doi: 10.17586/2226-1494-2022-22-3-442-449


УДК 535.08

Моор Я.Д., Коннов К.А. и другие
Высокоточный волоконно-оптический датчик температуры на основе интерферометра Фабри–Перо с отражающими тонкопленочными многослойными структурами



Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:
Моор Я.Д., Коннов К.А., Плотников М.Ю., Волков А.В., Варжель С.В., Коннов Д.А., Стригалев В.Е. Высокоточный волоконно-оптический датчик температуры на основе интерферометра Фабри–Перо с отражающими тонкопленочными многослойными структурами // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2022. Т. 22, № 3. С. 442–449. doi: 10.17586/2226-1494-2022-22-3-442-449


Аннотация
Предмет исследования. Предложен вариант реализации волоконно-оптического датчика температуры на основе интерферометра Фабри–Перо и схема опроса экспериментального образца датчика. Предложенное решение позволяет не применять дорогостоящие спектральные измерительные устройства (анализатор спектра, интеррогатор). Определены область свободной дисперсии и фазовая чувствительность разработанного интерферометра Фабри–Перо в диапазоне температур от 20 °С до 590 °С. Рассчитана точность измерения температуры окружающей среды. Выполнена оценка долговременной стабильности измерительной установки при комнатной температуре. Зарегистрирован сдвиг фазы интерферометра Фабри–Перо при изменении температуры. Метод. Конструкция интерферометра Фабри–Перо реализована с применением отражающих тонкопленочных многослойных структур, полученных путем поэтапного электронно-лучевого напыления в вакууме на полированные торцевые сколы оптического волокна. Метод опроса интерферометра основан на применении вертикально-излучающего лазера оптического диапазона (VCSEL), работающего в импульсном режиме. Принцип регистрации сдвига фазы интерферометра при изменении температуры использован для выполнения вспомогательной модуляции излучения лазера по длине волны за счет периодического изменения длительности оптических импульсов. Вспомогательная модуляция позволяет получить в сигнале интерферометра дополнительные гармонические составляющие, которые применяются при гомодинной демодуляции и восстановлении сигнала сдвига фазы интерферометра, пропорционального изменению оптической разности хода лучей между зеркалами интерферометра. Основные результаты. Конструкция высокотемпературного датчика реализована на основе интерферометра Фабри–Перо, отражающие зеркала которого представляют собой пять чередующихся слоев тонких пленок диоксида титана и оксида алюминия. По результатам температурного эксперимента сделан вывод, что увеличение температуры окружающей среды приводит к уменьшению области свободной дисперсии интерферометра Фабри–Перо. Полученные результаты соответствуют теоретическим данным. Показано, что фазовая чувствительность интерферометра к изменению температуры составляет 0,94 рад/К. Точность измерений температуры по уровню 3σ равна 0,017 К. Практическая значимость. Результаты исследования могут иметь важное значение при создании систем мониторинга температур свыше 300 °С. Применение подобного интерферометра позволит проводить высокоточные относительные измерения температуры.

Ключевые слова: интерферометр Фабри–Перо, высокотемпературный датчик, область свободной дисперсии, фазовая чувствительность, сигнал сдвига фазы, чувствительность интерферометра

Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке программы «Приоритет 2030».

