WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

Куликов Андрей Владимирович

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ АКУСТИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ НА БРЭГГОВСКИХ РЕШЕТКАХ

05.11.01 – Приборы и методы измерения (тепловые и оптические величины)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2012

Работа выполнена на кафедре физики и техники оптической связи Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Мешковский Игорь Касьянович

Официальные оппоненты: Никоноров Николай Валентинович доктор физико-математических наук, профессор, Заведующий кафедрой ОТиМ Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики Зайченко Константин Витальевич кандидат технических наук, первый заместитель генерального директора ОАО «НИИ «Атолл»

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

Защита диссертации состоится “31” мая 2012 г. в 17 ч. 10 мин. на заседании диссертационного совета Д212.227.02 в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49, ауд. 466.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

Автореферат разослан «27» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, Козлов Сергей Аркадьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Отсутствие возможности использовать диапазон радиочастот в воде приводит к тому, что для решения различных задач локации и пеленгования в море необходимо прибегать к акустическим методам.

Среди акустических устройств наиболее современными являются системы, использующие волоконно-оптические фазовые интерферометрические датчики.

Применение в таких системах двулучепреломляющих световодов, массивов волоконных брэгговских решеток, современных методов мультиплексирования и обработки интерференционных оптических сигналов позволяет создавать протяженные распределенные волоконно-оптические измерительные комплексы.

Хорошо изучены и широко распространены акустические датчики на пьезокерамических элементах, основными недостатками которых являются сложность их мультиплексирования и сравнительно большие массогабаритные параметры. При помощи оптических волокон с брэгговскими решетками удается решить задачу создания массива чувствительных элементов, обладающих высокой акустической чувствительностью и необходимым динамическим диапазоном, нечувствительностью к электромагнитному воздействию и сравнительно более выгодными весогабаритными характеристиками. В настоящее время наблюдается перевооружение гидроакустических комплексов во флотах США и их союзников по НАТО, где все шире начинают применяться пассивные буксируемые гидроакустические антенны с волоконно-оптическими датчиками, использующие решетки Брэгга с низкой отражающей способностью.

Все шире применяются сети стационарных донных волоконно-оптических гидрофонов на брэгговских решетках с целью геофизической разведки шельфовых запасов полезных природных ископаемых, в том числе нефти и газа.

Таким образом, поиск путей создания и разработка устройств регистрации акустических сигналов с применением оптических волокон, в которых сформированы брэгговские решетки, образующие фазовые интерферометрические датчики, представляет перспективное направление в области спектрального измерения акустического давления.

Несмотря на то, что за последние годы вышло большое число работ по исследованию волоконно-оптических устройств с брэгговскими решетками, созданию и исследованию гидроакустических устройств измерения акустических спектров, по мнению автора, уделено недостаточное внимание.

Цель работы: построение и исследование волоконно-оптических фазовых интерферометрических измерительных устройств на брэгговских решетках и поиск путей их применения для решения задач гидроакустики. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• создание концепции построения распределенной линии волоконнооптических акустических сенсоров на основе фазовых интерферометрических датчиков на брэгговских решетках;

• определение пути технологической реализации процесса записи массивов брэгговских решеток в двулучепреломляющее волокно;

• проведение комплексного исследования влияния физических характеристик материалов покрытия оптического волокна на увеличение акустической чувствительности фазовых интерферометрических датчиков и осуществление выбора материала и разработка технологии покрытия волокна;

• исследование метода компенсации частотного дрейфа волоконной брэгговской решетки в фазовом интерферометрическом датчике;

• проведение измерений параметров и испытаний созданных действующих макетов волоконно-оптических гидроакустических антенн на основе фазовых интерферометрических датчиков с брэгговскими решетками.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

1. Подобраны режимы записи в двулучепреломляющее оптическое волокно с эллиптической напрягающей оболочкой брэгговских решеток одиночным импульсом KrF эксимерного лазера в стационарных условиях методом фазовой маски;

2. Создана технология записи брэгговских решеток в процессе вытяжки двулучепреломляющего оптического волокна с эллиптической напрягающей оболочкой;

3. Разработана оригинальная методика компенсации частотного дрейфа волоконной брэгговской решетки в фазовом интерферометрическом датчике при воздействии электрического поля на решетку Брэгга в кристалле ниобата лития;

4. Проведена оптимизация геометрических размеров и механических параметров материала покрытия на основе модели Хокера. Экспериментально определены оптимальные соотношения модуля Юнга, коэффициента Пуассона и внешнего диаметра материала покрытия для увеличения акустической чувствительности оптического волокна. На базе полученных результатов построена модель преобразования акустического давления в оптический сигнал.

