RU2142116C1

RU2142116C1 - Microresonator fiber-optical transmitter of linear translations

Info

Publication number: RU2142116C1
Application number: RU98117656A
Authority: RU
Inventors: В.Д. Бурков; А.В. Гориш; Ф.А. Егоров; Ю.Н. Коптев; В.И. Кузнецова; Я.В. Малков; В.Т. Потапов
Original assignee: Московский государственный университет леса
Priority date: 1998-09-17
Filing date: 1998-09-17
Publication date: 1999-11-27

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: given transmitter incorporates fiber-optical laser one butt of which light guide is optically coupled to autocollimator positioned between this butt and reflecting surface of microresonator, the other butt of light guide being coupled to photodetector. Microresonator, autocollimator, fiber-optical laser and photodetector are made fast to immobile object. Permanent magnet is made fast to mobile object. Microresonator is equipped with layer of magnetic material. EFFECT: enhanced precision and sensitivity of transmitter. 1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к волоконно-оптическим автоколебательным системам на основе микромеханического резонатора с частотным кодированием выходного сигнала и может быть использовано в системах измерения различных физических величин (температуры, давления, линейных и угловых перемещений и др.). The invention relates to fiber-optic self-oscillating systems based on a micromechanical resonator with frequency coding of the output signal and can be used in systems for measuring various physical quantities (temperature, pressure, linear and angular displacements, etc.).

Широкое освещение в литературе в настоящее время получили волоконно-оптические датчики (ВОД) физических величин на основе использования микромеханического резонатора (MP) и оптического когерентного излучения, взаимодействующего с MP с использованием обратной интерферометрической связи. При этом модуляция интенсивности оптического излучения происходит на собственной резонансной частоте MP. Fiber-optic sensors (WFD) of physical quantities based on the use of micromechanical resonator (MP) and optical coherent radiation interacting with MP using inverse interferometric coupling have received widespread literature coverage. In this case, the modulation of the intensity of optical radiation occurs at the natural resonant frequency MP.

Микрорезонатор, как правило, представляет собой микрокамертон, микробалку, микромембрану, изготовленные из монокристаллов кремния или пьезокварца методами анизотропного травления, плазмохимии. Внешнее воздействие деформирует подложку MP и через изменение внутреннего механического напряжения изменяет резонансную частоту акустических колебаний, возбуждаемых светом. Эти изменения частоты регистрируют волоконно-оптическим методом. Амплитуда колебаний MP при фотометрическом механизме возбуждения достигает десятков нанометров. A microresonator, as a rule, is a microkamerton, a microbeam, a micromembrane made of silicon single crystals or piezoelectric quartz by anisotropic etching, plasma chemistry. An external action deforms the MP substrate and, through a change in internal mechanical stress, changes the resonant frequency of acoustic vibrations excited by light. These frequency changes are recorded by the fiber optic method. The amplitude of MP oscillations with the photometric excitation mechanism reaches tens of nanometers.

Анализ возможных решений остро стоящей в настоящее время проблемы измерения малых линейных перемещений в тяжелых условиях эксплуатации (например, в условиях агрессивных взрывоопасных сред, в труднодоступных участках и др.) показывает, что разработка ВОД линейных перемещений на основе волоконно-оптических микрорезонаторных датчиков бесконтактного типа - один из наиболее перспективных путей решения данной задачи. An analysis of possible solutions to the currently acute problem of measuring small linear displacements in severe operating conditions (for example, in aggressive explosive atmospheres, in inaccessible areas, etc.) shows that the development of linear displacement water based on non-contact fiber-optic microresonator sensors is One of the most promising ways to solve this problem.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является ВОД физических величин, опубликованный в Electronics Letters 31 st August, 1989, vol. 25, N 18, pp 1235... 1236. Closest to the proposed technical solution for the technical nature and the achieved result is the WOD of physical quantities, published in Electronics Letters 31 st August, 1989, vol. 25, N 18, pp 1235 ... 1236.

