RU2135957C1 - Microresonator fiber-optical converter of physical quantities - Google Patents
Microresonator fiber-optical converter of physical quantities Download PDFInfo
- Publication number
- RU2135957C1 RU2135957C1 RU97119193A RU97119193A RU2135957C1 RU 2135957 C1 RU2135957 C1 RU 2135957C1 RU 97119193 A RU97119193 A RU 97119193A RU 97119193 A RU97119193 A RU 97119193A RU 2135957 C1 RU2135957 C1 RU 2135957C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fiber
- microresonator
- optic
- microbridge
- optical
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к волоконно-оптическим преобразователям физических величин (температуры, давления, ускорения и др.) с использованием микромеханических резонаторов, возбуждаемых светом. The invention relates to fiber-optic converters of physical quantities (temperature, pressure, acceleration, etc.) using micromechanical resonators excited by light.
Известны работы по созданию нового класса волоконно-оптических датчиков (ВОД) физических величин на основе использования микромеханического резонатора (МР) и оптического излучения, взаимодействующего с микрорезонатором МР. В литературе сообщается о разработках различных схем по оптическому возбуждению колебаний МР и их практической реализации. Во всех случаях модуляция интенсивности оптического излучения происходит на собственной резонансной частоте МР. Known work on the creation of a new class of fiber-optic sensors (VOD) of physical quantities based on the use of a micromechanical resonator (MR) and optical radiation interacting with a microresonator MR. The literature reports on the development of various schemes for the optical excitation of MR oscillations and their practical implementation. In all cases, the modulation of the intensity of optical radiation occurs at the natural resonant frequency of the MR.
При поглощении МР оптического излучения его освещенная сторона испытывает температурное расширение, вследствие чего в МР возникает изгибный момент, изменяющийся в фазе с модулированным оптическим излучением, который приводит к механическим колебаниям на собственной резонансной частоте МР. When the MR of optical radiation is absorbed, its illuminated side experiences thermal expansion, as a result of which a bending moment arises in the MR, which changes in phase with the modulated optical radiation, which leads to mechanical vibrations at the natural resonant frequency of the MR.
Внешнее воздействие (температура, давление, ускорение и др.) преобразуется во внутреннее механическое напряжение МР, что приводит к изменению его собственной резонансной частоты, определяемой размерами МР и его физическими свойствами. The external influence (temperature, pressure, acceleration, etc.) is converted into the internal mechanical stress of the MR, which leads to a change in its own resonant frequency, determined by the dimensions of the MR and its physical properties.
В связи в малой амплитудой колебаний МР (≈ 0,1 мкм) в ВОД физических величин применяется интерферометрический метод съема информации о резонансной частоте МР с помощью интерферометра Фабри-Перо, резонатор которого образован отражающей поверхностью МР и полупрозрачным зеркалом, либо торцом световода, сопряжненным с отражающей поверхностью МР. Due to the small amplitude of the oscillations of the MR (≈ 0.1 μm) in the VOD of physical quantities, the interferometric method is used to extract information about the resonant frequency of the MR using a Fabry-Perot interferometer, the resonator of which is formed by the reflecting surface of the MR and a translucent mirror, or by the end of the fiber coupled to reflective surface mr.
Непосредственная связь с цифровым устройством измерения без необходимости преобразования аналог - цифра, большая протяженность оптического канала передачи, высокая потенциальная точность измерений резонансной частоты делают этот тип датчиков перспективным. Direct communication with a digital measuring device without the need for analog-to-digital conversion, the large length of the optical transmission channel, and the high potential accuracy of the resonant frequency measurements make this type of sensors promising.
Однако микрорезонаторные ВОД физических величин, основанные на фотометрическом возбуждении МР и оптическом детектировании колебаний, обладают следующим недостатком: положение рабочей точки А интерферометра Фабри-Перо нестабильно и ее смещение зависит одновременно как от дрейфа основных характеристики МР, так и от нестабильности источника излучения и параметров интерферометра Фабри-Перо. However, microresonator VODs of physical quantities, based on photometric excitation of MR and optical detection of vibrations, have the following drawback: the position of the working point A of the Fabry-Perot interferometer is unstable and its displacement depends both on the drift of the main characteristics of the MR and on the instability of the radiation source and the parameters of the interferometer Fabry-Perot.