Практическое значение работы состоит в следующем:

1. Технология записи высокоэффективных решеток Брэгга в двулучепреломляющее оптическое волокно с эллиптической напрягающей оболочкой методом фазовой маски позволяет создавать волоконные брэгговские отражатели для волоконно-оптических датчиков, а также для спектрально-селективных элементов телекоммуникационных систем и волоконных лазеров.

2. Способ записи в двулучепреломляющее оптическое волокно с эллиптической напрягающей оболочкой в процессе его вытяжки массивов брэгговских решеток с использованием интерферометра Тальбота может служить основой при создании распределенных линий акустического мониторинга.

3. Показано, что предложенная и реализованная методика компенсации частотного дрейфа волоконной брэгговской решетки с помощью воздействия электрического поля на решетку Брэгга в монокристалле ниобата лития (LiNbO3) применима в волоконно-оптических датчиках различных физических величин для обеспечения максимальной контрастности интерференционного сигнала.

4. Создан и исследован волоконно-оптический модуль с материалом покрытия, увеличивающим акустическую чувствительность более чем в 100 раз;

настоящий материал применим для интерферометрических волоконнооптических акустических сенсоров различной конструкции.

5. Концепция построения распределенной линии волоконно-оптических акустических сенсоров может быть использована при создании буксируемых волоконно-оптических гидроакустических антенн, стационарных гидроакустических кос и систем виброакустического мониторинга безопасности стратегических объектов.

Защищаемые положения:

1. Метод записи в двулучепреломляющее оптическое волокно с эллиптической напрягающей оболочкой брэгговских решеток с эффективностью до 100% и шириной спектра отражения на полувысоте более 1 нм одиночным импульсом KrF эксимерного лазера в стационарных условиях методом фазовой маски.

2. Способ записи брэгговских решеток с эффективностью до 10% и шириной спектра отражения на полувысоте ~ 0,1 нм в двулучепреломляющее оптическое волокно с эллиптической напрягающей оболочкой в процессе его вытяжки с использованием перестраиваемого интерферометра Тальбота.

3. Методика компенсации частотного дрейфа волоконной брэгговской решетки в фазовом интерферометрическом датчике путем воздействия электрического поля на решетку Брэгга в электрооптическом монокристалле LiNbO3. При приложении внешнего напряжения величиной ± 300 В была зафиксирована спектральная перестройка брэгговской длины волны решётки в волноводе кристалла LiNbO3 в диапазоне ± 0.25 нм.

4. Проведена оптимизация геометрических размеров и механических параметров материала покрытия на основе модели Хокера. Определены оптимальные соотношения модуля Юнга, коэффициента Пуассона и внешнего диаметра материала покрытия для увеличения акустической чувствительности оптического волокна более чем в 100 раз.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих всероссийских и международных конференциях:

Международная конференция «Фундаментальные проблемы оптики 2010» (Россия, 2010), XXXIX-XLI Научная и учебно-методическая конференция ИТМО (Россия, 2010, 2011, 2012), VI-VIII Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых (Россия, 2009, 2010, 2011), VII международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика – 2011» (Россия, 2011).

Внедрение результатов. В ходе конкурсного отбора для студентов, аспирантов вузов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга в 2011 году получен грант по теме «Волоконно-оптическая система вибро-акустического мониторинга на брэгговских решетках». На основании всероссийского конкурса докладов по совместной программе Министерства образования и науки Российской Федерации и Государственного фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «Студенты, аспиранты и молодые ученые – малому наукоемкому бизнесу - «Ползуновские гранты» в 2010 году получен грант по теме «Волоконнооптическая система охраны периметра на брэгговских решетках, как перспективный метод мониторинга безопасности объекта». На основании Общеуниверситетского конкурса проектных предложений ГОУВПО «СПбГУ ИТМО» в 2011 году получен грант по теме «Разработка и создание волоконнооптической системы охраны периметра на брэгговских решетках, как перспективного и эффективного метода мониторинга безопасности объектов».