Устройство содержит лазерный источник излучения на длине волны λ = 840 нм и мощностью P = 1 мВт, делитель, полупрозрачное зеркало, кремниевый микрорезонатор в виде мостика, на поверхности которого размещено зеркало из серебра толщиною 40 нм, фотоприемник, анализатор спектра. The device contains a laser radiation source at a wavelength of λ = 840 nm and a power of P = 1 mW, a divider, a translucent mirror, a silicon microresonator in the form of a bridge, on the surface of which there is a silver mirror 40 nm thick, a photodetector, and a spectrum analyzer.

Устройство работает следующим образом. Лазерное излучение через делитель, полупрозрачное зеркало направляется на MP и приводит его в возбужденное состояние на собственной резонансной частоте. Полупрозрачное зеркало с отражающей поверхностью MP образуют интерферометр Фабри-Перо. Информация о резонансной частоте MP фиксируется интерферометрически с помощью интерферометра Фабри-Перо. Отраженное от интерферометра излучение с помощью делителя направляется на фотоприемник, связанный с блоком обработки информации. Под действием внешних воздействий (температуры, давления, ускорения и др.) изменяется резонансная частота MP, которая с помощью интерферометра Фабри-Перо фиксируется в измерительном канале ВОД. The device operates as follows. Laser radiation through a divider, a translucent mirror is directed to MP and brings it into an excited state at its own resonant frequency. A translucent mirror with a reflective surface MP form a Fabry-Perot interferometer. Information on the resonant frequency MP is recorded interferometrically using a Fabry-Perot interferometer. The radiation reflected from the interferometer is sent to a photodetector connected to the information processing unit using a divider. Under the influence of external influences (temperature, pressure, acceleration, etc.), the resonant frequency MP changes, which is fixed using the Fabry-Perot interferometer in the measuring channel of the VOD.

Стабилизация резонансной частоты MP осуществляется за счет электронной подстройки частоты лазера в небольшом диапазоне частот. Чтобы перекрыть заданный диапазон частот (~15 ГГц), длина волны лазерного источника излучения должна изменяться на 0,034 нм. Это достигается путем изменения тока накачки лазерного диода в незначительных пределах. The resonant frequency MP is stabilized by electronically adjusting the laser frequency in a small frequency range. To cover a given frequency range (~ 15 GHz), the wavelength of the laser radiation source should be changed to 0.034 nm. This is achieved by varying the pump current of the laser diode to insignificant limits.

Выходной сигнал с фотоприемника делится на две части: одна часть направляется к анализатору спектра, другая проходит через проходной фильтр с низкими потерями и обеспечивает незначительное изменение тока накачки лазерного диода. При этом для обеспечения режима автоколебаний в течение длительного времени к напряжению тока накачки лазерного диода предъявляются жесткие требования стабильности, обеспечивающие устойчивое положение рабочей точки А на оптической характеристике Y_A резонатора Фабри-Перо, а также - тщательный выбор напряжения смещения в соответствии с условиями, где имеют место автоколебания.The output signal from the photodetector is divided into two parts: one part is sent to the spectrum analyzer, the other passes through a low-pass filter and provides a slight change in the pump current of the laser diode. Moreover, to ensure a self-oscillation regime for a long time, the pump diode pump voltage is subject to stringent stability requirements that ensure a stable position of the operating point A on the optical characteristic Y _{A of the} Fabry-Perot resonator, as well as a careful selection of the bias voltage in accordance with the conditions where self-oscillations take place.

В результате 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 MP;
- 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 - характеристик MP 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.As a result, the known solution is characterized by the following negative features:
- high requirements for the stability of the power of the radiation source (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 MP over small limits;
- additional optical power loss 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 MP due to the limited possibility of their correction in the electronic circuit under consideration;
- 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 feedback circuit.

Новые возможности для измерения малых перемещений частей объекта (деформации) или одного объекта относительно другого открывает метод измерения перемещений бесконтактным способом, который основан на изменении резонансной частоты MP при изменении параметров магнитного поля, воздействующего на MP, изменяющего его характеристики. При этом разрабатывается новая концепция построения чувствительного элемента или измерительной головки на базе унифицированных элементов: автоколлиматора и MP. Конструкция блока чувствительного элемента (БЧЭ) определяется типом микрорезонаторной структуры и измеряемой физической величиной x_i с функцией преобразования F(x_i).A new method for measuring small displacements of parts of an object (deformation) or one object relative to another opens up a method of measuring displacements in a non-contact manner, which is based on a change in the resonant frequency MP when changing the parameters of the magnetic field acting on MP, which changes its characteristics. At the same time, a new concept is developed for constructing a sensitive element or measuring head based on unified elements: an autocollimator and MP. The design of the block of the sensing element (BSE) is determined by the type of microresonator structure and the measured physical quantity x _i with the conversion function F (x _i ).

