RU2838345C1 - Device of fibre-optic interferometer fabry-perot with air cavity between resonator mirrors - Google Patents
Device of fibre-optic interferometer fabry-perot with air cavity between resonator mirrors Download PDFInfo
- Publication number
- RU2838345C1 RU2838345C1 RU2024136160A RU2024136160A RU2838345C1 RU 2838345 C1 RU2838345 C1 RU 2838345C1 RU 2024136160 A RU2024136160 A RU 2024136160A RU 2024136160 A RU2024136160 A RU 2024136160A RU 2838345 C1 RU2838345 C1 RU 2838345C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical fiber
- gradient
- resonator
- fibre
- multimode
- Prior art date
Links
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 72
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 34
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims abstract description 9
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims abstract description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 26
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000003780 insertion Methods 0.000 abstract description 3
- 230000037431 insertion Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 10
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 238000000313 electron-beam-induced deposition Methods 0.000 description 2
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к волоконно-оптическим технологиям, в частности к устройству волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо, использующегося в качестве спектрального интерференционного прибора, а также в качестве чувствительного элемента датчиков физических величин.The present invention relates to fiber-optic technologies, in particular to a fiber-optic Fabry-Perot interferometer device used as a spectral interference device, as well as a sensitive element of physical quantity sensors.
Известно устройство волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо с воздушной полостью между зеркалами резонатора [Патент US 10101202 B2, G01J3/0218, 16.10.2018].A device of a fiber-optic Fabry-Perot interferometer with an air cavity between the resonator mirrors is known [Patent US 10101202 B2, G01J3/0218, 16.10.2018].
Устройство содержит волоконно-оптический интерферометр Фабри-Перо с воздушной полостью между зеркалами резонатора, включающий в себя подводящее волокно с сердцевиной для ввода оптического излучения, оптическое волокно для формирования второй отражающей поверхности и вывода оптического излучения, а также ультракороткую полость интерферометра Фабри-Перо, ограниченную выходным торцом подводящего оптического волокна и соосно выставленной с ним отражающей поверхностью оптического волокна для вывода излучения. Выходная торцевая поверхность участка оптического волокна для ввода оптического излучения и входная торцевая поверхность участка оптического волокна для вывода оптического излучения сполированы под углом 90°. Оптическое излучение, проходя через выходной торец одномодового оптического волокна для ввода оптического излучения попадает на вторую отражающую поверхность, где, отражаясь от нее возвращается на выходной торец участка одномодового оптического волокна для ввода излучения, после чего отражается от этого торца. За счет отражения от поверхностей возникает интерференция волн. Анализ интерференционной картины позволяет использовать устройство подобного интерферометра Фабри-Перо в качестве чувствительного элемента датчиков физических параметров.The device comprises a fiber-optic Fabry-Perot interferometer with an air cavity between the resonator mirrors, including a supply fiber with a core for inputting optical radiation, an optical fiber for forming a second reflecting surface and outputting optical radiation, as well as an ultrashort cavity of the Fabry-Perot interferometer limited by the output end of the supply optical fiber and a reflecting surface of the optical fiber for outputting radiation aligned coaxially with it. The output end surface of the optical fiber section for inputting optical radiation and the input end surface of the optical fiber section for outputting optical radiation are polished at an angle of 90°. Optical radiation, passing through the output end of the single-mode optical fiber for inputting optical radiation, hits the second reflecting surface, where, reflecting from it, it returns to the output end of the single-mode optical fiber section for inputting radiation, after which it is reflected from this end. Due to reflection from the surfaces, wave interference occurs. Analysis of the interference pattern allows the use of a device similar to the Fabry-Perot interferometer as a sensitive element of physical parameter sensors.
Недостатком данного устройства является отсутствие компенсации расхождения пучка оптического излучения на выходном торце оптического волокна для ввода излучения, что значительно влияет на количество приходящего оптического излучения на входной торец участка оптического волокна для вывода излучения. Это, в свою очередь, негативно влияет на параметры самого интерферометра Фабри-Перо, в том числе, на видность интерференционной картины, которая определяет качество опроса датчиков физических параметров, где чувствительным элементом является длина базы интерферометра.The disadvantage of this device is the lack of compensation for the divergence of the optical radiation beam at the output end of the optical fiber for inputting radiation, which significantly affects the amount of incoming optical radiation at the input end of the section of the optical fiber for outputting radiation. This, in turn, negatively affects the parameters of the Fabry-Perot interferometer itself, including the visibility of the interference pattern, which determines the quality of the survey of physical parameter sensors, where the sensitive element is the length of the interferometer base.
