Forbidden

You don't have permission to access /zzz_siteguard.php on this server.

МУЛЬТИПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА АВТОГЕНЕРАТОРНЫХ МИКРОРЕЗОНАТОРНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН - Патент РФ 2142615
Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
МУЛЬТИПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА АВТОГЕНЕРАТОРНЫХ МИКРОРЕЗОНАТОРНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
МУЛЬТИПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА АВТОГЕНЕРАТОРНЫХ МИКРОРЕЗОНАТОРНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

МУЛЬТИПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА АВТОГЕНЕРАТОРНЫХ МИКРОРЕЗОНАТОРНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Система используется для измерения температуры, давления, линейных и угловых перемещений. В автогенераторной мультиплексной системе, содержащей два измерительных канала, резонансное взаимодействие волоконного лазера с микромеханической резонаторной структурой осуществляется на основе модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений одного из зеркал, в качестве которого служит микрорезонатор. При этом один торец одномодового световода сопряжен с автоколлиматором, формирующим параллельный пучок света на отражающую поверхность микрорезонатора, ориентированную под некоторым заданным углом Θ к оптической оси автоколлиматора, а второй является выходным. В качестве блока обработки сигнала использован частотомер. Обеспечено повышение стабильности измерений. 3 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2142615
Класс(ы) патента: G01H9/00, G01D5/26
Номер заявки: 98117696/28
Дата подачи заявки: 17.09.1998
Дата публикации: 10.12.1999
Заявитель(и): Московский государственный университет леса
Автор(ы): Бурков В.Д.; Гориш А.В.; Егоров Ф.А.; Коптев Ю.Н.; Кузнецова В.И.; Малков Я.В.; Потапов В.Т.
Патентообладатель(и): Московский государственный университет леса
Описание изобретения: Изобретение относится к волоконно-оптическим автоколебательным системам на основе микромеханического резонатора, возбуждаемого светом, и может быть использовано в мультиплексных системах измерения различных физических величин, например температуры, давления, линейных и угловых перемещений и др.
Широкое освещение в литературе в настоящее время получили автогенераторы, микрорезонаторы которых возбуждаются как модулированным, так и немодулированным когерентным излучением с использованием обратной интерферометрической связи.
Во всех случаях частотная компонента промодулированного по интенсивности оптического сигнала, которая соответствует собственной резонансной частоте микрорезонатора, возбуждает в микрорезонаторе поперечные акустические колебания, которые легко детектируются оптическим интерферометром.
Оптическое самовозбуждение акустических колебаний в микромеханических резонаторных структурах (МРС) позволяет значительно упростить построение мультиплексированной системы микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков физических величин (МВОД).
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технологической сущности и достигаемому результату является волоконно-оптическая система мультиплексирования двух МРС в автоколебательном режиме, опубликованная в Sensors and Actuators, A 21- A 23, 1990 г., р. 369-372 и взятая в качестве наиболее близкого аналога.
Принцип мультиплексирования в таких системах основан на частотном разделении измерительных каналов, соответствующих разным МРС, резонансные частоты которых зависят от величин измеряемых физических полей, воздействующих на МРС (температуры, давления и др.).
Конструктивно система мультиплексирования двух МРС представляет собой устройство, содержащее полупроводниковый лазер, X-разветвитель, с помощью которого излучение от полупроводникового лазера делится на два канала, два микрорезонатора, размещенные по одному в каждом из каналов, два интерферометра Фабри-Перо, применяемые в качестве отражателей в системе полупроводниковый лазер - микрорезонатор в каждом из каналов, фотодетектор, преобразующий оптическое излучение в электрический сигнал, анализатор спектра частот двухканальной системы мультиплексирования.
Система мультиплексирования работает следующим образом.
Излучение от полупроводникового лазера, распространяющееся по волоконному световоду, с помощью X-разветвителя делится на две части так, что каждая из них попадает на интерферометры Фабри-Перо, размещенные в каждом из каналов. Происходит модуляция интенсивности оптического излучения на собственной резонансной частоте соответствующего микрорезонатора, определяемой размерами микрорезонатора и его физическими свойствами. Промодулированное излучение попадает на фотоприемник, с выхода которого электрический сигнал поступает на вход спектроанализатора.
