Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ АВТОГЕНЕРАТОР
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ АВТОГЕНЕРАТОР

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ АВТОГЕНЕРАТОР

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Волоконно-оптический автогенератор может быть использован в преобразователях физических величин для измерения температуры, давления, ускорения. Автогенератор содержит волоконно-оптический лазер, один торец световода которого сопряжен с коллиматором, формирующим параллельный пучок света на отражающую поверхность микрорезонатора. Второй торец световода, являющийся выходным, образует вместе с отражающей поверхностью микрорезонатора двухзеркальный оптический резонатор волоконно-оптического лазера. Отражающая поверхность микрорезонатора расположена под некоторым заданным углом к оси пучка света. Автоколебательный режим в системе волоконно-оптический лазер - микрорезонатор осуществляется за счет модуляции амплитуды коэффициента отражения оптического резонатора волоконно-оптического лазера или модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений одного из зеркал, в качестве которого служит отражающая поверхность микрорезонатора. Обеспечена стабильность результатов измерений. 2 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: 2135958
Класс(ы) патента: G01D5/353, G02B6/26
Номер заявки: 97110753/28
Дата подачи заявки: 26.06.1997
Дата публикации: 27.08.1999
Заявитель(и): Московский государственный университет леса
Автор(ы): Бурков В.Д.; Гориш А.В.; Дехтяр А.В.; Егоров Ф.А.; Злобин Д.А.; Коптев Ю.Н.; Кузнецова В.И.; Малков Я.В.; Потапов В.Т.; Трегуб Д.П.
Патентообладатель(и): Московский государственный университет леса
Описание изобретения: Изобретение относится к волоконно-оптическим преобразователям физических величин (температуры, давления, ускорения и др.) с использованием микромеханических резонаторов, возбуждаемых светом.
Известны работы по созданию нового класса волоконно-оптических автогенераторов на основе использования микромеханического резонатора (МР) и оптического когерентного излучения, взаимодействующего с МР. В литературе сообщается о разработках различных схем по оптическому возбуждению колебаний МР и их практической реализации.
Во всех случаях модуляция интенсивности оптического излучения происходит на собственной резонансной частоте МР.
При поглощении МР оптического излучения его освещенная сторона испытывает температурное расширение, вследствие чего в МР возникает изгибный момент, изменяющийся в фазе с модулированным оптическим излучением, который приводит к механическим колебаниям на собственной резонансной частоте МР.
Внешнее воздействие (температура, давление, ускорение и др.) преобразуется во внутреннее механическое напряжение МР, что приводит к изменению его собственной резонансной частоты, определяемой размерами МР и его физическими свойствами.
В связи с малой амплитудой колебаний МР (≅ 0,1 мкм) в автогенераторах применяется интерферометрический метод съема информации о резонансной частоте МР с помощью интерферометра Фабри-Перо, резонатор которого образован отражающей поверхностью МР и полупрозрачным зеркалом, либо торцом световода, сопряженным с отражающей поверхностью МР.
Непосредственная связь с цифровым устройством измерения без необходимости преобразования аналог-цифра, большая протяженность оптического канала передачи, высокая потенциальная точность измерений резонансной частоты делают этот тип датчиков перспективным.
Однако, микрорезонаторные автогенераторы, основанные на фотометрическом возбуждении МР и оптическом детектировании колебаний, обладают следующим недостатком.
Положение рабочей точки A интерферометра Фабри-Перо нестабильно и ее смещение зависит одновременно как от дрейфа основных характеристик МР, так и от нестабильности источника излучения и параметров интерферометра Фабри-Перо. Иными словами, на эффективность функционирования автогенератора влияют одновременно нестабильность характеристик канала возбуждения МР и канала интерферометрического съема информации, что требует принятия специальных мер по стабилизации положения рабочей точки A.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результаты является волоконно-оптический датчик (ВОД) физических величин (заявка PCT WO 89/00677, кл. G 01 D 5/26, 26.01.89), содержащий лазерный источник излучения, световод, делитель, коллиматор, микрорезонатор с отражающей поверхностью, фотоприемник и анализатор спектра.
Известное решение характеризуется следующими отрицательными признаками:
- высокие требования к стабильности мощности источника излучения (тока накачки лазерного диода) и тщательный контроль рабочей точки интерферометра Фабри-Перо за счет изменения в небольших пределах оптической мощности излучения, падающей на МР;
- дополнительные потери мощности оптического излучения, обусловленные наличием необходимых дискретных элементов, образующих дополнительный канал обратной связи в электронной схеме;
- жесткие требования к стабильности характеристик резонатора Фабри-Перо, а также - характеристик МР в силу ограниченной возможности их коррекции в рассматриваемой электронной схеме;
- ограниченные возможности подстройки рабочей точки интерферометра Фабри-Перо за счет изменения длины волны оптического излучения лазерного диода при реализации сложной электронной схемы обратной положительной связи.
Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке микрорезонаторного автогенератора на основе волоконно-оптического лазера и модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений одного из зеркал, в качестве которого служит МР. При этом один торец одномодового световода сопряжен с коллиматором, формирующим параллельный пучок света на отражающую поверхность МР, ориентированную под углом Θ к оптической оси падающего пучка, а второй является выходным.
Изменение мощности излучения при отражении от МР приводит, вследствие эффекта фотоиндуцированной деформации, к модуляции угла отклонения отраженного пучка Θ (t), т.е. к модуляции мощности оптического излучения.
В качестве коллиматора используется градиентная стержневая линза (ГСЛ) и четверть периода, формирующая Гауссовы пучки.
Независимо от топологии и конструкции МР при выполнении определенных условий в рассматриваемой схеме устанавливается автоколебательный режим с частотой F, практически совпадающий с резонансной частотой f = F.
Эти условия формулируются следующим образом:
- в исходном состоянии угол отклонения Θи отражающей поверхности МР находится в интервале Θ1 ≅ Θи ≅ Θ2 , границы которого (Θ12) зависят от характеристик МР и волоконно-оптического лазера;
- резонансная частота МР близка к частоте релаксационных колебаний волоконно-оптического лазера fрел или ее гармоник, т.е. f ≈ nfрел, где n = 1,2,3... Отметим, что fрел определяется относительной накачкой r = Pн/Pн.п., где Pн.п. - пороговый уровень накачки лазера;
- средняя мощность излучения превышает определенный пороговый уровень зависящий от характеристик МР и волоконного лазера.
В результате возникновения в системе МР - волоконно-оптический лазер автоколебаний на резонансной частоте МР отпадает необходимость введения интерферометрической обратной связи по стабилизации положения рабочей точки автогенератора.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в микрорезонаторном волоконно-оптическом автогенераторе, содержащем источник оптического излучения, микрорезонатор, в качестве источника оптического излучения используется волоконно-оптический лазер, один торец световода которого сопряжен с коллиматором, расположенным между этим торцом и микрорезонатором, а второй торец световода является выходным, при этом отражающая поверхность микрорезонатора образует с выходным торцом световода двухзеркальный оптический резонатор волоконно-оптического лазера, а отражающая поверхность микрорезонатора в исходном положении ориентирована к оптической оси коллимированного луча под некоторым заданным углом Θи . Оптическое излучение волоконно-оптического лазера с помощью градиентной стержневой линзы в четверть периода, формирующей Гауссовы пучки, коллимируется на отражающую поверхность МР, нормаль к которой составляет с оптической осью падающего пучка некоторый угол Θи , при этом выходной сигнал автогенератора моделируется резонансной частотой МР вследствие модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора волоконно-оптического лазера.
Суть предлагаемого технического решения заключается в разработке микрорезонаторного волоконно-оптического автогенератора, в котором для возбуждения автоколебаний используется волоконно-оптический лазер без введения дополнительных волоконно-оптических устройств, при этом для существования автоколебательного режима в системе волоконно-оптический лазер - микрорезонатор достаточно модуляции амплитуды коэффициента отражения R оптического резонатора волоконно-оптического лазера, возникающей при колебаниях микрорезонатора.
Волоконно-оптический лазер представляет собой отрезок одномодового активированного световода длиною L, накачка которого может осуществляться различными способами, например через отрезок буферного неактивированного световода, идеально согласованного с активированным световодом.
Уникальные свойства волоконно-оптического лазера, позволяющие обеспечить эффективное оптическое согласование МР с волоконно-оптическим лазером, а также новейшая технология изготовления МР, основанная на методе анизотропного травления и плазмохимии монокристаллических материалов таких, как Si, SiO2, CaAs, позволяют реализовать МР структуры с заданным акустическими характеристиками и топологией (например, в виде микромембраны, микромостика, микроконсоли и т. д.), что позволяет реализовать в системе МР - волоконно-оптический лазер автоколебания, резонансная частота которых зависит от воздействия соответствующих внешних факторов (температуры, давления, ускорения и др.).
На фиг. 1 представлена схема микрорезонаторного волоконно-оптического автогенератора нового типа, где 1 - волоконно-оптический лазер, активированный эрбием, накачка которого осуществляется на длине волны λн = 0,98 мкм, 2 - одномодовый световод, 3 - коллиматор, в качестве которого применялась градиентная стержневая линза в четверть периода, формирующая Гауссовы пучки с параметрами : диаметр перетяжки пучка 2 Wo = 780 мкм, угол расходимости 2Θ = 2,6 · 10-3 рад, 4 - зеркало M1 оптического резонатора, в качестве которого служит граница раздела световод-воздух, 5 - микрорезонатор, представляющий собой кремниевую мембрану (микромостик, микроконсоль), полученную методом анизотропного травления, 6 - угол Θи между нормалью к отражающей поверхности МР и оптической осью пучка света, сформированного коллиматором, 7 - отражающая поверхность МР, 8 - расстояние H между коллиматором и МР.
Устройство работает следующим образом.
Часть мощности ζ оптического пучка, сформированного коллиматором 3, отражается от поверхности 7 микрорезонатора 5, нормаль к которой в исходном положении составляет угол Θи с осью пучка света, и возвращается обратно в резонатор волоконно-оптического лазера.
Изменение мощности излучения волоконно-оптического лазера W1, падающей на МР, приводит вследствие эффекта фотоиндуцированной деформации к модуляции угла отклонения отраженного пучка Θ(t) т.е. к модуляции ζ[Θ(t)].
На фиг. 2 приведена экспериментальная зависимость ζ(Θ). Экспериментальные результаты показали, что независимо от топологии и конструкции МР при выполнении заданных условий (о которых речь шла выше) в рассматриваемом устройстве устанавливается автоколебательный режим с частотой МР f ≈ F.
Результаты эксперимента получены для МР в виде микромостика с размером 1650 х 400 х 6 мкм3 с пленкой никеля (Ni) в качестве отражающего покрытия МР. Толщина пленки составляла hNi ≈ 0,3 мкм, коэффициент отражения - 72%. Благодаря значительной ширине МР обеспечивалось его эффективное взаимодействие с оптическим пучком. В рассматриваемом случае возбуждались автоколебания с частотами F1 = 35,5 кГц и F2 = 112,2 кГц, соответствующие резонансным частотам основной и второй модам колебаний МР. Средняя мощность составляла 1,5...4 мВт, отношение сигнал/шум в системе 40...50 дБ. Амплитуда колебаний МР составляла ≅ 30 нм. Добротности данных мод, измеренные при акустическом возбуждении колебаний, составляли 90 и 120 соответственно.
Как видно из фиг. 2, область существования автоколебаний (Θ12) для основной моды колебаний расположена целиком на одной ветви кривой ζ(Θ).
Это указывает на то, что модуляция добротности оптического резонатора обусловлена модуляцией угла отклонения пучка, а не дополнительной его фокусировкой (дефокусировкой) вследствие искривления поверхности МР при автоколебаниях. Кроме того, эксперимент показал, что при измерении H как в субмикронном диапазоне, так и в значительных пределах (± 1,5 мм) срыва автоколебаний не наблюдалось, при этом относительное изменение частоты ΔF/F составляло 3·10-4. В пределах интервала (Θ12) наблюдается слабая зависимость F(Θи), характер монотонности которой зависит от угловых и линейных геометрических параметров, характеризующих пространственную ориентацию оптического пучка относительно МР. Ширина интервала ΔΘ = O2-O1 зависит от угла расходимости пучка, и чем больше угол расходимости, тем меньше ширина интервала. В случае более высоких мод в зависимости от типа МР интервал ΔΘ может состоять из отдельных интервалов.
При данном способе возбуждения автоколебаний для эффективного взаимодействия волоконно-оптического лазера с микрорезонатором необходимо применение МР с размерами, сравнимыми с диаметром коллимированного пучка. Увеличение линейных геометрических размеров микрорезонаторных преобразователей приводит к значительным изменениям коэффициента преобразования.
Таким образом, предложен новый принцип построения микрорезонаторного волоконно-оптического автогенератора, при этом для стабилизации положения рабочей точки автогенератора не требуется введение дополнительных оптических устройств в волоконно-оптический лазер.
Автоколебательный режим в системе волоконно-оптический лазер - МР осуществляется за счет модуляции амплитуды коэффициента отражения R оптического резонатора волоконно-оптического лазера, или модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений одного из зеркал, в качестве которого служит отражающая поверхность МР.
Формула изобретения: Волоконно-оптический автогенератор, содержащий лазерный источник оптического излучения со световодом и микрорезонатор, причем один торец световода сопряжен с коллиматором, расположенным между этим торцом и микрорезонатором, а второй торец световода является выходным, отличающийся тем, что лазерный источник оптического излучения выполнен в виде волоконно-оптического лазера, отражающая поверхность микрорезонатора образует с выходным торцом световода двухзеркальный оптический резонатор волоконно-оптического лазера, а отражающая поверхность микрорезонатора в исходном положении ориентирована к оптической оси коллимированного луча под некоторым заданным углом Θи.