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. 2
Нужна помощь в написании статьи?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.
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
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.
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.