Иными словами, на эффективность функционирования ВОД физических величин влияют одновременно нестабильность характеристики канала возбуждения МР и канала интерферометрического съема информации, что требует принятия специальных мер по стабилизации положения рабочей точки А. In other words, the instability of the characteristics of the excitation channel of the MR and the channel of the interferometric readout of information influences the efficiency of the operation of the VOD of physical quantities, which requires special measures to stabilize the position of operating point A.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является волоконно-оптический датчик (ВОД) физических величин (заявка WO 89/00677, кл. G 01 D 5/26, 26.01.89), содержащий лазерный источник излучения, световод, делитель, коллиматор, микрорезонатор с отражающей поверхностью, фотоприемник и анализатор спектра. Closest to the proposed technical solution for the technical nature and the achieved result is a fiber optic sensor (VOD) of physical quantities (application WO 89/00677, class G 01 D 5/26, 01/26/89), containing a laser radiation source, a fiber, divider, collimator, microresonator with reflective surface, photodetector and spectrum analyzer.
Известное решение характеризуется следующими отрицательными признаками: высокие требования к стабильности мощности источника излучения (тока накачки лазерного диода) и тщательный контроль рабочей точки интерферометра Фабри-Перо за счет изменения в небольших пределах оптической мощности излучения, падающей на МР; дополнительные потери мощности оптического излучения, обусловленные наличием необходимых дискретных элементов, образующих дополнительный канал обратной связи в электронной схеме; жесткие требования к стабильности характеристик резонатора Фабри-Перо, а также - характеристики МР в силу ограниченной возможности их коррекции в рассматриваемой электронной схеме; ограниченные возможности подстройки рабочей точки интерферометра Фабри-Перо за счет изменения длины волны оптического излучения лазерного диода при реализации сложной электронной схемы обратной положительной связи. The known solution is characterized by the following negative features: high requirements for the stability of the radiation source power (pump current of the laser diode) and careful control of the operating point of the Fabry-Perot interferometer due to a change in the optical radiation power incident on the MR within small limits; additional power losses of optical radiation due to the presence of the necessary discrete elements forming an additional feedback channel in the electronic circuit; stringent requirements for the stability of the characteristics of the Fabry-Perot resonator, as well as the characteristics of MR due to the limited possibility of their correction in the considered electronic circuit; limited possibilities for adjusting the operating point of the Fabry-Perot interferometer due to a change in the wavelength of the optical radiation of the laser diode when implementing a complex electronic circuit for positive feedback.
Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке микрорезонаторного волоконно-оптического преобразователя физических величин на основе волоконно-оптического лазера и модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений одного из зеркал, в качестве которого служит МР. The problem solved by this invention is to develop a microresonator fiber-optic converter of physical quantities based on a fiber-optic laser and Q-switching of a two-mirror optical resonator due to photoinduced angular deviations of one of the mirrors, which is an MR.
При этом один торец одномодового световода волоконно-оптического лазера сопряжен с коллиматором, формирующим параллельный пучок света на отражающую поверхность МР, нормаль к которой составляет угол θ с осью падающего пучка, а второй торец является выходным. In this case, one end of the single-mode fiber of the fiber-optic laser is coupled to a collimator forming a parallel beam of light on the reflective surface of the MR, the normal to which is the angle θ with the axis of the incident beam, and the second end is the output.
Изменение мощности излучения при отражении от МР приводит вследствие эффекта фотоиндуцированной деформации к модуляции угла отклонения отраженного пучка θ(t), т.е. к модуляции мощности оптического излучения. The change in the radiation power upon reflection from the MR leads, due to the photoinduced deformation effect, to modulation of the deflection angle of the reflected beam θ (t), i.e. to modulate the power of optical radiation.
В качестве коллиматора используется градиентная стержневая линза (ГСЛ) в четверть периода, формирующая Гауссовы пучки. As a collimator, a gradient rod lens (GSL) is used for a quarter of the period, which forms Gaussian beams.