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке микрорезонаторного волоконно-оптического датчика для бесконтактных измерений линейных перемещений частей объекта (деформации) или одного объекта относительно другого на базе унифицированных элементов, а именно: волоконно-оптического лазера (ВОЛ), одномодовых световодов, автоколлиматора и микрорезонаторного чувствительного элемента в рамках новой концепции построения ВОД унифицированного типа. The problem solved by this invention is to develop a microresonator fiber-optic sensor for non-contact measurements of linear movements of parts of an object (deformation) or one object relative to another on the basis of standardized elements, namely: fiber-optic laser (VOL), single-mode optical fibers, auto-collimator and microresonator sensitive element in the framework of a new concept for the construction of a unified type of water.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в микрорезонаторном волоконно-оптическом датчике линейных перемещений одного объекта относительно другого, содержащем источник оптического излучения, микрорезонатор, фотоприемник, блок обработки информации, в качестве источника оптического излучения используют волоконно-оптический лазер, один торец световода которого оптически сопряжен с автоколлиматором, расположенным между этим торцом и отражающей поверхностью микрорезонатора, а второй торец световода связан с фотоприемником, причем микрорезонатор, автоколлиматор, волоконно-оптический лазер, фотоприемник и блок обработки информации жестко установлены на неподвижном объекте, а на подвижном объекте жестко закреплен постоянный магнит, при этом микрорезонатор снабжен слоем магнитного материала, а отражающая поверхность микрорезонатора расположена под углом к оптической оси пучка, микрорезонатор выполнен в виде микромостика на мембране. The solution to this problem is provided by the fact that in the microresonator fiber-optic sensor of linear displacements of one object relative to another, containing a source of optical radiation, a microresonator, a photodetector, an information processing unit, a fiber-optic laser is used as a source of optical radiation, one end of the fiber of which is optically coupled with an autocollimator located between this end and the reflecting surface of the microcavity, and the second end of the fiber is connected to the photodetector moreover, the microcavity, autocollimator, fiber-optic laser, photodetector and information processing unit are rigidly mounted on a fixed object, and a permanent magnet is rigidly fixed on the moving object, while the microcavity is provided with a layer of magnetic material, and the reflecting surface of the microcavity is at an angle to the optical axis of the beam , the microresonator is made in the form of a microbridge on the membrane.

Основой конструкции ВОД линейных перемещений является измерительная головка (ИГ), содержащая автоколлиматор и БЧЭ. Информационным сигналом датчика является частота автоколебаний F, практически совпадающая с резонансной частотой MP f. Измерительная головка датчика бесконтактного типа не содержит непосредственной механической связи элементов микрорезонаторной структуры с объектом наблюдений. Метод измерений бесконтактных перемещений основан на способности микрорезонаторных структур регистрировать параметры полей некоторых физических величин. Для определенности ниже будем рассматривать датчик, основанный на влиянии магнитного поля на частоту микрорезонаторной структуры. Для реализации бесконтактного метода измерения перемещений необходимо, чтобы магнитное поле в точке, где установлена ИГ ВОД, изменялось при перемещении объекта, а ВОД на основе микрорезонаторной структуры был способен зарегистрировать эти изменения. The basis of the linear displacement water design is a measuring head (IG) containing an autocollimator and a BChE. The sensor information signal is the self-oscillation frequency F, which practically coincides with the resonant frequency MP f. The measuring head of the non-contact type sensor does not contain a direct mechanical connection of the elements of the microresonator structure with the object of observation. The method of measuring non-contact displacements is based on the ability of microresonator structures to record the field parameters of some physical quantities. For definiteness, we will consider below a sensor based on the influence of a magnetic field on the frequency of a microresonator structure. To implement the non-contact method of measuring displacements, it is necessary that the magnetic field at the point where the waterborne information source is installed change when the object is moving, and the water based on the microresonator structure is able to detect these changes.

