушной полостью между зеркалами резонатора за счет использования в качестве отражательных поверхностей торцов волоконных градиентных линз, что минимизирует вносимые потери при распространении оптического излучения в воздушной полости резонатора, а также позволит избежать возникновения «паразитного» интерферометра Фабри-Перо, что даст возможность более качественно производить опрос волоконно-оптических датчиков на основе подобного интерферометра. Помимо этого, предлагаемое изобретение решает задачу упрощения конструкции и способа сборки устройства волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо с воздушной полостью между зеркалами резонатора за счет использования конструкционных элементов стандартного исполнения. Заявляемая конструкция устройства волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо с воздушной полостью позволит исключить необходимость сборки новых образцов зеркал резонатора для осуществления изменения длины базы волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо, а также увеличить максимально допустимое расстояние между зеркалами резонатора, обеспечивающее стабильную интерференционную картину.

Поставленная задача решается следующим способом.

Устройство волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо с воздушной полостью между зеркалами резонатора содержит соосно размещенные и разнесенные по оптической оси две коллимирующие структуры с зеркалами резонатора с воздушной полостью между ними, каждая из которых включает соосно соединенные оптическое волокно и линзу, указанные структуры размещены в оснастке, а в каждой из них оптическое волокно соосно соединено с градиентной линзой, представляющей собой участок многомодового градиентного оптического волокна, оптическое волокно и градиентная линза соединены друг с другом торцами электродуговой сваркой и жестко закреплены в заполненной адгезивом оснастке, а противоположный сполированный торец градиентной линзы с нанесенным на него отражающим покрытием формирует отражающую поверхность резонатора интерферометра, при этом диаметры кварцевых оболочек соединяемых оптического волокна и многомодового градиентного оптического волокна соответствуют друг другу, а длина участка многомодового градиентного оптического волокна, рассчитывается по формуле:

(1)

где - шаг градиентной линзы, - показатель преломления на границе сердцевина-оболочка многомодового градиентного оптического волокна, - максимальный показатель преломления сердцевины многомодового градиентного оптического волокна, - радиус сердцевины многомодового градиентного оптического волокна.

Сущность заявляемого устройства волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо с воздушной полостью между зеркалами резонатора поясняется следующим.

Устройство содержит соосно размещенные и разнесенные по оптической оси две коллимирующие структуры с зеркалами резонатора с воздушной полостью между ними, каждая из которых включает соосно соединенные оптическое волокно и линзу.

Коллимирующая структура с зеркалом резонатора включает в себя участок оптического волокна, соосно соединенный посредством электродуговой сварки с градиентной линзой, выполненной в виде участка многомодового градиентного оптического волокна, соединенные волокна размещены в заполненной адгезивом оснастке. Длина размещаемого участка многомодового градиентного оптического волокна, обеспечивает его оптимальную длину для эффективной коллимации оптического излучения, распространяющегося в оптическом волокне, и рассчитывается по формуле:

(1)

где - шаг градиентной линзы, - показатель преломления на границе сердцевина-оболочка многомодового градиентного оптического волокна, - максимальный показатель преломления сердцевины многомодового градиентного оптического волокна, - радиус сердцевины многомодового градиентного оптического волокна.

На сполированный торец многомодового градиентного оптического волокна нанесен тонкий слой отражающего покрытия методом электронно-лучевого напыления. Коллимирующие структуры с зеркалами резонатора соосно размещены и закреплены в оснастке на расстоянии друг от друга, обеспечивающем заданную длину резонатора.

Применение зеркала резонатора интерферометра Фабри-Перо в виде торца волоконной градиентной линзы с напылением отражающего покрытия позволит существенно повысить видность интерференционной картины интерферометра Фабри-Перо. На это существенно влияют два фактора: использование в качестве коллимирующей структуры участка многомодового градиентного волокна, прецизионно и соосно соединённого с участком оптического волокна, и нанесение отражающего покрытия на торец зеркала резонатора интерферометра Фабри-Перо.

Как известно, работа устройства интерферометра с открытым типом резонатора с воздушной полостью между зеркалами резонатора всегда сопровождается потерями оптической мощности, связанными как с поглощением и рассеянием света на воздухе, так и с тем, что при выходе оптического излучения из волокна часть света рассеивается, что приводит к тому, что до второго зеркала резонатора доходит лишь малая часть. Благодаря применению коллимирующей линзы в виде участка многомодового градиентного волокна, на выходе с первого зеркала резонатора пучок оптического излучения будет сколлимирован, благодаря чему снизятся потери оптической мощности, приходящей на второе зеркало, что, в свою очередь, повысит количество отраженной мощности от него. В заявляемой конструкции коллимирующей структуры предлагается высокоточное и автоматическое соосное соединение участка оптического волокна и градиентной линзы посредством электродуговой сварки, что, в свою очередь, также позволит минимизировать потери, возникающие при соединении участка оптического волокна и линзы, что положительно скажется на итоговой оптической мощности, регистрируемой на выходе с первого зеркала.

