CC BY
49ВКВ0-2019 Стендовые
ДАТЧИК ДЕФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРА ФАБРИ -ПЕРО, СФОРМИРОВАННОГО В СЕРДЦЕВИНЕ КОМПОЗИТНОГО ВОЛОКОННОГО СВЕТОВОДА
Егорова О.Н. Лихачев И.Г. Васильев С.А. 2, Сверчков С.Е. Галаган Б.И. Денкер Б.И. Семенов С.Л. 2, Пустовой В.И. 1
1 Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, г. Москва 2 Научный центр волоконной оптики РАН, г. Москва
* E-mail: egorova@nsc.gpi.ru
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16184
Волоконно-оптические датчики на основе интерферометра Фабри-Перо являются компактными и надежными устройствами, позволяющими проводить измерение различных физических величин. Одним из видов волоконного интерферометра Фабри-Перо является устройство, непосредственно интегрированное в структуру световода, и представляющее собой полость внутри оптического волокна. Предложены различные техники создание таких полостей, например, с использованием фемтосекундного лазерного излучения [1, 2], микроструктурированных дырчатых световодов [3, 4, 5, 6], а также процесса сварки обычных оптических волокон [7, 8, 9] и волокна с высоким содержанием оксида алюминия в сердцевине [10].
В настоящей работе представлен новый простой метод формирования интерферометра Фабри-Перо, представляющего собой микрополость внутри оптического волокна, основанный на сварке в электрическом разряде обычного и композитного волокна, изготовленного с помощью плавления фосфатного стекла в трубке из кварцевого стекла [11]. Для создания интерферометра использовался световод с сердцевиной диаметром 10 мкм и концентрацией оксида фосфора в сердцевине около 35 мол.%. На рисунке 1а представлена фотография полученной микрополости 1 при сварке на сварочном аппарате Fujikura FSM80 при мощности дуги 50 единиц (производитель сварочного аппарата предоставляет только относительные значения) и длительности разряда 300 мс. Механизм образования микрополости, по-видимому, обусловлен как испарением части стекла сердцевины, так и релаксацией напряжений в сердцевине (возникающих при вытяжке за счет высокой разности КТР стекла сердцевины и оболочки композитного световода) за счет нагрева торца световода в начале процесса сварки. В результате этих процессов в области сердцевины на поверхности торца световода образуется углубление, которое затем, при сплавлении торцов световодов в процессе сварки, преобразуется в микрополость.
Рисунок 1. Фотографии микрополостей в сердцевине световода: 1а - исходной (длительность дуги 300 мс), 1Ь и 1с - полученные из исходной после прогрева дополнительной дугой, длительностью 600 и 2300 мс соответственно; 1й, 1е и 1- спектры отражения интерферометров
На рисунке 1Ь и ^ представлены фотографии микрополостей 2 и 3, полученных прогревом исходной микрополости 1 дополнительной дугой длительностью 600 мс и 2300 мс соответственно. Как видно, под действием давления паров стекла сердцевины, испаряемого в результате данного прогрева, объем микрополости увеличивается в длину вдоль легкоплавкой сердцевины, а при более длительных нагревах и в поперечном направлении расширяя более тугоплавкую кварцевую оболочку.
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
351
ВКВО-2019- Стендовые
Таким образом, контролируемый нагрев интерферометра при относительно небольших температурах может быть использован для подстройки фазы интерферометра и его периода.
На рисунках 1d-1f представлены спектры отражения интерферометров Фабри-Перо, образованных двумя границами газ-стекло, как показано на рисунке 2a. Рассчитанные по периоду интерференции отраженного сигнала длины интерферометров 1, 2 и 3 составляют 40 мкм, 93 мкм и 172 мкм соответственно. Добротность интерферометра снижается с ростом длины интерферометра, что связано, очевидно, с ростом оптических потерь внутри микрополости.
Отметим, что процесс формирования микрополостей в такой комбинации волокон имеет хорошую воспроизводимость. Так, при одинаковых параметрах электрической дуги вариации длины микрополости не превышали 5%.
Для полученных интерферометров Фабри-Перо исследовалось влияние относительного удлинения световода и температуры на спектр отражения. В качестве источника излучения использовался суперлюминесцентный полупроводниковый диод в окрестности длины волны 1550 нм с шириной спектра 50 нм (SLD), регистрация отраженного сигнала проводилась с помощью оптического анализатора спектров (OSA) (рис. 2a). К участку световода с интерферометром в точках 1 и 2, расстояние между которыми составляло около 30-50 см, прикладывалось растягивающее усилие, которое обеспечивало относительное удлинение оптического волокна. Зависимость сдвига минимума сигнала в окрестности длины волны 1550 нм в спектре отражения интерферометров 1, 2 и 3 от относительного удлинения световода представлено на рисунке 2b. Чувствительность датчика на основе интерферометров 1 и 2 составила около 1,7 пм/(мкм/м). Чувствительность интерферометра 3 была немного выше - 2,3 пм/(мкм/м).
Рисунок 2. 2а - схема установки. 2b - зависимость сдвига длины волны одного из минимумов в спектре отражения интерферометров 1, 2 и 3 от относительного удлинения световода
Для изучения температурной чувствительности полученные интерферометры помещались в трубчатую печь, где производился их нагрев от комнатной температуры до температуры 500 °С с шагом 50 °С. Температурная чувствительность полученных образцов составляет достаточно низкую величину - в среднем 1 пм/°С, что хорошо согласуется с данными полученными в других работах [38]. Столь низкая температурная чувствительность обусловлена низким КТР кварцевого стекла и позволяет не прибегать к дополнительной температурной компенсации показаний датчика.
Таким образом, нами предложен и исследован новый вариант волоконного интерферометра Фабри-Перо, который может быть относительно легко изготовлен путем сплавления стандартного и композитного световодов, и является перспективным в качестве датчика деформации с низкой температурной чувствительностью.
Литература
1. Rao Y.J., et al, Optics Express, 15, 14123-14128 (2007)
2. Wei T., et al, Optics Letters, 33, 536-538 (2008)
3. Li E., et al, Appl. Phys. Lett., 92, 101117 (2008)
4. Villatoro J., et al, Optics Letters, 34, 2441-2443 (2009)
5. Ferreira M. S.,et al, Optics Express, 20, 21946-21952 (2012)
6. Favero, F. C., et al, Optics Express, 20, 7112-7118 (2012)
7. Liu S., et al, Optics Letters, 39, 2121-2124 (2014)
8. Duan D. W., et al, Applied Optics, 51, 1033-1036 (2012)
9. Machavaram V.R., et al, Sensors and Actuators A 138, 248-260 (2007)
10. Ma Z., et al, Conference on Optical Fiber Sensors, WF48 (2018)
11. Egorova O.N., et al, Opt. Express 22, 7632 (2014)
352
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
