Мультиплексная система автогенераторных микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков физических величин

 

Использование: волоконно-оптические автоколебательные системы на основе микромеханического резонатора, возбуждаемого светом, мультиплексные системы измерения различных физических величин. Сущность изобретения: реализуется многоканальная измерительная система, в которой каждый измерительный канал содержит автономный высокоэффективный эрбиевый волоконный лазер, длина оптического резонатора которого, по существу, ограничивается длиной отрезка активного одномодового световода, составляющей не более 10 см. Излучение полупроводникового лазера накачки направляется в резонатор эрбиевого волоконного лазера с помощью многомодового разветвителя, на длину которого нет ограничений. Это означает, что ограничения на удаленность чувствительного элемента измерительной системы от регистрирующей электронной аппаратуры сняты. Система автогенераторных микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков физических величин представляет собой набор N независимых эрбиевых волоконных лазеров с N микрорезонаторными зеркалами, в которых оптическая накачка активных световодов осуществляется излучением единственного полупроводникового лазера накачки, распределенным с помощью многомодового волоконного разветвителя типа 2хN. Техническим результатом изобретения является обеспечение высокого быстродействия и реализация непрерывного режима измерений; исключение взаимного влияния перекрестных помех между измерительными каналами, что повышает точность измерений; снятие принципиальных ограничений на число измерительных каналов системы; высокий коэффициент полезного действия всей системы вследствие упрощения проблемы согласования полупроводникового лазера накачки с многомодовым волоконным разветвителем. 1 ил.

Изобретение относится к волоконно-оптическим автоколебательным системам на основе микромеханического резонатора, возбуждаемого светом, и может быть использовано в мультиплексных системах измерения различных физических величин, например температуры, давления, линейных и угловых перемещений и др.

Широкое освещение в литература в настоящее время получили автогенераторы, микрорезонаторы которых возбуждаются как модулированным, так и немодулированным когерентным излучением с использованием обратной интерферометрической связи.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является мультиплексная система автогенераторных микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков физических величин (см. патент РФ 2142615, кл. G 01 Н 9/00, 1998 г.). Система используется для измерения температуры, давления, линейных и угловых перемещений. В автогенераторной мультиплексной системе, содержащей два измерительных канала, резонансное взаимодействие волоконного лазера с микромеханической резонаторной структурой осуществляется на основе модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений одного из зеркал, в качестве которого служит микрорезонатор. При этом один торец одномодового световода сопряжен с автоколлиматором, формирующим параллельный пучок света на отражающую поверхность микрорезонатора, ориентированную под некоторым заданным углом Θ к оптической оси автоколлиматора, а второй является выходным. В качестве блока обработки сигнала использован частотомер. Обеспечено повышение стабильности измерений.

К числу недостатков данной мультиплексной системы следует отнести следующее. Оптическим резонатором лазера в аналоге является весь волоконно-оптический тракт, включающий в себя как активный, так и пассивный отрезки световодов. Значительная длина волоконного тракта, составляющая 10-100 м, приводит к сильной чувствительности системы к дестабилизирующим факторам, воздействующим на весь тракт (по существу весь волоконно-оптический тракт является "антеной", принимающей различные воздействия на него, как, например, изменение температуры окружающей среды, давления, вибраций, влажности, изгибов световодов и т.д., которые приводят к нестабильности характеристик оптического резонатора лазера).