Независимо от топологии и конструкции МР при выполнении определенных условий в рассматриваемом устройстве устанавливается автоколебательный режим с частотой F, практически совпадающей с резонансной частотой f ≈ F. Regardless of the topology and design of the MR, when certain conditions are met, the self-oscillating mode with the frequency F, which practically coincides with the resonant frequency f ≈ F, is established in the device under consideration.
Эти условия сводятся к следующим: в исходном состоянии угол отклонения θ = θи находится в интервале θ1 ≤ θи ≤ θ2, границы которого (θ1,θ2) зависят от характеристик МР и волоконно-оптического лазера; резонансная частота МР близка к частоте релаксационных колебаний волоконно-оптического лазера fрел. или ее гармоник, т.е. f ≈ n • fрел., где n = 1, 2, 3,..., n. Отметим, что fрел. определяется относительной накачкой m = Pн/Pн.п., где Pн.п.- пороговый уровень накачки лазера; средняя мощность излучения 
В результате возникновения в системе МР-волоконно-оптический лазер автоколебаний на резонансной частоте МР отпадает необходимость введения интерферометрической обратной связи по стабилизации положения точки автогенератора. As a result of the occurrence of self-oscillations at the MR resonant frequency in the MR-fiber-optic system, there is no need to introduce interferometric feedback to stabilize the position of the oscillator point.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в разработке микрорезонаторного волоконно-оптического преобразователя физических величин, в котором для возбуждения автоколебаний на резонансной частоте МР используется волоконно-оптический лазер без введения дополнительных волоконно-оптических устройств. При этом существование автоколебательного режима в системе МР - волоконно-оптический лазер осуществляется за счет модуляции амплитуды коэффициента отражения R оптического резонатора волоконно-оптического лазера, возникающей вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений МР, нормаль к отражающей поверхности которого ориентирована под углом θи к оптической оси коллимированного пучка света.The essence of the proposed technical solution lies in the development of a microresonator fiber-optic converter of physical quantities, in which a fiber-optic laser is used to excite self-oscillations at the resonant frequency of the MR without introducing additional fiber-optic devices. In this case, the existence of a self-oscillating regime in the MR - fiber-optic laser system is carried out by modulating the reflection coefficient amplitude R of the optical resonator of the fiber-optic laser, which arises as a result of photoinduced angular deviations of the MR, the normal to the reflecting surface of which is oriented at an angle θ and to the optical axis of the collimated beam Sveta.
Волоконно-оптический лазер представляет собой отрезок одномодового активированного световода длиною l, накачка которого может осуществляться различными способами, например через отрезок буферного неактивированного световода, идеально согласованного с активированным световодом. A fiber-optic laser is a segment of a single-mode activated fiber with a length l, which can be pumped in various ways, for example, through a segment of a buffer non-activated fiber, which is ideally matched with the activated fiber.
Уникальные свойства волоконно-оптического лазера, позволяющие обеспечить эффективное оптического согласование МР с волоконно-оптическим лазером, а также новейшая технология изготовления МР, основанная на методе анизотропного травления и плазмохимии монокристаллических материалов таких, как Si, SiO2, CaAs позволяют реализовать МР структуры с заданными акустическими и оптическими характеристиками и топологией (например, в виде микромембраны, микромостика, микроконсоли и т.д.), что позволяет реализовать в системе МР - волоконно-оптический лазер автоколебания, резонансная частота которых зависит от воздействия соответствующих внешних факторов: температуры, давления, ускорения и др.The unique properties of a fiber-optic laser, which allow for efficient optical matching of MRs with a fiber-optic laser, as well as the latest technology for manufacturing MRs, based on the method of anisotropic etching and plasma chemistry of single-crystal materials such as Si, SiO 2 , CaAs, allow realizing MR structures with specified acoustic and optical characteristics and topology (for example, in the form of a micro-membrane, micro-bridge, micro-console, etc.), which makes it possible to realize fiber-optic zer self-oscillation, the resonance frequency of which depends on the respective impact of external factors: temperature, pressure, acceleration, and other.
Из вышеизложенного следует, что новые свойства системы МР - волоконно-оптический лазер дают основание рассматривать данную систему в качестве основы для разработки принципов построения частотных преобразователей физических величин различных конструкций. It follows from the foregoing that the new properties of the MR system — fiber-optic laser — give grounds to consider this system as a basis for developing the principles of constructing frequency converters of physical quantities of various designs.
