RU2202115C2

RU2202115C2 - Microresonator-type fiber-optic magnetic-field sensor

Info

Publication number: RU2202115C2
Application number: RU2001100661/28A
Authority: RU
Inventors: Я.В. Малков; В.Д. Бурков; В.И. Кузнецова; В.Т. Потапов; А.Н. Котов; Ф.А. Егоров; В.В. Селифанова; Д.В. Коломыцев
Original assignee: Московский государственный университет леса; ФГУП НИИ физических измерений
Priority date: 2001-01-09
Filing date: 2001-01-09
Publication date: 2003-04-10

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: multichannel fiber-optic magnetic-field sensor incorporates provision for independent functioning of all channels simultaneously. EFFECT: enlarged range of parameters measured; enhanced measurement accuracy. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к волоконно-оптическим автоколебательным системам на основе резонансного взаимодействия лазерного источника излучения с микрорезонатором и может быть использовано при построении микрорезонаторных датчиков физических величин (например, температуры, давления, электромагнитных полей и др.). The invention relates to fiber-optic self-oscillating systems based on the resonant interaction of a laser radiation source with a microresonator and can be used to build microresonator sensors of physical quantities (for example, temperature, pressure, electromagnetic fields, etc.).

Микромеханические резонаторы (МР) из магнитных материалов, возбуждаемые оптическим излучением, открывают возможности для создания пассивных волоконно-оптических датчиков (ВОД) магнитных полей, основанных на зависимости резонансной частоты f, добротности Q собственных мод акустических колебаний МР от величины магнитного поля Н. Зависимости f(H), Q(H) могут обуславливаться, например, такими механизмами, как магнитосиловое взаимодействие или магнитострикционный эффект и т. д. Оптическое возбуждение и измерение параметров колебаний МР осуществляется как правило с помощью автогенераторных схем, обеспечивающих высокую точность измерения и возможность построения волоконно-оптических измерительных систем с частотным мультиплексированием. Micromechanical resonators (MRs) of magnetic materials excited by optical radiation open up possibilities for creating passive fiber-optic sensors (VOD) of magnetic fields based on the dependence of the resonant frequency f, the Q factor of the eigenmodes of the acoustic waves of the MRs on the magnitude of the magnetic field N. Dependences f (H), Q (H) can be caused, for example, by mechanisms such as magneto-force interaction or magnetostrictive effect, etc. Optical excitation and measurement of the parameters of the MR oscillations are S THE usually via Autogenerating circuits provide high accuracy and the possibility of fiber-optical measuring systems with frequency division multiplexing.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является микрорезонаторный волоконно-оптический датчик магнитных полей (см. патент РФ 2157512 от 28.12.99). Closest to the proposed technical solution for the technical nature and the achieved result is a microresonator fiber-optic sensor of magnetic fields (see RF patent 2157512 of 12.28.99).

В известном техническом решении один торец световода волоконно-оптического лазера (ВОЛ) оптически сопряжен с коллиматором, расположенным между этим торцом и МР, а второй торец является выходным и связан с сигнализатором спектра через фотоприемник, при этом отражающая поверхность МР образует с выходным торцом световода двухзеркальный оптический резонатор ВОЛ, а отражающая поверхность МР в исходном положении ориентирована к оптической оси коллимированного луча под некоторым заданным лучом θ_и.
Дискретная форма выходного сигнала ВОД, большая протяженность канала передачи и высокая точность измерения резонансной частоты делают этот тип ВОД перспективным при его использовании в системах измерения физических величин.In the known technical solution, one end of the fiber of the optical fiber laser (VOL) is optically coupled to a collimator located between this end and the MR, and the second end is the output and is connected to the spectrum detector through a photodetector, while the reflective surface of the MR forms a two-mirror with the output end of the fiber optical fiber optic resonator, and the reflecting surface of the MR in the initial position is oriented to the optical axis of the collimated beam under some given beam θ _and .
The discrete form of the output signal of the VOD, the large length of the transmission channel and the high accuracy of measuring the resonant frequency make this type of VOD promising when used in physical quantity measurement systems.

К недостаткам данного технического решения следует отнести ограниченные функциональные возможности устройства, обусловленные тем, что с помощью данного ВОД измеряется лишь одна составляющая вектора магнитного поля, совпадающая с направлением продольной оси МР. The disadvantages of this technical solution include the limited functionality of the device, due to the fact that with the help of this VOD only one component of the magnetic field vector is measured, which coincides with the direction of the longitudinal axis of the MR.

