RU2241217C2

RU2241217C2 - Multichannel fiber-optic system for measuring gas concentration

Info

Publication number: RU2241217C2
Application number: RU2002107297/28A
Authority: RU
Inventors: В.Д. Бурков (RU); В.Д. Бурков; А.В. Гориш (RU); А.В. Гориш; Ф.А. Егоров (RU); Ф.А. Егоров; Ю.Н. Коптев (RU); Ю.Н. Коптев; В.И. Кузнецова (RU); В.И. Кузнецова; В.Т. Потапов (RU); В.Т. Потапов
Original assignee: Московский государственный университет леса
Priority date: 2002-03-25
Filing date: 2002-03-25
Publication date: 2004-11-27

Abstract

FIELD: fiber-optic feedback systems on the base of fiber lasers.

SUBSTANCE: new approach of multichannel fiber-optic system for measuring gas concentration is suggested. System provides continuous and simultaneous operation of different measuring channels due to application of active light guides doped with rare-earth metals for creating high efficient erbium fiber-optic lasers which have short-length fiber resonators. Emergence of difference frequencies in laser intensity self-modulation spectrum has to be the result of resonant self-modulation in two simultaneously excited planar structure microresonators and measuring channel can be provided on the base of differential measuring circuit. Process of measurement in each k-th channel is organized in such a manner that each first microresonator of any pair of resonators has to be the reference channel and the other one has to be the measuring one. Measuring channel is provided with sorbing film being sensitive to gas concentration.

EFFECT: improved precision of measurement.

1 dwg

Description

Изобретение относится к волоконно-оптическим автогенераторным системам на основе волоконных лазеров с микрорезонаторными зеркалами и может быть использовано в системах измерения различных физических величин, например концентрации газов, температуры, давления и др.The invention relates to fiber optic oscillator systems based on fiber lasers with microresonator mirrors and can be used in systems for measuring various physical quantities, for example, gas concentration, temperature, pressure, etc.

В настоящее время большое внимание уделяется разработке мультиплексных измерительных систем на основе микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков с частотным кодированием сигнала, принцип действия которых основан на зависимости частоты автоколебаний от величины различных внешних воздействий.Currently, much attention is paid to the development of multiplex measuring systems based on microresonator fiber-optic sensors with frequency coding of the signal, the principle of which is based on the dependence of the self-oscillation frequency on the magnitude of various external influences.

Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемым результатам является мультиплексная система автогенераторных микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков физических величин, см. патент РФ №2142615, кл. G 01 H 9/00, 1998 г.Closest to the proposed technical solution in terms of technical nature and the achieved results is a multiplex system of self-generating microresonator fiber-optic sensors of physical quantities, see RF patent No. 2142615, cl. G 01 H 9/00, 1998

Система используется для измерения различных физических величин, например температуры, давления, концентрации газов и др. В автогенераторной мультиплексной системе, содержащей два измерительных канала, резонансное взаимодействие волоконного лазера (ВЛ) с микрорезонаторной структурой осуществляется на основе модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений одного из зеркал, в качестве которого служит микрорезонатор (МР). При этом один торец одномодового световода сопряжен с автоколлиматором (А), формирующим параллельный пучок света на отражающую поверхность МР, ориентированного под заданным углом θ к оптической оси А, а второй является выходным. В качестве блока обработки сигнала используется частотомер.The system is used to measure various physical quantities, such as temperature, pressure, gas concentration, etc. In a self-generating multiplex system containing two measuring channels, the resonant interaction of a fiber laser (VL) with a microresonator structure is carried out on the basis of Q-switching of a two-mirror optical resonator due to photoinduced angular deviations one of the mirrors, which is a microresonator (MR). In this case, one end of the single-mode fiber is coupled to an autocollimator (A), which forms a parallel beam of light on the reflective surface of the MR, oriented at a given angle θ to the optical axis A, and the second is the output. A frequency meter is used as a signal processing unit.

К недостаткам данной мультиплексной системы (МС) следует отнести следующее.The disadvantages of this multiplex system (MS) include the following.