Отметим, что при данном способе возбуждения автоколебаний для эффективного взаимодействия волоконно-оптического лазера с МР необходимо учитывать взаимосвязь параметров волоконно-оптической системы, геометрических размеров МР и относительную нестабильность резонансной частоты автогенератора. Note that with this method of exciting self-oscillations for the effective interaction of a fiber-optic laser with an MR, it is necessary to take into account the relationship between the parameters of the fiber-optic system, the geometric dimensions of the MR and the relative instability of the resonant frequency of the oscillator.
Рассмотрим этот вопрос для микрорезонаторных преобразователей с базовой топологией: "микромостик на мембране" и "микромостик" для измерения давления и температуры соответственно. Consider this issue for microresonator converters with the basic topology: “microbridge on the membrane” and “microbridge” for measuring pressure and temperature, respectively.
Коэффициент преобразования для датчика давления P описывается формулой
где L - длина микромостика; hs - толщина мостика; d - толщина мембраны; r - радиус мембраны; ν, E - коэффициент Пуассона и модуль Юнга для материала МР соответственно; H - расстояние между ГСЛ и МР.The conversion factor for the pressure sensor P is described by the formula
where L is the length of the microbridge; h s is the thickness of the bridge; d is the thickness of the membrane; r is the radius of the membrane; ν, E — Poisson's ratio and Young's modulus for the MR material, respectively; H is the distance between GSL and MR.
Из (1) следует, что с ростом L коэффициент Kp резко возрастает, однако резонансная частота МР f0≈hs/L2 при этом существенно падает. Учитывая, что, например, при f0= 10 кГц измерение частоты сигнала с относительной погрешностью Δf/f0=10-4 требует, чтобы минимальное время регистрации сигнала τmin = 1 с, а при Δf/f0=10-5 необходимо τmin = 10 с, которое может оказаться недопустимо большим, с точки зрения обеспечения необходимого быстродействия датчика, следует принять, что резонансные частоты применяемых МР должны быть равными f0 ≥ 59 кГц.From (1) it follows that with increasing L, the coefficient K p sharply increases, however, the resonance frequency of the MR f 0 ≈hs / L 2 decreases significantly. Given that, for example, at f 0 = 10 kHz, measuring the signal frequency with a relative error Δf / f 0 = 10 -4 requires that the minimum signal recording time is τ min = 1 s, and at Δf / f 0 = 10 -5 it is necessary τ min = 10 s, which may turn out to be unacceptably large, from the point of view of ensuring the necessary speed of the sensor, it should be assumed that the resonance frequencies of the applied MR should be equal to f 0 ≥ 59 kHz.
Так, при f0= 50 кГц получим следующие оптимальные, с точки зрения быстродействия и применяемого соотношения сигнал/шум размеры микрорезонаторной структуры: L = 900-1400 мкм, hs =5-7 мкм, r =900-1400 мкм. При этом коэффициент преобразования для микрорезонаторного датчика давления с размерами L = 1200 мкм, hs = 6 мкм, d =30 мкм, H = 30 мкм получим Kp = 400% атм-1.So, at f 0 = 50 kHz we get the following optimal, from the point of view of speed and applied signal-to-noise ratio, dimensions of the microresonator structure: L = 900-1400 μm, h s = 5-7 μm, r = 900-1400 μm. In this case, the conversion coefficient for the microresonator pressure sensor with dimensions L = 1200 μm, h s = 6 μm, d = 30 μm, H = 30 μm, we obtain K p = 400% atm -1 .
Что касается датчика температуры, то его коэффициент преобразования Kт описывается выражением
где ε - относительная продольная деформация микромостика; hs - толщина пленки (например, из никеля), наносимой на отражающую поверхность мостика.As for the temperature sensor, its conversion coefficient K t is described by the expression
where ε is the relative longitudinal deformation of the microbridge; h s is the thickness of the film (for example, nickel) applied to the reflective surface of the bridge.