Сформированная отражающая поверхность резонатора интерферометра представляет собой сполированный торец градиентной линзы с нанесенным на него слоем отражающего покрытия. Для уменьшения количества дефектов на поверхности формируемого зеркала резонатора, указанный торец предварительно подвергают многоступенчатой полировке, что позволяет увеличить коэффициент отражения самих зеркал, что существенно позволит повысить видность интерференционной картины.

Помимо прочего, все это в совокупности, позволит увеличить максимальное расстояние между зеркалами интерферометра с воздушной полостью. Повышение видности интерференционной картины повышает контраст интерференционных полос и делает систему более чувствительной и точной при измерении изменений оптического пути. Поскольку благодаря предлагаемой конструкции повышается количество оптической мощности, выходящей из первого зеркала и попадающей на второе зеркало, представляется возможным увеличить максимально допустимое расстояние между зеркалами резонатора, обеспечивающее наблюдение стабильной интерференционной картины, достаточной для качественного опроса и анализа сигнала с волоконно-оптических датчиков с чувствительным элементом в виде предлагаемого устройства.

Относительно применения в качестве чувствительного элемента датчика физических величин интерферометра Фабри-Перо с воздушной полостью между зеркалами резонатора повышение видности интерференционной картины означает уменьшение погрешности при определение максимумов и минимумов интерференционной картины, что свою очередь позволяет более точно и надежно детектировать малые изменения в условиях внешних воздействий, таких как давление, температура или механическое воздействие, так как принцип действия подобных волоконно-оптических датчиков основан на их смещении или изменении, которое, в свою очередь, нужно детектировать. Видность интерференционной картины также влияет на соотношение сигнал/шум. Чем ниже видность, тем выше вероятность того, что шум (например, из-за внешних помех, поглощения или рассеяния в волокне) будет негативно сказываться при определении максимумов и минимумов, что так же негативно скажется на работу таких устройств.

Формирование зеркал резонатора в предлагаемом изобретении непосредственно на торце участка многомодового градиентного оптического волокна позволит минимизировать количество различных границ между средами для отражения света, что даст возможность избежать возникновения так называемой «паразитной» интерференции. Наличие различных границ между средами могут создавать дополнительные пути распространения для света, которые будут интерферировать с основным светом, создавая «паразитные» интерференционные эффекты. Благодаря минимальному количеству таких границ повышается качество и стабильность интерференционной картины, что позволит более точно производить опрос волоконно-оптических датчиков физических величин, благодаря отсутствию влияния и внесения погрешностей в интерференционный сигнал.

В заявляемой конструкции волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо коллимирующие структуры с зеркалами резонатора соосно размещены и не жестко закреплены в оснастке без использования адгезива, а лишь, обеспечивающей их надежное размещение, что позволяет изменять длину резонатора без необходимости сборки новых зеркал, что обеспечивает упрощение конструкции и способа сборки устройства.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом.

Принятые обозначения на чертеже:

1 - первое зеркало резонатора;

2 - второе зеркало резонатора;

3 - участок многомодового градиентного оптического волокна;

4 - отражающее покрытие;

5 - участок оптического волокна, в котором распространяется оптическое излучение;

6 - плоскость сварного соединения;

7 - оснастка для крепления коллимирующей структуры;

8 - адгезив;

9 - оснастка для крепления коллимирующих структур с зеркалами резонатора.

На чертеже приведено схематическое изображение реализации конструкции устройства волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо с воздушной полостью между зеркалами резонатора. Устройство содержит два зеркала резонатора 1 и 2, каждое из которых является сполированным торцом участка многомодового градиентного оптического волокна 3 с нанесенным на него отражающим покрытием 4, соосно соединенного с участком оптического волокна 5, в котором распространяется оптическое излучение, волокна соединены друг с другом электродуговой сваркой в плоскости сварного соединения 6 и жестко закреплены в оснастке для крепления 7 с применением адгезива 8; коллимирующие структуры соосно расположены в оснастке 9 на расстоянии, обеспечивающем заданную длину резонатора интерферометра Фабри-Перо.

Принцип работы устройства волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо с воздушной полостью между зеркалами резонатора поясняется следующим образом. Оптическое излучение, проходя через выходной торец первой коллимирующей структуры с зеркалом резонатора 1 и воздушную полость интерферометра попадает на второе зеркало резонатора 2, расположенном на входном торце второй коллимирующей структуры и являющимся сполированным торцом участка многомодового градиентного оптического волокна 3 с нанесенным на него отражающим покрытием 4, соосно соединенного с участком оптического волокна 5 электродуговой сваркой в плоскости сварного соединения 6, в котором распространяется оптическое излучение, коллимирующая структура закреплена в оснастке для крепления 7 с применением адгезива 8, причем сами коллимирующие структуры также расположены в оснастке 9, отражаясь от второго зеркала резонатора 2 оптическое излучение возвращается к зеркалу резонатора 1, где снова отражается. За счет явления многократного отражения оптического излучения от зеркал резонатора возникает интерференционная картина, детектируемая устройством приема.