Известно устройство волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо на базе открытого резонатора [Патент CN 108956534 A, G01N21/45, 07.08.2020].A device of a fiber-optic Fabry-Perot interferometer based on an open resonator is known [Patent CN 108956534 A, G01N21/45, 07.08.2020].
Устройство содержит волоконно-оптический интерферометр Фабри-Перо с открытым резонатором, включающий в себя первый участок одномодового оптического волокна, соосно соединенный со сдвинутым относительно оси его сердцевины вторым участком одномодового оптического волокна посредством электродуговой сварки. Выходной торец второго участка одномодового оптического волокна соосно соединен с комплементарным сдвигом относительно оси сердцевины с третьим участком одномодового оптического волокна. Полость резонатора интерферометра Фабри-Перо ограничена входным и выходным торцом второго участка одномодового оптического волокна. Оптическое излучение, проходя через выходной торец первого участка одномодового оптического волокна попадает на входной торец третьего участка одномодового оптического волокна, где, отражаясь от него возвращается на выходной торец первого участка одномодового оптического волокна, после чего отражается от этого торца. За счет многократного отражения от поверхностей возникает интерференция волн. Анализ интерференционной картины позволяет использовать устройство подобного интерферометра Фабри-Перо в качестве чувствительного элемента датчиков физических параметров. The device comprises a fiber-optic Fabry-Perot interferometer with an open resonator, which includes a first section of a single-mode optical fiber, coaxially connected to a second section of a single-mode optical fiber shifted relative to the axis of its core by means of electric arc welding. The output end of the second section of the single-mode optical fiber is coaxially connected with a complementary shift relative to the axis of the core to a third section of the single-mode optical fiber. The cavity of the Fabry-Perot interferometer resonator is limited by the input and output ends of the second section of the single-mode optical fiber. Optical radiation, passing through the output end of the first section of the single-mode optical fiber, hits the input end of the third section of the single-mode optical fiber, where, reflecting from it, it returns to the output end of the first section of the single-mode optical fiber, after which it is reflected from this end. Due to multiple reflection from the surfaces, wave interference occurs. Analysis of the interference pattern allows the use of a device similar to the Fabry-Perot interferometer as a sensitive element of physical parameter sensors.
Недостатком данного устройства является высокая сложность изготовления ввиду необходимости прецизионного и нестандартного способа позиционирования участков одномодовых оптических волокон при проведении их электродуговой сварки, обоснованное принципом формирования интерферометра Фабри-Перо с воздушной полостью между зеркалами резонатора.The disadvantage of this device is the high complexity of manufacture due to the need for a precise and non-standard method of positioning sections of single-mode optical fibers during their electric arc welding, based on the principle of forming a Fabry-Perot interferometer with an air cavity between the resonator mirrors.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемому решению является устройство волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо с внешним резонатором [Патент CN 103364014 A, G01D 5/26, 23.10.2013].The closest technical solution (prototype) to the claimed solution is a fiber-optic Fabry-Perot interferometer with an external resonator [Patent CN 103364014 A, G01D 5/26, 10/23/2013].
В одном из возможных вариантов реализации устройство содержит волоконно-оптический интерферометр Фабри-Перо с воздушной полостью между зеркалами резонатора, включающий в себя соосно размещенные и разнесенные по оптической оси две коллимирующие структуры с зеркалами резонатора с воздушной полостью между ними, каждая из которых включает соосно соединенные оптическое волокно и выпуклую линзу. Воздушное пространство между двумя выпуклыми линзами образует резонатор интерферометра Фабри-Перо, при этом на торцы оптических волокон нанесены отражающие покрытия. Оптическое излучение, проходя через первую выпуклую линзу и воздушную полость резонатора, пройдя через вторую выпуклую линзу, попадает на торцевую поверхность второго оптического волокна с отражающим покрытием, где, отражаясь от нее, попадает на торцевую поверхность первого оптического волокна, где снова отражается. За счет многократного отражения от торцевых поверхностей оптических волокон, образующих резонатор интерферометра Фабри-Перо, возникает интерференция волн.In one of the possible embodiments, the device comprises a fiber-optic Fabry-Perot interferometer with an air cavity between the resonator mirrors, including two collimating structures with resonator mirrors with an air cavity between them, coaxially placed and spaced apart along the optical axis, each of which includes an optical fiber and a convex lens coaxially connected. The air space between the two convex lenses forms the resonator of the Fabry-Perot interferometer, wherein reflective coatings are applied to the ends of the optical fibers. Optical radiation, passing through the first convex lens and the air cavity of the resonator, passing through the second convex lens, hits the end surface of the second optical fiber with a reflective coating, where, reflecting from it, hits the end surface of the first optical fiber, where it is reflected again. Due to multiple reflections from the end surfaces of optical fibers that form the resonator of the Fabry-Perot interferometer, wave interference occurs.