Список литературы
  1. Kashyap R. Fiber Bragg Gratings. San Diego, CA: Academic Press, 1999. 478 p.
  2. Мешковcкий И.К., Варжель С.В., Беликин М.Н., Куликов А.В., Брунов В.С. Термический отжиг решеток Брэгга при изготовлении волоконно-оптических фазовых интерферометрических датчиков // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2013. Т. 56. № 5. С. 91–93.
  3. Liao C.R., Wang D.N. Review of femtosecond laser fabricated fiber Bragg gratings for high temperature sensing // Photonic Sensors. 2013. V. 3. N 2. P. 97–101. https://doi.org/10.1007/s13320-012-0060-9
  4. Минкин А.М., Созонов Н.С., Фадеев К.М., Шевцов Д.И. Миниатюрный волоконно-оптический датчик давления на основе интерферометра Фабри-Перо // II Всеросийская конференции «Оптическая рефлектометрия – 2018»: сборник тезисов докладов. 2018. С. 86–89.
  5. PrattD.J. Optical wave length sensor: PatentРСТWO1995020144A1. 1995.
  6. Egorova O.N., Vasil'ev S.A., Likhachev I.G., Sverchkov S.E., Galagan B.I., Denker B.I., Semjonov S.L., Pustovoi V.I. A Fabry–Perot interferometer formed in the core of a composite optical fibre heavily doped with phosphorus oxide // Quantum Electronics. 2019. V. 49. N 12. P. 1140–1144. https://doi.org/10.1070/QEL17133
  7. Huang C., Xie W., Lee D., Qi C., Yang M., Wang M., Tang J. Optical fiber humidity sensor with porous TiO2/SiO2/TiO2 coatings on fiber tip // IEEE Photonics Technology Letters. 2015. V. 27. N 14. P. 1495–1498. https://doi.org/10.1109/LPT.2015.2426726
  8. Агафонова Д.С. Волоконно-оптический датчик температуры. Патент RU155334U1. Бюл. 2015. № 28.
  9. Egorova O.N., Semjonov S.L., Velmiskin V.V., Yatsenko Yu.P., Sverchkov S.E., Galagan B.I., Denker B.I., Dianov E.M. Phosphate-core silica-clad Er/Yb-doped optical fiber and cladding pumped laser // Optics Express. 2014. V. 22. N 7. P. 7632–7637. https://doi.org/10.1364/OE.22.007632
  10. Duan D.W., Rao Y., Hou Y.-S., Zhu T. Microbubble based fiber-optic Fabry-Perot interferometer formed by fusion splicing single-mode fibers for strain measurement // Applied Optics. 2012. V. 51. N 8. P. 1033–1036. https://doi.org/10.1364/AO.51.001033
  11. Machavaram V.R., Badcock R.A., Fernando G.F. Fabrication of intrinsic fibre Fabry-Perot sensors in silica fibres using hydrofluoric acid etching // Sensors and Actuators, A: Physical. 2007. V. 138. P. 248–260. https://doi.org/10.1016/j.sna.2007.04.007
  12. Liu S., Wang Y., Liao C., Wang G., Li Z., Wang Q., Zhou J., Yang K., Zhong X., Zhao J., Tang J. High-sensitivity strain sensor based on in-fiber improved Fabry–Perot interferometer // Optics Letters. 2014. V. 39. N 7. P. 2121–2124. https://doi.org/10.1364/OL.39.002121
  13. Ma Z., Pang F., Liu H., Chen Z., Wang T. Air microcavity formed in sapphire-derived fiber for high temperature sensing // Proc. of the 26th International Conference on Optical Fiber Sensors.2018. P. WF48. https://doi.org/10.1364/OFS.2018.WF48
  14. Терентьев В.С., Симонов В.А. Метод моделирования асимметричного зеркала для дифракционного отражательного интерферометра в одномодовом волокне // Прикладная фотоника. 2017. Т. 4.№ 2. С. 107–120.
  15. Тертышник А.Д., Волков П.В., Горюнов А.В., Лукьянов А.Ю. Волоконно-оптический интерференционный датчик температуры. Патент RU2466366C1. Бюл. 2012. № 31.
  16. Bennett J.M., Pelletier E., Albrand G., Borgogno J.P., Lazarides B., Carniglia C.K., Schmell R.A., Allen T.H., Tuttle-Hart T., Guenther K.H., Saxer A. Comparison of the properties of titanium dioxide films prepared by various techniques // Applied Optics. 1989. V. 28. N 16. P. 3303–3317. https://doi.org/10.1364/AO.28.003303
  17. Hirsch M., Majchrowicz D., Wierzba P., Weber M., Bechelany M., Jędrzejewska-Szczerska M. Low-coherence interferometric fiber-optic sensors with potential applications as biosensors // Sensors. 2017. V. 17. N 2. P. 261. https://doi.org/10.3390/s17020261
  18. Lee D., Yang M., Huang C., Dai J. Optical fiber high-temperature sensor based on dielectric films extrinsic Fabry–Pérot cavity // IEEE Photonics Technology Letters. 2014. V. 26. N 21. P. 2107–2110. https://doi.org/10.1109/LPT.2014.2346622
  19. Киреенков А.Ю., Алейник А.С., Плотников М.Ю., Мехреньгин М.В. Способ частотно-импульсной модуляции полупроводникового лазерного источника оптического излучения для опроса оптических интерферометрических датчиков.Патент RU2646420C1.Бюл. 2018. № 7.
  20. Киреенков А.Ю. Волоконно-оптические интерферометрические методы для построения измерительных систем на основе поверхностно-излучающего лазера: дисертация на соискание ученой степеникандидата технических наук: 05.11.01 / НИУ ИТМО. СПб., 2017. 155 с.
  21. Ефимов М.Е. Метод и аппаратура для регистрации акустической эмиссии и деформаций композитного графит-эпоксидного материала на основе анализа амплитудно-фазовых характеристик сигнала волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо: диссертация на соискание ученой степени. кандидата технических наук: 05.11.01 / НИУ ИТМО. СПб., 2018. 147 с.
  22. Plotnikov M.Y., Volkov A.V. Adaptive phase noise cancellation technique for fiber-optic interferometric sensors // Journal of Lightwave Technology. 2021. V. 39. N 14. P. 4853–4860. https://doi.org/10.1109/JLT.2021.3075781
  23. Volkov A.V., Plotnikov M.Y., Mekhrengin M.V., Miroshnichenko G.P., Aleynik A.S. Phase modulation depth evaluation and correction technique for the PGC demodulation scheme in fiber-optic interferometric sensors // IEEE Sensors Journal. 2017. V. 17. N 13. P. 4143–4150. http://dx.doi.org/10.1109/JSEN.2017.2704287
  24. Lee C.E., Atkins R.A., Taylor H.F. Performance of a fiber-optic temperature sensor from -200 to 1050°C // Optics Letters. 1988. V. 13. N 11. P. 1038–1040. https://doi.org/10.1364/OL.13.001038
  25. Gao H., Jiang Y., Cui Y., Zhang L., Jia J., Jiang L. Investigation on the thermo-optic coefficient of silica fiber within a wide temperature range // Journal of Lightwave Technology. 2018. V. 36. N 24. P. 5881–5886. https://doi.org/10.1109/JLT.2018.2875941


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2022 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика