Устройство измерения выходных характеристик волоконно-оптических фотоакустических излучателей

Полезная модель относится к области оптоакустики и может быть использована для одновременного определения эффективности фотоакустического преобразования и измерения частотной характеристики энергетического отклика волоконно-оптического фотоакустического излучателя (ВОФИ) в зависимости от параметров модуляции оптического сигнала для ультразвуковых систем технической диагностики и биомедицинских исследований высокого пространственного разрешения.
Известны традиционные устройства для измерения амплитудно-частотной характеристики пьезоэлектрических источников ультразвука при помощи воздействия на пьезоэлемент сложным гармоническим электрическим сигналом, состоящим из суммы нескольких отдельных кратных гармонических составляющих, регистрации ответного сигнала посредством оптико-электрического преобразователя с последующим преобразованием Фурье и вычислением амплитудно-частотной характеристики [1]. К основным недостаткам таких устройств относится невозможность измерения характеристик ВОФИ, что обусловлено слабым диффузным характером отражения от активной площадки на торце оптического волокна в составе ВОФИ.
Наиболее близким техническим решением к заявленной полезной модели является измеритель параметров гидроакустического пьезоэлектрического преобразователя, построенный на основе устройства прямого цифрового синтеза электрических сигналов, подключенного к испытуемому пьезопреобразователю через усилитель мощности и с помощью включенного последовательно с пьезопреобразователем измерительного шунта [2]. Недостатком такого устройства измерения выходных характеристик излучателей ультразвука является невозможность одновременного определения частотной характеристики и эффективности фотоакустического преобразования, а также отсутствие возможности измерения частотной характеристики энергетического отклика ВОФИ, так как принцип работы ВОФИ заключается в том, что модулированное лазерное излучение поглощается в слое на торце оптического волокна, что вызывает нагрев и охлаждение поглощающего слоя в соответствии с модулирующей функцией, следствием чего является модулированное изменение размеров слоя.
Техническая задача полезной модели заключается в создании устройства измерения выходных характеристик ВОФИ, позволяющего одновременно измерять частотную характеристику энергетического отклика и эффективность фотоакустического преобразования ВОФИ.
Техническая задача достигается тем, что устройство измерения выходных характеристик ВОФИ, содержащее генератор электрических сигналов произвольной формы, соединенный с волоконно-оптическим лазерным модулем, дополнительно содержит на выходе волоконно-оптического лазерного модуля волоконно-оптический разветвитель 1×2, первый вывод которого соединен с контрольным фотодиодом, подключенным к первому порту осциллографа, второй вывод волоконно-оптического разветвителя 1×2 соединен через волоконно-оптический изолятор с помощью волоконно-оптической розетки с исследуемым ВОФИ, закрепленным на трехмерной координатной юстировочной системе в кювете, заполненной необходимым для работы исследуемого ВОФИ веществом, напротив приемника акустических колебаний, подключенного ко второму порту осциллографа.
Сущность полезной модели заключается в том, что на выходе волоконно-оптического лазерного модуля устанавливается волоконно-оптический разветвитель 1×2, с помощью которого формируются опорный и основной волоконно-оптические каналы. Для формирования опорного волоконно-оптического канала первый вывод волоконно-оптического разветвителя 1×2 соединен с контрольным фотодиодом, подключенным к первому порту осциллографа, для формирования основного волоконно-оптического канала второй вывод волоконно-оптического разветвителя 1×2 соединен через волоконно-оптический изолятор с помощью волоконно-оптической розетки с исследуемым ВОФИ, закрепленным на трехмерной координатной юстировочной системе в кювете, заполненной необходимым для работы исследуемого ВОФИ веществом, напротив приемника акустических колебаний, подключенного ко второму порту осциллографа. Отличительными признаками такого устройства измерения выходных характеристик ВОФИ является:
1 - наличие двух измерительных каналов: основной волоконно-оптический канал используется для непосредственного измерения акустического сигнала, опорный волоконно-оптический канал применяется для оценки параметров модулированного по интенсивности оптического сигнала;
2 - реализация на оптическом волокне (отсутствует выход в объемную оптику);
3 - в качестве калибровочных данных применяются данные измерения опорного волоконно-оптического канала, поэтому не требуются сведения о частотных характеристиках волоконно-оптического лазерного модуля;
4 - существует возможность использования в кювете различных веществ, необходимых для работы исследуемого ВОФИ;
5 - используется трехмерная координатная юстировочная система, позволяющая подстраиваться под различные механические конфигурации исследуемого ВОФИ.
Совокупность существенных признаков приводит к возможности одновременного определения эффективности фотоакустического преобразования и измерения частотной характеристики энергетического отклика ВОФИ в зависимости от параметров модуляции оптического сигнала.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображено устройство измерения выходных характеристик ВОФИ:
1 - генератор электрических сигналов произвольной формы;
2 - волоконно-оптический лазерный модуль;
3 - волоконно-оптический разветвитель 1×2;
4 - контрольный фотодиод;
5 - осциллограф;
6 - волоконно-оптический изолятор;
7 - волоконно-оптическая розетка;
8 - исследуемый ВОФИ (исследуемый волоконно-оптический фотоакустический излучатель);
9 - трехмерная координатная юстировочная система;
10 - кювета;
11 - приемник акустических колебаний.