Недостатком данного устройства является наличие выпуклой линзы. Такое техническое исполнение объемной линзы приводит к усложнению конструкции, а также технологического процесса сборки и соосной юстировки оптического волокна с ней. Помимо прочего, в предлагаемом устройстве волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо с высокой долей вероятности возникнет так называемый «паразитный» интерферометр Фабри-Перо, который, как известно, будет оказывать негативное влияние на сигнал, полученный с устройства. В этом случае на итоговый сигнал будет накладываться сигнал с «паразитного» интерферометра, что, в свою очередь, усложнит или приведет к невозможности качественного опроса волоконно-оптического датчика на основе подобного интерферометра. The disadvantage of this device is the presence of a convex lens. Such a technical implementation of a volume lens leads to a complication of the design, as well as the technological process of assembly and coaxial adjustment of the optical fiber with it. In addition, in the proposed device of the fiber-optic Fabry-Perot interferometer, with a high degree of probability, a so-called "parasitic" Fabry-Perot interferometer will arise, which, as is known, will have a negative effect on the signal received from the device. In this case, the signal from the "parasitic" interferometer will be superimposed on the final signal, which, in turn, will complicate or lead to the impossibility of high-quality interrogation of the fiber-optic sensor based on such an interferometer.
Предлагаемое изобретение решает задачу повышения видности интерференционной картины интерферометра Фабри-Перо с воздушной полостью между зеркалами резонатора за счет использования в качестве отражательных поверхностей торцов волоконных градиентных линз, что минимизирует вносимые потери при распространении оптического излучения в воздушной полости резонатора, а также позволит избежать возникновения «паразитного» интерферометра Фабри-Перо, что даст возможность более качественно производить опрос волоконно-оптических датчиков на основе подобного интерферометра. Помимо этого, предлагаемое изобретение решает задачу упрощения конструкции и способа сборки устройства волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо с воздушной полостью между зеркалами резонатора за счет использования конструкционных элементов стандартного исполнения. Заявляемая конструкция устройства волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо с воздушной полостью позволит исключить необходимость сборки новых образцов зеркал резонатора для осуществления изменения длины базы волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо, а также увеличить максимально допустимое расстояние между зеркалами резонатора, обеспечивающее стабильную интерференционную картину.The proposed invention solves the problem of increasing the visibility of the interference pattern of a Fabry-Perot interferometer with an air cavity between the resonator mirrors by using the ends of fiber gradient lenses as reflective surfaces, which minimizes the insertion losses during the propagation of optical radiation in the air cavity of the resonator, and also allows avoiding the occurrence of a "parasitic" Fabry-Perot interferometer, which will make it possible to conduct a higher-quality interrogation of fiber-optic sensors based on such an interferometer. In addition, the proposed invention solves the problem of simplifying the design and assembly method of the Fabry-Perot fiber-optic interferometer with an air cavity between the resonator mirrors by using standard design structural elements. The claimed design of the Fabry-Perot fiber-optic interferometer with an air cavity will eliminate the need to assemble new samples of resonator mirrors to change the length of the base of the Fabry-Perot fiber-optic interferometer, and also increase the maximum permissible distance between the resonator mirrors, ensuring a stable interference pattern.
Поставленная задача решается следующим способом.The problem is solved in the following way.
Устройство волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо с воздушной полостью между зеркалами резонатора содержит соосно размещенные и разнесенные по оптической оси две коллимирующие структуры с зеркалами резонатора с воздушной полостью между ними, каждая из которых включает соосно соединенные оптическое волокно и линзу, указанные структуры размещены в оснастке, а в каждой из них оптическое волокно соосно соединено с градиентной линзой, представляющей собой участок многомодового градиентного оптического волокна, оптическое волокно и градиентная линза соединены друг с другом торцами электродуговой сваркой и жестко закреплены в заполненной адгезивом оснастке, а противоположный сполированный торец градиентной линзы с нанесенным на него отражающим покрытием формирует отражающую поверхность резонатора интерферометра, при этом диаметры кварцевых оболочек соединяемых оптического волокна и многомодового градиентного оптического волокна соответствуют друг другу, а длина участка многомодового градиентного оптического волокна, рассчитывается по формуле:The device of a fiber-optic Fabry-Perot interferometer with an air cavity between the resonator mirrors contains two collimating structures with resonator mirrors with an air cavity between them, coaxially arranged and spaced apart along the optical axis, each of which includes a coaxially connected optical fiber and a lens, said structures are placed in a fixture, and in each of them the optical fiber is coaxially connected to a gradient lens, which is a section of a multimode gradient optical fiber, the optical fiber and the gradient lens are connected to each other at their ends by electric arc welding and are rigidly fixed in a fixture filled with adhesive, and the opposite polished end of the gradient lens with a reflective coating applied to it forms a reflective surface of the interferometer resonator, wherein the diameters of the quartz shells of the connected optical fiber and the multimode gradient optical fiber correspond to each other, and the length of the section of the multimode gradient optical fiber is calculated using the formula:
(1) (1)
где - шаг градиентной линзы, - показатель преломления на границе сердцевина-оболочка многомодового градиентного оптического волокна, - максимальный показатель преломления сердцевины многомодового градиентного оптического волокна, - радиус сердцевины многомодового градиентного оптического волокна.Where - gradient lens pitch, - the refractive index at the core-cladding interface of a multimode graded-index optical fiber, - the maximum refractive index of the core of a multimode graded-index optical fiber, - the core radius of a multimode graded-index optical fiber.