Датчик линейных перемещений, использующий эффект изменения величины деформации микроструктуры, содержит также постоянный магнит, жестко связанный с подвижным объектом и создающий необходимое пространственное распределение напряженности магнитного поля. The linear displacement sensor, using the effect of changing the magnitude of the deformation of the microstructure, also contains a permanent magnet, rigidly connected with a moving object and creating the necessary spatial distribution of the magnetic field strength.

Конструкция БЧЭ ВОД перемещения состоит из следующих основных частей:
- мембраны микрорезонаторной структуры, на которую нанесена никелевая пленка толщиною 0,3 мкм, взаимодействующая с магнитным полем;
- микромостика, сопряженного с мембраной и содержащего отражающую поверхность;
- верхней оптически просветленной крышки (со стороны падающего на MP пучка);
- нижней крышки MP.The design of the BChE WATER displacement consists of the following main parts:
- membranes of a microresonator structure on which a nickel film 0.3 μm thick is applied, interacting with a magnetic field;
- a microbridge coupled to the membrane and containing a reflective surface;
- the upper optically transparent cover (from the side of the incident beam on the MP beam);
- bottom cover MP.

Использование в качестве материала крышек кремния или стекла ЛК-105 обеспечивает вакуум-плотное и термически согласованное соединение элементов конструкции. В качестве постоянного магнита могут применяться сплавы, например самарий-кобальт, обеспечивающие заданную конфигурацию магнитного поля и характеризующиеся высокой стабильностью параметров в широком диапазоне температур, а также - отсутствием значительных эффектов старения. The use of silicon or glass caps LK-105 as a material provides a vacuum-tight and thermally consistent connection of structural elements. Alloys, for example, samarium-cobalt, can be used as a permanent magnet, which provide a given configuration of the magnetic field and are characterized by high stability of parameters in a wide temperature range, as well as the absence of significant aging effects.

Корпус автоколлиматора и держатель блока ЧЭ в ИГ выполнены из немагнитных материалов с целью исключения их влияния на распределение магнитного поля в зоне расположения микрорезонаторной структуры. The body of the autocollimator and the holder of the CE block in the IG are made of non-magnetic materials in order to exclude their influence on the distribution of the magnetic field in the area of the microcavity structure.

В общем случае, при условии, что напряженность магнитного поля превышает поле насыщения никелевой пленки, плотность сил ρ, действующих на мембрану микрорезонаторной структуры в неоднородном магнитном поле, определяется выражением

где m - магнитный момент единицы объема никеля;
H - напряженность магнитного поля.In the general case, provided that the magnetic field strength exceeds the saturation field of the nickel film, the density of forces ρ acting on the membrane of the microresonator structure in an inhomogeneous magnetic field is determined by the expression

where m is the magnetic moment per unit volume of Nickel;
H is the magnetic field strength.

Частота автоколебаний, совпадающая с резонансной частотой MP, устанавливается в рассматриваемом устройстве при выполнении определенных условий. Эти условия следующие. Предлагаемый ВОД линейных перемещений основан на применении волоконно-оптического лазера и модуляции добротности двухзеркального резонатора вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений одного из зеркал ВОД, в качестве которого служит отражающая поверхность микромостика БЧЭ. При этом один торец одномодового световода ВОЛ сопряжен с коллиматором, формирующим параллельный пучок света на отражающую поверхность микромостика БЧЭ, нормаль к которой составляет угол θ_и c осью падающего пучка, а второй торец является выходным.The self-oscillation frequency, which coincides with the resonant frequency MP, is set in the device under consideration under certain conditions. These conditions are as follows. The proposed linear displacement VOD is based on the use of a fiber-optic laser and Q-switching of a two-mirror resonator due to photoinduced angular deviations of one of the VOD mirrors, which is the reflective surface of the BCE microbridge. In this case, one end of the single-mode fiber optic waveguide is coupled to a collimator forming a parallel beam of light on the reflecting surface of the BCE microbridge, the normal to which is the angle θ _{and the} axis of the incident beam, and the second end is the output.

Вследствие эффекта фотоиндуцированной деформации изменение мощности излучения при отражении от БЧЭ приводит к модуляции угла отклонения отраженного пучка θ(t), т.е. к модуляции мощности оптического излучения. Due to the photoinduced deformation effect, a change in the radiation power upon reflection from the BEC leads to a modulation of the deflection angle of the reflected beam θ (t), i.e. to modulate the power of optical radiation.

В качестве автоколлиматора используются 2 градиентные стержневые линзы (ГСП) в 1/8 периода каждая, формирующие Гауссовы пучки. As an autocollimator, 2 gradient rod lenses (SHG) are used in 1/8 period each, forming Gaussian beams.

Кроме того, для установления в ВОЛ автоколебательного режима независимо от топологии и конструкции БЧЭ в исходном состоянии угол отклонения θ = θ_и находится в интервале θ₁≤ θ_и≤ θ₂, границы которого (θ₁, θ₂) зависят от характеристик MP и ВОЛ. При этом резонансная частота MP близка к частоте релаксационных колебаний ВОЛ f_рел или ее гармоник, т.е. f ≈ n • f_рел, где n = 1,2,3. . . n₀. Отметим, что f_рел определяется относительной накачкой q = P_н /P_н.п, где P_н.п - пороговый уровень накачки, а средняя мощность излучения

превышает определенный пороговый уровень

зависящий от характеристик MP и ВОЛ.In addition, to establish a self-oscillating mode in the FOC, regardless of the topology and design of the BEC in the initial state, the deviation angle θ = θ _and is in the range of θ ₁ ≤ θ _and ≤ θ ₂ , whose boundaries (θ ₁ , θ ₂ ) depend on the characteristics of MP and OX. In this case, the resonant frequency MP is close to the frequency of VOL relaxation waves _frel or its harmonics, i.e. f ≈ n • f _rel , where n = 1,2,3. . . n ₀ . Note that f _rel is determined by the relative pump q = P _n / P _np , where P _np is the threshold pump level and the average radiation power

exceeds a certain threshold level

depending on the characteristics of MP and VOL.

В результате оптическая связь между ВОЛ и MP осуществляется безинтерферометрическим способом, через автоколлиматор. Благодаря высокой чувствительности коллиматорной системы к угловым перемещениям эффективная модуляция добротности рассматриваемого двухзеркального оптического резонатора ВОЛ происходит вследствие фотоиндуцированных угловых перемещений одного из зеркал, в качестве которого служит отражающая поверхность микромостика БЧЭ. As a result, the optical communication between the VOL and MP is carried out without an interferometric method, through an autocollimator. Due to the high sensitivity of the collimator system to angular displacements, the effective Q-switching of the considered two-mirror optical fiber optic resonator is due to photoinduced angular displacements of one of the mirrors, which is the reflective surface of the BCE microbridge.

Предложенный режим возникновения резонансной автомодуляции в системе ВОЛ-MP с коллиматором выгодно отличается от режима известного технического решения с использованием интерферометра Фабри-Перо. The proposed mode of occurrence of resonant self-modulation in the VOL-MP system with a collimator compares favorably with the mode of the known technical solution using a Fabry-Perot interferometer.

В известной системе изменение базы интерферометра Фабри-Перо H₀ приводит к модуляции как амплитуды, так и фазы автоколебаний. При этом область существования автоколебаний Δδ_o не превышает половину периода интерферометра Фабри-Перо, т. е Δδ_o< λ/4, составляет ~400 нм. Ввиду незначительности Δδ_o случайные воздействия на интерферометр вызывают дрейф рабочей точки интерферометра или срыв автоколебаний. В предлагаемом устройстве при изменении H₀ в пределах до 3 мм срыва автоколебаний не наблюдалось. При этом нестабильность частоты составляет ΔF/F ≤ 3 • 10^-4.In the known system, changing the base of the Fabry-Perot interferometer H ₀ leads to modulation of both the amplitude and the phase of the self-oscillations. Moreover, the region of existence of self-oscillations Δδ _o does not exceed half the period of the Fabry-Perot interferometer, i.e., Δδ _o <λ / 4, is ~ 400 nm. Due to the insignificance of Δδ _o random influences on the interferometer cause the drift of the operating point of the interferometer or the failure of self-oscillations. In the proposed device with a change in H ₀ within 3 mm disruption of self-oscillations was not observed. Moreover, the frequency instability is ΔF / F ≤ 3 • 10 ^-4 .