Оптическим резонатором ВЛ в аналоге является весь волоконно-оптический тракт (от зеркала М до отражающей поверхности микрорезонаторной структуры 6), включающий в себя как активный, так и пассивный отрезки световодов. Значительная длина волоконного тракта, составляющая 10÷ 100 м, приводит к сильной чувствительности МС к дестабилизирующим факторам, воздействующим на весь тракт. По существу весь волоконно-оптический тракт является антенной, принимающей различные воздействия на него, например изгибы световодов, изменение температуры окружающей среды, давления и т.д., что приводит к нестабильности характеристик оптического резонатора ВЛ и снижает точность измерений МС.The VL optical resonator in the analogue is the entire fiber-optic path (from mirror M to the reflective surface of the microresonator structure 6), which includes both active and passive segments of optical fibers. A significant length of the fiber path, amounting to 10 ÷ 100 m, leads to a strong sensitivity of the MS to destabilizing factors affecting the entire path. Essentially, the entire fiber-optic path is an antenna that receives various effects on it, for example, bends of optical fibers, changes in ambient temperature, pressure, etc., which leads to instability of the characteristics of the VL optical cavity and reduces the accuracy of MS measurements.

Кроме того, благодаря резонансному характеру возбуждения автоколебаний, при котором частота релаксационных колебаний ВЛ f_рел совпадает с собственной частотой МР f (f_рел≈ f), зоны возбуждения автоколебаний в пространстве параметров МС представляют собой дискретные области. При этом опрос зоны возбуждения разных микрорезонаторных структур осуществляется за счет сканирования тока питания ВЛ. Это значит, что при данном способе мультиплексирования микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков физических величин, в том числе и датчиков концентрации газов, осуществляется последовательное возбуждение автоколебаний в каждом из каналов с резонансными частотами, соответствующими данному МР, следовательно, получение информации о величине измеряемого параметра в данной МС осуществляется не непрерывно, а дискретно.In addition, due to the resonant nature of self-oscillation excitation, in which the frequency of _OHL relaxation oscillations f _rel coincides with the eigenfrequency MP f (f _rel ≈ f), the self-oscillation excitation zones in the space of MS parameters are discrete regions. In this case, the interrogation of the excitation zone of different microresonator structures is carried out by scanning the power supply current of the overhead line. This means that with this method of multiplexing microresonator fiber-optic sensors of physical quantities, including gas concentration sensors, self-oscillations are sequentially excited in each of the channels with resonant frequencies corresponding to this MR, therefore, information on the value of the measured parameter in this MS is not continuous, but discrete.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке многоканальной волоконно-оптической измерительной системы концентрации газов, отличающейся от аналога следующими преимуществами:The problem solved by this invention is to develop a multi-channel fiber-optic measuring system for gas concentration, which differs from its analogue in the following advantages:

- увеличена точность измерений;- increased measurement accuracy;

- сняты ограничения на удаленность чувствительного элемента, реагирующего на изменение концентрации газов, от места размещения регистрирующей электронной аппаратуры;- removed restrictions on the remoteness of the sensitive element that responds to changes in gas concentrations from the location of the recording electronic equipment;

- расширены функциональные возможности системы.- expanded functionality of the system.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в многоканальной волоконно-оптической измерительной системе концентрации различных газов, содержащей источник излучения, разветвитель, разделяющий световой поток от источника излучения и направляющий его в N измерительных каналов, каждый из которых содержит микрорезонатор, а также фотоприемник и блок обработки сигнала, при этом источник излучения представляет собой полупроводниковый лазер накачки, в качестве разветвителя использован многомодовый волоконный разветвитель, входной торец которого оптически связан с полупроводниковым лазером накачки, а N свободных торцов сопряжены с N измерительными каналами, каждый из которых дополнительно содержит отрезок активного одномодового световода с зеркалом на основе Брегговской решетки и представляет собой волоконный лазер, длины отрезков световодов и интенсивности излучения волоконных лазеров задаются в соответствии с условиями возбуждения автоколебаний микрорезонаторов в отдельных каналах, при этом микрорезонатор в каждом канале выполнен в виде планарной микрорезонаторной структуры с получением опорного и сигнального каналов, причем сигнальный канал содержит пленку-сорбент, а каждый волоконно-оптический лазер выполнен с возможностью возбуждения гармонических колебаний на разностных частотах, соответствующих одновременно возбуждаемым автоколебаниям в опорном и сигнальном каналах.The solution to this problem is provided by the fact that in a multichannel fiber-optic measuring system, the concentration of various gases contains a radiation source, a splitter that separates the light flux from the radiation source and directs it to N measuring channels, each of which contains a microcavity, as well as a photodetector and processing unit signal, while the radiation source is a semiconductor pump laser, a multimode fiber splitter is used as a splitter, the input The edge of which is optically coupled to a semiconductor pump laser, and N free ends are coupled to N measuring channels, each of which additionally contains a segment of an active single-mode fiber with a mirror based on the Bragg grating and is a fiber laser, the lengths of the optical fiber segments and the radiation intensities of fiber lasers are specified in in accordance with the conditions for the excitation of self-oscillations of microresonators in individual channels, while the microresonator in each channel is made in the form of a planar microcuts Nathorn structure to obtain the reference and signal channels, the signaling channel comprises a film-sorbent, and each optical fiber laser is configured to excitation of harmonic oscillations on the difference frequencies corresponding to oscillate simultaneously excited in the reference and signal channels.