Сущность заявляемого устройства волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо с воздушной полостью между зеркалами резонатора поясняется следующим. The essence of the claimed device of a fiber-optic Fabry-Perot interferometer with an air cavity between the resonator mirrors is explained as follows.
Устройство содержит соосно размещенные и разнесенные по оптической оси две коллимирующие структуры с зеркалами резонатора с воздушной полостью между ними, каждая из которых включает соосно соединенные оптическое волокно и линзу.The device contains two collimating structures with resonator mirrors with an air cavity between them, coaxially placed and spaced apart along the optical axis, each of which includes an optical fiber and a lens coaxially connected.
Коллимирующая структура с зеркалом резонатора включает в себя участок оптического волокна, соосно соединенный посредством электродуговой сварки с градиентной линзой, выполненной в виде участка многомодового градиентного оптического волокна, соединенные волокна размещены в заполненной адгезивом оснастке. Длина размещаемого участка многомодового градиентного оптического волокна, обеспечивает его оптимальную длину для эффективной коллимации оптического излучения, распространяющегося в оптическом волокне, и рассчитывается по формуле:The collimating structure with the resonator mirror includes a section of optical fiber, coaxially connected by means of electric arc welding with a gradient lens, made in the form of a section of multimode gradient optical fiber, the connected fibers are placed in an adhesive-filled fixture. The length of the placed section of multimode gradient optical fiber ensures its optimal length for efficient collimation of optical radiation propagating in an optical fiber, and is calculated using the formula:
(1) (1)
где - шаг градиентной линзы, - показатель преломления на границе сердцевина-оболочка многомодового градиентного оптического волокна, - максимальный показатель преломления сердцевины многомодового градиентного оптического волокна, - радиус сердцевины многомодового градиентного оптического волокна.Where - gradient lens pitch, - the refractive index at the core-cladding interface of a multimode graded-index optical fiber, - the maximum refractive index of the core of a multimode graded-index optical fiber, - the core radius of a multimode graded-index optical fiber.
На сполированный торец многомодового градиентного оптического волокна нанесен тонкий слой отражающего покрытия методом электронно-лучевого напыления. Коллимирующие структуры с зеркалами резонатора соосно размещены и закреплены в оснастке на расстоянии друг от друга, обеспечивающем заданную длину резонатора. A thin layer of reflective coating is applied to the polished end of the multimode gradient optical fiber using electron beam deposition. Collimating structures with resonator mirrors are coaxially placed and fixed in the equipment at a distance from each other, ensuring a given resonator length.
Применение зеркала резонатора интерферометра Фабри-Перо в виде торца волоконной градиентной линзы с напылением отражающего покрытия позволит существенно повысить видность интерференционной картины интерферометра Фабри-Перо. На это существенно влияют два фактора: использование в качестве коллимирующей структуры участка многомодового градиентного волокна, прецизионно и соосно соединённого с участком оптического волокна, и нанесение отражающего покрытия на торец зеркала резонатора интерферометра Фабри-Перо. The use of a Fabry-Perot interferometer resonator mirror in the form of the end face of a fiber gradient lens with a reflective coating deposited on it will significantly increase the visibility of the interference pattern of the Fabry-Perot interferometer. This is significantly influenced by two factors: the use of a section of a multimode gradient fiber as a collimating structure, precisely and coaxially connected to a section of an optical fiber, and the application of a reflective coating to the end face of the Fabry-Perot interferometer resonator mirror.