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке мультиплексной системы автогенераторных микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков физических величин, допускающей непрерывную и одновременную работу нескольких измерительных каналов, отличающуюся от аналога следующими преимуществами: - высокое быстродействие и реализация непрерывного режима измерений; - исключение взаимного влияния перекрестных помех между измерительными каналами, что повышает точность измерений; - снятие принципиальных ограничений на число измерительных каналов системы; - высокий коэффициент полезного действия всей системы вследствие упрощения проблемы согласования полупроводникового лазера накачки (ПЛ) с многомодовым волоконным разветвителем.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в мультиплексной системе автогенераторных микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков физических величин, содержащей волоконном оптический лазер с полупроводниковым лазером накачки, волоконный автоколлиматор, микрорезонатор с зеркальным отражателем, ориентированный под заданным углом Θ к оптической оси автоколлиматора, фотоприемник, анализатор спектра, волоконный разветвитель, в качестве волоконного разветвителя использован многомодовый волоконный разветвитель накачки, входной торец которого связан с полупроводниковым лазером, a N свободных торцов оптически связаны с N волоконными лазерами, резонатор каждого из которых составлен из отрезка активного одномодового световода и зеркал, выполненных на основе Брегговской решетки, и автоколлиматора на основе микрорезонатора, при этом выходной торец многомодового разветвителя сопряжен со входом фотоприемника.

Суть предлагаемого технического решения заключается в следующем.

На основе активных световодов, легированных совместно редкоземельными элементами Yb⁺³-Еr⁺³, возможно создание высокоэффективных эрбиевых волоконных лазеров (ЭВЛ) с достаточно малыми длинами волоконных резонаторов, составляющими l≤0,1 м. Широкий диапазон энергетических и динамических характеристик рассматриваемых ЭВЛ дает возможность создания волоконно-оптических автогенераторов (BOA), основанных на резонансном взаимодействии лазера с оптически возбуждаемыми микромеханическими резонаторами, которые могут применяться при разработке мультиплексной системы автогенераторных микрорезоанторных волоконно-оптических датчиков физических величин.

В результате реализуется многоканальная измерительная система, в которой каждый измерительный канал содержит автономный ЭВЛ, длина оптического резонатора которого по существу ограничивается длиной отрезка активного одномодового световода, составляющей не более 10 см.

При этом в отличие от аналога излучение полупроводникового лазера накачки (ПЛ) направляется в резонатор ЭВЛ с помощью многомодового разветвителя, на длину которого нет ограничений. Это, в свою очередь, означает, что ограничения на удаленность чувствительного элемента (ЧЭ) измерительной системы от регистрирующей электронной аппаратуры сняты.

В аналоге необходимая удаленность ЧЭ от регистрирующей аппаратуры достигается за счет увеличения длины оптического резонатора ЭВЛ. Однако с ростом длины волоконного тракта (оптического резонатора ЭВЛ) уменьшается частота релаксационных колебаний лазера f_рел, что накладывает ограничения на частотный диапазон используемых микрорезонаторов (f_рел≈f, где f - частота микрорезонатора).

При разработке физической и математической модели автогенератора эрбиевый волоконный лазер необходимо рассматривать как распределенную систему, поскольку вследствие несимметричной схемы накачки и большого коэффициента поглощения в активном световоде распределение интенсивности излучения ПЛ вдоль активного участка является существенно неравномерным. Кроме того, следует учитывать кинетику накачки сенсибилизатора (Yb⁺³) и обмена энергией между ионами Yb⁺³<-->Еr⁺³. В рамках приближения скоростных уравнений лазера и модели линейного гармонического осцилятора, описывающего микрорезонатор, разработана математическая модель BOA, которая представляет собой нелинейную систему уравнений, решение которой потребовало применения численных методов интегрирования.

На базе рассматриваемых BOA возможно создание новой мультиплексной системы автогенераторных микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков физических величин. Система представляет собой набор N независимых эрбиевых волоконных лазеров с N микрорезонаторными зеркалами МР_i(i=1,...,N), в которых оптическая накачка активных световодов осуществляется излучением единственного полупроводникового лазера накачки ПЛ, распределенным с помощью многомодового волоконного разветвителя ВР типа 2хN.

