Волоконно-оптический датчик Советский патент 1992 года по МПК H04B10/06 

(Л

С

Использование: область волоконной оптики, в частности измерение малых акустических и электромагнитных возмущений, постоянных и перемещенных во времени. Сущность изобретения: волоконно-оптический датчик содержит источник когерентного излучения, световод, катушку, фотодетектор и фазовый дискриминатор. Источник когерентного излучения выполнен в виде двухчастотного лазера С ортогональными поляризациями мод, а световод - в виде анизотропного одномодовбго оптического волокна Между лазером и световодом размещены последовательно установленные полуволновая пластина и первый микрообь- ектив. Между световодом и фотодетектором размещены последовательно установленные второй микрообъектив и поляризатор- анализатор, плоскость поляризации которого ориентирована под углом 45° относительно осей анизотропии оптического во- локна, совмещенных с плоскостями поляризации мод лазера. 1 ил

Изобретение относится к измерению малых акустических и электромагнитных возмущений, постоянных и переменных во времени.

Известны устройства для измерения малых акустических возмущений, содержащие источники излучения - лазер, оптическое волокно, оптическую систему формирования светового пучка и фотодетектор.

Недостатком устройств является неконтролируемое затухание сигналов (фединг сигналов). Это результат воздействия на оптическое волокно окружающей среды.

Наиболее близким к предлагаемому является волоконно-оптический датчик акустических колебаний, содержащий источник когерентного излучения, акустооптический модулятор, делительное зеркало, два оптических волокна, смесительное зеркало, фотодетектор и фазовый дискриминатор. Излучение лазера делится на два пучка делительным зеркалом. Один пучок проходит через акустооптический модулятор и вводится в оптическое волокно. Он играет роль опорного пучка. Другой пучок вводится в волокно, расположенно е в жидкбсти. Акустическая волна, распространяющаяся в этой жидкости, вызывает изменения коэффициента преломления или длины волокна. Результатом является изменение фазы света, распространяющегося в волокне, по закону акустического возмущения; Световые пучки, прошедшие опорное и сигнальное волокно, смешиваются на смесительном зеркале и поступают на фотодетектор. На нагрузке фотодетектора выделяется сигнал с частотой ГАО, определяемой акустооптиче- ским модулятором. Сигнал акустооптичеVI

СП

ел со

00

ND

ского модулятора fAO промодулирован по фазе по закону акустического возмущения; которому подверглось волокно. Для восстановления информационного (акустического) сигнала используют фазовый дискримина- тор.

Данное устройство обладает существенным недостатком - неконтролируемым затуханием сигнала (федингом), ведущим к срыву работы датчика. Фединг сигнала оп- ределяется следующим образом, Оптическое волокно (и опорное, и сигнальное) в реальных условиях укладки подвергается воздействиям окружающей среды (нагреву, изгибам, сжатию, вибрации и ударам). Это ведет к неконтролируемым изменениям двулучепреломления волокна, переменным во времени. В результате меняется поляризация света, прошедшего волокно. Таким образом, поляризация пучков на смеситель- ном зеркале оказываются рассогласованными. Видность интерференционной картины и, следовательно, амплитуда сигнала с частотой АО определяется изменением внешних условий, в которых находятся опорное и сигнальное волокна. Если поляризации пучков на смесительном зеркале ортогональны, то амплитуда сигнала с частотой Тдо равна нулю В случае совпадения поляризаций пучков амплитуда сигнала максимальна. Итак, воздействия окружающей среды на волоконный тракт датчика приводят к срыву его работы, что в конечном счете приводит к снижению точности датчика.

Цель изобретения - повышение точности датчика за счет уменьшения влияния внешнего воздействия окружающей среды на волокно.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем источник когерентного излучения, оптическое волокно, фотодетектор и фазовый дискриминатор, источник оптического излучения выполнен в виде двухчастотного лазера с ортогональ- ными поляризациями мод, а световод - в виде анизотропного одномодового оптического волокна, причем азимуты поляризаций мод лазера совпадают с ориентацией осей анизотропии волокна. Кроме того, в устройство включен анализатор-поляризатор, расположенный между выходным торцом световода и ориентированный под углом 45° относительно осей анизотропии волокна.

