3.5. Вод интерференционного типа

Наибольшую чувствительность обеспечивают ВОД интерференционного типа.

Наиболее часто фазовый сдвиг измеряют с помощью интерферометра МахаЦендера (рис.15,а). Излучение лазерного источника разделяется на два потока посредством НВО. Первый из них проходит в реперное ВС2 (опорное плечо интерферометра). Второе излучение вводится в ВС1_0, используемое в качестве датчика (измерительное плечо интерферометра).

Одно из волокон ВС2_0, не подвергающееся воздействию измеряемой величины, пропускает опорное излучение, колебания которого описываются выражением

Кнво_0.2 А cos y_0t.

Измерительное волокно ВС1 пропускает излучение, колебания которого описываются формулой

Kнво_0.1_0A cos 2 y_0t _0+Jо _0+J_0(T Tо_0)2.

Здесь Jо сдвиг фаз для начального значения температуры,а функция J(TTо) изменение сдвига фаз, вызванное изменением измеряемой величины T To.

Лучи, выходящие из обоих ВС, интерферируют во втором НВО, и на каждый из фотоприемников поступает поток с интенсивностью

J(t)=A_52_0Kнво_52 * cos y_0t+cos2 y_0t+Jо+J_0(T Tо_0)28.

Ток I, получаемый от фотоприемника со спектральной чувствительностью S, пропорционален средней величине принимаемого потока, так как время запаздывания приемника намного больше периода оптических колебаний 2p_0/y _0[1] :

I=S J(t)=Jо* 1+cos2Jо+J (T Tо_0)28.

Когда под влиянием изменения температуры функция J_0(T Tо_0) проходит период 2p_0, ток изменяется в пределах от своего минимального (нулевого) значения до максимального значения, равного 2Jо_0.

Изменение сдвига фаз J_0(T To_0) на 2p соответствует полному проходу интерференционной полосы через приемник.

Чувствительность gт одного ВС, длина которого подвергается воздействию измеряемой величины Т, по определению равна

1 _5 DJ_0(T Tо_0)

С учетом выражения (5) имеем

gт _0=2_0 _0+_0 2

Члены D_0n/D_0T и D_0l/D_0T в этом выражении характеризуют воздействие измеряемой величины на показатель преломления сердцевины и на длину волокна соответственно.

Согласно опубликованным в литературе данным чувствительность к температуре gт составляет 107 град/_5о _0С_5._0м, соответствуя прохождению 17 интерференционных полос на 1 _5о С и на 1 м волокна.

Для уменьшения дрейфа фазы, связанного с изменением внешних условий, в гомодинных схемах применяют фазовые компенсаторы, включенные в цепь отрицательной обратной связи (рис.15, б). В гетеродинных схемах с этой целью используют управляемые частотные модуляторы (рис.15,в). Стабилизация рабочей точки при гомодинном приеме может осуществляться также путем автоматической подстройки частоты (АПЧ) излучения источника [12]. Перспективна интеграция подобных схем.

Одна из особенностей ВОД состоит в необходимости определения знака изменения температуры. Для получения одновременно высокой чувствительности и большого динамического диапазона, а также определения знака изменения температуры применяют, например, одновременно несколько первичных преобразователей на основе интерферометра Маха Цендера, отличающихся разницей в длине плеч, и соответственно, периодом выходной характеристики.

В [31,32] описаны конструкция, принцип действия и основные технические характеристики ВОД, позволяющего регистрировать эффекты двулучепреломления и вращения плоскости поляризации в образцах, удаленных от устройства обработки информации. В датчике используется узел на основе интерферометра Маха Цендера для ввода в оптическое волокно двух мод излучения с взаимно ортогональными состояниями поляризации и частотами, отличающимися на 40 МГц. Волокно используется для доставки излучения к образцу. Отраженное назад излучение через то же волокно поступает на смеситель, где выделяется сигнал биений, который затем преобразуется в сигнал промежуточной частоты 455 кГц. По изменению фазы преобразованного сигнала судят о двулучепреломляющих свойствах образца.

В [33] представлена концепция создания сенсорных сетей, в которых в качестве чувствительных элементов используются кольцевые волоконнооптические двулучепреломляющие резонаторы с высокой остротой передающей характеристики. Приемная схема сети регистрирует изменение двулучепреломляющих свойств каждого кольцевого резонатора. Важной особенностью сети является использование только одного НВО на один чувствительный элемент. Приведены результаты экспериментальных исследований системы, содержащей два датчика. Сделанвывод о ваозможности создания систем на 10 и более сенсоров.

Описанный в [25] интерференционный ВОД регистрирует изменения температуры точечных и протяженных объектов, температурных полей в жидких и газообразных средах, а также для дистанционных измерений распределения температуры по поверхности тел. Длина чувствительного элемента 0,1...10 м. Разрешающая способность 0,01...0,001оС. Разработка государственного технического университета г.С.Петербурга.