Резонансная частота микромостика с пленкой металла плотностью Psi определяется выражением
Аналогично датчику давления коэффициент преобразования температуры Kт, описываемый выражением (2), с ростом L резко возрастает, а резонансная частота согласно (3) при этом существенно падает. Для обеспечения заданного быстродействия и применяемого соотношения сигнал/шум размеры микрорезонаторной структуры были выбраны следующими: 1400 х 300 х 6 мкм. Резонансная частота основной моды при этом составила f≈56,3 кГц при T≈20oC. В диапазоне температур 10-70oC система все время находилась в режиме стабильных автоколебаний (ψ - коэффициент).The resonant frequency of the microbridge with a metal film of density P si is determined by the expression
Similarly to the pressure sensor, the temperature conversion coefficient K t described by expression (2) sharply increases with increasing L, and the resonant frequency, according to (3), drops significantly. To ensure the given speed and the applied signal-to-noise ratio, the dimensions of the microresonator structure were chosen as follows: 1400 x 300 x 6 μm. The resonant frequency of the fundamental mode in this case was f≈56.3 kHz at T≈20 o C. In the temperature range 10-70 o C, the system was always in the regime of stable self-oscillations (ψ is the coefficient).
При выбранных параметрах микрорезонаторной структуры при нестабильности частота автогенератора Δf/f = 2•10-4, имеем Kт=-0,08% K-1. По результатам экспериментальных исследований погрешность измерения температуры при комнатной температуре составляет
На фиг. 1 представлена схема микрорезонаторного волоконно-оптического преобразователя физических величин, позволяющая контролировать резонансные частоты основных мод акустических автоколебаний, величина которых зависит от топологии и конструкции МР, а также - характеристик волоконно-оптического лазера и коллиматора. Здесь 1 - волоконно-оптический лазер (ВОЛ), 2 - МР, 3 - коллиматор К, 4 - одномодовый изотропный световод, 5 - полупрозрачное зеркало М1, в качестве которого служит граница раздела световод - воздух с коэффициентом отражения R1=3,2%, 6 - фотоприемник, 7 - анализатор спектра, 8 - полупроводниковый лазер накачки на длине волны λ = 0,98 мкм, 9 - внешнее воздействие (давление P, температура T и т.п.).With the selected parameters of the microresonator structure with instability, the frequency of the oscillator Δf / f = 2 • 10 -4 , we have K t = -0.08% K -1 . According to the results of experimental studies, the error in measuring temperature at room temperature is
In FIG. Figure 1 shows a diagram of a microresonator fiber-optic converter of physical quantities, which makes it possible to control the resonant frequencies of the main modes of acoustic self-oscillations, the magnitude of which depends on the topology and design of the MR, as well as the characteristics of the fiber-optic laser and collimator. Here 1 is a fiber-optic laser (VOL), 2 is an MR, 3 is a collimator K, 4 is a single-mode isotropic fiber, 5 is a translucent mirror M 1 , which is a fiber-air interface with a reflection coefficient R 1 = 3, 2%, 6 - photodetector, 7 - spectrum analyzer, 8 - semiconductor pump laser at a wavelength of λ = 0.98 μm, 9 - external action (pressure P, temperature T, etc.).
Устройство работает следующим образом. В результате воздействия измеряемой физической величины независимо от типа и параметров МР в системе устанавливается автоколебательный режим с частотой колебаний F, совпадающей с резонансной частотой i-ой моды клебаний МР: fi=F, где i = 1, 2,..., m. При этом автоколебательный режим в системе МР-волоконно-оптический лазер осуществляется за счет модуляции амплитуды коэффициента отражения R оптического резонатора волоконно-оптического лазера вследствие фотоиндуцированных угловых отклоненний зеркала, в качестве которого используется МР.The device operates as follows. As a result of the influence of the measured physical quantity, irrespective of the type and parameters of MR, a self-oscillating regime is established in the system with an oscillation frequency F that coincides with the resonant frequency of the i-th mode of MR oscillations: f i = F, where i = 1, 2, ..., m . In this case, the self-oscillating mode in the MR-fiber-optic laser system is carried out by modulating the reflection coefficient amplitude R of the optical resonator of the fiber-optic laser due to photoinduced angular deviations of the mirror, for which MR is used.
