Full Text

Введение. На сегодняшний день отдельным направлением волоконной оптики являются разработка и исследование датчиков на основе оптических световодов [1, 2]. Настоящая статья посвящена исследованию возможности использования френелевского рассеяния в сердцевине оптического световода волоконного рассеивателя для создания датчика температуры [3, 4]. В качестве рассеивателя можно использовать оптические неоднородности сердцевины, образующиеся при fuse-еффекте [5, 6]. Впервые информация о разрушении одномодовых световодов на силикатной основе под действием оптического излучения была опубликована в 1987 г. [7]. Внешне явление выглядит следующим образом: если в одномодовый световод вводится лазерное излучение порядка 1 Вт, то при определенных условиях (при инициировании) в области сердцевины световода (масштаб порядка 1 мкм) возникает область яркого белого или голубоватого свечения (искра), которая движется навстречу лазерному излучению по световоду со скоростью порядка 1 м/с [8, 9]. В сердцевине световода после «пробегания» искры в большинстве случаев образуются микрополости (или пузыри, или каверны) размерами несколько микрометров [10, 11]. Среди возможностей применения данного эффекта находится создание различных оптических датчиков, которые могут работать в опасных или враждебных средах [12, 13]. В настоящей статье была исследована чувствительность волоконно-оптического датчика, созданного при помощи катастрофического разрушения сердцевины волокна, к изменению температуры. 1. Разработка и создание макета иттербиевого лазера для создания рассеивателей на основе fuse-эффекта. Для создания рассеивателей на основе fuse-эффекта был изготовлен волоконный лазер, легированный оксидами иттербия, схема которого предоставлена на рис. 1. 1125 нм 1125 нм 100 % 30 % 980 нм Yb3+ GTWave Рис. 1. Схема волоконного лазера, легированного ионами иттербия Она состоит из диода накачки (BWT F13041654 29,5w) на 980 нм, участка активного волокна (24 м), легированного иттербием, и двух брэгговских решеток. Излучение лазерного диода методом боковой накачки подводится к волокну, легированному оксидами иттербия. В волокне появляются вынужденно возбужденные электроны. При переходе из возбужденного состояния в основное они выпускают фотоны с различной длиной волны от 900 до 1200 нм. Справа стоит 100 % брэгговская решетка, отражающая фотоны, на резонансной длине волны 1125 нм. Остальные длины волн проходят сквозь нее и рассеиваются в воздухе. Часть генерируемого когерентного излучения с длиной волны 1125 нм проходит вправо сквозь 30 % брэгговскую решетку, что обеспечивает непрерывную работы лазера на 1125 нм. 2. Методика создания рассеивателя на основе fuse-эффекта. Следующим этапом экспериментальной части было создание рассеивателей излучения на основе fuse-эффекта. После сборки макета волоконного иттербиевого лазера были созданы рассеивающие оптическое излучение неоднородности. Для этого к открытому выходному концу оптического волокна вплотную подводился металлический отражатель. В качестве него была использована плоская поверхность стриппера. Возникшее детонационное разрушение приводило к образованию микрополостей в сердцевине волокна. Для контроля процесса образования микрополостей движение искры в сторону лазерного диода (fuse-эффект) записывалось на видеокамеру. Эксперименты проводились при различной силе тока диода накачки для изучения зависимости скорости распространения искры, которая видна визуально, от мощности лазера. Создание микрополостей проводилось в сердцевинах оптических волокон двух типов: SMF28 и GIMM62,5/125. Были испытаны и другие методы инициации fuse-эффекта - нагрев и обрыв волокна. Было установлено, что в обоих случаях возникал эффект оптического пробоя. Однако первый метод более предпочтителен ввиду его простоты. 3. Разработка и создание макета для проверки чувствительности рассеивателей к изменению температуры. Для проверки чувствительности рассеивателя к изменению температуры был разработан макет, состоящий из лазерного диода накачки, разветвителя, волоконной брэгговской решетки и свободного конца волновода, к которому приваривались различные рассеиватели излучения. Мощность отраженного излучения измерялась при помощи анализатора спектра Yokogawa AQ6319. На рис. 2 приведена схема разработанного макета. В ходе эксперимента рассеиватель света помещался в термокамеру, в которой температура каждые 10 мин скачкообразно повышалась на 1 град в диапазоне от 30 до 42 °С. Первоначально в схеме отсутствовала волоконная брэгговская решетка. Результаты, полученные без использования ВБР, представлены на рис. 3, 4. По горизонтальной оси отложена длина волны отраженного излучения в нм, по вертикальной - мощность в относительных единицах dB. Тринадцать зависимостей различного цвета относятся к температурам, при которых проводились эксперименты. Затем ВБР была приварена (как показано на рис. 2.), и опыт повторился при температурах 30, 32,5, 35, 37,5 и 40 °С. Результаты приведены на рис. 5. 