МИКРОРЕЗОНАТОРНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Микрорезонаторный волоконно-оптический преобразователь физических величин (МВОП) относится к волоконно-оптическим автогенераторным системам на основе волоконных лазеров с микрорезонаторными зеркалами и может быть использован в системах измерения различных физических величин, например, температуры, давления и др.
В настоящее время большое внимание уделяется разработке волоконно-оптических датчиков (ВОД) с частотным кодированием сигнала, принцип действия которых основан на зависимости частоты автоколебаний микрорезонатора от величины различных внешних условий.
Известны работы по созданию нового класса ВОД на основе использования микромеханического резонатора (МР) и оптического изучения, взаимодействующего с МР.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является МВОП (см. патент РФ №2135957 кл. G01D 5/353, G02В 6/26 1997 г.), содержащий волоконно-оптический лазер (ВОЛ), световод, автоколлиматор, микрорезонатор с отражающей поверхностью, фотоприемник, анализатор спектра, полупроводниковый лазер накачки.
В известном МВОП резонансное взаимодействие ВОЛ с микрорезонатором осуществляется на основе модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений одного из зеркал, в качестве которого служит МР.
При этом существование автоколебательного режима в системе ВОЛ-МР осуществляется за счет модуляции амплитуды коэффициента отражения R оптического резонатора ВОЛ, возникающей вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений МР, нормаль к отражающей поверхности которого ориентирована под углом Θ к оптической оси коллимированного пучка света.
Уникальные свойства ВОЛ, позволяющие обеспечить эффективное оптическое согласование МР с ВОЛ, а также новейшая технология изготовления МР являются основанием рассматривать данную систему ВОЛ-МР в качестве основы для разработки новых принципов построения частотных преобразователей физических величин различных конструкций.
Однако данный МВОП обладает следующими недостатками.
1
Оптическим резонатором ВОЛ в аналоге является весь волоконно-оптический тракт (от зеркала M до отражающей поверхности МР), включающий в себя как активный, так и пассивный отрезки световодов. Значительная длина волоконного тракта, составляющая 10÷100 м, приводит к сильной чувствительности МВОП к дестабилизирующим факторам, воздействующим на весь тракт. По существу весь волоконно-оптический тракт является антенной, принимающей различные воздействия на него, например, изгибы световодов, изменение температуры окружающей среды, давления и т.д., что приводит к нестабильности характеристик оптического резонатора ВОЛ и снижению точности измерений.
Кроме того, известное решение характеризуется высокими требованиями к стабильности мощности излучения полупроводникового лазера накачки.
Задача, решаемая данным предложенным решением, заключается в разработке МВОП физических величин, отличающегося от ближайшего аналога следующими преимуществами:
- увеличена точность измерений;
- сняты ограничения на удаленность чувствительного элемента, реагирующего на изменение внешних воздействий, от места размещения регистрирующей электронной аппаратуры;
- расширены функциональные возможности МВОП.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что МВОП, содержащий полупроводниковый лазер накачки, волоконно-оптический лазер, микрорезонатор, фотоприемник, анализатор спектра, автоколлиматор, дополнительно снабжен направленным (одноканальным) волоконным ответвителем, входной торец которого оптически связан с полупроводниковыми лазером накачки, а свободный торец ответвителя сопряжен с измерительным каналом, содержащим отрезок активного одномодового световода, автоколлиматор и микрорезонатор, при этом микрорезонатор выполнен в виде микрорезонаторной структуры с получением опорного и сигнального каналов, выполненных с возможностью обеспечения одновременного возбуждения автоколебаний микрорезонаторной структуры в опорном и сигнальном каналах, а ВОЛ выполнен с возможностью возбуждения гармонических колебаний на разностных частотах одновременно возбуждаемых автоколебаний микрорезонаторной структуры в опорном и сигнальном каналах.