Использование двухчастотного лазера с ортогональными поляризациями и анизотропного волокна приводит к тому, что оптическая схема датчика становится одноплечевой. Волоконно-оптический датчик, построенный по такой схеме, обладает устойчивостью к воздействиям окружающей среды на волокно. Это определяется тем, что используется анизотропное волокно. Поляризация излучения, распространяющегося в таком волокне, мало меняется при возмущениях волокна, Кроме того, и это главное, оба интерферирующих пучка пространственно совмещены практически идеально - они распространяются в одних и тех же условиях (в одном и том же волокне). Внешние возмущения меняют условия распространения одного интерферирующего пучка (мода с частотой f 1) точно так же, как и условия распространения другого интерферирующего пучка (мода с частотой h) Поэтому, даже если поляризации интерферирующих пучков меняются (при очень сильных воздействиях), они меняются согласованно. Соотношение ортогональности поляризаций интерферирующих пучков, распространяющихся в волокне, остается постоянным во всех случаях. На поляризаторе-анализаторе перед фотоприемником выделяются коллинеарные компоненты полей мод лазера, которые, проинтерфериро- вав, дают сигнал разностной частоты fi-fa на нагрузке фотоприемника. Так как соотношение ортогональности поляризаций интерферирующих мод сохраняется, сохраняется также постоянной амплитуда сигнала разностной частоты f i-fa Таким образом, существенным отличительным признаком является то, что оптическая схема датчика при использовании описанных лазера и волокна, является одноплечевой.

На чертеже изображена структурная схема волоконно-оптического датчика.

Датчик содержит лазер 1 с возможностью генерации двух мод с частотами f 1 и г и ортогональными поляризациями, полуволновую пластинку 2, микрообьективы 3, одномодовое анизотропное оптическое волокно 4, намотанное на катушку 5, поляризатор-анализатор 6, фотодетектор 7 и фазовый дискриминатор 8.

Устройство работает следующим образом.

Излучение лазера 1, генерирующего две моды с частотами f 1 и fa и с ортогональными поляризациями, вводится в одномодовое анизотропное волокно 4 с помощью полуволновой пластинки 2 и первого микрообъектива 3. В качестве такого оптического источника можно использовать зееманов- ский лазер (ЛГН-212) либо двухчастотный лазер с внутренними зеркалами (ЛГН- 208А.Б). Управляя ориентацией полуволновой пластинки 2, добиваются совпадения азимутов поляризаций мод лазера fi и h

соответственно с направлением быстрой и медленной оси анизотропии волокна. Оптическое волокно 4 намотано на датчико- вую катушку 5. Последняя помещается в жидкость, в которой распространяются звуковые волны. Под действием звукового давления меняется длина оптического волокна. Соответственно изменяется фаза оптического излучения, распространяющегося в волокне. Если катушку 5 выполнить из пьезоэлектрического или магнитострикционно- го материала, то помещение катушки 5 соответственно в электрическое или магнитное поле также приводит к изменению фазы света в оптическом волокне. Определив изменение фазы когерентного излучения, получают информацию о величине воздействия, которому подверглась датчи- ковая катушка.

Рассмотрим подробнее процесс модуляции фазы света в датчике. В датчиковом волокне распространяются две волны с ортогональными поляризациями. Поля этих волн определяются во времени так:

2 Яш L

Ei Eiosin( + Ј2 Ј20 sin(2 л f2t +

Я

2 7ГП2 L

): .(t) ): (2)

где f i, h частоты мод, генерируемых лазером:

А - длина волны излучения лазеров;

ni,n2 - эффективные коэффициенты преломления анизотропного волокна по быстрой и медленной оси волокна соответственно;

L - длина волокна.

Свет, прошедший через волокно, проходит затем через второй микрообъектив и поляризатор-анализатор, ориентированный под углом 45° относительно направления одной из осей анизотропии волокна. На нагрузке фотодетектора 7 выделяется сигнал разностной частоты:

f sln(2tt(fi-f2)t + BL),(3)

где В 2 лг(п1-Л2)/А - анизотропия волокна.

Воздействие измеряемых датчиком физических полей сводится к изменению длины волокна. Из формулы (3) следует, что изменение длины оптического волокна приводит к модуляции фазы сигнала разностной частоты. Сигнал фотодетектора поступает на фазовый дискриминатор. Выходной сигнал фазового дискриминатора пропорционален измеряемому физическому параметру.

Общая конфигурация построения датчика, позволяющая поддерживать неизменной взаимную ориентацию поляризаций полей интерферирующих пучков, позволяет создать датчик, устойчиво работающий при разнообразных паразитных воздействиях окружающей среды на волокно.

Формула изобретения

Волоконно-оптический датчик, содержащий источник когерентного излучения, световод, катушку, фотодетектор и фазовый дискриминатор, отличающийся тем,

что, с целью повышения точности за счет уменьшения влияния внешнего воздействия окружающей среды, источник когерент- ного излучения выполнен в виде двухчастотного лазера с ортогональными

поляризациями мод, а световод - в виде анизотропного одномодового оптического волокна, между лазером и световодом размещены последовательно установленные введенные полуволновая пластина и первый микрообъектив, а между световодом и фотодетектором размещены последовательно установленные введенные второй микрообьектив И поляризатор-анализатор, плоскость поляризации которого ориентирована под углом 45° относительно своей анизотропии оптического волокна, совмещенных с плоскостями поляризации мод лазера.