Волоконно-оптические датчики физических величин на основе низкокогерентной интерферометрии

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН НА ОСНОВЕ НИЗКОКОГЕРЕНТНОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ

В.Д. БУРКОВ, проф. МГУЛ, д-р техн. наук,

В.Т. ПОТАПОВ, проф. МГУЛ, д-р техн. наук,

Т.В. ПОТАПОВ, Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники РАН, канд. физ.-мат. наук,

М.Е. УДАЛОВ, доц. МГУЛ, канд. техн. наук

burkov@mgul. ac. ru

Методы низкокогерентной волоконно-оптической интерферометрии находят все более широкое применение для измерения геометрических характеристик различных объектов (положения объектов в пространстве, оптических толщин, расстояний и перемещений) и могут быть использованы для создания миниатюрных и высокочувствительных датчиков различных физических величин, в частности температуры, давления, вибраций и др. [1, 2]. Чувствительный элемент или первичный преобразователь такого датчика представляет собой микроинтерферометр Фабри-Перо (ИФП), база которого (расстояние между отражающими зеркалами) изменяется под внешним воздействием. По изменениям базы ИФП определяется величина этого воздействия. Низкокогерентная оптическая интерферометрия представляет собой метод оптических измерений, использующий свойства частично-когерентного оптического излучения с продольной длиной когерентности много меньшей оптических путей интерферирующих лучей. Методы низкокогерентной интерферометрии основаны на измерении автокорреляционной функции зондирующего излучения после его взаимодействия с чувствительным элементом (ИФП) и последующего нахождения базы ИФП с помощью преобразования Фурье. Автокорреляционная функция может быть измерена либо с помощью интерферометра с модулируемой разностью плеч (оптического коррелометра), либо методом спектральной низкокогерентной интерферометрии, который заключается в измерении спектра мощности излучения, прошедшего через контролируемый ИФП (чувствительный элемент) и вычислении базы ИФП с помощью преобразования Фурье. В настоящей работе описывается метод спектральной низкокогерентной интерферометрии. В ИФП

происходит многолучевая интерференция света и функции пропускания и отражения интерферометра определяется функциями Эйри

I

I

F sin2

5

2

1 77 • 2 5

1 + F sin — 2

5 = nm

- максимумы (отражение),

I(t) 1

I

1 + F sin

25

5

2nm

- максимумы (пропускание), где F = 4R / (1 - R)2 - параметр, характеризующий резкость интерферометра - отношение расстояния между соседними полосами в спектре интерферометра к полуширине самой полосы;

I(r), /о - интенсивности отраженного и прошедшего через ИФП света, соответственно;

I(i) - интенсивность падающего на ИФП света;

5 = (4п / Л)nd - разность фаз между интерферирующими лучами; где п- показатель преломления среды интерферометра;

d - база интерферометра - измеряемый параметр;

Л - длина волны излучения.

Таким образом, прошедшее и отраженное от ИФП излучения будут промодулирова-ны спектром пропускания или отражения ИФП соответственно. Далее излучение, промодули-рованное спектром пропускания (отражения), раскладывается дифракционной решеткой и первый или второй порядки дифракции направляются на матрицу фотодиодов (ПЗС матрицу), сигнал от которой можно непосредственно наблюдать на мониторе компьютера и обрабатывать для вычисления базы ИФП.

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 5/2010

157

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ИФП

Рис. 1. Схема установки, использующей метод спектральной низкокогерентной интерферометрии для измерения базы интерферометра Фабри-Перо

/Inritsu 07-11-22 02:03

ЯМкг А: 926.52nm В: 935.62nm В-А: 9. lnm

LMkr С: 24926-72pU D: 20372. 8pkl OD: 1.0

Res:l-0nm / Avg:0ff / $mplg:2001 '

VBU:1 kHz / Sm:Off /Intvl:0ff / / Att Off

Рис. 2. Спектр источника с интерферометром Фабри-Перо

Рис. 3. Спектр источника с интерферометром Фабри-Перо

О frictipj г ДПФ

^ёи(м^Ф»й«^ае«ФМ«мт^

158

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2010

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

<?1йпф1

Г Сохранять

_____Старт__|_____Стоп___| Выбрав «райя а« сохранен»» |

tfyfNqj l B Г»ЫС<ип«п*т t.» •... ||п гм»иокно &С&_I CnanpCObap-fant 1 19: SS

Рис. 4. Фурье-преобразование спектра интерферометра Фабри-Перо

Рис. 5. Схема определения и калибровки базы интерферометра по положению пика на Фурье-преобразовании спектра интерферометра

Рис. 6. Зависимость положения частоты пика спектра интерферометра Фабри-Перо от базы интерферометра

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 5/2010

159

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Подложка Si 100 мкм

Компрессионная сварка

ИФП

Кварцевый капилляр

Подложка Si

Эпитаксиальный  слой Si 20-50 мкм

Давление

Кремниевая мембрана толщиной 80-100 мкм

Рис. 7. Конструкция макета чувствительного элемента ВОД давления

Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. В этой схеме свет от широкополосного источника излучения, в качестве которого используется суперлюминесцентный светодиод SLD-361, излучающий в диапазоне длин волн 0,85-0,98 мкм по одномодовому волоконному световоду, передается на исследуемый интерферометр Фабри-Перо, располагаемый на конце световода. Отраженный от интерферометра световой поток через оптический разветвитель и волокно поступает на вход миниспектрометра, состоящего из коллимирующей оптики, дифракционной решетки отражательного типа (эшелета) и матрицы фотодиодов (ПЗС-матрицы).

Излучение светодиода, провзаимодейс-твовавшее с интерферометром Фабри-Перо, пространственно разлагается дифракционной решеткой и направляется на матрицу фотодиодов, сигнал от которой можно непосредственно наблюдать и обрабатывать на компьютере. Так как интерферометр Фабри-Перо является интерференционным фильтром, пропускание или отражение света которого зависит от длины волны излучения и его базы (расстояния между отражающими поверхностями (зеркалами)), то спектр сигнала, отраженного от интерферометра с фиксированной базой, будет промодулирован кривой зависимостью отра-

жения интерферометра Фабри-Перо от длины волны (рис. 1 в правом нижнем углу). Производя преобразование Фурье этого спектра, мы можем определять базу (расстояние между отражающими поверхностями) интерферометра Фабри-Перо.

Первые предварительные эксперименты по измерению базы ИФП были проведены на ИФП, образованным торцами 2-х оптических волокон.

На рис. 2 и 3 приведены спектры источника с микрорезонаторами Фабри-Перо, образованными торцами оптических волокон, при расстояниях между торцами равных = 30 мкм (рис. 2) и = 120 мкм (рис. 3).

Из сравнения этих рисунков видно, что в зависимости от величины базы интерферометра изменяется вид спектра излучения. Таким образом, реализуя микрорезонаторы ФП на торцах оптических волокон, можно создавать микроминиатюрные ВОД различных физических величин.

На рис. 4 показано Фурье-преобразо-вание спектра интерферометра Фабри-Перо, а на рис. 5 изображена схема калибровки базы интерферометра по положению пика на кривой Фурье-преобразования спектра (рис. 4), место которого на шкале частот определяется базой интерферометра. Из прямой на рис.

160

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2010