На фиг. 2(а) представлена топология МР "микромостик на мембране" микрорезонаторного волоконно-оптического преобразователя давления. Здесь позиция 1 - вид сверху МР в виде микромостика на мембране, позиция II - вид сбоку в разрезе А-А того же микрорезонатора. In FIG. 2 (a) presents the topology of the MR "microbridge on the membrane" of a microresonator fiber-optic pressure transducer. Here, position 1 is a top view of the MR in the form of a microbridge on the membrane, position II is a side view in section AA of the same microresonator.
На фиг. 2(а) изображены: 3 - коллиматор, 10 - микромостик толщиною hs, 11 - мембрана толщиною d, 12 - расстояние H между ГСЛ и МР, R - радиус мембраны, L - длина микромостика.In FIG. 2 (a) shows: 3 - a collimator, 10 - a microbridge with a thickness h s , 11 - a membrane with a thickness of d, 12 - the distance H between the GSL and MR, R - the radius of the membrane, L - the length of the microbridge.
Принцип действия волоконно-оптического преобразователя давления с МР, выполненным в виде микромостика на мембране и ориентированым под углом θи к оптической оси коллиматора 3, основан на том, что давление P вызывает деформацию мембраны, на которой расположен микромостик 10. Вследствие этой деформации в микромостике возникают растягивающие (или сжимающие) напряжения, приводящие к изменению резонансной частоты микромостика.The principle of operation of a fiber-optic pressure transducer with MR, made in the form of a microbridge on the membrane and oriented at an angle θ and to the optical axis of the
Высокий коэффициент преобразования Kp подтверждается экспериментальными данными зависимости частоты автоколебаний F от давления для МР с параметрами: L = 1650 мкм, hs = 6 мкм, d = 130 мкм, r = 1900 мкм, H = 200 мкм.The high conversion coefficient K p is confirmed by experimental data on the dependence of the self-oscillation frequency F on pressure for MR with parameters: L = 1650 μm, h s = 6 μm, d = 130 μm, r = 1900 μm, H = 200 μm.
Отметим, что в данном случае микромостик и мембрана были изготовлены из разнородных материалов: микромостик - из кремния, мембрана - из стекла. По экспериментальным данным Kp = 20% атм-1, что удовлетворительно согласуется с оценкой Kp, полученной по формуле (1) и равной Kp = 16% атм-1.Note that in this case the microbridge and the membrane were made of dissimilar materials: the microbridge was made of silicon, the membrane was made of glass. According to experimental data, K p = 20% atm -1 , which is in satisfactory agreement with the estimate of K p obtained by formula (1) and equal to K p = 16% atm -1 .
Принцип действия волоконно-оптического преобразователя давления с МР, выполненным в виде микромостика на мембране, остается тем же самым и в том случае, если в качестве МР использовать микромостик на мембране, выполненным из однородного материала, например из монокристаллического кремния методом анизотропного травления. The principle of operation of a fiber-optic pressure transducer with an MP made in the form of a microbridge on the membrane remains the same if the microbridge on the membrane made of a homogeneous material, for example, single-crystal silicon by anisotropic etching, is used as an MR.
При заданном значении давления флуктуация частоты автогенератора составляла (ΔF/F)фл = 2 •10-4, что соответствует среднеквадратической ошибке измерений давления
Таким образом, исходя из экспериментальных данных можно утверждать, что погрешность измерения давления в окрестности P≈ 1 атм составляет ΔP = ±1•10-3 атм.For a given pressure value, the oscillator frequency fluctuation was (ΔF / F) fl = 2 • 10 -4 , which corresponds to the standard error of the pressure measurements
Thus, based on experimental data, it can be argued that the error in measuring pressure in the vicinity of P≈ 1 atm is ΔP = ± 1 • 10 -3 atm.
На фиг. 2(б) представлена топология МР "микромостик" микрорезонаторного волоконно-оптического преобразователя температуры. Здесь позиция 1 - вид сверху МР в виде микромостика, позиция II - вид сбоку МР в разрезе А-А того же микрорезонатора. На фиг. 2(б) изображены: 3 - коллиматор, 10 - микромостик толщиною hs, 12 - H расстояние между ГСЛ и МР.In FIG. 2 (b) presents the topology of the MR "microbridge" microcavity fiber-optic temperature transducer. Here, position 1 is a top view of the MR in the form of a microbridge, position II is a side view of the MR in section AA of the same microcavity. In FIG. 2 (b) shows: 3 - a collimator, 10 - a microbridge with a thickness h s , 12 - H distance between the GSL and MR.
