ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ СОЗДАНИЯ ГОРЯЧЕЙ ПРОВОЛОКИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ТЕПЛОВОГО АНЕМОМЕТРА

Новикова В.А., Варжель С.В. Исследование методов создания горячей проволоки волоконно-оп- тического теплового анемометра // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2020.  Т. 20. № 4. С. 500–506. doi: 10.17586/2226-1494-2020-20-4-500-506

Предмет исследования. Исследованы различные методы выведения оптического излучения из сердцевины световода в его оболочку с целью создания горячей проволоки волоконно-оптического анемометра, а также проведена оценка эффективности описанных методов путем анализа построенных зависимостей. Метод. Рассмотрены структуры из двух оптических волокон, одно из которых использовалось для передачи информационного сигнала, а второе — для создания горячей проволоки. В сердцевине первого волокна формировалась волоконная решетка Брэгга, а во втором волокне создавалась область выведения излучения; указанные участки волокон совмещались друг с другом и фиксировались с помощью оловянно-свинцового сплава. Измерение температуры осуществлялось путем мониторинга спектральных характеристик волоконных брэгговских решеток, записанных методом фазовой маски. Области выведения излучения формировались либо за счет изменения геометрии волокна путем использования настраиваемых режимов сварочного аппарата, либо созданием пе- рехода SMF-MMF-SMF. Основные результаты. Разработаны структуры с возможностью их использования в качестве горячей проволоки чувствительного элемента волоконно-оптического анемометра. Получены зависимости сдвига длины волны брэгговского резонанса от мощности лазера накачки: в результате создания горячей проволоки сдвиг длины волны Брэгга варьировался в диапазоне 0,15–3 нм. Построены результирующие кривые по трем экспериментам для каждого вида структуры с учетом среднего квадратичного отклонения, позволяющие судить об эффективности различных методов выведения излучения, также представлен сравнительный анализ исследуемых методов между собой. Практическая значимость. Исследование отражает возможности волоконно-оптической анемометрии при создании точечных и распределенных сенсоров. Результаты данной работы могут быть использованы в областях, в которых необходимо создание квази-распределенных и точечных рассеивателей, а также частичное или полное выведение излучения из световода.

1. Hill K.O., Fujii Y., Johnson D.C., Kawasaki B.S. Photosensitivity in optical fiber waveguides: Application to reflection filter fabrication // Applied Physics Letters. 1978. V. 32. N 10. P. 647–649. doi: 10.1063/1.89881

2. Meltz G., Morey W.W., Glenn W.H. Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transverse holographic method // Optics Letters. 1989. V. 14. N 15. P. 823–825. doi: 10.1364/OL.14.000823

3. Gao S., Zhang A.P., Tam H.-Y., Cho L.H., Lu C. All-optical fiber anemometer based on laser heated fiber Bragg gratings // Optics Express. 2011. V. 19. N 11. P. 10124–10130. doi: 10.1364/OE.19.010124

4. Zhou B., Jiang H., Lu C., He S. Hot cavity optical fiber fabry-perot interferometer as a flow sensor with temperature self-calibrated // Journal of Lightwave Technology. 2016. V. 34. N 21. P. 5044–5048. doi: 10.1109/JLT.2016.2612657

5. Zhang Y., Wang F., Liu Z., Duan Z., Cui W., Han J., Gu Y., Wu Z., Jing Z., Sun C., Peng W. Fiber-optic anemometer based on single-walled carbon nanotube coated tilted fiber Bragg grating // Optics Express. 2017. V. 25. N 20. P. 24521–24530. doi: 10.1364/OE.25.024521

6. Liu Y., Liang B., Zhang X., Hu N., Li K., Baldini F., Gui X., Chiavaioli F., Guo T. Photothermal anemometer based on carbon nanotube-coated highly tilted fiber Bragg grating-assisted SPR sensor // Proceedings of SPIE. 2019. V. 11199. P. 1119918. doi: 10.1117/12.2540040

7. Wang J., Liu Z.-Y., Gao S., Zhang A.P., Shen Y.-H., Tam H.-Y. Fiber-optic anemometer based on Bragg grating inscribed in metal-filled microstructured optical fiber // Journal of Lightwave Technology. 2016. V. 34. N 21. P. 4884–4889. doi: 10.1109/JLT.2016.2612299

8. Liu G., Hou W., Qiao W., Han M. Fast-response fiber-optic anemometer with temperature self-compensation // Optics Express. 2015. V. 23. N 10. P. 13562–13570. doi: 10.1364/OE.23.013562

9. Cheng J., Zhu W., Huang Z., Hu P. Experimental and simulation study on thermal gas flowmeter based on fiber Bragg grating coated with silver film // Sensors & Actuators A: Physical. 2015. V. 228. P. 23–27. doi: 10.1016/j.sna.2015.02.033

10. Wang X., Dong X., Zhou Y., Li Y., Cheng J., Chen Z. Optical fiber anemometer using silver-coated fiber Bragg grating and bitaper // Sensors & Actuators A: Physical. 2014. V. 214. P. 230–233. doi: 10.1016/j.sna.2014.04.013

11. Novikova V.A., Varzhel S.V., Tokareva I.D., Dmitriev A.A. Liquid flow motion rate measuring method, based on the fiber Bragg gratings // Optical and Quantum Electronics. 2020. V. 52. N 3. P. 132. doi: 10.1007/s11082-020-2257-2

12. Othonos A. Fiber Bragg gratings // Review of Scientific Instruments. 1997. V. 68. N 12. P. 4309–4341. doi: 10.1063/1.1148392

13. 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 информационных технологий, механики и оптики. 2011. № 5 (75). С. 27–30.

14. Варжель С.В., Куликов А.В., Мешковский И.К., Стригалев В.Е. Запись брэгговских решеток в двулучепреломляющем оптическом волокне одиночным 20-нс импульсом эксимерного лазера // Оптический журнал. 2012. Т. 79. № 4. С. 85–88.

15. Варжель С.В., Мунько А.С., Коннов К.А., Грибаев А.И., Куликов А.В. Запись решёток Брэгга в двулучепреломляющем оптическом волокне с эллиптической напрягающей оболочкой, подвергнутом водородной обработке // Оптический журнал. 2016. Т. 83. № 10. С. 74–78.

16. Варжель С.В. Волоконные брэгговские решетки: учебное пособие. СПб.: Университет ИТМО, 2015. 65 с.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License