Как известно, работа устройства интерферометра с открытым типом резонатора с воздушной полостью между зеркалами резонатора всегда сопровождается потерями оптической мощности, связанными как с поглощением и рассеянием света на воздухе, так и с тем, что при выходе оптического излучения из волокна часть света рассеивается, что приводит к тому, что до второго зеркала резонатора доходит лишь малая часть. Благодаря применению коллимирующей линзы в виде участка многомодового градиентного волокна, на выходе с первого зеркала резонатора пучок оптического излучения будет сколлимирован, благодаря чему снизятся потери оптической мощности, приходящей на второе зеркало, что, в свою очередь, повысит количество отраженной мощности от него. В заявляемой конструкции коллимирующей структуры предлагается высокоточное и автоматическое соосное соединение участка оптического волокна и градиентной линзы посредством электродуговой сварки, что, в свою очередь, также позволит минимизировать потери, возникающие при соединении участка оптического волокна и линзы, что положительно скажется на итоговой оптической мощности, регистрируемой на выходе с первого зеркала. As is known, the operation of an interferometer device with an open type of resonator with an air cavity between the resonator mirrors is always accompanied by optical power losses associated with both the absorption and scattering of light in the air, and with the fact that when optical radiation exits the fiber, part of the light is scattered, which leads to the fact that only a small part reaches the second mirror of the resonator. Due to the use of a collimating lens in the form of a section of a multimode gradient fiber, at the exit from the first mirror of the resonator, the beam of optical radiation will be collimated, due to which the loss of optical power arriving at the second mirror will be reduced, which, in turn, will increase the amount of reflected power from it. The claimed design of the collimating structure proposes a high-precision and automatic coaxial connection of a section of optical fiber and a gradient lens by means of electric arc welding, which, in turn, will also minimize the losses that occur when connecting a section of optical fiber and a lens, which will have a positive effect on the final optical power recorded at the output of the first mirror.
Сформированная отражающая поверхность резонатора интерферометра представляет собой сполированный торец градиентной линзы с нанесенным на него слоем отражающего покрытия. Для уменьшения количества дефектов на поверхности формируемого зеркала резонатора, указанный торец предварительно подвергают многоступенчатой полировке, что позволяет увеличить коэффициент отражения самих зеркал, что существенно позволит повысить видность интерференционной картины.The formed reflective surface of the interferometer resonator is a polished end face of a gradient lens with a reflective coating applied to it. To reduce the number of defects on the surface of the formed resonator mirror, the said end face is preliminarily subjected to multi-stage polishing, which allows increasing the reflection coefficient of the mirrors themselves, which will significantly improve the visibility of the interference pattern.
Помимо прочего, все это в совокупности, позволит увеличить максимальное расстояние между зеркалами интерферометра с воздушной полостью. Повышение видности интерференционной картины повышает контраст интерференционных полос и делает систему более чувствительной и точной при измерении изменений оптического пути. Поскольку благодаря предлагаемой конструкции повышается количество оптической мощности, выходящей из первого зеркала и попадающей на второе зеркало, представляется возможным увеличить максимально допустимое расстояние между зеркалами резонатора, обеспечивающее наблюдение стабильной интерференционной картины, достаточной для качественного опроса и анализа сигнала с волоконно-оптических датчиков с чувствительным элементом в виде предлагаемого устройства.In addition, all this taken together will increase the maximum distance between the mirrors of the interferometer with an air cavity. Increasing the visibility of the interference pattern increases the contrast of the interference fringes and makes the system more sensitive and accurate when measuring changes in the optical path. Since the proposed design increases the amount of optical power leaving the first mirror and hitting the second mirror, it is possible to increase the maximum allowable distance between the resonator mirrors, ensuring the observation of a stable interference pattern sufficient for high-quality interrogation and analysis of the signal from fiber-optic sensors with a sensitive element in the form of the proposed device.
Относительно применения в качестве чувствительного элемента датчика физических величин интерферометра Фабри-Перо с воздушной полостью между зеркалами резонатора повышение видности интерференционной картины означает уменьшение погрешности при определение максимумов и минимумов интерференционной картины, что свою очередь позволяет более точно и надежно детектировать малые изменения в условиях внешних воздействий, таких как давление, температура или механическое воздействие, так как принцип действия подобных волоконно-оптических датчиков основан на их смещении или изменении, которое, в свою очередь, нужно детектировать. Видность интерференционной картины также влияет на соотношение сигнал/шум. Чем ниже видность, тем выше вероятность того, что шум (например, из-за внешних помех, поглощения или рассеяния в волокне) будет негативно сказываться при определении максимумов и минимумов, что так же негативно скажется на работу таких устройств. With regard to the use of a Fabry-Perot interferometer with an air cavity between the resonator mirrors as a sensing element of a sensor of physical quantities, increasing the visibility of the interference pattern means reducing the error in determining the maxima and minima of the interference pattern, which in turn allows more accurate and reliable detection of small changes under external influences, such as pressure, temperature or mechanical action, since the operating principle of such fiber-optic sensors is based on their displacement or change, which, in turn, must be detected. The visibility of the interference pattern also affects the signal-to-noise ratio. The lower the visibility, the higher the probability that noise (for example, due to external interference, absorption or scattering in the fiber) will negatively affect the determination of maxima and minima, which will also negatively affect the operation of such devices.