Принцип действия волоконно-оптического преобразователя температуры с МР, выполненным в виде "микромостика" и ориентированным под углом θи к оптической оси коллиматора 3, основан на том, что температура Т вызывает деформацию микромостика, вследствие чего в микромостике возникают растягивающие (или сжимающие) напряжения, приводящие к изменению резонансной частоты микромостика.The principle of operation of a fiber-optic temperature transducer with MR, made in the form of a “microbridge” and oriented at an angle θ and to the optical axis of the
На фиг. 3 (а, б) представлены экспериментально полученные зависимость частоты автоколебаний от давления F(P) и зависимость частоты автоколебаний от температуры F(T) (а и б соответственно). Экспериментальная зависимость частоты автоколебаний от температуры микромостика Т измерялась с помощью элемента Пельтье в диапазоне температур 10-70oC. Микрорезонатор с пленкой из Ni имел размеры 1400 х 300 х 6 мкм. Резонансная частота основной моды при комнатной температуре была равна F≈ 56 кГц. При вариации температуры в данном интервале значений система все время находилась в режиме стабильных автоколебаний. Функция F(T) является практически линейной с температурным коэффициентом
При постоянной температуре МР кратковременная нестабильность частоты автогенератора составила (ΔF/F)фл= 2•10-4. Следовательно, погрешность такого преобразователя температуры равна
что в процентном выражении соответствует ≈ 0,3% в измеряемом диапазоне температур.In FIG. Figure 3 (a, b) shows the experimentally obtained dependence of the self-oscillation frequency on pressure F (P) and the dependence of the self-oscillation frequency on temperature F (T) (a and b, respectively). The experimental dependence of the self-oscillation frequency on the temperature of the microbridge T was measured using a Peltier element in the temperature range 10-70 o C. A microcavity with a Ni film had dimensions of 1400 x 300 x 6 μm. The resonance frequency of the fundamental mode at room temperature was F≈ 56 kHz. When the temperature was varied in this range of values, the system was always in the regime of stable self-oscillations. The function F (T) is almost linear with a temperature coefficient
At a constant MR temperature, the short-term instability of the oscillator frequency was (ΔF / F) fl = 2 • 10 -4 . Therefore, the error of such a temperature transducer is equal to
which in percentage terms corresponds to ≈ 0.3% in the measured temperature range.
Отметим, что экспериментальное значение температурного коэффициента удовлетворительно согласуется с расчетным, вычисленным по формуле (2). Кроме того, следует подчеркнуть, что согласно (2) Kт существенно зависит от наличия остаточных внутренних деформаций микромостика, учитывая, что ε = ε0+εт, где ε0 - слагаемое, характеризующее исходные внутренние деформации микрорезонаторных структур, возникающие при изготовлении МР, εт - термодеформация. Следовательно, технологическая обработка миикрорезонаторной структуры, изменяющая ε0, позволяет управлять коэффициентом преобразования Кт, т.е. эффект наличия остаточных деформаций ε0 может иметь решающее значение при определении Кт.Note that the experimental value of the temperature coefficient is in satisfactory agreement with the calculated value calculated by formula (2). In addition, it should be emphasized that, according to (2), K t substantially depends on the presence of residual internal deformations of the microbridge, taking into account that ε = ε 0 + ε t , where ε 0 is the term characterizing the initial internal deformations of microresonator structures that arise during the fabrication of MR , ε t - thermal deformation. Therefore, the processing of the microcavity structure, changing ε 0 , allows you to control the conversion coefficient K t , i.e. the effect of the presence of residual strains ε 0 may be crucial in determining K t
Таким образом, за счет напыления на микромостик соответствующего материала необходимой толщины можно формировать температурно-чувствительные микрорезонаторные структуры в соответствии с заданным диапазоном измеряемых температур. Thus, by spraying on the microbridge the appropriate material of the required thickness, it is possible to form temperature-sensitive microresonator structures in accordance with a given range of measured temperatures.