В качестве конкретного примера сборки устройства волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо с воздушной полостью между зеркалами резонатора предлагается следующее. Для соединения стандартного одномодового оптического волокна (стандарта G.657.A2) и многомодового градиентного оптического волокна (диаметр сердцевины - 100 мкм, диаметр оболочки - 125 мкм) применяется стандартная операция сварки на стандартном сварочном аппарате ILSINTECH SWIFT KF4.

Внутренняя полость оснастки для крепления коллимирующей структуры, в роли которой выступает керамическая ферула (в виде оснастки также может выступать V-groove, кварцевая трубка и т.д.), внутренний диаметр которой составляет 125±0,5 мкм, длина 12,7±0,05 мкм, заполнена адгезивом, в роли которого выступает оптический клей EPO-TEC 353 ND. Длина участка многомодового градиентного оптического волокна - 885 мкм.

Предварительная полировка торца многомодового градиентного оптического осуществлена с применением полировочных пленок с зернистостью 5 мм, 1 мкм и 0,3мкм. На сполированный торец градиентной линзы нанесен слой отражающего покрытия TiO₂ толщиной 150 нм методом электронно-лучевого напыления.

Коллимирующие структуры с зеркалами размещены в оснастке в виде керамической втулки с внутренним диаметром, достаточным для их надежного размещения (внешний диаметр 3,2±0,02 мм, внутренний диаметр 2,5±0,02 мм).

Таким образом, заявляемое устройство позволяет решить задачу повышения видности интерференционной картины интерферометра Фабри-Перо с воздушной полостью между зеркалами резонатора за счет использования в качестве отражательных поверхностей сполированных торцов волоконных градиентных линз, что минимизирует вносимые потери при распространении оптического излучения в воздушной полости резонатора, а также позволит избежать возникновения «паразитного» интерферометра Фабри-Перо, что даст возможность более качественно производить опрос волоконно-оптических датчиков на основе подобного интерферометра.

Заявляемая конструкция устройства волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо с воздушной полостью позволит исключить необходимость сборки новых образцов зеркал резонатора для осуществления изменения длины базы волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо, а также увеличить максимально допустимое расстояние между зеркалами резонатора, обеспечивающее стабильную интерференционную картину. Помимо этого, предлагаемое изобретение решает задачу упрощения конструкции и способа сборки устройства волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо с воздушной полостью между зеркалами резонатора за счет использования конструкционных элементов стандартного исполнения.

Изобретение относится к волоконно-оптическим технологиям, в частности к устройству волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо. Устройство волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо включает соосно размещенные и разнесенные по оптической оси две коллимирующие структуры с зеркалами резонатора, с воздушной полостью между ними, каждая из которых включает соосно соединенные оптическое волокно и линзу. Указанные структуры размещены в оснастке, а в каждой из них оптическое волокно соосно соединено с градиентной линзой, представляющей собой участок многомодового градиентного оптического волокна, оптическое волокно и градиентная линза соединены друг с другом торцами электродуговой сваркой и жестко закреплены в заполненной адгезивом оснастке, а противоположный сполированный торец градиентной линзы с нанесенным на него отражающим покрытием формирует отражающую поверхность резонатора интерферометра. Диаметры кварцевых оболочек соединяемых оптического волокна и многомодового градиентного оптического волокна соответствуют друг другу. Устройство обеспечивает повышение видности интерференционной картины за счет обеспечения минимизации вносимых потерь при распространении оптического излучения в воздушной полости резонатора. 1 ил.

Устройство волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо с воздушной полостью между зеркалами резонатора, включающее соосно размещенные и разнесенные по оптической оси две коллимирующие структуры с зеркалами резонатора, с воздушной полостью между ними, каждая из которых включает соосно соединенные оптическое волокно и линзу, отличающееся тем, что указанные структуры размещены в оснастке, а в каждой из них оптическое волокно соосно соединено с градиентной линзой, представляющей собой участок многомодового градиентного оптического волокна, оптическое волокно и градиентная линза соединены друг с другом торцами электродуговой сваркой и жестко закреплены в заполненной адгезивом оснастке, а противоположный сполированный торец градиентной линзы с нанесенным на него отражающим покрытием формирует отражающую поверхность резонатора интерферометра, при этом диаметры кварцевых оболочек соединяемых оптического волокна и многомодового градиентного оптического волокна соответствуют друг другу, а длина участка многомодового градиентного оптического волокна рассчитывается по формуле:

где – шаг градиентной линзы, – показатель преломления на границе сердцевина-оболочка многомодового градиентного оптического волокна, – максимальный показатель преломления сердцевины многомодового градиентного оптического волокна, – радиус сердцевины многомодового градиентного оптического волокна.