АДАПТИВНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ МИКРОФОН

Полезная модель относится к оптоэлектронике и может быть использована в акустике для детектирования слабых акустических полей.
Известен оптический микрофон (патент РФ 2273115, Н04R 23/00, 2004.11.25.). Устройство содержит корпус, мембрану, закрепленную по периметру корпуса, источник излучения, волоконо-оптический световод, фокусирующую линзу, фотоприемник, направляющую линзу, установленные за ней поляризатор, установленный перед фокусирующей линзой анализатор, фотоумножитель, регистратор, при этом анализатор соединен через шток с внутренней поверхностью мембраны с возможностью поворота при помощи пружинно-рычажного механизма, а источник излучения оптически связан через волоконно-оптический световод, направляю1цую линзу, поляризатор, анализатор, фокусирующую линзу, фотоприемник, фотоумножитель с регистратором.
Недостатком данного устройства является наличие движущихся механических частей в конструкции оптического микрофона, что снижает надежность, точность измерений и чувствительность устройства.
Известен также волоконно-оптический микрофон на основе интерферометра Фабри-Перо (Zhou С., Letcher S.V., Shikla А. Fiber-optic microphone based on combination of Fabry-Perot interferometry and intensity modulation //J. Acoust. Soc.Am. - 1995. - Vоl.98. - Р.1042-1046). Устройство содержит источник когерентной световой волны, источник некогерентной световой волны, измерительную часть, которая представляет собой корпус, в котором находятся одномодовый и многомодововый волоконные световоды, мембрана и интерферометрическую часть, включающую световоды, а также два фотодетектора и блок обработки сигнала, который включает в себя два усилителя, устройство обработки сигнала.
Световая волна из источника когерентной световой волны попадает в одномодовый волоконый световод, частично отражается от его торца и идет обратно в световод. Другая часть световой волны выходит с торца и попадает на мембрану. Отражаясь от мембраны, световая волна попадает в одномодовый волоконный световод, где интерферирует с первой частью световой волны, отраженной от торца одномодового волоконного световода. Далее она попадает в первый фотодетектор. Сигнал с фотодетектора поступает в блок обработки сигнала. Для стабилизации работы интерферометра Фабри-Перо и уменьшения порога детектирования устройство снабжено вспомогательным блоком, включающим многомодовый волоконный световод и источник некогерентной световой волны. Световая волна с источника некогерентной световой волны попадает в многомодовый волоконный световод, на выходе из которого попадает на мембрану и, отражаясь от нее, попадает обратно в многомодовый волоконный световод и далее во второй фотодетектор. Сигнал со второго фотодетектора также попадает в блок обработки сигнала.
Данное техническое решение по своему функциональному назначению и по своей технической сущности является наиболее близким к заявляемому и принято за прототип.
К недостаткам прототипа следует отнести:
необходимость стабилизации работы интерферометра Фабри-Перо с помощью дополнительных блоков в устройстве, что усложняет конструкцию устройства и снижает его надежность;
подверженность интерферометра Фабри-Перо внешним шумам, что снижает чувствительность устройства и увеличивает порог детектирования;
Задачей настоящей полезной модели является создание адаптивного волоконно-оптического микрофона, устойчивого к внешним шумам, обладающего высокой чувствительностью и позволяющего проводить измерения акустического давления в достаточно большом динамическом диапазоне.
Поставленная задача решается тем, что устройство содержит источник излучения когерентной световой волны, расположенные раздельно измерительную и интерферометрическую части, фотодетектор, при этом измерительная часть включает коллиматор, многомодовый волоконный световод и мембрану, а интерферометрическая часть выполнена по схеме Майкельсона и состоит из светоделителя, делящего излучение на опорную и сигнальную волны, фоторефрактивный кристалл и систем, направляющих опорную и сигнальную волны под прямым углом в фоторефрактиный кристалл вдоль основных кристаллографических осей [001] и [100], при этом, система направляющая опорную волну состоит из фазовой четвертьволновой пластинки и первого зеркала, а система направляющая сигнальную волну - из фокусирующей линзы и второго зеркала, при этом фоторефрактивный кристалл установлен в ортогональной геометрии записи динамических голограмм.