На кафедре Физики и техники оптической связи Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики создан рабочий макет волоконно-оптической гидроакустической антенны на брэгговских решетках.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в статьях, входящих в список ВАК. Полный список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата и составляет 13 наименований.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографического списка из 79 наименований, содержит 1страницы машинописного текста, 88 рисунков и 3 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и задачи работы, кратко изложена структура работы и ее содержание, представлена научная новизна, а также определена практическая ценность полученных результатов и приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору современного состояния проблемы волоконно-оптических акустических сенсоров и постановке задач исследования.

Для измерения переменного акустического сигнала с помощью волоконнооптического датчика используется несколько различных физических явлений преобразования переменного акустического давления в регистрируемый оптический сигнал. В проведенном литературном обзоре показано, что как правило, эта задача решается с помощью волоконно-оптических фазовых интерферометрических датчиков (ФИД). Акустические сенсоры, основанные на интерферометрах Маха-Цендера, Майкельсона, Саньяка и Фабри-Перо (рис.1) обладают наибольшей чувствительностью к акустическому давлению в диапазоне от 0,001 до 10 кГц. При этом волоконно-оптические акустические сенсоры на интерферометрах Маха-Цендера и Майкельсона обладают существенным недостатками, а именно:

• нестабильность рабочей точки;

• влияние фазовых шумов источника излучения на выходной сигнал.

Волоконно-оптические акустические датчики с интерферометрами Саньяка лишены этих недостатков, но при этом возникающие внутри чувствительной катушки температурные градиенты вызывают фазовый шум.

Для уменьшения влияния температурных градиентов на характеристики волоконно-оптического акустического сенсора используется специализированная квадрупольная намотка чувствительного контура.

Акустические датчики, основанные на интерферометрах Фабри-Перо, обычно очень компактны – резонатор а) может быть создан из двух торцевых поверхностей сколотого волокна или волокна с парой брэгговских решеток.

Как правило, такие датчики б) используются в качестве точечных устройств регистрации акустического сигнала.

Подробно рассмотрены пути в) создания массивов волоконнооптических акустических сенсоров и распределенных линий на их основе.

Показано, что создание таких массивов г) на основе традиционных фазовых интерференционных датчиков требует Рис.1. Схемы волоконно-оптических установки в чувствительную часть акустических сенсоров, основанных на распределенной линии большого интерферометрах Маха-Цендера (а), Майкельсона (б), Саньяка (в) и Фабри-Перо (г);

количества дополнительных элементов:

волоконно-оптических разветвителей, волоконных усилителей, и др.

Наиболее современным методом мультиплексирования сигнала является использование волоконных брэгговских решеток (ВБР) в качестве спектральноселективных элементов. В главе подробно описаны свойства решеток Брэгга и методы их создания.

Интерферометрический метод регистрации акустического давления может быть признан наиболее перспективным для применения в волоконно-оптических акустических датчиках, при этом необходимо проведение дополнительного поиска путей создания распределенных сенсорных линий на их основе. Одним из таких решений может быть технология изготовления массивов фазовых интерферометрических датчиков на брэгговских решетках, в которых в качестве чувствительного элемента используется само оптическое волокно и применены специальные методы по повышению его акустической чувствительности.

В конце главы сформулированы основные задачи работы и выбраны методы их решения.

Во второй главе рассмотрен принцип действия фазовых интерферометрических датчиков на волоконных брэгговских решетках (рис. 2).

Каждая из решеток ВБР1 и ВБР2 датчика частично отражает импульс, поступающий на нее от импульсного лазера, на одной и той же длине волны Брэгга. При этом временная задержка между отраженными импульсами равна удвоенному времени распространения света в чувствительном элементе датчика – волокне, заключенном между решетками. Отраженные импульсы поступают в компенсирующий интерферометр (КИ), который, в свою очередь, также раздваивает каждый из них. Задержка, вносимая в распространение импульсов плечом 2 компенсирующего интерферометра по отношению к плечу 1, обеспечивает перекрытие во времени импульса, отраженного от решетки ВБР1, на выходе плеча 2 и импульса, отраженного от решетки ВБР2, на выходе плеча 1.