Кроме того, создание вакуума между верхней крышкой и отражающей поверхностью микромостика БЧЭ существенно улучшают характеристики ВОД. Так, при вакууме 10^-3 мм рт.ст. добротность резонатора с 200 возрастает до 5000.. . 10000. Указанный эффект достигается из-за устранения шунтирования добротности вследствие контакта с вязкой средой. В результате более чем на порядок улучшаются основные характеристики ВОД, такие как точность, чувствительность.In addition, the creation of a vacuum between the top cover and the reflective surface of the BCE microbridge significantly improves the characteristics of the water. So, under a vacuum of 10 ^-3 mm Hg the resonator Q factor from 200 increases to 5000 ... 10000. The specified effect is achieved due to the elimination of Q-switching by contact with a viscous medium. As a result, more than an order of magnitude improves the basic characteristics of water, such as accuracy, sensitivity.

Из вышеизложенного следует, что новые свойства системы ВОЛ-коллиматор-MP являются основанием рассматривать данную систему в качестве основы для разработки ВОД различных физических величин. From the foregoing, it follows that the new properties of the VOL-collimator-MP system are grounds for considering this system as the basis for the development of VOD of various physical quantities.

На фиг. 1 представлена схема ВОД измерения перемещений бесконтактным способом. На фиг. 2 - конструкция измерительной головки ВОД линейных перемещений. На фиг. 3 - конструкция БЧЭ перемещения. In FIG. 1 is a diagram of the VOD displacement measurement in a non-contact manner. In FIG. 2 - construction of a measuring head for linear displacement water. In FIG. 3 - design BChE movement.

На фиг. 1 изображено следующее:
1, 2 - объекты, расстояние x_i между которыми измеряется;
3 - измерительная головка ИГ, жестко связанная с неподвижныы объектом 1;
4 - ВОЛ, излучение которого с помощью коллиматора 5 направляется в виде параллельного пучка в сторону БЧЭ 6;
7 - источник блока накачки ВОЛ 4;
8 - выходное полупрозрачное зеркало М₁ резонатора ВОЛ 4 с коэффициентом отражения R₁;
9 - отражающее зеркало М₂ резонатора ВОЛ 4 с коэффициентом отражения R₂, связанное с MP БЧЭ 6;
10 - одномодовый световод, сопряженный с ВОЛ 4;
11 - фотоприемник, детектирующий выходное излучение ВОЛ 4;
12 - блок обработки сигналов, электрически связанный с фотоприемником 11;
13 - постоянный магнит, жестко связанный с подвижным объектом.In FIG. 1 shows the following:
1, 2 - objects, the distance x _i between which is measured;
3 - measuring head IG, rigidly connected with a stationary object 1;
4 - VOL, whose radiation with the help of a collimator 5 is sent in the form of a parallel beam in the direction of the BChE 6;
7 - source of the VOL 4 pumping unit;
8 - output translucent mirror M _{1 of the} resonator VOL 4 with a reflection coefficient R ₁ ;
9 is a reflecting mirror M _{2 of} a VOL 4 resonator with a reflection coefficient R ₂ associated with MP BChE 6;
10 - single-mode fiber coupled to VOL 4;
11 - photodetector detecting the output radiation of VOL 4;
12 - signal processing unit, electrically connected to the photodetector 11;
13 is a permanent magnet rigidly connected with a moving object.

На фиг. 2 изображено следующее. In FIG. 2 shows the following.

