ИЗМЕРЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ С ПОМОЩЬЮ МОДОВОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА МАХА-ЦЕНДЕРА НА ОСНОВЕ УТОНЕННОГО ВОЛОКНА Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ВКВО-2023- ДАТЧИКИ

ИЗМЕРЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ

С ПОМОЩЬЮ МОДОВОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА МАХА-ЦЕНДЕРА НА ОСНОВЕ УТОНЕННОГО ВОЛОКНА

1 2 Симонов В.А. *, Ризк Х.А.

1 Институт автоматики и электрометрии СО РАН, г. Новосибирск 2 Новосибирский государственный университет, г. Новосибирск * E-mail: simonovva@iae.sbras.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-296-297

Интерферометры Маха-Цендера (ИМЦ), плечи которых образуются разными модами оптического волокна, могут использоваться в качестве датчиков уровня жидкости, показателя преломления и/или температуры/деформации/изгиба [1]. Разность длин плеч возникает из-за различия эффективного показателя преломления neff мод, а чувствительность обуславливается тем, что внешняя среда является «оболочкой», и ее показатель преломления влияет на neff. Эффективный показатель преломления моды изменяется больше с ростом порядка моды. К недостаткам можно отнести образование более чем двух плеч, что приводит к интерференции большего числа лучей, чем в случае классического ИМЦ, и усложняет анализ интерференционной картины.

В данной работе представлены экспериментальные результаты исследования зависимости спектров пропускания от показателя преломления внешней среды для ранее предложенной конструкции ИМЦ [2], изображенной на Рис. 1(а). В качестве внешней среды с изменяющимся показателем преломления используется водный раствор глицерина с массовой концентрацией от 0 % до 50 %, что соответствует диапазону показателя преломления от 1,3165 до 1,3821. Кроме того, предлагается использовать преобразование Фурье вместо слежения за положением экстремума для анализа интерференционной картины ИМЦ: резонансная частота, соответствующая интерференции доминирующих мод, позволяет избавится от неопределенности при сдвиге интерференционной картины более чем на ОСД, а фаза Фурье-преобразования меньше зависит от шума и вклада мод более высокого порядка.

На основе ранее проведенных расчетов [2] был изготовлен образец ИМЦ на основе утоненной до диаметра 44,5 мкм вставки из волокна SMF-28 длиной 55 мм. Утонение волокна и сварка производились с помощью аппарата LZM-100 (Fujikura), для чего были подобраны специальные режимы. Образец был вклеен в проточную кювету, куда подавался водный раствор глицерина с различными концентрациями: 0 %, 2 %, 4 %, 6 %, 8 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 %, 35 %, 40 % и 50 %. Показатель преломления рассчитывался по данным из [3].

Измеренные спектры пропускания для различных концентраций раствора представлены на Рис. 2. Смещение интерференционной картины существенное - 26 нм, что составляет больше половины ОСД (46 нм). При чем, смещение увеличивается с ростом концентрации.

По спектрам явно видно доминирующую интерференцию двух мод, характерную для классических ИМЦ. К тому же, прослеживается наличие паразитной интерференции с модами высшего порядка, что выражается в наличии локальных максимумов и минимумов, а также в уплощении или наоборот заострении экстремумов. Эти факторы усложняют точное определение положения экстремумов и вносят существенную ошибку в калибровочные характеристики сенсоров. Но при этом в литературе наиболее часто используется именно данный способ.

Рис. 2. (а) Схема предлагаемого ИМЦ; (б) изображение сварки стандартного волокна с утоненным до диаметра 44,5 мкм

ВКВ0-2023- ДАТЧИКИ

Рис. 3. Спектры пропускания ИМЦ при различных концентрациях глицерина в водном растворе

(а) - 0% 10% - 25% - 35% - 50% (б)

0.0218 -

0.0216 -

с 0.0214 н

° 0.0212 -

и

х 0.0210 Н

М Частота ► Фаза

^ V

Чч\ \ N

W

_ч

d

та о.

-3 с

03 m го

е

-4

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 Частота ПФ, нм-1

0.06

1.32

1.34

п

1.36

1.38

раствора

Рис. 4. (а) Спектры преобразования Фурье для различных концентраций; (б) зависимости частоты резонанса и фазы преобразования Фурье от показателя преломления раствора (треугольники) и их квадратичные аппроксимации (штрихи)

Для устранения влияния интерференции с модами более высокого порядка предлагается использовать преобразование Фурье (ПФ) для анализа интерференционных спектров такого рода ИМЦ. На Рис. 3(а) показаны Фурье-спектры для пропускания образца в зависимости от концентрации раствора. Резонансная частота ПФ, при этом, соответствует обратной ОСД интерференционной картины.

Но так как ширина полосы, где определен спектр пропускания, не кратна периоду интерференции, то крайние точки дают существенный вклад в интеграл Фурье, даже несмотря на применяемую в данном случае аподизацию функцией Блэкмана. Это может приводить к смещению резонанса в зависимости от положения окна или фазы интерференционной картины.

Фаза ПФ, которая определяется как аргумент комплексного значения интеграла Фурье на резонансной частоте, при этом менее чувствительная к шуму.

На Рис. 3(б) изображены зависимости резонансной частоты (красный) и фазы (зеленый) преобразования Фурье от показателя преломления раствора, а также квадратичные аппроксимации для них. Стандартное отклонение определения показателя преломления по частоте ПФ составляет 2-10-3, а по фазе - 4-10-4 (что соответствует ошибке в определении концентрации раствора глицерина 0,4 % в данном диапазоне).

Работа выполнена в рамках темы госзадания Института автоматики и электрометрии СО РАН «Физические основы лазерных и сенсорных систем с использованием структурированных волоконных световодов и микрорезонаторов" (№ гос. рег. 121030500067-5) и с использованием оборудования ЦКП "Спектроскопия и оптика" (ИАиЭ СО РАН).

Литература

1. Ivanov O. V., Opt. Fiber Technol., 55, 102146 (2020)

2. Симонов В.А., Терентьев В.С., ФОТОН-ЭКСПРЕСС, 6, 276-277 (2021)

3. Saunders J.E. et al, Appl. Opt., 55, 947-953 (2016)