Формирование зеркал резонатора в предлагаемом изобретении непосредственно на торце участка многомодового градиентного оптического волокна позволит минимизировать количество различных границ между средами для отражения света, что даст возможность избежать возникновения так называемой «паразитной» интерференции. Наличие различных границ между средами могут создавать дополнительные пути распространения для света, которые будут интерферировать с основным светом, создавая «паразитные» интерференционные эффекты. Благодаря минимальному количеству таких границ повышается качество и стабильность интерференционной картины, что позволит более точно производить опрос волоконно-оптических датчиков физических величин, благодаря отсутствию влияния и внесения погрешностей в интерференционный сигнал.Formation of resonator mirrors in the proposed invention directly at the end of a section of multimode gradient optical fiber will minimize the number of different boundaries between environments for light reflection, which will make it possible to avoid the occurrence of so-called "parasitic" interference. The presence of different boundaries between environments can create additional propagation paths for light, which will interfere with the main light, creating "parasitic" interference effects. Due to the minimum number of such boundaries, the quality and stability of the interference pattern increases, which will allow more accurate interrogation of fiber-optic sensors of physical quantities, due to the absence of influence and introduction of errors in the interference signal.
В заявляемой конструкции волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо коллимирующие структуры с зеркалами резонатора соосно размещены и не жестко закреплены в оснастке без использования адгезива, а лишь, обеспечивающей их надежное размещение, что позволяет изменять длину резонатора без необходимости сборки новых зеркал, что обеспечивает упрощение конструкции и способа сборки устройства.In the claimed design of the fiber-optic Fabry-Perot interferometer, the collimating structures with the resonator mirrors are coaxially placed and not rigidly fixed in the equipment without the use of adhesive, but only ensuring their reliable placement, which allows changing the length of the resonator without the need to assemble new mirrors, which simplifies the design and assembly method of the device.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом.The essence of the claimed invention is explained by the drawing.
Принятые обозначения на чертеже:Accepted designations on the drawing:
1 - первое зеркало резонатора;1 - the first mirror of the resonator;
2 - второе зеркало резонатора;2 - the second mirror of the resonator;
3 - участок многомодового градиентного оптического волокна; 3 - section of multimode gradient optical fiber;
4 - отражающее покрытие;4 - reflective coating;
5 - участок оптического волокна, в котором распространяется оптическое излучение;5 - a section of optical fiber in which optical radiation propagates;
6 - плоскость сварного соединения;6 - plane of welded joint;
7 - оснастка для крепления коллимирующей структуры;7 - equipment for fastening the collimating structure;
8 - адгезив;8 - adhesive;
9 - оснастка для крепления коллимирующих структур с зеркалами резонатора.9 - equipment for fastening collimating structures with resonator mirrors.
На чертеже приведено схематическое изображение реализации конструкции устройства волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо с воздушной полостью между зеркалами резонатора. Устройство содержит два зеркала резонатора 1 и 2, каждое из которых является сполированным торцом участка многомодового градиентного оптического волокна 3 с нанесенным на него отражающим покрытием 4, соосно соединенного с участком оптического волокна 5, в котором распространяется оптическое излучение, волокна соединены друг с другом электродуговой сваркой в плоскости сварного соединения 6 и жестко закреплены в оснастке для крепления 7 с применением адгезива 8; коллимирующие структуры соосно расположены в оснастке 9 на расстоянии, обеспечивающем заданную длину резонатора интерферометра Фабри-Перо.The drawing shows a schematic representation of the implementation of the design of the device of the fiber-optic Fabry-Perot interferometer with an air cavity between the resonator mirrors. The device contains two resonator mirrors 1 and 2, each of which is a polished end of a section of a multimode gradient optical fiber 3 with a reflective coating 4 applied to it, coaxially connected to a section of an optical fiber 5 in which optical radiation propagates, the fibers are connected to each other by electric arc welding in the plane of the welded joint 6 and are rigidly fixed in the fastening fixture 7 using adhesive 8; the collimating structures are coaxially located in the fixture 9 at a distance ensuring a given length of the Fabry-Perot interferometer resonator.