Изменение во времени деформации чувствительного элемента датчика и показателя преломления оптического волокна в результате внешнего воздействия вызывают изменение разности фаз между интерферирующими импульсами.

Интерференционный сигнал преобразуется фотоприемником (ФП) в изменение величины тока, которое после демодуляции несет информацию об акустическом сигнале.

Разность фаз (t) информационного и опорного световых импульсов, отраженных, соответственно, от второй и первой решеток Брэгга, содержит, помимо Рис.2. Принцип действия фазовых интерферометрических датчиков на брэгговских полезного сигнала D cos( t), решетках;

медленно меняющуюся помеховую составляющую (t), характеризующую изменение состояния окружающей среды. При этом величина тока на выходе ФП определяется выражением:

I(t) = A + B cos[D cos( t)+ (t)], где B и A - постоянные, пропорциональные интенсивности света на ФП (рис.3).

Так как амплитуда сигнала на ФП меняется с течением времени, то для правильной регистрации полезного сигнала необходима стабилизация рабочей точки. В случае одного ФИД можно обеспечить стабилизацию положения рабочей точки интерферометра путем оперативной подстройки оптических путей плеч КИ.

Рис.3. Ток на входе фотоприемника;

Однако в случае объединения в одном оптическом волокне большого количества ФИД обеспечить стабилизацию с требуемой точностью и быстродействием вряд ли возможно, поэтому применяют метод гетеродинного приема сигнала.

Световой сигнал в одном из плеч КИ (рис. 4) модулируется по фазе сигналом C cos(0 t) с частотой 0, Рис.4. Принципиальная схема метода гетеродинного лежащей за приема и демодуляции сигнала;

пределами диапазона рабочих частот датчика. В результате ток на выходе ФП преобразуется к виду:

I(t) = A + B cos[C cos(0 t)+ D cos( t)+ (t)].

Для проверки метода гетеродинного приема сигнала в ходе работы было проведено компьютерное моделирование его алгоритма. В результате после демодуляции сигнал на выходе приобретает вид:

Uвых(t) = B2 G H J1(C) J (C)[D cos( t)+ (t)].

Сравнивая сигнал исходного акустического воздействия D cos( t) с сигналом, полученным в результате обработки Uвых(t), можно заметить, что сигнал на выходе пропорционален сумме полезного сигнала и медленно меняющейся помеховой составляющей и не зависит от положения рабочей точки фазового интерферометрического датчика (Рис.5). Таким образом, в спектре выходного сигнала помеха присутствует в виде слагаемого и может Фильтр циатор /t Дифферен частот Фильтр Генератор U вых (t) Вычитатель Интегратор верхних частот Фазовый модулятор частот Фильтр циатор /t Дифферен Фильтр нижних Фильтр нижних быть отфильтрована, так как отличается от него по Uвых(t) спектру. Расчет модели показал, что схема гетеродинного приема может применяться для демодуляции акустического сигнала от ФИД на 0 2*10-3 4*10-3 6*10-3 8*10-3 0.t (время), с брэгговских решетках.

Рис.5. Сигнал исходного акустического воздействия Для выбора материала D cos( t) (пунктирная линия) и сигнал, полученный в покрытия чувствительного результате обработки Uвых(t) (сплошная линия);

элемента фазового интерферометрического датчика был произведен расчет с использованием модели Хокера. Проведено моделирование влияния модуля Юнга, коэффициента Пуассона и внешнего диаметра различных материалов покрытия оптического волокна на увеличение фазовой чувствительности интерферометрических волоконно-оптических сенсоров.

Сдвиг оптической фазы , вызванный осевой деформацией в zg оптическом волокне длиной L,можно записать как:

= L + L = L + L k0 n, zg где L - изменение длины оптического волокна, вызванное осевой деформацией, - постоянная распространения в волокне, k0 - волновое число, n - изменение эффективного показателя преломления, вызванное осевой деформацией.

Для каждого из исследованных материалов был определен коэффициент увеличения акустической чувствительности как функция от увеличивающейся толщины покрытия. Коэффициент увеличения акустической чувствительности определен как отношение сдвига фаз при влиянии давления на волокно покрытое полимером , к сдвигу фаз в волокне без оболочки 0. На рисунке видно, что функция возрастает до определенного значения соотношения b радиусов оптического волокна (a) и волокна в оболочке из материала a покрытия (b), а после растет совсем незначительно, так что можно считать ее постоянной.