Claims (2)
2. Микрорезонаторный волоконно-оптический преобразователь физических величин по п.1, отличающийся тем, что микрорезонатор выполнен в виде микромостика на мембране.1. A microresonator fiber-optical converter of physical quantities, including a laser source of optical radiation with a fiber, a microcavity, a photodetector and a spectrum analyzer, while one end of the fiber is coupled to a collimator located between this end and the microcavity, and the second end of the fiber is output and connected to spectrum analyzer through a photodetector, characterized in that the laser source of optical radiation is made in the form of a fiber optic laser, while the reflective surface the microcavity forms a two-mirror optical resonator of the fiber-optic laser with the output end of the fiber, and the reflecting surface of the microcavity in its initial position is oriented to the optical axis of the collimated beam at a certain given angle θ and .
2. Microresonator fiber-optic converter of physical quantities according to claim 1, characterized in that the microresonator is made in the form of a microbridge on the membrane.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU97119193A RU2135957C1 (en) | 1997-11-14 | 1997-11-14 | Microresonator fiber-optical converter of physical quantities |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU97119193A RU2135957C1 (en) | 1997-11-14 | 1997-11-14 | Microresonator fiber-optical converter of physical quantities |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2135957C1 true RU2135957C1 (en) | 1999-08-27 |
Family
ID=20199148
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU97119193A RU2135957C1 (en) | 1997-11-14 | 1997-11-14 | Microresonator fiber-optical converter of physical quantities |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2135957C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108414104A (en) * | 2018-03-30 | 2018-08-17 | 中国计量大学 | A kind of micro- hanging bridge temperature detection device of H-type with bimetallic plated film |
-
1997
- 1997-11-14 RU RU97119193A patent/RU2135957C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108414104A (en) * | 2018-03-30 | 2018-08-17 | 中国计量大学 | A kind of micro- hanging bridge temperature detection device of H-type with bimetallic plated film |
| CN108414104B (en) * | 2018-03-30 | 2024-01-23 | 中国计量大学 | H-shaped micro-suspension bridge temperature detection device with bimetal coating |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Corbitt et al. | Measurement of radiation-pressure-induced optomechanical dynamics in a suspended Fabry-Perot cavity | |
| JP4303965B2 (en) | Optical sensor for measuring physical and material properties | |
| US8855149B2 (en) | Dynamical Fabry-Pérot tuneable filter device | |
| JP5096858B2 (en) | Optical resonator gyroscope and method for reducing resonance asymmetry error | |
| US20030206693A1 (en) | Optical microcavity resonator sensor | |
| US7327471B2 (en) | Apparatus and method for stabilizing lasers using dual etalons | |
| JPH07112082B2 (en) | Solid state microlaser | |
| US20140043614A1 (en) | On-fiber optomechanical cavity based sensor | |
| RU2135957C1 (en) | Microresonator fiber-optical converter of physical quantities | |
| US20220276149A1 (en) | Photoacoustic transducer | |
| RU2161783C2 (en) | Fiberoptical temperature-sensitive element based on microresonator | |
| RU2135958C1 (en) | Fiber-optical active oscillator | |
| RU2135963C1 (en) | Microresonator fiber-optical converter of physical quantities | |
| RU2117934C1 (en) | Fiber-optic self-excited oscillator | |
| RU2169904C2 (en) | Fiber-optical self-excited oscillator | |
| RU2142117C1 (en) | Microresonator fiber-optical transmitter of angular displacements | |
| RU2163354C1 (en) | Fiber-optical self-sustained oscillator | |
| RU2110049C1 (en) | Fiber-optic temperature sensor using microresonator | |
| RU2116631C1 (en) | Fibre-optical self-excited oscillator | |
| Jones et al. | Optical-fibre sensors using micromachined silicon resonant elements | |
| RU2142116C1 (en) | Microresonator fiber-optical transmitter of linear translations | |
| RU99197U1 (en) | MICRESONATOR FIBER OPTICAL CONVERTER OF PHYSICAL VALUES | |
| RU2226674C1 (en) | Fiber-optical self-excited oscillator | |
| RU2157512C1 (en) | Microresonator fiber-optical sensor of magnetic field | |
| US20230168120A1 (en) | Laser Interferometer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20031115 |