Суть предлагаемого технического решения заключается в следующем. Предложена новая схема построения многоканальной волоконно-оптической измерительной системы концентрации газов, допускающей непрерывную и одновременную работу различных измерительных каналов на основе использования активных световодов, легированных редкоземельными элементами Y $\binom{+3}{в}$ -Е $\binom{+3}{r}$ для создания высокоэффективных эрбиевых волоконных лазеров (ЭВЛ) с малыми длинами волоконных резонаторов l≤ 0,1 м. Широкий диапазон энергетических и динамических характеристик рассматриваемых ЭВЛ дает возможность создания мультиплексной автогенераторной волоконно-оптической измерительной системы концентрации газов нового типа. При этом применение в каждом канале многоэлементных планарных микрорезонаторных структур, одновременно взаимодействующих с излучением отдельного волоконно-оптического лазера, открывает дополнительные возможности для увеличения точности измерения за счет существенного ослабления влияния аддитивных дестабилизирующих воздействий на измерительный канал системы. Следует отметить, что в данном случае резонансные частоты элементов микрорезонаторной структуры f_к1, f_к2 (где к - номер канала), взаимодействующих с одним и тем же лазером, должны быть достаточно близкимиThe essence of the proposed technical solution is as follows. A new scheme is proposed for constructing a multichannel fiber-optic measuring system for gas concentration, which allows continuous and simultaneous operation of various measuring channels based on the use of active optical fibers doped with rare-earth elements Y $\binom{+3}{in}$ -E $\binom{+3}{r}$ to create highly efficient erbium fiber lasers (EVLs) with short fiber resonator lengths l ≤ 0.1 m. A wide range of energy and dynamic characteristics of the considered EVLs makes it possible to create a new type of multiplex autogenerator fiber-optic measuring system for gas concentration. At the same time, the use of multielement planar microcavity structures in each channel simultaneously interacting with the radiation of a separate fiber-optic laser opens up additional possibilities for increasing the measurement accuracy due to a significant weakening of the influence of additive destabilizing effects on the measuring channel of the system. It should be noted that in this case, the resonant frequencies of the elements of the microresonator structure f _k1 , f _k2 (where k is the channel number) interacting with the same laser should be close enough

f_рел≈ f_к1≈ f_к2.f _rel ≈ f _k1 ≈ f _k2 .

Проявлением резонансной автомсдуляции в двух одновременно возбуждаемых микрорезонаторах планарной структуры является появление в спектре автомодуляции интенсивности лазера разностных частот Δ F_к=f_к1-f_к2(f_к<f_к2), что позволяет организовать измерительный канал по дифференциальной схеме измерений. При этом измерительный процесс в каждом к-ом канале построен таким образом, что в одновременно возбуждаемой паре МР один МР является опорным, а другой -измерительный, снабженным пленкой-сорбентом, чувствительной к измеряемой концентрации газа.A manifestation of resonant self -duction in two simultaneously excited microcavities of a planar structure is the appearance of difference frequencies Δ F _k = f _k1 -f _k2 (f _k <f _k2 ) in the self-modulation spectrum of the laser intensity, which allows you to organize a measuring channel using a differential measurement scheme. In this case, the measurement process in each channel is constructed in such a way that in the simultaneously excited MR pair, one MR is a reference one and the other is a measuring one, equipped with a sorbent film that is sensitive to the measured gas concentration.

Применение таких микроструктур целесообразно, например, при разработке волоконно-оптических датчиков концентрации различных газов. Благодаря сравнительно малой длине волоконного лазера влияние дестабилизирующих факторов существенно ослабляется и, следовательно, улучшается точность.The use of such microstructures is advisable, for example, in the development of fiber-optic sensors for the concentration of various gases. Due to the relatively short length of the fiber laser, the influence of destabilizing factors is significantly attenuated and, therefore, accuracy is improved.

