Калугин Евгений Эдуардович — инженер
Санкт-Петербург, 197101
Evgeniy E. Kalugin — Engineer
Saint Petersburg, 197101
Стригалев Владимир Евгеньевич — кандидат физико-математических наук, доцент, профессор, старший научный сотрудник
sc 6603225596
Санкт-Петербург, 197101
Vladimir E. Strigalev — PhD (Physics & Mathematics), Associate Professor, Professor, Senior Researcher
sc 6603225596
Saint Petersburg, 197101
Мухтубаев Азамат Булатович — кандидат технических наук, заведующий лабораторией
sc 57195404386
Санкт-Петербург, 197101
Azamat B. Mukhtubaev — PhD, Head of Laboratory
sc 57195404386
Saint Petersburg, 197101
Мешковский Игорь Касьянович — доктор технических наук, профессор, директор НИЦ Световодной Фотоники
sc 6603640937
Санкт-Петербург, 197101
Igor K. Meshkovskii — D. Sc., Professor, Director of the Research Institute of Light-Guided Photonics
sc 6603640937
Saint Petersburg, 197101
Введение. Одним из применений двулучепреломляющих оптических волокон является создание различных сенсоров, в том числе датчиков уровня и гидростатического давления. Внешнее механическое воздействие на двулучепреломляющее оптическое волокно приводит к перекачке части оптического излучения между ортогональными модами. В датчиках давления на микро- и макроизгибах затухание оптического сигнала растет при увеличении внешнего давления. Совмещение двух физических принципов в одном датчике позволяет создавать волоконно-оптические датчики высокой чувствительности для работы при давлении более 18 кПа. При этом существенно упрощается схема регистрации. Метод. В качестве опытного образца использовано оптическое волокно с эллиптической напрягающей оболочкой ESC-4. В исследовании применен широкополосный источник излучения ThorLabs S5FC1005SXL с центральной длиной волны 1560 нм и полушириной спектра 45 нм. Рассмотрено влияние наведенного периодического механического напряжения на величину связи поляризационных мод в двулучепреломляющем оптическом волокне с эллиптической напрягающей оболочкой. Наведенное периодическое напряжение создавалось предложенной и специально изготовленной периодической структурой из отрезков оптического волокна, приклеенных к стеклянной подложке. Давление на опытный образец волокна изменялось грузами известной массы, а также путем поворота волокна вокруг своей оси с шагом 5°. Гидростатическое давление создавалось с помощью резервуара с водой, помещенного в барокамеру. Мощность излучения, перекачиваемая между поляризационными модами, регистрировалась при помощи двух фотоприемных устройств с использованием поляризационного делителя. Основные результаты. Показано, что наибольшая величина относительной перекачиваемой мощности достигнута при периоде механического воздействия, равного длине биений двулучепреломляющего оптического волокна. Для опытного образца датчика получена зависимость относительной перекаченной мощности от гидростатического давления. Обнаружено, что наибольшее значение относительной перекаченной мощности — при давлении 80 кПа, а пороговой чувствительности — 20 кПа. Снижение перекачиваемой мощности при давлении более 80 кПа объясняется наведенными оптическими потерями, а при давлении менее 20 кПа заметен гистерезис показателей до 0,006 отн. ед. Обсуждение. Получен образец датчика для измерения гидростатического давления до 80 кПа со среднеквадратичным отклонением результатов измерения до 7 %. Пороговая чувствительность ограничена величиной 20 кПа. Выполненное исследование может найти применение при разработке волоконно-оптических датчиков давления.
One of the applications of polarization maintaining (PM) fibers is the creation of various sensors including level and hydrostatic pressure sensors. An external mechanical stress on a PM fiber causes cross-polarization coupling. In microand macro-bend pressure sensors, the attenuation of the optical signal increases with increasing external pressure. Combination of two physical principles in one sensor allows to create fiber-optic sensors of high sensitivity for operation at pressure more than 18 kPa. At the same time, the registration scheme is significantly simplified. An optical fiber with an elliptical ESC-4 stress cladding was used as a prototype. A superluminiscent diode ThorLabs S5FC1005SXL with a center wavelength of 1560 nm and a spectrum half-width of 45 nm was used in the study. In this work, the effect of induced periodic mechanical stress on cross-polarization coupling magnitude in a PM fiber with an elliptical stress cladding was considered. The induced periodic stress was generated by a proposed and specially fabricated periodic structure of optical fiber sections bonded to a glass substrate. The pressure on the fiber prototype was changed by weights of known mass as well as by rotating the fiber around its axis with a step of 5°. Hydrostatic pressure was created by means of a water tank placed in the barocamera. The cross-polarization coupled power was recorded with two photodetectors using a polarization beam splitter. It is shown that the largest value of the relative coupled power is achieved at the period of mechanical stress equal to the beat length of PM fiber. The dependence of the relative coupled power on the hydrostatic pressure is obtained for the prototype sensor. It is shown that the highest value of the relative coupled power is achieved at a pressure of 80 kPa. The threshold sensitivity amounted to 20 kPa. The decrease in coupled power at pressures greater than 80 kPa is attributed to induced optical losses. At pressure less than 20 kPa, a hysteresis of indicators up to 0.006 relative units is noticeable. A sample sensor for measuring hydrostatic pressure up to 80 kPa with the standard deviation of measurement results up to 7 % was obtained. The threshold sensitivity is limited to 20 kPa. The performed research can be applied in the development of fiber-optic pressure sensors.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.