Расширение функциональных возможностей устройства с целью одновременного измерения N независимых параметров магнитного поля традиционно осуществляется либо посредством наращивания числа идентичных датчиков с ориентацией осей МР в заданных направлениях, либо путем создания мультиплексных систем, содержащих N измерительных каналов, при этом функционирование каждого из них сопряжено с генерацией волоконного лазера в соответствующих дискретных зонах возбуждения, т.е. поочередно (патент РФ 2142115 от 17.09.98). The expansion of the device’s functionality with the aim of simultaneously measuring N independent magnetic field parameters is traditionally carried out either by increasing the number of identical sensors with the orientation of the MR axes in the given directions, or by creating multiplex systems containing N measuring channels, while the functioning of each of them is associated with the generation of fiber laser in the corresponding discrete excitation zones, i.e. alternately (RF patent 2142115 from 09/17/98).

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке микрорезонаторного ВОД физических величин для одновременного измерения нескольких составляющих магнитного поля. The problem solved by this invention is the development of microcavity VOD physical quantities for the simultaneous measurement of several components of the magnetic field.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что микрорезонаторный ВОД магнитных полей, включающий волоконно-оптический лазер, полупроводниковый лазер накачки, микрорезонатор с зеркальным отражателем, волоконный автоколлиматор, фотоприемник, анализатор спектра дополнительно снабжен многомодовым волоконным разветвителем, входной торец которого связан с полупроводниковым лазером, а N свободных торцов оптически связаны с N волоконными лазерами, торцы которых оптически связаны с N микрорезонаторами, каждый из которых ориентирован вдоль измеряемой компоненты магнитного поля, при этом выходной торец волоконного разветвителя сопряжен со входом фотоприемника;
- микрорезонаторный волоконно-оптический датчик магнитных полей по п.1 содержит N входных зеркал волоконно-оптических лазеров, выполненных в виде дихроических зеркал с возможностью отражения излучения на линии генерации волоконно-оптического лазера и пропускания излучения на длине волны генерации полупроводникового лазера, при этом дихроические зеркала выполнены в виде Брэговских отражателей, сформированных в световоде.The solution to this problem is ensured by the fact that the microresonator water of magnetic fields, including a fiber optic laser, a semiconductor pump laser, a microresonator with a mirror reflector, a fiber autocollimator, a photodetector, and a spectrum analyzer is additionally equipped with a multimode fiber splitter, the input end of which is connected to a semiconductor laser, and N free ends are optically coupled to N fiber lasers, the ends of which are optically coupled to N microcavities, each of which is oriented in ol measured magnetic field components, with the output end of coupler fiber is conjugate to the input of the photodetector;
- microresonator fiber-optic magnetic field sensor according to claim 1 contains N input mirrors of fiber-optic lasers made in the form of dichroic mirrors with the ability to reflect radiation on the generation line of a fiber-optic laser and transmit radiation at a wavelength of a semiconductor laser, while dichroic mirrors are made in the form of Bragg reflectors formed in a fiber.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в разработке многоканального ВОД магнитных полей за счет одновременного возбуждения N независимых волоконно-оптических лазеров одним полупроводниковым лазером накачки с помощью многомодового 2•N волоконного разветвителя. The essence of the proposed technical solution consists in the development of multichannel VOD of magnetic fields due to the simultaneous excitation of N independent fiber-optic lasers by a single semiconductor pump laser using a multimode 2 • N fiber splitter.

В результате реализуется многоканальный ВОД магнитных полей с оптимальными характеристиками, при этом все N каналов функционируют одновременно и независимо друг от друга, что обуславливает существенное увеличение числа измеряемых параметров магнитных полей, точность измерений, развязку между измерительными каналами, а также расширяет перечень используемых материалов МР. As a result, a multi-channel VOD of magnetic fields with optimal characteristics is realized, while all N channels operate simultaneously and independently of each other, which leads to a significant increase in the number of measured magnetic field parameters, measurement accuracy, isolation between the measuring channels, and also extends the list of used MR materials.