Измерительная головка ВОД линейных перемещений бесконтактного типа содержит коллиматор, в качестве которого используются две градиентные стержневые линзы (ГСЛ) 1 в четверть периода, формирующие Гауссовы пучки, одномодовый световод 10, сопряженный с ГСЛ, блок чувствительного элемента 6, ориентированный относительно оптической оси пучка света так, что нормаль к отражающей поверхности БЧЭ составляет с оптической осью пучка некоторый малый угол θ, при этом волоконный световод и стержневые линзы крепятся в корпусе 4, а БЧЭ 6 крепится в держателе 14. The non-contact type linear displacement water measuring head contains a collimator, which uses two gradient rod lenses (HLS) 1 in a quarter of the period, forming Gaussian beams, a single-mode fiber 10 coupled to the HFS, a sensor unit 6 oriented relative to the optical axis of the light beam so that the normal to the reflecting surface of the BChE makes a small angle θ with the optical axis of the beam, while the fiber optic fiber and rod lenses are mounted in the housing 4, and the BChE 6 is mounted in the holder e 14.

Блок чувствительного элемента представлен на фиг. 3а,б. На фиг. 3а изображено сечение БЧЭ в плоскости А-А, где:
17 - оптически просветленная верхняя крышка БЧЭ, через которую оптическое излучение падает на микрорезонаторную структуру 18, топология которой - микромостик на мембране;
19 - нижняя крышка БЧЭ;
20 - слой магнитного материала (никель толщиной 0,3 мкм) на мембране;
21 - отражающее зеркало на микромостике микрорезонаторной структуры 18.The sensor unit is shown in FIG. 3a, b. In FIG. 3a shows a section of BChE in the plane AA, where:
17 - optically enlightened upper cover of the BChE, through which optical radiation falls on the microresonator structure 18, the topology of which is a microbridge on the membrane;
19 - the bottom cover of the BChE;
20 - a layer of magnetic material (nickel 0.3 microns thick) on the membrane;
21 is a reflecting mirror on the microbridge of the microresonator structure 18.

На фиг. 3б изображен вид БЧЭ сверху. In FIG. 3b shows a top view of the BSE.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

На поверхности подвижного объекта 2 закрепляется постоянный магнию 13, который создает необходимое пространственное распределение напряженности магнитного поля. Измерительная головка ВОД 5 связана с другим неподвижным объектом 1 (или другой частью того же объекта при измерении деформации) и располагается в области с соответствующим градиентом магнитного поля. Permanent magnesium 13 is fixed on the surface of the movable object 2, which creates the necessary spatial distribution of the magnetic field strength. The measuring head VOD 5 is connected with another stationary object 1 (or another part of the same object when measuring strain) and is located in the area with the corresponding gradient of the magnetic field.

В исходном положении БЧЭ 6 ориентируется относительно оптической оси автоколлиматора 5 таким образом, чтобы выполнялось условие θ₁< θ_и< θ₂, где θ₁,θ₂ - границы интервала угла отклонения, в котором устанавливается устойчивый режим автоколебаний. При этом частота автоколебаний F практически совпадает с резонансной частотой f, а существование автоколебательного режима в системе ВОЛ - коллиматор - MP осуществляется за счет модуляции амплитуды коэффициента отражения R₂ вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений MP. Нормаль к отражающей поверхности MP первоначально ориентирована под углом θ_и к оптической оси коллимированного пучка света ВОЛ 4. Промодулированное излучение на резонансной частоте попадает на фотоприемник 11, электрический сигнал с которого поступает на блок обработки информации 12.In the initial position, the BSE 6 is oriented relative to the optical axis of the autocollimator 5 so that the condition θ ₁ <θ _and <θ _{2 is} satisfied, where θ ₁ , θ ₂ are the boundaries of the deviation angle interval in which a stable self-oscillation mode is established. In this case, the self-oscillation frequency F practically coincides with the resonant frequency f, and the existence of the self-oscillation regime in the VOL - collimator - MP system is carried out by modulating the reflection coefficient amplitude R ₂ due to photoinduced angular deviations MP. The normal to the reflecting surface MP is initially oriented at an angle θ _and to the optical axis of the collimated light beam of the VOL 4. The modulated radiation at the resonant frequency is incident on the photodetector 11, the electric signal from which is fed to the information processing unit 12.

При взаимном перемещении объектов 1 и 2, т.е. при изменении расстояния x_i, изменяется плотность сил, действующих на мембрану, что приводит к изменению частоты микрорезонаторной структуры и, следовательно, частоты ВОЛ, фиксируемой на выходе блока 12.With the mutual movement of objects 1 and 2, i.e. when the distance x _i changes, the density of forces acting on the membrane changes, which leads to a change in the frequency of the microresonator structure and, therefore, the frequency of the optical fiber fixed at the output of block 12.