Применение волоконных лазеров с короткими резонаторами позволяет также существенно расширить диапазон собственных частот используемых микрорезонаторов. Кроме того, в связи с тем, что волоконно-оптическая схема рассматриваемой измерительной системы инвариантна к типу применяемых волоконных лазеров, характеризующихся малым временем жизни метастабильного уровня, порядка 0,1 мсек, и, следовательно, высокими частотами релаксационных колебаний в измерительном канале, возможно применение микрорезонаторов с собственными частотами до 10 МГц, что позволяет существенно повысить быстродействие и динамический диапазон измерительной системы концентрации газов.The use of fiber lasers with short resonators can also significantly expand the range of natural frequencies of the used microresonators. In addition, due to the fact that the fiber-optic circuit of the measurement system under consideration is invariant to the type of fiber lasers used, characterized by a short lifetime of the metastable level, of the order of 0.1 ms, and, therefore, high frequencies of relaxation oscillations in the measuring channel, it is possible to use microresonators with natural frequencies up to 10 MHz, which can significantly increase the speed and dynamic range of the measuring system of gas concentration.

Современная технология микромеханики позволяет создавать кремниевые микрорезонаторы с собственными частотами основной моды колебаний свыше 100 МГц, имеющих акустическую добротность более 10³ и обладающих высокой эффективностью возбуждений колебания. Проблема разработки селективных анализаторов состава газовых смесей в агрессивных средах стимулирует поиск путей построения мультиплексной автогенераторной волоконно-оптической измерительной системы концентрации газов различных конструкций. В этой связи особую перспективу открывает возможность построения многоканальной измерительной системы концентрации различных газов на основе применения многомодового волоконного разветвителя и набора N независимых эрбиевых волоконных лазеров и N пар микрорезонаторных зеркал. Оптическая накачка активных светводов осуществляется излучением единственного полупроводникового лазера накачки ПЛ с помощью многомодового волоконного разветвителя типа 2× N. Роль второго полупрозрачного зеркала в ВЛ может выполнять Брэгговская решетка (БР), сформированная непосредственно в световоде и характеризующаяся высокой стабильностью параметров. При этом измерительные каналы отличаются друг от друга длиной отрезка активного светвода l_k и интенсивностью излучения волоконно-оптических лазеров Р_k. Кроме того, следует учитывать тот факт, что в каждом измерительном канале длины отрезков отдельных световодов l_k, а также интенсивность ВЛ P_k задаются в соответствии с условиями возбуждения автоколебаний в отдельных каналах ВЛ_k-МР_k:f_peл(P_k1_k)·f_k.Modern micromechanics technology allows the creation of silicon microresonators with natural frequencies of the main vibration mode above 100 MHz, having an acoustic Q factor of more than 10 ³ and having a high efficiency of vibration excitation. The problem of developing selective analyzers of the composition of gas mixtures in aggressive environments stimulates the search for ways to build a multiplex self-generating fiber-optic measuring system for the concentration of gases of various designs. In this regard, the possibility of building a multi-channel measuring system for the concentration of various gases based on the use of a multimode fiber splitter and a set of N independent erbium fiber lasers and N pairs of microresonator mirrors opens up a special prospect. Optical pumping of active fibers is carried out by radiation from a single semiconductor laser pumped by a submarine using a 2 × N multimode fiber coupler. In this case, the measuring channels differ from each other by the length of the active fiber segment l _k and the radiation intensity of fiber optic lasers P _k . Moreover, one should consider the fact that in each measuring channel lengths of individual optical waveguides l _k, and the intensity P _k of VL are set in accordance with the excitation of oscillations in terms of individual channels is -MR _k _k: f _pel (P _k 1 _k) F _k .

Следовательно, в условиях непрерывной накачки многоканальные датчики одновременно возбуждаются устойчивые автоколебания множества микрорезонаторов, при этом выходной сигнал фотоприемника содержит гармонические составляющие с разностными резонансными частотами рассматриваемых микрорезонаторов. В предлогаемом техническом решении микрорезонаторная структура выбрана в виде микроконсолей из кремния и пьезокварца, при этом один из них (в измерительном канале) снабжен пленкой-сорбентом.Therefore, under conditions of continuous pumping, multichannel sensors simultaneously generate stable self-oscillations of many microresonators, while the output signal of the photodetector contains harmonic components with difference resonant frequencies of the microresonators under consideration. In the proposed technical solution, the microresonator structure is selected in the form of microconsoles made of silicon and piezoelectric quartz, while one of them (in the measuring channel) is equipped with a sorbent film.