В качестве примера на чертеже принято, что N=3. На чертеже представлена схема микрорезонаторного волоконно-оптического датчика магнитного поля нового типа, где 1 - волоконный лазер, активированный эрбием, накачка которого осуществляется на длине волны λ_н=0,98 мкм, 2 - полупроводниковый лазер, с помощью которого осуществляется накачка волоконных лазеров, 3 - волоконный разветвитель, входной торец которого связан с полупроводниковым лазером, а другие торцы сопряжены соответствующими волоконными лазерами через дихроические зеркала 4, 4 - дихроические зеркала M₁, отражающие излучение на линии генерации лазера λ_г и пропускающие на длине волны излучения полупроводникового лазера λ_н, при этом дихроические зеркала выполнены в виде Брэговских отражателей, сформированных непосредственно в световодах, 5 - одномодовые световоды, 6 - автоколлиматоры, выполненные в виде участков одномодовых кварцевых световодов со сферическими микролинзами на торцах световодов, 7 - микрорезонаторы, выполненные в виде микромостика из материала с магнитной анизотропией (например, никеля, аморфного сплава типа "metlglass", различных ферритов со структурой граната и др.), 8 - зеркала М₂, в качестве которых используются отражающие поверхности МР, 9 - фотоприемник, 10 - анализаторы спектра, Н_i, _j, _k - измеряемые магнитные поля, 11 - угол между нормалью к отражающей поверхности МР и оптической осью пучка, сформированного АК, l₁, l₂, l₃ - длины активных световодов волоконного лазера.As an example, it is assumed in the drawing that N = 3. The drawing shows a diagram of a microresonator fiber-optic magnetic field sensor of a new type, where 1 is an erbium-activated fiber laser pumped at a wavelength of λ _n = 0.98 μm, 2 is a semiconductor laser that is used to pump fiber lasers, 3 - a fiber splitter, the input end of which is connected to a semiconductor laser, and the other ends are conjugated by the corresponding fiber lasers through dichroic mirrors 4, 4 - dichroic mirrors M ₁ reflecting radiation on the line laser generation λ _g and transmitting radiation at the wavelength of the semiconductor laser λ _n , while the dichroic mirrors are made in the form of Bragg reflectors formed directly in the optical fibers, 5 are single-mode optical fibers, 6 are autocollimators made in the form of sections of single-mode quartz optical fibers with spherical microlenses at the ends of the optical fibers, 7 — microcavities made in the form of a microbridge from a material with magnetic anisotropy (for example, nickel, an amorphous metlglass alloy, various ferrites with a structure grenade, etc.), 8 - M ₂ mirrors, which use MR reflective surfaces, 9 - a photodetector, 10 - spectrum analyzers, Н _i, _j, _k - measured magnetic fields, 11 - angle between the normal to the reflective surface of the MR and the optical axis of the beam formed by the AK, l ₁ , l ₂ , l ₃ - the length of the active fibers of the fiber laser.

Устройство работает следующим образом. Накачка волоконных лазеров (ВЛ) осуществляется полупроводниковым лазером (ПЛ), излучение которого с помощью ВР направляется в соответствующие отрезки активных световодов l_i. При этом длины активных участков световодов l_i и уровни их накачки P_i, зависящие от коэффициентов деления ВР, определяются из условий резонанса между частотой релаксационных колебаний соответствующего ВЛ и собственной частотой МР f_i: f_peл _i(P_i, l_i)≅f_i.The device operates as follows. The pumping of fiber lasers (VL) is carried out by a semiconductor laser (PL), the radiation of which with the help of BP is directed to the corresponding segments of the active optical fibers l _i . Thus the length of the active sections of optical waveguides l _i and levels of the pump P _i, depending on the division factors BP are determined from the resonance conditions between the relaxation oscillation frequency of the respective overhead and MR eigenfrequency f _i: f _i _pel (P _i, l _i) ≅f _i .

В условиях непрерывной накачки в данном устройстве одновременно возбуждаются автоколебания различных МР. Микрорезонаторы из материала с магнитной анизотропией, выполненные, например, в виде микромостика, ориентированы вдоль заданных направлений i, j, k. Каждый из них обладает преимущественной чувствительностью к соответствующим компонентам поля H_i, H_j, H_k.Under continuous pumping conditions, self-oscillations of various MRs are simultaneously excited in this device. Microresonators from a material with magnetic anisotropy, made, for example, in the form of a microbridge, are oriented along given directions i, j, k. Each of them has predominant sensitivity to the corresponding field components H _i , H _j , H _k .

Под действием магнитного поля относительное изменение резонансной частоты МР, обусловленное магнитострикцией, равно
Δf/f≈0,147(b/h)²λ₀(H_i,j,k),
где b, h - длина и толщина микромостика соответственно;
λ₀(H_i,j,k) - продольная магнитострикция в магнитном поле.Under the influence of a magnetic field, the relative change in the resonance frequency of the MR, due to magnetostriction, is
Δf / f≈0.147 (b / h) ² λ ₀ (H _{i, j, k} ),
where b, h are the length and thickness of the microbridge, respectively;
λ ₀ (H _{i, j, k} ) - longitudinal magnetostriction in a magnetic field.

В случае магнитоупругого эффекта (зависимость модуля Юнга Е от магнитного поля, ΔЕ - эффект) имеем

Измерение градиента поля основано на зависимости резонансной частоты микромостика, намагниченного до насыщения параллельно поверхности МР, от поперечной распределенной силы с плотностью q_x=mha dH_y/dx, действующей на МР, где а - ширина микромостика, m - магнитный момент насыщения МР.In the case of the magnetoelastic effect (the dependence of the Young's modulus E on the magnetic field, ΔE is the effect), we have

The measurement of the field gradient is based on the dependence of the resonant frequency of the microbridge magnetized before saturation parallel to the surface of the MR on the transverse distributed force with a density q _x = mha dH _y / dx acting on the MR, where a is the width of the microbridge, m is the magnetic moment of saturation of the MR.