Предлагаемое устройство измерения выходных характеристик ВОФИ содержит генератор электрических сигналов произвольной формы 1, с помощью электрического кабеля соединенный с волоконно-оптическим лазерным модулем 2, волоконно-оптический выход которого соединен с волоконно-оптическим разветвителем 1×2 3, первый вывод которого соединен с контрольным фотодиодом 4, подключенным с помощью электрического кабеля к первому порту осциллографа 5, второй вывод волоконно-оптического разветвителя 1×2 соединен через волоконно-оптический изолятор 6 с помощью волоконно-оптической розетки 7 с исследуемым ВОФИ 8, закрепленным на трехмерной координатной юстировочной системе 9 в кювете 10, заполненной необходимым для работы исследуемого ВОФИ веществом, напротив приемника акустических колебаний 11, подключенного ко второму порту осциллографа 5.
PA
2
Устройство измерения выходных характеристик ВОФИ работает следующим образом. Электрический сигнал от генератора электрических сигналов произвольной формы 1 подается на волоконно-оптический лазерный модуль 2, откуда модулированный по интенсивности оптический сигнал поступает на волоконно-оптический разветвитель 1×2 3, который применяется для разделения мощности падающего сигнала на две части: меньшая часть модулированного по интенсивности оптического сигнала попадает на контрольный фотодиод 4, используемый для регистрации огибающей интенсивности оптического сигнала с помощью первого порта осциллографа 5; большая часть модулированного по интенсивности оптического сигнала через волоконно-оптический изолятор 6, служащий для подавления обратного оптического отражения, и волоконно-оптическую розетку 7 попадает в исследуемый ВОФИ 8, где модулированный по интенсивности оптический сигнал преобразуется в акустический сигнал, при этом благодаря трехмерной координатной юстировочной системе 9 источник ультразвука в кювете 10, заполненной необходимым для работы исследуемого ВОФИ веществом, оказывается на расстоянии менее длины волны акустического сигнала от приемника акустических колебаний 11, преобразующего акустический сигнал в электрический, и регистрируется осциллографом 5. Таким образом, в осциллографе 5 имеется измерительная информация от двух каналов: данные о форме огибающей интенсивности оптического сигнала и о детектированном акустическом сигнале. Исходя из этих данных, с помощью линейных математических операций, а также операции расчета спектральной плотности мощности возможно одновременно определить энергетическую эффективность фотоакустического преобразования η (по определению данная величина равняется отношению энергий входного электрического сигнала и выходного акустического сигнала) и частотную характеристику энергетического отклика исследуемого ВОФИ S(ƒ) [Па/Вт] с помощью следующих формул [3]:
где υ - скорость звука в веществе, необходимом для работы исследуемого ВОФИ;
K - объемный модуль упругости вещества, необходимого для работы исследуемого ВОФИ;
eff
S - эффективная площадь модового пятна используемого оптического волокна;
out
Z - эффективный выходной импеданс контрольного фотодиода, учитывающий рассогласование импедансов контрольного фотодиода и первого порта осциллографа;
k - безразмерный коэффициент разветвления волоконно-оптического разветвителя 1×2 в канал, содержащий исследуемый ВОФИ;
max
ƒ - максимальная ширина полосы частот осциллографа [Гц];
PA
2
U(ƒ) - спектральная плотность мощности выходного электрического сигнала приемника акустических колебаний [В/Гц];
AE
2
S(ƒ) - частотная характеристика отклика приемника акустических колебаний [В/Па];
PD
2
U(ƒ) - спектральная плотность мощности выходного электрического сигнала опорного канала на выходе контрольного фотодиода [А/Гц];
PD
S(ƒ) - частотная характеристика токового отклика контрольного фотодиода [А/Вт].
Примером конкретной реализации устройства измерения выходных характеристик ВОФИ может служить следующее: зондирующий импульсный электрический сигнал с периодом 10 мс и длительностью 50 нс, длительностью фронтов 12 нс и амплитудой 12 В от генератора электрических сигналов произвольной формы 1 с полосой частот синтезируемых сигналов произвольной формы до 40 МГц подается по электрическому кабелю на волоконно-оптический лазерный модуль 2 с одномодовым волоконно-оптическим выводом с длиной волны видимого диапазона 450 нм, шириной спектра 2 нм и пиковой оптической мощностью 40 мВт. Модулированный лазерный сигнал разделяется на две части в волоконно-оптическом разветвителе 1×2 3 с коэффициентом деления 1%:99%, в результате чего 1% мощности сигнала поступает на контрольный фотодиод 4 с рабочей полосой частот 50 МГц и регистрируется осциллографом 5 с динамическим диапазоном 120 дБ в полосе анализа 1 Гц. Другая часть модулированного по интенсивности оптического сигнала через волоконно-оптический изолятор 6 с коэффициентом контрастности 40 дБ и одномодовую волоконно-оптическую розетку 7 подается в исследуемый ВОФИ 8, установленный на трехмерной координатной юстировочной системе 9 в кювете 10 с деионизированной водой, где акустический сигнал детектируется приемником акустических сигналов 11 с рабочей полосой частот 50 МГц, выходной электрический сигнал регистрируется осциллографом 5 с динамическим диапазоном 120 дБ в полосе анализа 1 Гц с максимальной относительной неопределенностью измерения уровня сигналов 0,25%.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет с помощью одного устройства измерять одновременно эффективность фотоакустического преобразования и частотную характеристику энергетического отклика ВОФИ.
Источники информации:
[1] Измерение амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик пьезоэлементов / А.С. Воронов [и др.] // Вестник АлтГТУ им. И.И. Ползунова. - 2006. - №2. - С. 73-74.
[2] Патент RU 2493543, G01H 11/08, 20.09.2013, бюл. №26.
[3] Микитчук, Е.П. Характеристики волоконно-оптических фотоакустических преобразователей с монослоем металлических наночастиц для систем технической диагностики / Е.П. Микитчук, К.В. Козадаев // Журнал Белорусского государственного университета. Физика. - 2020. - №1. - С. 4-15.