Напряжение, В -1 0 При моделировании влияния различных материалов на увеличение акустической чувствительности фазового интерферометрического датчика, было показано, что при использовании силиконового компаунда RTV655 с модулем Юнга ~5,6 МПа и коэффициентом Пуассона ~0,49932, и с диаметром покрытия более 40 диаметров волокна (125 мкм), было получено относительное увеличение акустической чувствительности более чем в 100 раз (Рис. 6).

Исследованный материал может быть использован в волоконно-оптических акустических сенсорах на основе ФИД различной конструкции.

При записи решеток Брэгга RTV655(b) через боковую поверхность оптического волокна обычно применяют метод фазовой маски, недостатком которого является невозможность быстрого изменения периода волоконной брэгговской решетки без замены фазовой маски. Поэтому в ходе настоящей работы был смоделирован интерферометр Отношение диаметров волокна к диаметру оболочки из материала покрытия (b/a) Тальбота с пространственным разделением пучка для записи Рис.6. Влияние различных материалов на увеличение акустической чувствительности фазового волоконных брэгговских интерферометрического датчика;

решеток. Разработано компьютерное приложение для расчета геометрических параметров интерферометра Тальбота, энергетических характеристик излучения, длины волны Брэгга и эффективного Рис.7. Компьютерное приложение для расчета основных показателя преломления параметров схемы записи ВБР, основанной на оптического волокна (Рис. 7).

интерферометре Тальбота;

Третья глава посвящена поиску путей создания и исследованию чувствительных элементов волоконно-оптического акустического датчика на брэгговских решетках.

Проведено экспериментальное исследование относительного увеличения акустической чувствительности при использовании в качестве покрытия оптического световода двухкомпонентной силиконовой резины. В специально изготовленную герметичную камеру помещался участок световода с нанесенным на него слоем двухкомпонентной силиконовой резины RTV655, играющего роль сигнального плеча в интерферометре Майкельсона. С помощью низкочастотного акустического излучателя в камере создавалось акустическое давление.

При использовании двухкомпонентного силиконового компаунда RTV 655 с модулем Юнга ~ 5,МПа, коэффициентом Пуассона ~ 0,499и диаметром 4,5 мм наблюдается относительное увеличение акустической чувствительности более чем в 100 раз в диапазоне частот 120–170 Гц (рис. 8).

Частота, Гц Низкий уровень коэффициента усиления Рис.8. Относительное увеличение акустической чувствительности оптического на других частотах вызван, по мнению волокна при использовании покрытия RTV6автора, образованием стоячих волн внутри диаметром 4,5 мм;

герметичной камеры.

В ходе работы реализована технология одноимпульсной записи брэгговских решеток в двулучепреломляющее оптическое волокно с эллиптической напрягающей оболочкой. Для записи применялся эксимерный лазер Lambda Physic Compex 102 с энергией в импульсе ~150 мДж при использовании газовой смеси криптон-фтор (KrF). Схема записи ВБР представлена на рис. 9.

Лазер генерирует 20 нс импульсы на длине волны 248 нм с частотой 1 Гц. Аттенюатор со встроенным затвором позволяет выделить одиночный импульс из Рис.9. Схема записи ВБР;

их последовательности, когда лазер уже выведен в стационарный режим работы. Щель отфильтровывает не используемую в процессе записи площадь лазерного пучка. Цилиндрическая линза фокусирует лазерный пучок по одной из его осей для достижения требуемой плотности энергии.

Одиночный лазерный импульс длительностью 20 нс, проходя через фазовую маску (ФМ) с периодом ФМ = 1065,3 нм, оптимизированную для длины волны 248 нм, дифрагирует на +1 и -1 порядки. Интерференционная картина +1 и -1 порядков осуществляет запись решетки показателя преломления в сердцевине оптического волокна, закрепленного на расстоянии нескольких микрон от ФМ в магнитном держателе.