В результате имеем
Δf/f≈0,0735 (m²l⁸)/(E²h⁶)•(dH_y/dx)².As a result, we have
Δf / f≈0.0735 (m ² l ⁸ ) / (E ² h ⁶ ) • (dH _y / dx) ² .

В качестве материалов МР целесообразно применение никеля (N_i), аморфных сплавов типа "metlglass", различных ферритов со структурой граната (например, ЖИГ) и др.It is advisable to use nickel (N _i ), amorphous metlglass alloys, various ferrites with a garnet structure (for example, YIG) and others as MR materials.

Выходной сигнал фотоприемника (ФП) содержит гармонические составляющие с резонансными частотами MP_i рассматриваемых измерительных каналов ВОД магнитного поля. Таким образом, при непрерывной накачке ВЛ с помощью ПЛ осуществляется непрерывное частотное мультиплексирование выходного сигнала датчика: f₁(H_i), f₂(H_j), f₃(Н_k).The output signal of the photodetector (FP) contains harmonic components with resonant frequencies MP _{i of} the measuring channels of the magnetic field of water. Thus, with continuous pumping of overhead lines using a submarine, continuous frequency multiplexing of the sensor output signal is carried out: f ₁ (H _i ), f ₂ (H _j ), f ₃ (H _k ).

Результаты численного моделирования свойств рассматриваемого ВОД, проведенные в рамках приближения скоростных уравнений для трехуровневого эрбиевого лазера, подтверждают возможность реализации данного устройства при длинах отрезков активных световодов (с концентрацией эрбия >5•10¹⁸ см^-3) l_i<1 м и параметрах МР f₁≅50 кГц, f₂≅70 кГц, f₃≅90 кГц (Q_1, _2, ₃>200).The results of numerical modeling of the properties of the water in question, carried out as part of the approximation of the velocity equations for a three-level erbium laser, confirm the possibility of implementing this device with lengths of segments of active fibers (with erbium concentration> 5 • 10 ¹⁸ cm ^-3 ) l _i <1 m and MP f ₁ ≅50 kHz, f ₂ ≅70 kHz, f ₃ ≅90 kHz (Q _1, _2, ₃ > 200).

Исходя из относительного уровня флуктуаций частоты автоколебаний в системах ВЛ-МР (Δf/f)_фл≅10^-5, получим оценку пороговой чувствительности ΔН_п для ВОД с магнитострикционным микромостиком из N_i при температуре Т=300 К, имеющим размеры b=200 мкм, h=10 мкм, ΔH_п≅5•10^-4Э.
Таким образом, предложен новый принцип построения микрорезонаторного ВОД магнитных полей, содержащего ВР, обеспечивающий при непрерывной генерации ВЛ одновременное функционирование нескольких измерительных каналов.Based on the relative level of fluctuations in the frequency of self-oscillations in VL-MR systems (Δf / f) _fl ≅ 10 ^-5 , we obtain an estimate of the threshold sensitivity ΔН _p for water with a magnetostrictive microbridge of N _i at a temperature T = 300 K, having dimensions b = 200 μm , h = 10 μm, ΔH _p ≅5 • 10 ^-4 E.
Thus, a new principle has been proposed for constructing a microresonator VOD of magnetic fields containing VR, which ensures the simultaneous operation of several measuring channels during the continuous generation of OHL.

При этом оптическое возбуждение и измерение частот MP_i, зависящих от параметров магнитного поля, осуществляется с помощью автогенераторных схем, обеспечивающих высокую точность измерений с частотным мультиплексированием при непрерывном функционировании всех измерительных каналов одновременно.In this case, the optical excitation and measurement of the frequencies MP _i , which depend on the parameters of the magnetic field, is carried out using self-generating schemes that provide high accuracy of measurements with frequency multiplexing with the continuous operation of all measuring channels simultaneously.

Claims

1. Microresonator fiber-optic magnetic field sensor, including a fiber-optic laser, a semiconductor pump laser, a microcavity with a mirror reflector, a fiber autocollimator, a photodetector, a spectrum analyzer, characterized in that the sensor is additionally equipped with a multimode fiber splitter, the input end of which is connected to the semiconductor laser, and N free ends are optically coupled to N fiber lasers, the ends of which are optically coupled to N microcavities, each of which is oriented van along the measured component of the magnetic field, while the output end of the fiber splitter is paired with the input of the photodetector.

2. Microresonator fiber-optic magnetic field sensor according to claim 1, characterized in that N input mirrors of fiber-optic lasers are made in the form of dichroic mirrors with the ability to reflect radiation on the fiber-optic laser generation line and transmit radiation at a semiconductor laser generation wavelength while dichroic mirrors are made in the form of Bragg reflectors formed in a fiber.