Недостатком такой системы мультиплексирования является то, что положение рабочей точки интерферометра Фабри-Перо в каждом из каналов нестабильно и ее смещение зависит одновременно как от дрейфа основных характеристик микрорезонатора, так и от нестабильности источника излучения и параметров интерферометра Фабри-Перо. Улучшение характеристик измерительной системы требует принятия специальных мер, обеспечивающих стабилизацию положения рабочей точки интерферометра.
Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке нового принципа построения мультиплексной системы микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков физических величин на основе волоконного лазера, волоконных автоколлиматоров и микрорезонаторных структур.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в мультиплексной системе автогенераторных микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков физических величин, содержащей источник оптического излучения, разветвитель, разделяющий световой поток от источника излучения на два измерительных канала, каждый из которых содержит микрорезонатор, фотоприемник, блок обработки сигнала, в качестве источника оптического излучения использован волоконно-оптический лазер, выполненный с возможностью возникновения автоколебаний на резонансных частотах каждого из микрорезонаторов в соответствующих дискретных зонах возбуждения, измерительные каналы включают автоколлиматоры, оптическая ось каждого из которых составляет с нормалью к отражающей поверхности микрорезонатора заданный угол Θ12, а в качестве блока обработки сигнала использован частотомер.
В предлагаемой автогенераторной мультиплексной системе резонансное взаимодействие волоконного лазера с МРС осуществляется на основе модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений одного из зеркал, в качестве которого служит микрорезонатор. При этом один торец одномодового световода сопряжен с автоколлиматором, формирующим параллельный пучок света на отражающую поверхность микрорезонатора, ориентированную под некоторым заданным углом Θ к оптической оси автоколлиматора, а второй является выходным.
Изменение мощности излучения при отражении от микрорезонатора приводит, вследствие эффекта фотоиндуцированной деформации, к модуляции угла отклонения отражающего пучка Θ (t), т.е. к модуляции мощности оптического излучения.
В качестве автоколлиматора может быть использована градиентная стержневая линза (ГСЛ) в четверть периода, формирующая Гауссовы пучки.
Независимо от топологии и конструкции МРС при выполнении определенных условий в рассматриваемой системе в каждом канале устанавливается автоколебательный режим с частотой Fi (i - число каналов), практически совпадающий с резонансной частотой fpi, fpi = Fi.
Эти условия следующие: в исходном состоянии угол отклонения Θи отражающей поверхности МРС находится в интервале Θʹ≅ Θи≅ Θʺ, границы которого (Θʹ,Θʺʹ) зависят от характеристик МРС и волоконно-оптического лазера; резонансная частота МРС близка к частоте релаксационных колебаний волоконно-оптического лазера fрел или ее гармоник, т.е. fpi≈ nfрел где n = 1, 2, 3... Отметим, что fрел определяется оптической накачкой q = Pн/Pн.п, где Pн.п - пороговый уровень накачки лазера; средняя мощность излучения превышает определенный пороговый уровень , зависящий от характеристик МРС и волоконного лазера.
В результате возникновения в системе ВОЛ-МРС автоколебаний на резонансной частоте МРС отпадает необходимость введения интерферометрической обратной связи по стабилизации положения рабочей точки автогенератора.
Суть предлагаемого технического решения заключается в следующем.
Величина релаксационных колебаний fрел волоконного лазера в общем виде описывается выражением

где r - относительный уровень накачки ВОЛ; τф(R,α,L) - время жизни фотона в резонаторе ВОЛ; τм - время жизни метастабильного уровня активной частицы, σo - площадь сечения поглощения (излучения) активной частицы; N0 - концентрация активных частиц в активированном световоде; lА - длина активированного участка волоконного лазера; L - длина резонатора (между зеркалами); nА - показатель преломления сердцевины активированного участка волоконного резонатора; n0 - показатель преломления пассивного участка волоконного резонатора; α - оптические потери волоконного резонатора; R - коэффициент отражения зеркал МРС.
При заданных характеристиках волоконного резонатора и МРС значения уровня накачки r, соответствующие зоне возбуждения автоколебаний, образуют, как правило, две подзоны, состоящие из областей "мягкого" и "жесткого" возбуждений.