В качестве фоторефрактивного кристалла используется, например, кристалл теллурида кадмия.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения и прототипа показывает, что отличительными признаками заявляемого устройства являются: отдельное расположение интерферометрической и измерительной частей, выполнение интерферометрической части по схеме интерферометра Майкельсона, включающей:
два зеркала, направляющих опорную и сигнальную волны под прямым углом друг к другу;
фазовая четвертьволновая пластина;
фоторефрактивный кристалл;
фокусирующая линза;
опорная волна после светоделителя пропускается через фазовую четвертьволновую пластинку и направляется через зеркало в фоторефрактивный кристалл;
сигнальная волна сфокусирована коллиматором в многомодовый волоконный световод и на выходе с его торца направлена на мембрану, отраженная от мембраны волна через многомодовый волоконный световод, коллиматор, светоделитель, фокусирующую линзу, зеркало, фоторефрактивный кристалл попадает в фотоприемник;
-
фоторефрактивный кристалл установлен в месте пересечения опорной и сигнальной волн;
-
опорная и сигнальная волны направлены в фоторефрактивный кристалл под прямым углом друг к другу вдоль осей фоторефрактивного кристалла [001] и [100].
Совокупность существенных признаков заявленной полезной модели имеет причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом.
Сущность технического решения поясняется чертежом, на котором представлена схема волоконно-оптического микрофона, где обозначены:
- мембрана
- непрерывный лазер
- светоделитель
- сигнальная волна
- опорная волна
- коллиматор
- многомодовый волоконный световод
- фокусирующая линза
- второе зеркало
- четвертьволновая пластина
- первое зеркало
- фоторефрактивный кристалл
- фотоприемник
Волоконно-оптический микрофон содержит мембрану 1, которая обеспечивает прием звуковых колебаний. Источником излучения световой когерентной волны является непрерывный лазер 2. Излучение непрерывного лазера 2 направляется на светоделитель 3, выполненный в виде стандартного оптического элемента - стеклянной пластины. Светоделитель 3 разделяет излучение на две волны: сигнальную 4 и опорную 5. Сигнальная волна 4 фокусируется коллиматором 6 в многомодовый волоконный световод 7 и попадает на мембрану 1. Сигнальная волна, отраженная от мембраны 1, возвращается в световод 7 и далее через коллиматор 6, светоделитель 3, фокусирующую линзу 8, зеркало 9 попадает в фоторефрактивный кристалл 12. На выходе из кристалла сигнальная волна 4 попадает в фотоприемник 13. Опорная волна проходит через четвертьволновую пластину 10, отражается от зеркала 11 и попадает в фоторефрактивный кристалл 12. Элементы 2-12 в совокупности представляют собой адаптивный голографический интерферометр.
Волоконно-оптический микрофон работает следующим образом. Чувствительный элемент устройства - мембрана 1 - располагается в исследуемом акустическом поле. Воздействие акустического поля на мембрану приводит к модуляции фазы отраженной от нее сигнальной волны 4, выходящей из многомодового волоконного световода 7. Преобразование изменений фазы в изменение интенсивности происходит за счет взаимодействия опорной и сигнальной волны в фоторефрактивном кристалле 12. Изменение интенсивности сигнальной волны 4 на выходе из фоторефрактивного кристалла 12 регистрируется фотоприемником 13. Из сигнала, регистрируемого фотоприемником, определяется звуковое давление на мембрану.
Голографический принцип объединения волн в фоторефрактивный кристалл позволяет обеспечить точное согласование произвольных фронтов опорной и сигнальной световых волн, а адаптивные свойства динамической голограммы обеспечивают стабилизацию рабочей точки интерферометра в области его максимальной чувствительности, что позволяет устройству стабильно работать в условиях неконтролируемых изменений параметров окружающей среды. Благодаря этому повышается стабильность работы устройства, уменьшаются шумы, увеличивается чувствительность, отпадает необходимость в точной юстировке оптических элементов, и появляется возможность детектирования слабых акустических полей.