Экспериментально измеренные параметры ВОД линейных перемещений рассматриваемого типа следующие: диапазон измерений 0 - 40 мм, коэффициент преобразования 5 Гц/мм, резонансная частота микрорезонатора 50 кГц, пороговая чувствительность - 0,5 мм. Экспериментальные результаты получены для MP типа микромостик на мембране с размерами 1650 х 400 х 6 мкм с пленкой никеля толщиною 0,3 мкм, R₂ = 72%.The experimentally measured parameters of the linear displacement water of the type under consideration are as follows: the measurement range is 0–40 mm, the conversion coefficient is 5 Hz / mm, the resonant frequency of the microresonator is 50 kHz, and the threshold sensitivity is 0.5 mm. Experimental results were obtained for MP type microbridge on a membrane with dimensions of 1650 x 400 x 6 μm with a nickel film 0.3 μm thick, R ₂ = 72%.

Примечательно, что при изменении H₀ как в субмикронном диапазоне, так и в пределах до 3 мм срыва автоколебаний не наблюдалось. При этом нестабильность частоты составляла Δ F/F ≤ 3•10^-4. В известных системах изменение базы интерферометра Фабри-Перо при автоколебаниях приводит к модуляции как амплитуды, так и фазы. При этом область существования автоколебаний Δδ_o не превышает половину периода интерферометра Фабри-Перо, т.е. Δδ_o< λ/4, что составляет ~400 нм. Следовательно, возникает хорошо известная в интерферометрии проблема, связанная со стабилизацией рабочей точки интерферометра.It is noteworthy that with a change in H ₀ both in the submicron range and in the range up to 3 mm, self-oscillation failure was not observed. The frequency instability was Δ F / F ≤ 3 • 10 ^-4 . In known systems, a change in the base of the Fabry-Perot interferometer during self-oscillations leads to modulation of both amplitude and phase. Moreover, the region of existence of self-oscillations Δδ _o does not exceed half the period of the Fabry-Perot interferometer, i.e. Δδ _o <λ / 4, which is ~ 400 nm. Therefore, a well-known problem in interferometry arises related to the stabilization of the operating point of the interferometer.

Предлагаемый безинтерферометрический способ инерции автоколебаний в ВОЛ свободен от этих недостатков, что позволяет улучшить основные характеристики ВОД линейных перемещений: точность, чувствительность. Кроме того, вакуумирование БЧЭ до 10^-3 - 10^-4 мм рт.ст. открывает новые перспективы по улучшению технических характеристик датчика, а именно: повысить добротность системы от 200 при обычных условиях до 5000-10000 при вакуумировании, что повышает точность, чувствительность датчиков этого типа более чем на порядок.The proposed non-interferometric method of inertia of self-oscillations in the optical fiber is free from these disadvantages, which allows to improve the basic characteristics of the linear displacement water: accuracy, sensitivity. In addition, the evacuation of BChE up to 10 ^-3 - 10 ^-4 mm RT.article opens up new prospects for improving the technical characteristics of the sensor, namely: to increase the quality factor of the system from 200 under ordinary conditions to 5000-10000 during vacuum, which increases the accuracy and sensitivity of sensors of this type by more than an order of magnitude.

Claims

1. Microcavity optical sensor of linear displacements of one object relative to another, containing an optical radiation source, a microcavity, a photodetector and an information processing unit, characterized in that a fiber-optic laser is used as an optical radiation source, one end of the optical fiber of which is optically coupled to an autocollimator located between this end and the reflecting surface of the microcavity, and the second end of the fiber is connected to the photodetector, and the microcavity, auto-collimator, olokonno optic laser, a photodetector, and information processing unit fixedly mounted on a stationary object, and the object on a movable permanent magnet is rigidly fixed, the microcavity layer is provided with a magnetic material, and the reflective surface microcavity is at an angle to the optical axis of the beam.

2. Microcavity optical sensor of linear displacements of one object relative to another according to claim 1, characterized in that the microresonator is made in the form of a microbridge on the membrane.