Отметим, что режим резонансной автомодуляции в системе волоконный лазер-микрорезонаторная структура (ВОЛ-МРС) может иметь место при различных способах реализации оптической обратной связи (ООС) между ними, т.е. в качестве отражателей МРС могут применяться как интерферометры Фабри-Перо, так и автоколлиматорные системы на основе МРС.
Из выражения (1) следует, что если реализована некоторая мультиплексная система ВОЛ-МРСi (i - 1, 2,...n), содержащая один ВОЛ и несколько МРС в условиях близких значений оптических характеристик и эффективностей оптического возбуждения МРС, то можно ожидать, что при выполнении резонансных условий будем иметь

где fp1,2...n - резонансные частоты автоколебаний.
При этом каждой резонансной частоте присуща соответствующая дискретная зона существования этих автоколебаний (r'1, r''1) = O1, (r'2, r''2) = O2 и т.д.
Таким образом, известные значения относительного уровня накачки r, при которых возникают автоколебания, позволяют однозначно установить соответствие между уровнем накачки и зонами возбуждения автоколебания МРСi: при r ∈ O1 возбуждены автоколебания МРС1, при r ∈ O2 возбуждены автоколебания МРС2 и т.д.
На фиг. 1 представлена блок-схема двухканальной мультиплексной системы, где 1 - волоконный лазер, служащий в качестве источника излучения, 2 - блок питания (БП) волоконного лазера 1, 3 - одномодовый волоконно-оптический разветвитель X, с помощью которого осуществляется направленное разделение излучения волоконного лазера 1 на число каналов мультиплексной системы, а также осуществляется оптическое сопряжение с блоком обработки информации, 4 - отрезки одномодовых световодов, равные длине резонатора первого и второго каналов мультиплексной системы соответственно, 5 - волоконные автоколлиматоры АК1,2, оптически связанные со световодами L1 и L2 соответственно, 6 - микрорезонаторные структуры МРС1,2, отражающая поверхность каждого из которых М1,2 образует с зеркалом М на торце световода волоконно-оптического лазера 1 замкнутый резонатор каждого из каналов, 7 - фотоприемник, преобразующий оптическое излучение на резонансной частоте, соответствующей характеристикам МРС1,2 первого (второго) каналам мультиплексной системы, 8 - частотомер, электрически связанный с фотоприемником 7.
Устройство работает следующим образом.
Перед началом измерений в силу известных значений относительного уровня накачки, при которых возникают автоколебания в каждом из каналов мультиплексной системы, однозначно устанавливается соответствие между уровнем накачки и зонами возбуждения разных микрорезонаторных структур МРС1,2: при r ∈ O1 возбуждаются автоколебания МРС1, при r ∈ O2 возбуждаются автоколебания МРС2 и т.д.
На фиг. 2 приведена диаграмма состояний предлагаемой мультиплексной автогенераторной системы при плавном изменении относительного уровня накачки в процессе функционирования мультиплексной системы r (t), где t - время.
При достижении значения r'1, соответствующего моменту времени t'1, в системе возбуждаются автоколебания с частотой F1 ≈ fp1 (первый канал), которые срываются в момент времени t''1, соответствующий уровню накачки r''1. В течение интервала времени от t''1 до t'2 (t'2 - t''1) система находится в невозбужденном состоянии. Далее в момент времени t'2, соответствующий уровню накачки r'2, возбуждаются автоколебания с частотой F2 ≈ fp2 (второй канал), которые срываются в момент времени t''2. Затем уровень накачки изменяется до исходного значения и происходит повторение цикла измерения. Таким образом, сканированием уровня накачки волоконно-оптического лазера осуществляется последовательное возбуждение и опрос автоколебаний в системе, что позволяет реализовать мультиплексирование микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков. Соответствующие частоты fp1, fp2... детектируются с помощью ФП 7 частотомером 8.