В ходе настоящей работы для записи решеток Брэгга применялось оптическое волокно, легированное 16моль % GeO2 с эллиптической напрягающей оболочкой. Метод легирования заготовок для вытяжки оптического волокна диоксидом германия является наиболее простым, эффективным и дающим неизменяемый во времени коэффициент приращения фоточувствительности. Кроме того, увеличение фоторефрактивности на стадии формирования заготовок в перспективе позволяет осуществлять запись массивов ВБР в процессе вытяжки оптического волокна. К недостаткам выбранного метода относится увеличение линейных оптических потерь световода. Для используемого в работе двулучепреломляющего волокна с эллиптической напрягающей оболочкой с 16моль % содержанием GeO2 потери составляют ~18 дБ/км на длине волны 1550нм. Притом, что потери в двулучепреломляющем волокне с эллиптической напрягающей оболочкой с 4моль % GeO2, изготовленном по той же технологии, не превышают 1 дБ/км на Длина волны , нм длине волны 1550 нм. Оптические потери Рис.10. Спектр отражения ВБР I типа для двух в применявшемся двулучепреломляющем осей двулучепреломляющего волокна с волокне с 16 моль % содержанием GeOэллиптической напрягающей оболочкой;

приемлемы для волоконно-оптических сенсорных линий длиной не более 1 км.

На рис. 10 представлены спектры отражения ВБР для двух ортогональных выделенных осей двулучепреломляющего волокна, поочередно выведенных на максимум с помощью контроллера поляризации. Решетка записана с одного импульса в волокно с напрягающей эллиптической оболочкой с 16моль % GeO2.

Полученная ВБР была записана при энергии на выходе с аттенюатора 75,9 мДж и представляет собой решетку I типа. Пик на длине волны 1556,50 нм (сплошная Коэффициент отражения R, % линия на рис. 10) имеет ширину на полувысоте равную 0,08 нм и эффективность R = 7,1%. Пик на длине волны 1557,02 нм (пунктирная линия на рис. 10) имеет ширину на полувысоте равную 0,09 нм и эффективность R = 10,2%.

При увеличении энергии на выходе аттенюатора до 79,3 мДж, была записана решетка II типа, обусловленная термоупругим механизмом. Решетка, образованная термоупругим напряжением обладает 100% отражением при ширине спектра на полувысоте около 1,4 нм. На рис.11 представлены спектры отражения (а) и пропускания (б) настоящей ВБР.

Рис.11. Спектры отражения (а) и пропускания (б) ВБР II типа в двулучепреломляющем волокне с эллиптической напрягающей оболочкой;

Технология одноимпульсной записи решеток Брэгга позволяет изготавливать массивы ВБР в процессе вытяжки оптического волокна. В качестве технологической базы для создания массивов решеток Брэгга был выбран The Institute of Photonic Technology (г. Йена, Германия).

Массивы брэгговских решеток с коэффициентами отражения до 10% (рис.12) были изготовлены в процессе вытяжки двулучепреломляющего оптического волокна с эллиптической Рис.12. Пример массива ВБР, изготовленного в процессе напрягающей оболочкой с вытяжки двулучепреломляющего оптического волокна с использованием эллиптической напрягающей оболочкой;

интерферометра Тальбота и KrF эксимерного лазера.

Брэгговские решетки в двулучепреломляющем оптическом волокне с эллиптической напрягающей оболочкой возможно использовать в качестве 6.4 м зеркал для фазового интерференционного датчика в волоконно-оптических акустических сенсорах и распределенных линиях на их основе.

Исследованы характеристики пьезокерамических модуляторов, используемых для модуляции разности фаз между интерферирующими импульсами в схеме волоконно-оптического акустического сенсора на брэгговских решетках. Для проведения измерений созданы пьезомодуляторы на основе волокна типа PANDA и волокна с эллиптической напрягающей оболочкой с различными типами намотки. Полученные данные свидетельствуют, что наименьшими потерями (< 1 дБ) и отсутствием эффекта перекачки энергии из одной поляризационной моды в другую обладают модуляторы, использующие волокно с эллиптической напрягающей оболочкой и дипольной укладкой. Созданный фазовый модулятор целесообразно использовать в схеме гетеродинного приема для модуляции несущей интерференционного сигнала.

В процессе разработки макета волоконно-оптического акустического сенсора обнаружилось, что из-за узкого Рис.13. Схема проведения исследования метода спектра отражения волоконных компенсации частотного дрейфа ВБР в фазовом брэгговских решеток (~0.1 нм) интерферометрическом датчике;

даже незначительное внешнее воздействие вызывает смещение (дрейф) их резонансных длин волн.