1550 нм 1550 нм 100 % OSA Рис. 2. Схема макета для проверки чувствительности рассеивателей к изменению температуры На рис. 3, а представлен спектр излучения при разных температурах для рассеивателя излучения на многомодовом волокне с использованием широкополосного источника. а б Рис. 3. Зависимость мощности от длины волны для рассеивателя на многомодовом волокне с использование широкополосного источника (а); сдвиг минимума интерференции в диапазоне 1514,5-1515,5 нм (б) На рис. 3, а наблюдаются пики интерференции Фабри-Перо, что связано с использованием широкополосного источника излучения. Также на рисунке присутствует интерференция от разных мод, прошедших через рассеиватель. Мощность в пиках интерференционных максимумов Фабри-Перо больше мощностей интерференционных максимумов различных мод. Зависимость сдвига минимума от температуры представлена на рис. 3, б. Эти два обстоятельства усложняют анализ чувствительности рассеивателя к изменению температуры. а б Рис. 4. Зависимость мощности от длины волны для рассеивателя на одномодовом волокне с использованием узкополосного источника (а); сдвиг максимума интерференции в диапазоне 1514,5-1515,5 нм (б) Для облегчения анализа необходимо уменьшить шум интерференционной картины. Проще всего избавиться от многомодовой интерференции путем замены многомодового волокна одномодовым. Для уменьшения ширины интерференционной картины Фабри-Перо широкополосный источник излучения был заменён узкополосным. Результаты исследования температурной зависимости рассеивателя излучения на одномодовом оптическом волокне с использованием узкополосного источника излучения приведены на рис. 4, a. На рис. 4 отсутствуют дополнительные пики интерференции Фабри-Перо, что даёт возможность наблюдать за изменением параметров только одного пика. Зависимость сдвига минимума от температуры представлена на рис. 4, б. Однако при изменении температуры у отражённого сигнала изменяются два параметра: длина волны и мощность. Вследствие чего зависимости накладываются друг на друга, что затрудняет анализ. Необходимо изготовить установку, в которой при изменении температуры у отражённого сигнала изменяется только один параметр: или длина волны, или мощность. Длину волны отражённого излучения можно достаточно просто зафиксировать путем установки ВБР на открытом конце оптического волокна, как показано на рис. 2. Результаты экспериментов приведены на рис. 5. Рис. 5. Зависимость мощности от длины волны для рассеивателя излучения на одномодовом волокне с использованием узкополосного источника и волоконной брэгговской решетки На рис. 5 представлен спектр излучения рассеивателя на одномодовом волокне с использованием узкополосного источника излучения и волоконной брэгговской решетки. Опыты проведены при температурах 30, 32,5, 35, 37,5 и 40 °С. Волоконная брэгговская решетка с λ = 1549,15 нм была выбрана с учетом того, что ее узкий спектр попадает на пологую часть спектра источника излучения. Как видно из рис. 5, при увеличении температуры спектр обратного отражения оптического сигнала от рассеивателя излучения сдвигается вправо, поэтому мощность отраженного излучения, измеренного анализатором спектра, уменьшается, что и наблюдается на рис. 5. На рис. 6 представлен график зависимости мощности отражённого излучения от температуры. На графике через пять полученных точек проведена линия тренда. Рис. 6. Зависимость амплитуды мощности излучения обратных отражений от температуры Таким образом, по амплитуде мощности излучения обратных отражений можно определить температуру в месте расположения рассеивателя с точностью до 1,25 °С. Планируется продолжение экспериментов на других температурах в интервале 30-42 °С, что позволит увеличить точность измерений температуры. Выводы. В настоящее время волоконно-оптические датчики являются наиболее перспективными средствами измерения благодаря своим преимуществам по сравнению с традиционными электронными устройствами, такими как невосприимчивость к электромагнитным помехам, электрическая изоляция, уменьшенный вес и объем, долговечность и устойчивость к агрессивным воздействиям окружающей среды. В настоящей работе обоснована возможность использования волоконно-оптического рассеивателя, созданного на основе катастрофического разрушения сердцевины как датчика температуры. В ходе исследования была выявлена зависимость амплитуды мощности излучения обратных отражений от температуры. В ходе исследования разработан и собран волоконный лазер, легированный оксидами иттербия. При его использовании за счёт детонационного разрушения сердцевины оптического волокна были созданы рассеиватели излучения на двух видах волокна: многомодовом GIMM 62,5/125 мкм и одномодовом SMF28. Разработан и собран специальный макет для проверки чувствительности рассеивателей к изменению температуры [14-20]. При проведении экспериментов с разными компонентами макета (источники излучения, наличие или отсутствие волоконной брэгговской решетки) для проверки чувствительности рассеивателей излучения к изменению температуры были сделаны несколько выводов. Во-первых, в схеме без волоконной брэгговской решетки сложно отследить зависимость между разными температурами на одной длине волны, так как эти графики накладываются друг на друга. Волоконная брэгговская решетка позволяет отследить долю обратно отраженного излучения на одной фиксированной длине волны. Это происходит за счет того, что она пропускает фотоны с длиной волны, отличающейся от ее номинала, и отражает фотоны с длиной волны 1550 нм. Во-вторых, в эксперименте были использованы два разных источника: один - широкополосный, второй - узкополосный. В первом случае наблюдаются характерные для резонатора Фабри-Перо пики, что создает дополнительные трудности при анализе графиков. Во втором случае - ширина спектра излучения меньше, чем спектра пиков резонатора Фабри-Перо, и анализировать данные становится удобнее. В результате исследования характеристик одномодового рассеивателя получен калибровочный график зависимости амплитуды мощности обратного излучения от температуры. Это доказывает, что разработанный и изготовленный рассеиватель может применяться как датчик температуры.

About the authors

Yu. A Konin

Perm National Research Polytechnic University

V. A Scherbakova

Perm State National Research University

S. S Starikov

Perm State National Research University

A. I Garanin

Perm National Research Polytechnic University

Ia. D Tokareva

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 21

PDF (Russian) - 10

Refbacks

• There are currently no refbacks.