В экспериментально реализованном макете двухканальной мультиплексной системы (фиг.1) средняя выходная мощность излучения лазера 1 ( λ = 1,54 мкм) с полупроводниковым лазером накачки (ПЛ, λ = 0,98 мкм) могла устанавливаться в пределах 0 - 40 мВт. Пороговый ток питания ПЛ составлял Iпр = 110 мА. Ток питания ПЛ изменялся в пределах 0 - 600 мА, что соответствует изменению относительного уровня накачки волоконно-оптического лазера, определяемому формулой

В предлагаемой мультиплексной системе ООС между волоконно-оптическим лазером и МРС осуществляется с помощью автоколлиматоров на основе градиентных стержневых линз, формирующих коллимированные гауссовые пучки с эффективным диаметром 400. . .500 мкм и угловой расходимостью (4...4,5) · 10-3 рад.
Кроме того, следует подчеркнуть, что в разрабатываемой системе ВОЛ-МРС1,2... применяются микрорезонаторные структуры, характеризующиеся нецелочисленным отношением частот fp2 : fp1 (при n = 2). Это связано с тем, что при кратном соотношении fp2 : fp1 = K (где K - натуральное целое число) в силу существенной нелинейности рассматриваемой системы возможно сильное взаимодействие, т. е. взаимное влияние между измерительными каналами, что может усложнить задачу идентификации измерительных каналов. Однако при выполнении условий (fp2 - Kfp1) >> max отмеченное влияние будет несущественно, здесь Q1,2 - добротности МРС1,2.
Таким образом, возможность оптического мультиплексирования МВОД подтверждают результаты экспериментальных исследований систем ВОЛ-МРС1,2, где резонансные частоты МРС1,2 составляли F1 = 37 кГц и F2 = 55 кГц в первом и во втором каналах соответственно. Экспериментальная зависимость частоты сигнала на выходе ФП 7 от тока питания БП 2 приведена на фиг.3, где I - значения тоиа питания ВОЛ I ∈ (350; 430) и I ∈ (450; 530) мА, F1,2 - автоколебания с соответствующими частотами F1,2 ≈ fp1,2.
Отметим, что скорость развертки тока питания ВОЛ не превышала 1 А/сек. При значениях тока питания в интервале (350...420) мА в рассматриваемой системе возникают автоколебания, сопровождающиеся модуляцией интенсивности ВОЛ с резонансной частотой МРС1. F1 ≈ fp1. Срыв автоколебаний происходит при токе накачки I = 420 мА. При этом в интервале значений (420...450) мА автоколебания отсутствуют. Дальнейшее увеличение тока питания приводит к установлению автоколебательного режима с резонансной частотой МРС2 F2 ≈ fp2, срыв колебаний происходит при I = 530 мА.
Итак, при сканировании тока питания ВОЛ в рассматриваемой системе происходит последовательное возбуждение автоколебаний с резонансными частотами микрорезонаторных структур.
Отметим, что с принципиальной точки зрения приведенный метод мультиплексирования допускает увеличение количества измерительных каналов без качественных изменений в рассмотренной схеме работы. Для этого необходимо оптимизировать параметры элементов мультиплексной системы (волоконного лазера, акустических и оптических свойств МРС, автоколлиматорной системы) с целью достижения максимального количества зон возбуждения автоколебаний индивидуальных МРС в заданном ограниченном интервале допустимых изменений уровня накачки ВОЛ.
Таким образом, изобретение позволяет разработать новый принцип построения мультиплексной системы микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков физических величин на основе волоконного лазера, волоконных автоколлиматоров и микрорезонаторных структур, обладающей повышенной стабильностью.
Формула изобретения: Мультиплексная система автогенераторных микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков физических величин, содержащая лазерный источник оптического излучения, одномодовый разветвитель, разделяющий световой поток от лазерного источника оптического излучения на два измерительных канала, каждый из которых содержит микрорезонатор и фотоприемник, связанный с блоком обработки сигнала, отличающаяся тем, что в качестве источника оптического излучения использован волоконно-оптический лазер, выполненный с возможностью возникновения автоколебаний на резонансных частотах каждого из микрорезонаторов в соответствующих дискретных зонах возбуждения, измерительные каналы включают оптически связанные с волоконно-оптическим лазером автоколлиматоры, оптическая ось каждого из которых составляет с нормалью к отражающей поверхности соответствующего микрорезонатора заданный угол Θ1, Θ2, а в качестве блока обработки сигнала использован частотомер.