Схема ВОД на основе волоконного интерферометра Фабри-Перо (рис.16) содержит два последовательно включенных интерферометра.

Один из них является чувствительным элементом, второй, удаленный от первого, перестраиваемым узкополосным фильтром. Низкочастот ные изменения сигнала, обусловленные медленно меняющимися внешними условиями, по цепи обратной связи поступают на перестраиваемый резонатор для автоматического уменьшения рассогласования [16].

Рис.16. Волоконный интерферометр Фабри Перо

При использовании волоконного интерферометра Фабри Перо для ВОД температуры знак изменения удается определить применением двухчастотного лазера с разносом частот между двумя продольными модами в несколько сотен мегагерц. Изменению длины оптического пути в интерферометре на l_0/2 соответствует смещение одной интерференционной полосы на детекторе и формирование одного импульса на его выходе. При этом в составе выходного сигнала в результате интерференции в резонаторе двух используемых мод образуются характерные всплески, относительное положение которых однозначно связано со знаком изменения температуры. Чувствительность ВОД, приведенная к 1 м длины используемого ВС, составляет 0,01_5 o_0 С/имп [34].

В [35] исследуется ВОД температуры Фабри Перо, использующий источник излучения со слабой когерентностью, например светоизлучающий диод. Датчик включает два интерферометра Фабри Перо, один из которых используется в качестве чувствительного элемента, а другой в качестве опорного. Биения (в спектральной области) отраженных от интерферометров оптических сигналов зависят от расстройки, которая определяется температурой чувствительного элемента. Биения регистрируются тем отчетливее, чем выше когерентность оптического излучения. Установлено, что биения практически пропадают, если разница в оптических путях интерферометров существенно больше длины когерентности излучения. Достигнута относительная фазовая чувствительность датчика к изменениям температуры 7,3 106 на 1о С.

В [36] описан микрорезонаторный ВОД температуры и давления.

В качестве чувствительного элемента используется кремниевый мостовой элемент, возбуждаемый на резонансной частоте сигналом, подводимым к элементу с помощью ВС с выхода полупроводникового лазера. Считывание информации осуществляется посредством ВС, входящего в состав интерферометра с использованием в качестве источника излучения HeNe лазера. В диапазоне изменения температуры 50... 150_5 о_0С резонансная частота мостового элемента изменяется от 59,95 до 69,05 кГц, что соответствует чувствительности 0,015 % на 1_5о_0С.

В [37] изложен принцип действия и устройство интенференционного датчика температуры с оптическим считыванием информации, в котором термометрическим телом является плоская пластина монокристалла кремния, выполняющая роль интерферометра Фабри Перо. В основе определения температуры лежит тот факт, что при падении плоской монохроматической световой волны на плоскопараллельную слабопоглощающую пластину с геометрической толщиной h и показателем преломления n коэффициенты пропускания и отражения света описываются известными выражениями, содержащими периодическую зависимость от оптической толщины nh.

При изменении температуры происходит изменение величины каждого из сомножителей, вследствие чего интенсивности прошедшего и отраженного света колеблются относительно среднего значения, характерного для некогерентного света. Температурные зависимости показателя преломления и толщины кремниевой пластины в диапазоне 0... 300 о С аппроксимируются следующими квадратичными выражениями [37]:

n(T)=3,5312 (1+5,797_010_55_0T+4,097_010_58 T_52_0);

h(T)=ho_0(1+2,47_010_56_0T+47_010_59_0T_52_0).

Условие достижения интерференционного экстремума имеет вид

nh=0,25 l_0m,m=0; 1; 2;....

(здесь четные значения соответствуют максимумам пропускания, а нечетные максимумам отражения света).

Число периодов интерференции N при нагревании (N > 0) или охлаждении (N < 0) датчика от начальной температуры Т0 однозначно определяет искомую конечную температуру

Т=Тo+(b+?b_52+4ag) _0/ _02a, _0(6)

где a=Аа+В+b коэффициент поглощения, 1/см ;

b=A+a+2a_0To, g=l_0N _0/ 2 no_0ho_0.

Фазовая чувствительность gт метода определяется как изменение фазы J излучения при изменении температуры на 1 oС в выражениях коэффициентов пропускания (отражения):

dJ 4p { a+2bTA+2BT }

gт _0=_0 _0=_0 _0no_0ho 2_0 n+h 2.

dTl_0[ no ho]

Для кремния наибольший вклад в изменение оптической толщины дает температурная зависимость показателя преломления. Вклад линейного расширения на два порядка меньше. Удельная фазовая чувствительность кремниевого датчика при 300 К равна 24 рад/см К.

Для оценок качества ВОД удобно пользоваться средней температурной чувствительностью относительного изменения интенсивности регистрируемого излучения gJ_0, для которой усреднение по периоду интерференции проводится следующим образом:

Jмакс _ _0Jмин_ _ 1

gJ_=4 _5..