Предлагаемая мультиплексная система изображена на чертеже, где 1 - ЭВЛ, 2 - полупроводниковый лазер накачки, 3 - многомодовый разветвитель, входной торец которого связан с полупроводниковым лазером 2, а другие торцы сопряжены с соответствующими резонаторами ЭВЛ, 4 - дихроические зеркала, отражающие излучение на линии генерации лазера λ и пропускающие на длине волны полупроводникового лазера накачки λ_н = 0,98 мкм, при этом дихроические зеркала выполнены на основе Брегговских отражателей, сформированных непосредственно в световодах, 5 - волоконные автоколлиматоры, 6 - микрорезонаторы, резонансные частоты f_1...N которых чувствительны к соответствующей физической величине (температуре Т, давлению Р, ускорению а и т.д.), 7 - отражающие поверхности микрорезонаторов, 8 - фотоприемник, 9 - блок обработки сигналов (БОС), 10 - отрезок активного одномодового световода, легированного, например, Yb⁺³-Еr⁺³ с λ=1,55 мкм.

Накачка ЭВЛ 1 осуществляется ПЛ 2, излучение которого с помощью многомодового волоконного разветвителя 3 направляется в соответствующие отрезки активных световодов АС_i 10. В качестве дихроичных зеркал М_i 4, имеющих большой коэффициент отражения на линии генерации лазера λ и пропускания на длине волны излучения лазера накачки λ_н, могут применяться Брегговские отражатели, сформированные непосредственно в световодах. При этом длины активных участков световодов l_i 10 и уровни их накачки Р_i, зависящие от коэффициентов деления многомодового разветвителя 3, определяются из условий резонанса между частотой релаксационных колебаний соответствующего волоконного лазера 1 и собственной частотой микрорезонатора f_рел(P_i,l_i)≅f_i В условиях непрерывной накачки в данной системе одновременно возбуждаются автоколебания различных микрорезонаторов, при этом выходной сигнал фотоприемника ФП 8 содержит гармонические составляющие на разных частотах, соответствующих колебанию МР 6 в функции воздействия физических величин (температуры Т, давления Р и др.) в каждом измерительном канале.

Таким образом, осуществляется частотное мультиплексирование микрорезонаторных датчиков физических величин, обладающих высокой чувствительностью и точностью измерений, быстродействием, высоким КПД и расширенными функциональными возможностями.

Определим характеристики основных элементов оптической схемы, например, для восьмиканальной системы. Примем, что пороговое значение средней выходной мощности излучения волоконных лазеров, необходимое для самовозбуждения микрореэонаторов, составляет P_пор=2 мВт. Исходя из значений коэффициента полезного действия χ волоконных лазеров по отношению к оптической мощности накачки χ получим значения мощности активных световодов P_i≥P_пор/χ=7 мВт.

С учетом потерь П в волоконном разветмтеле П ≅ 2...3 дБ и принимая равномерное распределение мощности по выходным каналам разветвителя, получим необходимое значение мощности излучения ПЛ во входном канале разветвителя Р₀=120 мВт.

В настоящей время ИЛ могут обеспечивать в непрерывном режиме мощность излучения в световодах ≅ 0,5...1,0 Вт, что свидетельствует о возможности практической реализации подложенной мультиплексной системы.

Рассмотренная мультиплексная система волоконно-оптических датчиков физических величин по ряду характеристик, таких как высокая точность изменений, дистанционность измерения, помехоустойчивость, электромагнитная совместимость, пожаровзрывобезопасность в агрессивных средах, чувствительность, быстродействие и др., превосходит известные датчики физических величин, построенные на других физических принципах.

Формула изобретения

Мультиплексная система автогенераторных микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков физических величин, содержащая волоконно-оптический лазер с полупроводниковым лазером накачки, волоконный автоколлиматор, микрорезонатор с зеркальным отражателем, ориентированный под заданным углом Θ к оптической оси автоколлиматора, фотоприемник, анализатор спектра, волоконный разветвитель, отличающаяся тем, что в качестве волоконного разветвителя использован многомодовый волоконный разветвитель накачки, входной торец которого связан с полупроводниковым лазером, а N свободных торцов оптически связан с N волоконными лазерами, резонатор каждого из которых составлен из отрезка активного одномодового световода и зеркал, выполненных на основе Брегговской решетки, и автоколлиматора на основе микрорезонатора, при этом выходной торец многомодового разветвителя сопряжен со входом фотоприемника.

РИСУНКИ

Рисунок 1