МИКРОРЕЗАНАТОРНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

Предлагаемое техническое решение относится к волоконно-оптическим автоколебательным системам на основе резонансного взаимодействия лазерного источника излучения с микрорезонатором и может быть использовано при построении микрорезонаторных датчиков физических величин (температуры, давления, магнитных полей и др.).
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является микрорезонаторный волоконно-оптический датчик магнитных полей (см. патент РФ №2202115 от 09.01.2001).
л
В известном аналоге один торец многомодового волоконного разветвителя оптически связан с полупроводниковым лазером накачки, а N свободных торцов сопряжены с N измерительными каналами, каждый из которых содержит волоконно-оптический лазер, волоконный автоколлиматор, микрорезонатор из материала с магнитной анизотропией с отражающими поверхностями, дихрическое зеркало, отражающее излучение на длине волны лазера λ и пропускающее на длине волны полупроводникового лазера, фотоприемник, анализатор спектра.
К недостаткам датчика магнитных полей следует отнести следующее.
i
i
рел
i
Накачка волоконных лазеров осуществляется полупроводниковым лазером через волоконный разветвитель в соответствующие отрезки активных световодов. При этом длины активных участков световодов l и уровни их накачки P, зависящие от коэффициентов деления волоконного разветвителя, определяются из условий резонанса между частотой релаксационных колебаний f соответствующих волоконных лазеров и собственной частотой микрорезонаторов f:
рел
i
i
i
f(l,P)≈f
При таком способе возбуждения автоколебаний для эффективного взаимодействия волоконно-оптического лазера с микрорезонатором в каждом измерительном канале необходимо учитывать взаимосвязь параметров волоконно-оптической системы, геометрических размеров микрорезонаторов, а также - относительную нестабильность резонансной частоты автогенератора.
В этой связи, в силу ограниченной возможности корректировки этих параметров, к их стабильности предъявляются жесткие требования.
1
Кроме того, необходимо учитывать тот факт, что оптическим резонатором волоконно-оптического лазера в каждом измерительном канале является весь волоконно-оптический тракт от зеркала M до отражающей поверхности микрорезонатора. Длина его составляет 10÷100 м, что приводит к сильной чувствительности датчика к дестабилизирующим факторам, воздействующим на весь тракт (например, изгибы световодов, изменение температуры окружающей среды и т.д.), который по существу является антенной, принимающей эти воздействия.
Задача, решаемая данным предложенным решением, заключается в разработке микрорезонаторного датчика магнитных полей (МДМП), отличающегося от ближайшего аналога следующими преимуществами:
- увеличена точность измерений;
- сняты ограничения на удаленность чувствительного элемента, реагирующего на изменение магнитных полей, от места размещения регистрирующей электронной аппаратуры;
- расширены функциональные возможности датчика при непрерывном и одновременном измерении N независимых параметров магнитного поля.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в МДМП, содержащем полупроводниковый лазер накачки, волоконный разветвитель, разделяющий световой поток от лазера накачки и направляющий его в N измерительных каналов, каждый из которых содержит волоконно-оптический лазер с входным зеркалом, выполненным из дихроического материала, волоконный автоколлиматор, микрорезонатор с зеркальным отражателем, оптически сопряженным с лазером, при этом выходной торец волоконного разветвителя оптически связан с анализатором спектра через фотоприемник, микрорезонатор выполнен в виде микрорезонаторной структуры с получением опорного и сигнального каналов, а отрезок активного световода лазера в каждом измерительном канале выполнен из световода, легированного редкоземельными элиментами, с возможностью возбуждения в волоконно-оптическом лазере гармонических колебаний на разностных частотах, соответствующих одновременно возбуждаемым автоколебаниям в опорном и сигнальном каналах, а длина каждого отрезка активного световода и интенсивность излучения лазера задаются в соответствии с условиями возбуждений автоколебания микрорезонаторов в опорном и сигнальном каналах.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в разработке новой схемы построения многоканального волоконно-оптического датчика магнитных полей, допускающего непрерывную и одновременную работу N независимых измерительных каналов. Одновременное возбуждение N независимых волоконно-оптических лазеров осуществляется одним полупроводниковым лазером накачки с помощью многомодового 2N волоконного разветвителя.
