Не отобразилась форма расчета стоимости? Переходи по ссылке

Не отобразилась форма расчета стоимости? Переходи по ссылке

Научная статья на тему «Лазерная система регистрации микросмещений на основе волоконно-оптического интерферометра»

Аннотация. Рассмотрена схема регистрации звуковых частот на основе волоконно-оптического интерферометра Майкельсона с лазерным возбуждением. Показано, что в условиях стабилизации рабочих параметров оптической схемы можно достичь значений чувствительности измерителя, не превышающих 1 пм в единичной полосе частот при уровне возбуждения 1,5 мВт.

Помощь в написании статьи

Ключевые слова: Полупроводниковый лазер, интерферометр Майкельсона, волоконный световод, оптические измерения, микросмещение.

Развитие волоконной оптики привело к быстрому распространению разного рода прецизионных оптических сенсоров, в том числе – прецизионных фазовых систем на основе волоконно-оптических интерферометров. Одной из актуальных задач является адаптация разных конфигураций волоконных интерферометрических устройств для их применения в измерениях широкого класса физических параметров: регистрации колебаний температуры и давления, детектирования акустических сигналов, вибраций и ускорений, электромагнитных волн и т.д. [1]. Одним из таких направлений, требующим предельно высокого уровня чувствительности оптической схемы, является бесконтактная регистрация микросмещений отражающей поверхности, возникающих при вибрациях, акустических колебаниях на звуковых частотах и разного рода резонансах в низкочастотной области спектра.

Амплитудные лазерные измерительные системы (см., например, [2,3]) позволяют контролировать микросмещения объекта, как правило, на уровне ≥ 1 – 3 нм, что существенно выше значений, характеризующих колебания объектов (мембран, пленок, поверхностей и.т.д.) под воздействием звукового поля. Для прецизионного измерения смещений с требуемой в таких ситуациях чувствительностью принципиальным становится использование интерференционных схем, а практические требования к защищенности измерительного канала делают безальтернативным применение локализованной волоконно-оптической конфигурации датчика.

В данной работе предложена и реализована схема лазерного датчика микросмещений на базе волоконного интерферометра Майкельсона (рисунок 1). Принципиальная схема датчика состоит из источника когерентного монохроматического излучения – полупроводникового лазера (ППЛ), волоконно-оптического X-разветвителя, фотодиода (ФД), принимающего сигнал, зеркала на пьезоэлементе с отражающей поверхностью в опорном плече интерферометра, а также регистрирующая аппаратура. На выходе сигнального плеча X-разветвителя для моделирования микроперемещений был помещен пьезоэлемент (ПЭ) с отражающем покрытием, который позволял осуществить с помощью генератора НЧ регулярные микросмещения отражающей поверхности в пределах всего звукового диапазона частот.

Были проведены исследования динамической интерферограммы, регистрируемой фотоприемником в представленной схеме, для двух различных типов лазерных полупроводниковых источников возбуждающего излучения – серийных образцов лазера типа ADL-66503-TL в монтажном варианте ТО-18, генерировавшего в непрерывном режиме излучение на уровне 1 – 20 мВт на рабочей длине волны ~ 660 нм, а также лазерного источника типа LD-1310-31B Newport с волоконным выходом и рабочей длиной волны

~ 1310 нм и мощностью на выходе волокна 1,5 мВт. Рабочая точка интерферометра выбиралась на склоне интерферограммы и соответствовала максимальной кривизне дискриминационной кривой.

Рис. 1

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 2

На рис. 2 представлены результаты измерения сигнальной компоненты (λ=1310 нм), регистрируемой на нагрузке ФД в звуковом диапазоне частот (1), а также уровень оптического шума в схеме (2) и теоретический предел чувствительности преобразователя, соответствующий шумам затемненного фотоприемника (3). Следует отметить, что исследованная интерферометрическая схема продемонстрировала относительно высокий уровень технического шума в оптическом канале измерителя, обусловленный остаточной вибрацией элементов оптической схемы и температурными вариациями в условиях эксперимента. Повышение чувствительности измерительного канала до предельного уровня, обусловленного тепловыми шумами на нагрузке фотоприемника, потребует, таким образом, выполнения жестких требований на стабильность параметров схемы. Так, например, с учетом температурной зависимости коэффициента преломления кварца, приводящей к изменениям оптической длины плеч интерферометра порядка 0,1 мкм на каждый сантиметр волокна при вариации внешней температуры на один градус, для поддержания стабильного положения рабочей точки в рассматриваемой интерферометрической схеме требуется стабилизация температуры на уровне 0,1 град и лучше.

На рисунке 3 представлены полученные в результате обработки экспериментальных данных расчетные уровни чувствительности к микросмещениям в звуковом диапазоне частот. Для условий проведенного эксперимента минимальные регистрируемые смещения отражающей поверхности (для уровня сигнал/шум, равного 1) в единичной полосе частот составляют ~ 0,015 – 0,05 нм (кривая 1). При условии дополнительной стабилизации параметров схемы, обеспечивающего предельные значения чувствительности измерителя, пороговое значение чувствительности схемы должно составить по расчетам ~ 0,5 пм (кривая 2). При этом надо учесть, что общий уровень чувствительности, пропорциональный размаху интерферограммы, растет с увеличением мощности возбуждающего лазера, и таким образом может быть повышен непосредственно за счет роста мощности полупроводникового лазерного излучателя.

Рис. 3

Рис. 3

В качестве сравнительной оценки полученные в работе значения чувствительности измерителя к микросмещениям можно сопоставить с характерными амплитудами колебаний акустических мембран в микрофонных преобразователях. Приняв в качестве отражающего объекта поверхность типичной микрофонной мембраны с откликом 0,1 мкм/Па [4], получаем, что в такой схеме на пороге слышимости амплитуда смещения составляет около 2 пм. Таким образом, можно утверждать, что исследованный в работе метод регистрации микросмещений позволяет обеспечить регистрацию звуковых колебаний, возникающих под воздействием акустического давления, соответствующего порогу слышимости.

Нужна помощь в написании статьи?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.

Подробнее

Список использованных источников

1. Лиокумович Л. Б. Волоконно-оптические интерферометрические измерения. Часть 1. Волоконно-оптические интерферометры [Текст] // С/-Петербург: Изд-во Политехнического университета, 2007, 110c.
2. Бусурин В.И., Семенов А.С., Удалов Н.П. Оптические и волоконно-оптические датчики Квантовая электроника, 1985, Т.12, №5, С.901-944.
3. Ву Ван Лык, Елисеев П.Г., Манько М.А., Цоцория М.В. Датчики малых смещений и вибраций на основе полупроводниковых лазеров препринт ФИАН №34, М.,1991, 42с.
4. Корляков А.В. Сверхтонкие мембраны в микросистемной технике // Нано и микросистемная техника. 2007. № 8. С. 17–26.

Средняя оценка 0 / 5. Количество оценок: 0

Поставьте оценку первым.

Сожалеем, что вы поставили низкую оценку!

Позвольте нам стать лучше!

Расскажите, как нам стать лучше?

1112

Закажите такую же работу

Не отобразилась форма расчета стоимости? Переходи по ссылке

Не отобразилась форма расчета стоимости? Переходи по ссылке