В настоящей работе предложен и исследован метод компенсации частотного дрейфа ВБР в фазовом интерферометрическом датчике с помощью воздействия электрического поля на решетку Брэгга в электрооптическом монокристалле LiNbO3. Суть его заключается в использовании перестраиваемой брэгговской решётки, записанной в волноводе на основе монокристалла LiNbO3, для обеспечения спектрального согласования с решёткой в оптическом волокне.

Для смещения спектра отражения ВБР помещается в нагревательный элемент, температура которого может изменяться (рис. 13). При этом электроды на кристалле LiNbO3 подключаются к источнику напряжения, а кольцо из пьезокерамики подключается к низкочастотному генератору.

Исследование показало, что при приложении внешнего электрического поля ±300В удаётся компенсировать спектральный сдвиг отражения волоконной брэгговской решётки в пределах ±0.25 нм.

В четвертой главе представлены результаты испытаний созданного на основе исследований макета гидроакустической антенны на основе волоконнооптических акустических сенсоров на брэгговских решетках (Рис.14).

Для определения параметров макета волоконно-оптической гидроакустической антенны на брэгговских решетках был выбран диапазон акустических частот 225 - 475 Гц.

Рис. 14. Структурная схема макета гидроакустической антенны на Чувствительность брэгговских решетках;

макета волоконнооптического акустического сенсора на брэгговских решетках в указанном диапазоне монотонно убывает от 0,6 В/Па до 0,025 В/Па, а динамический диапазон увеличивается от 33,9 дБ и 53,9 дБ.

Анализ зависимостей величины сигнала на выходе макета гидроакустической антенны и контрольного гидрофона от величины напряжения на излучающем гидрофоне при частоте сигнала 225 Гц, выраженных в (Относительных Единицах)/Па Рис. 15. Зависимость величины сигнала на выходе (рис. 15), показал, что макета волоконно-оптической гидроакустической чувствительность волоконноантенны на брэгговских решетках и контрольного оптического акустического пьезокерамического гидрофона от акустического датчика на брэгговских решетках давления;

выше, чем у контрольного пьезокерамического гидрофона.

диод =1542,Лазерный Изолятор модулятор Ампитудный Волоконный Х-разветвитель 10м интерферометр Компенсирующий Фазовый модулятор 1,2м напрягающей оболочкой Волокно с эллиптической Результаты испытаний показывают, что предложенная концепция построения и метода демодуляции сигнала действующего макета фазового интерферометрического датчика на брэгговских решетках перспективна, и может быть использована для создания волоконно-оптических акустических сенсоров и распределенных линий на их основе.

Основные результаты и выводы работы:

Проведено исследование волоконно-оптических фазовых интерферометрических измерительных устройств акустического давления, создан рабочий макет волоконно-оптической гидроакустической антенны на брэгговских решетках и произведены измерения её параметров. Получены следующие основные результаты:

• Технология записи в двулучепреломляющее оптическое волокно с эллиптической напрягающей оболочкой, легированное 16 моль % GeO2, решеток Брэгга I типа с эффективностью ~ 10% и шириной спектра отражения на полувысоте ~ 0,1 нм, и решетки Брэгга II типа с эффективностью до 100% и шириной спектра отражения на полувысоте более 1 нм. Достигнутые параметры решеток Брэгга позволяют создавать с их использованием волоконно-оптические спектрально-селективные элементы для телекоммуникационных систем, а также малогабаритные точечные волоконно-оптические датчики и распределенные измерительные системы различных физических величин.

• Впервые в процессе вытяжки двулучепреломляющего оптического волокна с эллиптической напрягающей оболочкой, легированного 16 моль % GeO2, изготовлены массивы брэгговских решеток с эффективностью ~ 10% и шириной спектра отражения на полувысоте ~ 0,1 нм. Настоящий метод изготовления массивов волоконных брэгговских решеток может служить основой при создании распределенных линий акустического мониторинга.