Jмакс _Jмин D_T

В диапазоне 20... 300_5 о_0С средняя по периоду чувствительность изменяется в пределах 12...44 % на 1 оС в режиме пропускания и 25... 84 % на 1 оС в режиме отражения (рис.17,а). Видно, что схема с отражением света обеспечивает примерно вдвое большую чувствительность.

Причиной увеличения чувствительности при нагревании пластины от комнатной температуры является уменьшение температурного периода интерференции: DТ=5,24 _5о С при 20 о С и DТ=4,16 о С при 200 о С. При дальнейшем увеличении температуры чувствительность gJ падает вследствие уменьшения контраста интерференции. Фазовая чувствительность gт с увеличением температуры монотонно растет.

При изменении длины волны излучения от 2,5 мкм (край полосы поглощения кварцевого ВС) до 1 мкм средняя чувствительность gJ увеличивается примерно в 3 раза. При дальнейшем уменьшении длины волны чувствительность быстро падает до нуля изза непрозрачности кремния в этой области.

Рис.17. Температурная чувствительность (а) интерференциального метода и контраст регистрируемого сигнала (б)

Схема интерференционного ВОД температуры представлена на рис.18. Излучение лазера с lo=1,15 мкм вводится в ВС с помощью линзы с фокусным расстоянием 20 мм. Использован ступенчатый МВС длиной 5 м с диаметрами кварцевого сердечника 50 мкм и кварцевой оболочки 125 мкм. Противоположный торец волокна подводится к кремниевой пластине толщиной 170... 500 мкм и размером 2х3 мм_52_0.

В испытаниях для нагревания пластины служила нихромовая спираль, питаемая от регулируемого автотрансформатора. Спираль касается пластины вблизи области оптического зондирования. Отраженное излучение регистрируется кремниевым фотодиодом, встроенным в выносную принимающую головку фотометрарадиометра "Кварц0,1" [37].

Рис.18. Интерференционный ВОД температуры

На рис.19 приведена интерферограмма, зарегистрированная самописцем Н3021, регистрируемая при включении и выключении нагревателя. Расчет температуры в каждый момент времени проводится с помощью выражения (6).

Рис.19. Интерферограмма при изменении температуры пластины [37]

Контраст сигнала

KR=(Jмакс Jмин_0) / (Jмакс+Jмин_0)

при регистрации отраженного света существенно меньше максимально возможного (КR=1). Для ВОД температуры причина снижения контраста состоит в неплоскостности волнового фронта, выходящего из торца ВС. Различие оптических путей света в пластине в пределах одного пучка ведет к усреднению интенсивности и сглаживанию эксремумов. Для многомодового ступенчатого ВС угол расходимости светового пучка по уровню половинной интенсивности равен 2f ~16_5o_0.Контраст регистрируемого сигнала определяется количеством М ~2hf_52_0/l_0n периодов интерференции вдоль радиуса пучка.

На рис.17,б построена зависимость контраста интерференции от толщины пластины, рассчитанная для случая равномерного распределения интенсивности по сечению пучка. Для приближения к теоретически возможному контрасту необходимо выполнить условие М<1, что не всегда совместимо с требованием высокой чувствительности, так как уменьшение толщины пластины или увеличение длины волны излучения ведут к падению чувствительности и одновременному увеличению контраста. Для управления контрастом без изменения чувствительности остается единственный параметр угол расходимости f. Уменьшение f может быть достигнуто при переходе от ступенчатого к градиентному ВС с выходной апертурой 2f _0=10_5 o _0[3]. При этом могут быть достигнуты контраст КR ~ _00,4 и чувствительность gI ~30... 40 % на 1oС.

Принципиальным ограничением применимости интерференционного кремниевого ВОД в области высоких температур является увеличение коэффициента поглощения света до такого уровня, когда интерференция не проявляется. Приняв _0условно, что подавление интерференции соответствует оптической толщине a_0h, получаем верхнюю границу для lo=1,15 мкм и h=500 мкм, равную 350 oС.

При определении максимальной измеряемой температуры возникает также ограничение, связанное с термостойкостью клея, скрепляющего ВС с кристаллом. При использовании силикатного клея (жидкое стекло) после 20 циклов нагрева до ~ 300 o С клей становится хрупким и разрушается.

Благодаря применению весьма тонких физических эффектов и большой длине взаимодействия излучения с веществом, которую удается реализовать в ВС, когерентные ВОД обеспечивают наиболее высокую чувствительность и большой динамический диапазон. При этом практические характеристики определяются достигнутым уровнем шумов ВОД и воздействием климатических факторов и старением.

Регистрация фазовых сдвигов, осуществляемая интерференционными методами, предъявляет жесткие требования к когерентности используемого источника излучения. В ВОД, как правило, используются одномодовые ВС с вынужденным двулучепреломлением. Все это сильно усложняет конструкцию таких приборов. Кроме того, диапазон однозначных измерений интерференционных ВОД очень мал [38].