На чертеже представлена типовая схема многоканального волоконно-оптического датчика концентрации концентрации различных газов дифференциального типа. Здесь 1 - эрбиевый волоконный лазер, 2 -полупроводниковый лазер накачки, 3 - многомодовый разветвитель, входной торец которого связан с полупроводниковым лазером 2, а другие торцы сопряжены с соответствующими резонаторами волоконного лазера 1, 4-дихроические зеркала, отражающие излучение на линии генерации лазера λ и пропускающие на длине волны полупроводникового лазера накачки λ _H=0,98 мкм, при этом дихроические зеркала выполнены на основе Брэгговских отражателей, сформированных непосредственно в световодах, 5 - микрорезонаторные зеркала, 6 - фотоприемник, 7 - блок обработки сигналов.The drawing shows a typical diagram of a multi-channel fiber optic concentration sensor of various concentrations of gases of a differential type. Here 1 is an erbium fiber laser, 2 is a semiconductor pump laser, 3 is a multimode splitter, the input end of which is connected to a semiconductor laser 2, and the other ends are coupled to the corresponding fiber laser resonators 1, 4 dichroic mirrors reflecting radiation on the λ laser generation line and transmitting at a wavelength of a semiconductor laser pump λ _H = 0.98 μm, while dichroic mirrors are made on the basis of Bragg reflectors formed directly in the optical fibers, 5 - microresonator mirrors, 6 - photodetector, 7 - signal processing unit.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Накачка волоконных лазеров 1 осуществляется полупроводниковым лазером 2, излучение которого с помощью волоконного разветвителя 3 направляется в соответствующие отрезки активных световодов 8. В условиях непрерывной накачки в данном устройстве одновременно могут возбуждаться автоколебания различных пар микрорезонаторов. При этом выходной сигнал фотоприемника 6 содержит гармонические составляющие на разностных частотах, соответствующих колебаниям N пар микрореpонаторов, тем самым осуществляется частотное мультиплексирование дифференциальный микрорезонаторных ВОД концентрации газов, обладающих высокой чувствительностью и точностью. Определение концентрации газа осуществляется блоком обработки сигналов 7 по определенному алгоритму с учетом площади сорбента, коэффициента диффузии газа и массы газа m_г, поглощенной пленкой с сорбентом и определяемой по формуле:

Δ F_к=f_к1-f_к2(f_к<f_к2), где f - собственная частота микрорезонатора.The fiber lasers 1 are pumped by a semiconductor laser 2, the radiation of which is sent through the fiber splitter 3 to the corresponding segments of the active fibers 8. Under continuous pumping conditions, self-oscillations of various pairs of microcavities can be excited simultaneously in this device. In this case, the output signal of the photodetector 6 contains harmonic components at the difference frequencies corresponding to the vibrations of N pairs of micro-resonators, thereby frequency multiplexing the differential microresonator VOD of the gas concentration having high sensitivity and accuracy. The determination of gas concentration is carried out by the signal processing unit 7 according to a specific algorithm taking into account the area of the sorbent, the diffusion coefficient of the gas and the gas mass m _g absorbed by the film with the sorbent and determined by the formula:

Δ F _k = f _k1 -f _k2 (f _k <f _k2 ), where f is the natural frequency of the microresonator.

Важно отметить, что предложенная многоканальная волоконно-оптическая измерительная система концентрации газа допускает дальнейшее развитие в направлениях увеличения количества измерительных каналов и повышения точности измерений за счет дополнительного спектрального или поляризационного разделения каналов и использования одномодовых (одночастотных) волоконных лазеров с активной средой на основе поляризующих световодов.It is important to note that the proposed multichannel fiber-optic measuring system for gas concentration allows further development in the directions of increasing the number of measuring channels and improving the measurement accuracy due to additional spectral or polarization separation of channels and the use of single-mode (single-frequency) fiber lasers with an active medium based on polarizing optical fibers.

Claims

Multichannel fiber-optic measuring system for the concentration of various gases, containing a radiation source, a splitter that separates the light flux from the radiation source and directs it to N measuring channels, each of which contains a microresonator, as well as a photodetector and signal processing unit, characterized in that the radiation source is a semiconductor pump laser, a multimode fiber splitter is used as a splitter, the input end of which is optically coupled to a semiconductor with a water pump laser, and N free ends are coupled to N measuring channels, each of which additionally contains a segment of an active single-mode fiber with a mirror based on the Bragg grating and is a fiber laser, the lengths of the optical fibers and the radiation intensity of fiber lasers are set in accordance with the conditions for the excitation of self-oscillations microresonators in separate channels, while the microresonator in each channel is made in the form of a planar microresonator structure with receiving reference and signaling channels, the signaling channel comprises a film-sorbent, and each optical fiber laser is configured to excitation of harmonic oscillations on the difference frequencies corresponding to oscillate simultaneously excited in the reference and signal channels.