Принцип работы устройства волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо с воздушной полостью между зеркалами резонатора поясняется следующим образом. Оптическое излучение, проходя через выходной торец первой коллимирующей структуры с зеркалом резонатора 1 и воздушную полость интерферометра попадает на второе зеркало резонатора 2, расположенном на входном торце второй коллимирующей структуры и являющимся сполированным торцом участка многомодового градиентного оптического волокна 3 с нанесенным на него отражающим покрытием 4, соосно соединенного с участком оптического волокна 5 электродуговой сваркой в плоскости сварного соединения 6, в котором распространяется оптическое излучение, коллимирующая структура закреплена в оснастке для крепления 7 с применением адгезива 8, причем сами коллимирующие структуры также расположены в оснастке 9, отражаясь от второго зеркала резонатора 2 оптическое излучение возвращается к зеркалу резонатора 1, где снова отражается. За счет явления многократного отражения оптического излучения от зеркал резонатора возникает интерференционная картина, детектируемая устройством приема.The operating principle of the Fabry-Perot fiber-optic interferometer with an air cavity between the resonator mirrors is explained as follows. Optical radiation, passing through the output end of the first collimating structure with the resonator mirror 1 and the air cavity of the interferometer, hits the second resonator mirror 2, located on the input end of the second collimating structure and being the polished end of a section of multimode gradient optical fiber 3 with a reflective coating 4 applied to it, coaxially connected to a section of optical fiber 5 by electric arc welding in the plane of the weld joint 6, in which the optical radiation propagates, the collimating structure is fixed in the fastening fixture 7 using adhesive 8, and the collimating structures themselves are also located in the fixture 9, reflecting from the second resonator mirror 2, the optical radiation returns to the resonator mirror 1, where it is reflected again. Due to the phenomenon of multiple reflection of optical radiation from the resonator mirrors, an interference pattern is generated, which is detected by the receiving device.
В качестве конкретного примера сборки устройства волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо с воздушной полостью между зеркалами резонатора предлагается следующее. Для соединения стандартного одномодового оптического волокна (стандарта G.657.A2) и многомодового градиентного оптического волокна (диаметр сердцевины - 100 мкм, диаметр оболочки - 125 мкм) применяется стандартная операция сварки на стандартном сварочном аппарате ILSINTECH SWIFT KF4. As a specific example of assembling a fiber-optic Fabry-Perot interferometer with an air cavity between the resonator mirrors, the following is proposed. To connect a standard single-mode optical fiber (G.657.A2 standard) and a multimode graded-index optical fiber (core diameter 100 μm, cladding diameter 125 μm), a standard welding operation is used on a standard ILSINTECH SWIFT KF4 welding machine.
Внутренняя полость оснастки для крепления коллимирующей структуры, в роли которой выступает керамическая ферула (в виде оснастки также может выступать V-groove, кварцевая трубка и т.д.), внутренний диаметр которой составляет 125±0,5 мкм, длина 12,7±0,05 мкм, заполнена адгезивом, в роли которого выступает оптический клей EPO-TEC 353 ND. Длина участка многомодового градиентного оптического волокна - 885 мкм.The internal cavity of the collimating structure mounting fixture, which is a ceramic ferrule (the fixture can also be a V-groove, quartz tube, etc.), the internal diameter of which is 125±0.5 μm, the length is 12.7±0.05 μm, is filled with an adhesive, which is EPO-TEC 353 ND optical glue. The length of the multimode gradient optical fiber section is 885 μm.
Предварительная полировка торца многомодового градиентного оптического осуществлена с применением полировочных пленок с зернистостью 5 мм, 1 мкм и 0,3мкм. На сполированный торец градиентной линзы нанесен слой отражающего покрытия TiO2 толщиной 150 нм методом электронно-лучевого напыления. Preliminary polishing of the end face of the multimode gradient optical lens was performed using polishing films with a grain size of 5 mm, 1 μm and 0.3 μm. A layer of reflective TiO 2 coating with a thickness of 150 nm was applied to the polished end face of the gradient lens using the electron beam deposition method.
Коллимирующие структуры с зеркалами размещены в оснастке в виде керамической втулки с внутренним диаметром, достаточным для их надежного размещения (внешний диаметр 3,2±0,02 мм, внутренний диаметр 2,5±0,02 мм).The collimating structures with mirrors are placed in a fixture in the form of a ceramic sleeve with an internal diameter sufficient for their reliable placement (external diameter 3.2±0.02 mm, internal diameter 2.5±0.02 mm).
Таким образом, заявляемое устройство позволяет решить задачу повышения видности интерференционной картины интерферометра Фабри-Перо с воздушной полостью между зеркалами резонатора за счет использования в качестве отражательных поверхностей сполированных торцов волоконных градиентных линз, что минимизирует вносимые потери при распространении оптического излучения в воздушной полости резонатора, а также позволит избежать возникновения «паразитного» интерферометра Фабри-Перо, что даст возможность более качественно производить опрос волоконно-оптических датчиков на основе подобного интерферометра. Thus, the claimed device allows solving the problem of increasing the visibility of the interference pattern of a Fabry-Perot interferometer with an air cavity between the resonator mirrors by using polished ends of fiber gradient lenses as reflective surfaces, which minimizes the insertion losses during the propagation of optical radiation in the air cavity of the resonator, and also allows avoiding the occurrence of a “parasitic” Fabry-Perot interferometer, which will make it possible to conduct a higher-quality survey of fiber-optic sensors based on such an interferometer.