При этом предлагается использование активных световодов, легированных редкоземельными элементами , что обуславливает возможность создания высокоэффективных эрбиевых волоконных лазеров (ЭВЛ) с малой длиной волоконного резонатора, до 1≤0,1 м. Кроме того, современная технология микромеханики позволяет создавать кремниевые микрорезонаторы с высокой эффективностью возбуждения колебаний и собственными частотами основной моды колебаний, превышающими 100 МГц.
Отсюда следует, что использование волоконных лазеров с короткими резонаторами, а также - высокотехнологичных микрорезонаторных структур позволяет существенно ослабить влияние дестабилизирующих факторов, повысить быстродействие, динамический диапазон и, следовательно, улучшить точность измерений датчика магнитных полей. При этом все N каналов функционируют одновременно и независимо друг от друга, существенно увеличивается число измерительных каналов (параметров магнитных полей), расширяется перечень используемых материалов микрорезонаторов, обеспечивается устойчивая развязка между измерительными каналами.
Суть явления, приводящего к значительному улучшению технических характеристик предложенного датчика, заключается в следующем.
К
К2
К1
Проявлением резонансной автомодуляции в каждой паре одновременно возбуждаемых микрорезонаторов в каждом измерительном канале является появление в спектре автомодуляции интенсивности лазера разностных частот ΔF=f-f,
К1
К2
К1
К2
рел
рел
где f, f - резонансные частоты элементов микрорезонаторной структуры, взаимодействующих с одним и тем же ЭВЛ (f≈f≈f, f - частота релаксационных колебаний ЭВЛ).
к
к
к
к
Измерительный процесс в каждом k-ом канале построен таким образом, что один микрорезонатор является опорным, а другой измерительным, выполненным из материала с магнитной анизотропией. Таким образом, каждый канал функционирует по дифференциальной схеме измерений. При этом измерительные каналы отличаются друг от друга длиной отрезка активного световода l и интенсивностью излучения P ЭВЛ. Оба параметра l, P задаются в соответствии с условиями возбуждения автоколебаний в отдельных каналах измерений при заданных параметрах волоконного разветвителя.
i,j…N
i
j
N
На фиг.1 представлена типовая схема микрорезонаторного волоконно-оптического датчика магнитных полей дифференциального типа. Здесь 1 - отрезок активного световода ЭВЛ, легированный редкоземельными элементами, 2 - полупроводниковый лазер накачки, 3 - волоконный разветвитель, разделяющий световой поток от лазера накачки и направляющий его в N измерительных каналов, 4 - дихроическое зеркало в виде Брэгтовского отражателя, сформированное непосредственно в световоде 1, 5 - автоколлиматор, 6 - микрорезонатор с отражающей поверхностью, оптически сопряженной с лазером через автоколлиматор 5, 7 - фотоприемник, 8 - анализатор спектра, H - измеряемые магнитные поля, l, l,…l, - длины активных световодов.
i
j
N
Устройство работает следующим образом. Накачка волоконных лазеров (ЭВЛ) осуществляется полупроводниковым лазером накачки 2, излучение которого с помощью волоконного разветвителя 3 направляется в соответствующие отрезки l, l,…l активных световодов 1. В условиях непрерывной накачки в данном устройстве одновременно могут возбуждаться автоколебания различных пар микрорезонаторов. При этом выходной сигнал фотоприемника 7 содержит гармонические составляющие на разностных частотах, соответствующих колебаниям N пар микрорезонаторов. Тем самым осуществляется многоканальное измерение параметров магнитного поля по дифференциальной схеме измерений в каждом чувствительном канале. При этом измерительный процесс построен таким образом, что в одновременно возбуждаемой паре микрорезонаторов один микрорезонатор является опорным, а другой - измерительным, снабженным материалом с магнитной анизотропией.
i
j
N
i,j…N
Таким образом, при непрерывной накачке ЭВЛ с помощью полупроводникового лазера накачки осуществляется непрерывное частотное мультиплексирование выходного сигнала датчика ΔF(H), ΔF(H),…ΔF(H) с помощью анализатора спектра и, следовательно, определение H по определенному алгоритму с учетом параметров измерительного канала.
Итак, предложенное техническое решение позволяет повысить точность измерений и увеличить число измерительных каналов датчика.