• Предложена и апробирована оригинальная методика компенсации частотного дрейфа волоконной брэгговской решетки с помощью воздействия электрического поля на решетку Брэгга в электрооптическом монокристалле LiNbO3. Исследование показало, что при приложении внешнего электрического поля ±300В удаётся компенсировать частотный сдвиг отражения волоконной брэгговской решётки в пределах ±0.25 нм. Настоящая методика применима в фазовых интерферометрических датчиках различных физических величин для сохранения максимальной контрастности сигнала.

• Обосновано теоретически, с помощью модели Хокера, и экспериментально исследовано влияние модуля Юнга и коэффициента Пуассона материала покрытия волокна на увеличение акустической чувствительности фазового интерферометрического датчика. При использовании двухкомпонентного силиконового компаунда RTV 655 с модулем Юнга ~ 5,6 МПа и коэффициентом Пуассона ~ 0,49932 наблюдается относительное увеличение акустической чувствительности более чем в 100 раз. Исследованный материал может быть использован в интерферометрических волоконнооптических акустических сенсорах различной конструкции.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

Из списка ВАК:

1. Мешковский И.К., Киселев С.С., Куликов А.В., Новиков Р.Л. Дефекты намотки оптического волокна при изготовлении чувствительного элемента волоконно-оптического интерферометра. Приборостроение, 2010, №2, с.47-51.

2. Куликов А.В., Артеев В.А., Мешковский И.К., Стригалев В.Е. Метод повышения чувствительности волоконно-оптического гидрофона. Оптический журнал, 2011, т.78, №3, с.84-87.

3. Мешковский И.К., Унтилов А.А., Киселев С.С., Куликов А.В., Новиков Р.Л.

Качество намотки чувствительного элемента волоконно-оптического гироскопа. Приборостроение, 2011, т.54, №7, с.76-79.

4. Варжель С.В., Куликов А.В., Брунов В.С., Асеев В.А. Метод понижения коэффициента отражения волоконных брэгговских решеток с помощью эффекта фотохромизма. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2012, т.77, № 1, с.151-152.

5. Варжель С.В., Куликов А.В., Стригалев В.Е., Мешковский И.К. Запись брэгговских решеток в двулучепреломляющем оптическом волокне с повышенной фоторефрактивностью одиночным 20-нс импульсом эксимерного лазера. Оптический журнал, 2012, т.79, №4, с.85-88.

6. Варжель С.В., Куликов А.В., Асеев В.А., Брунов В.С., Калько В.Г., Артеев В.А. Запись узкополосных волоконных брэгговских отражателей одиночным импульсом эксимерного лазера методом фазовой маски. Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, 2011, т.75, №5, с.27-30.

Другие публикации:

7. Куликов А.В., Игнатьев А.В. Обзор волоконно-оптических систем охраны периметра, Алгоритм безопасности, 2010, №4, с.56-61.

8. Куликов А.В. Волоконно-оптическая система охраны периметра на брэгговских решетках, как перспективный метод мониторинга безопасности объекта, Ползуновский альманах, 2010, №2, с.274-278.

9. Куликов А.В. Оценка качества изготовления чувствительного элемента волоконно-оптического интерферометра по датчику длины волокна. Сборник трудов конференции молодых ученых, Выпуск 2, Биомедицинские технологии, мехатроника и робототехника, с.311-316.

10. Варжель С.В., Куликов А.В., Стригалев В.Е. Анализ механизмов фотоиндуцирования фемтосекундными лазерными импульсами Брэгговских дифракционных структур в оптическом волокне. Сборник трудов конференции «Фундаментальные проблемы оптики 2010», 2010, с.15-17.

11. Артеев В.А., Варжель С.В., Куликов А.В. Распределенный волоконнооптический датчик акустического давления на брэгговских решетках. Сборник трудов VII международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика – 2011», 2011, с.509-510.

12. Асеев В.А., Брунов В.С., Варжель С.В., Куликов А.В. Волоконные брэгговские дифракционные структуры, индуцированные одиночным 20-нс импульсом эксимерного лазера. Сборник трудов VII международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика – 2011», 2011, с.330333.

13. Кулаченков Н.К., Куликов А.В., Варжель С.В. Моделирование установки для записи волоконно-оптических брэгговских решеток. Сборник трудов VII международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика – 2011, 2011, с.358-360.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., тел (812)23346Объем 1 п.л.

Тираж 100 экз







© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.