Заявляемая конструкция устройства волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо с воздушной полостью позволит исключить необходимость сборки новых образцов зеркал резонатора для осуществления изменения длины базы волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо, а также увеличить максимально допустимое расстояние между зеркалами резонатора, обеспечивающее стабильную интерференционную картину. Помимо этого, предлагаемое изобретение решает задачу упрощения конструкции и способа сборки устройства волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо с воздушной полостью между зеркалами резонатора за счет использования конструкционных элементов стандартного исполнения.The claimed design of the Fabry-Perot fiber-optic interferometer with an air cavity will eliminate the need to assemble new samples of resonator mirrors to change the base length of the Fabry-Perot fiber-optic interferometer, and also increase the maximum permissible distance between the resonator mirrors, ensuring a stable interference pattern. In addition, the proposed invention solves the problem of simplifying the design and assembly method of the Fabry-Perot fiber-optic interferometer with an air cavity between the resonator mirrors by using standard design structural elements.
Claims (3)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2838345C1 true RU2838345C1 (en) | 2025-04-14 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0459119B1 (en) * | 1990-05-31 | 1995-08-16 | Alcatel SEL Aktiengesellschaft | Optical device |
| KR20040013732A (en) * | 2002-08-08 | 2004-02-14 | 학교법인 계명기독학원 | Optical fiber febry-perot interferometer |
| US6985235B2 (en) * | 2001-08-30 | 2006-01-10 | Micron Optics, Inc. | Cascaded fiber fabry-perot filters |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0459119B1 (en) * | 1990-05-31 | 1995-08-16 | Alcatel SEL Aktiengesellschaft | Optical device |
| US6985235B2 (en) * | 2001-08-30 | 2006-01-10 | Micron Optics, Inc. | Cascaded fiber fabry-perot filters |
| KR20040013732A (en) * | 2002-08-08 | 2004-02-14 | 학교법인 계명기독학원 | Optical fiber febry-perot interferometer |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101957227B (en) | Photonic crystal fiber optic liquid level sensor and sensing system formed by same | |
| CN1294401C (en) | Interferometric measuring device | |
| JP2009516215A (en) | Transceiver consisting of a single aperture, multiple optical waveguide | |
| JPH1123223A (en) | Unbalanced fiber-optic Michelson interferometer as optical pickoff | |
| CN111121838A (en) | A dual-core fiber Michelson interferometer with tilted grating beam splitting | |
| JPH05241039A (en) | Optical fiber having internal partial mirror | |
| JP2018163370A (en) | Termination of optical fiber with low backreflection | |
| CN118243254A (en) | D-type cavity optical fiber seawater temperature sensor based on parallel vernier and its manufacturing method | |
| JP2006208929A (en) | Optical power monitor and its manufacturing method | |
| US8077323B2 (en) | Optical fiber probe for an interferometric measuring device and method for manufacturing an optical fiber probe | |
| RU2838345C1 (en) | Device of fibre-optic interferometer fabry-perot with air cavity between resonator mirrors | |
| CN108981955B (en) | A kind of optical fibre temperature survey apparatus | |
| CN119223175A (en) | A white light interferometric MEMS optical fiber displacement sensor | |
| CN113310507A (en) | Optical fiber SPR sensor for measuring displacement and angle, calibration device and method | |
| US12174322B2 (en) | F-P sensor probe, absolute distance measurement device, and absolute distance measurement method | |
| CN114813048B (en) | An optical film reflectivity measurement system and measurement method based on optical interference | |
| CN114911009A (en) | Optical fiber filter | |
| KR100432179B1 (en) | Optical fiber febry-perot interferometer | |
| CN105841720B (en) | Optical Fiber White Light Interferometer Using Two Parallel Reflecting Surfaces | |
| RU2474798C2 (en) | Fibre-optic pressure sensor | |
| CN109738373A (en) | pH sensor based on photonic crystal fiber and its fabrication method | |
| JP2020129063A (en) | Optical fiber, multi-core optical fiber, and optical connector | |
| Apriyanto | Study, analysis and experimental validation of fiber refractometers based on single-mode, multimode and photonic crystal fibers for refractive index measurements with application for the detection of methane | |
| JPH0756041A (en) | Dual core optical fiber and temperature measuring device using the same | |
| KR100355025B1 (en) | Null lens optical system for testing a surface of a concave mirror with a ellipsoid |