B
r
+3
+3
Суть предлагаемого технического решения заключается в следующем. Предложена новая схема МВОП на основе использования активных световодов, легированных редкоземельными элементами Y -E  для создания высокоэффективных эрбиевых волоконных лазеров (ЭВЛ) с малыми длинами волоконных резонаторов l≤0,1 м. Широкий диапазон энергетических и динамических характеристик рассматриваемых ЭВЛ дает возможность создания МВОП нового типа.
1
2
Применение двухэлементных микрорезонаторных структур, одновременно взаимодействующих с излучением ЭВЛ, обуславливает резонансную автомодуляцию в двух одновременно возбуждаемых микрорезонаторах. В результате в спектре автомодуляции интенсивности ЭВЛ появляются разностные частоты ΔF резонансных частот f, f двух элементов микрорезонаторной структуры:
2
1
2
1
ΔF=f-f, (f>f)
Этот факт позволят организовать измерительный канал по дифференциальной схеме измерений, что открывает дополнительные возможности для увеличения точности измерений за счет существенного ослабления влияния аддитивных дестабилизирующих воздействий внешних факторов.
1
2
Следует отметить, что в данном устройстве резонансные частоты каждого из двух элементов микрорезонаторной структуры f и f, взаимодействующих с одним и тем же лазером, должны быть достаточно близкими:
рел
1
2
f≈f≈f,
рег
где f - частота релаксационных колебаний ЭВЛ.
При этом измерительный процесс построен таким образом, что в одновременно возбуждаемой паре МР один МР является опорным, а другой - измерительным, чувствительным к измеряемому параметру.
Применение ЭВЛ с уникальными свойствами, а также новейшая технология изготовления МР с заданными акустическими и оптическими характеристиками и топологией (микромембрана, микромостик, микроконсоль) позволяют реализовать МВОП с улучшенными точностными характеристиками, существенно повысить быстродействие и динамический диапазон преобразователя физических величин.
На фиг.1 представлена схема МВОП физических величин, позволяющая контролировать резонансные частоты основных мод акустических колебаний, величина которых зависит от топологии и конструкции МР, характеристик ЭВЛ и автоколлиматора.
л
н
Здесь 1 - ЭВЛ, 2 - полупроводниковый лазер накачки, 3 - направленный волоконный ответвитель, входной торец которого связан с полупроводниковым лазером накачки 2, а свободный сопряжен с измерительным каналом, 4 - дихроическое зеркало, отражающее излучение на длине генерации лазера λ и пропускающее на длине волны полупроводникового лазера накачки λ=0,98 мкм, при этом дихроическое зеркало выполнено на основе Брэгтовской решетки и сформировано непосредственно в световоде 5, 6 - микрорезонатор, выполненный в виде микрорезонаторной структуры с получением опорного и сигнального каналов, 7 - автоколлиматор, 8 - фотоприемник, 9 - анализатор спектра (АС).
Устройство работает следующим образом. Накачка ЭВЛ 1 осуществляется полупроводниковым лазером 2, излучение которого с помощью направленного волоконного ответвителя 3 направляется в отрезок активного световода 5 ЭВЛ, взаимодействующего с микрорезонатором 6 через автоколлиматор 7.
1
2
В условиях непрерывной накачки в данном МВОП возбуждаются автоколебания двух микрорезонаторов на частотах f и f, один из которых является опорным, а другой - сигнальным.
2
1
2
1
Проявлением резонансной автомодуляции в двух одновременно возбуждаемых микрорезонаторах является появление в спектре автомодуляции интенсивности лазера разностной частоты ΔF=f-f(f>f), фиксируемой фотоприемником 8.
Разностная частота ΔF, снимаемая с АС, является функцией контролируемых воздействий, измеряемых по определенному алгоритму с учетом конструкции микрорезонатора 6 и параметров измерительного канала.
Отметим, что предложенное устройство допускает дальнейшее его усовершенствование в направлении повышения точности и чувствительности за счет усовершенствования конструкции опорного и сигнального каналов, а также - применения одномодовых (одночастотных) волоконных лазеров с активной средой на основе поляризующих световодов.
Таким образом, предложенное решение позволяет повысить точность МВОП и улучшить его основные технические характеристики.