CC BY
30ВКВО-2019- Стендовые
ДАТЧИК УРОВНЯ ЖИДКОСТИ НА ОСНОВЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРА ИЗ ДВУХ ВОЛОКОННЫХ ВСТАВОК
С ТОНКОЙ СЕРДЦЕВИНОЙ
Иванов О.В.1'2'3
1 Ульяновский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Ульяновск 2 Ульяновский государственный университет, Ульяновск 3 Ульяновский государственный технический университет, Ульяновск E-mail: olegivvit@yandex. ru
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16167
Волоконно-оптические датчики уровня жидкости представляют значение для применений в химическом производстве, в топливных системах и других областях. Волоконно-оптические датчики имеют преимущества по сравнению с электрическими и акустическими датчиками в связи с тем, что они могут работать в средах с сильными электромагнитными полями, в химически едких и взрывоопасных средах. В последние годы были представлены различные типы волоконно -оптических датчиков уровня жидкости: интерферометрические датчики, работающие в режиме отражения или пропускания, со вставками многомодовых волокон [1], волокон без сердцевины [2] или волокон с тонкой сердцевиной [3], включающие наклонные брэгговские решетки [4], утолщения [5,6] и др. [7].
В данной работе предложен волоконно-оптический датчик уровня жидкости на основе интерферометра, состоящего из двух коротких вставок волокна с тонкой сердцевиной и отрезка стандартного волокна между ними. Вставки волокна с малой сердцевиной возбуждают оболочечные моды и обеспечивают обмен энергией между различными волоконными модами, а отрезок волокна является базой интерферометра, при прохождении которого фаза мод оболочки изменяется при погружении части волокна в жидкость. Изменение уровня жидкости приводит к сдвигу спектральных пиков интерферометра.
Структура интерферометра, состоящего из двух коротких вставок волокна с тонкой сердцевиной, и ход лучей в ней показаны на Рис. 1. Длина вставок составляет от долей миллиметра до нескольких миллиметров, а длина базы интерферометра - от сантиметра до десятков сантиметров. Вставка волокна с тонкой сердцевиной имеет профиль показателя преломления существенно отличный от профиля стандартного волокна, поэтому распределения полей мод также сильно различаются, и на стыке этих двух волокон происходит передача энергии моды сердцевины одного волокна в моды оболочки второго волокна.
lx L 12
SMF-28 тс SMF-28 тс SMF-28 fiber fiber
Рис. 1. Структура волоконного интерферометра и ход лучей в ней
На рисунке 2 показан спектр пропускания интерферометра со вставками волокна SM600 длиной 0.8 мм для длины базы, выполненной из отрезка стандартного волокна SMF-28 длиной 155 мм, в диапазоне длин волн 1400-1625 нм. Спектр пропускания волоконного интерферометра представляет собой осциллирующую кривую с периодом модуляции в несколько нанометров и амплитудой до 40%. Видно, что период осцилляций увеличивается с длиной волны, а их амплитуда не постоянна. В поведении кривой наблюдаются биения, возникающие, по-видимому, в результате многомодовой интерференции.
Положение пиков интерференционной спектральной кривой обусловлено фазовыми задержками, полученными оболочечными модами при прохождении длины интерферометра. Эти задержки определяются в том числе показателем преломления внешней среды. Поэтому при погружении волокна в жидкость, спектры пропускания изменяются, что позволяет использовать предложенный интерферометр в качестве датчика уровня жидкости. Для исследования чувствительности структуры к погружению в жидкость была использована установка, показанная на Рис. 3, в которой волокно закреплено на подвижной каретке, которая может перемещаться вдоль вертикальной оси и опускать волокно на фиксированную глубину.
320 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
ВКВО-2019 Стендовые
о л С
0.4 -
0.3
0.1
0.0
1400 1450 1500 1550
Длина волны, нм
1600
Рис. 2. Спектр пропускания интерферометра с базой 155 мм
Рис. 3. Фотография установки для погружения волокна в жидкость
Смещение одного из пиков в спектре пропускания на длине волны 1530 нм при погружении волокна на глубину от 0 до 13 см показано на Рис. 4а. Пик смещается в коротковолновую область на величину около 1.5 нм, при этом также происходит изменение амплитуды. Аналогичная зависимость наблюдается для соседних пиков, что показано на Рис. 4б для четырех пиков. Сдвиг длины волны зависит почти линейно от глубины погружения, что может быть использовано при создании датчика уровня жидкости.
0
0.05 I-
Длина волны Глубина гагру^и^ см
Рис. 4. Смещение спектра пропускания при погружении волокна: спектр пропускания в районе одного из пиков (а) и длины волны четырех пиков (б)
Литература
1. DongX., Du H., Luo Zh, et al., Jpn. J. Appl. Phys. 57, 092501 (2018)
2. Antonio-Lopez J.E., Sanchez-Mondragon J.J., LiKamWa P., et al, Opt. Lett. 17, 3425-3427 (2011)
3. Ben X.U., Jian-Qing L.I., Yi L.I., et al, Chin. Phys. Lett. 29, 104209 (2012)
4. Gu B, Qi W, Zhou Y, et al, Opt. Express 22, 11834-11839 (2014)
5. Tong Zh., WangX., Zhang W., et al, Laser Phys. 28, 045102 (2018)
6. Wen X., Ning T., Li C., et al, Appl. Opt. 53, 71-75 (2014)
7. Nur Hidayah S., Hanim A.R, Hazura H., et al, J. Telecomm. Electron. Comp. Eng. 10, 23-27 (2018)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected] 321
