Высокоточный волоконно-оптический датчик температуры на основе интерферометра Фабри–Перо с отражающими тонкопленочными многослойными структурами

Предмет исследования. Предложен вариант реализации волоконно-оптического датчика температуры на основе интерферометра Фабри–Перо и схема опроса экспериментального образца датчика. Предложенное решение позволяет не применять дорогостоящие спектральные измерительные устройства (анализатор спектра, интеррогатор). Определены область свободной дисперсии и фазовая чувствительность разработанного интерферометра Фабри–Перо в диапазоне температур от 20 °С до 590 °С. Рассчитана точность измерения температуры окружающей среды. Выполнена оценка долговременной стабильности измерительной установки при комнатной температуре. Зарегистрирован сдвиг фазы интерферометра Фабри–Перо при изменении температуры.

Метод. Конструкция интерферометра Фабри–Перо реализована с применением отражающих тонкопленочных многослойных структур, полученных путем поэтапного электронно-лучевого напыления в вакууме на полированные торцевые сколы оптического волокна. Метод опроса интерферометра основан на применении вертикально-излучающего лазера оптического диапазона (VCSEL), работающего в импульсном режиме. Принцип регистрации сдвига фазы интерферометра при изменении температуры использован для выполнения вспомогательной модуляции излучения лазера по длине волны за счет периодического изменения длительности оптических импульсов. Вспомогательная модуляция позволяет получить в сигнале интерферометра дополнительные гармонические составляющие, которые применяются при гомодинной демодуляции и восстановлении сигнала сдвига фазы интерферометра, пропорционального изменению оптической разности хода лучей между зеркалами интерферометра.

Основные результаты. Конструкция высокотемпературного датчика реализована на основе интерферометра Фабри–Перо, отражающие зеркала которого представляют собой пять чередующихся слоев тонких пленок диоксида титана и оксида алюминия. По результатам температурного эксперимента сделан вывод, что увеличение температуры окружающей среды приводит к уменьшению области свободной дисперсии интерферометра Фабри–Перо. Полученные результаты соответствуют теоретическим данным. Показано, что фазовая чувствительность интерферометра к изменению температуры составляет 0,94 рад/К. Точность измерений температуры по уровню 3σ равна 0,017 К.

Практическая значимость. Результаты исследования могут иметь важное значение при создании систем мониторинга температур свыше 300 °С. Применение подобного интерферометра позволит проводить высокоточные относительные измерения температуры.

1. Kashyap R. Fiber Bragg Gratings. San Diego, CA: Academic Press, 1999. 478 p.

2. Мешковcкий И.К., Варжель С.В., Беликин М.Н., Куликов А.В., Брунов В.С. Термический отжиг решеток Брэгга при изготовлении волоконно-оптических фазовых интерферометрических датчиков // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2013. Т. 56. № 5. С. 91–93.

3. Liao C.R., Wang D.N. Review of femtosecond laser fabricated fiber Bragg gratings for high temperature sensing // Photonic Sensors. 2013. V. 3. N 2. P. 97–101. https://doi.org/10.1007/s13320-012-0060-9

4. Минкин А.М., Созонов Н.С., Фадеев К.М., Шевцов Д.И. Миниатюрный волоконно-оптический датчик давления на основе интерферометра Фабри-Перо // II Всеросийская конференции «Оптическая рефлектометрия – 2018»: сборник тезисов докладов. 2018. С. 86–89.

5. Pratt D.J. Optical wavelength sensor: Patent РСТ WO1995020144A1. 1995.

6. Egorova O.N., Vasil’ev S.A., Likhachev I.G., Sverchkov S.E., Galagan B.I., Denker B.I., Semjonov S.L., Pustovoi V.I. A Fabry–Perot interferometer formed in the core of a composite optical fibre heavily doped with phosphorus oxide // Quantum Electronics. 2019. V. 49. N 12. P. 1140–1144. https://doi.org/10.1070/QEL17133

7. Huang C., Xie W., Lee D., Qi C., Yang M., Wang M., Tang J. Optical fiber humidity sensor with porous TiO2/SiO2/TiO2 coatings on fiber tip // IEEE Photonics Technology Letters. 2015. V. 27. N 14. P. 1495–1498. https://doi.org/10.1109/LPT.2015.2426726

8. Агафонова Д.С. Волоконно-оптический датчик температуры. Патент RU155334U1. Бюл. 2015. № 28.

9. Egorova O.N., Semjonov S.L., Velmiskin V.V., Yatsenko Yu.P., Sverchkov S.E., Galagan B.I., Denker B.I., Dianov E.M. Phosphatecore silica-clad Er/Yb-doped optical fiber and cladding pumped laser // Optics Express. 2014. V. 22. N 7. P. 7632–7637. https://doi.org/10.1364/OE.22.007632

10. Duan D.W., Rao Y., Hou Y.-S., Zhu T. Microbubble based fiber-optic Fabry-Perot interferometer formed by fusion splicing single-mode fibers for strain measurement // Applied Optics. 2012. V. 51. N 8. P. 1033–1036. https://doi.org/10.1364/AO.51.001033

11. Machavaram V.R., Badcock R.A., Fernando G.F. Fabrication of intrinsic fibre Fabry-Perot sensors in silica fibres using hydrofluoric acid etching // Sensors and Actuators, A: Physical. 2007. V. 138. P. 248–260. https://doi.org/10.1016/j.sna.2007.04.007

12. Liu S., Wang Y., Liao C., Wang G., Li Z., Wang Q., Zhou J., Yang K., Zhong X., Zhao J., Tang J. High-sensitivity strain sensor based on in-fiber improved Fabry–Perot interferometer // Optics Letters. 2014. V. 39. N 7. P. 2121–2124. https://doi.org/10.1364/OL.39.002121

13. Ma Z., Pang F., Liu H., Chen Z., Wang T. Air microcavity formed in sapphire-derived fiber for high temperature sensing // Proc. of the 26th International Conference on Optical Fiber Sensors. 2018. P. WF48. https://doi.org/10.1364/OFS.2018.WF48

14. Терентьев В.С., Симонов В.А. Метод моделирования асимметричного зеркала для дифракционного отражательного интерферометра в одномодовом волокне // Прикладная фотоника. 2017. Т. 4. № 2. С. 107–120.

15. Тертышник А.Д., Волков П.В., Горюнов А.В., Лукьянов А.Ю. Волоконно-оптический интерференционный датчик температуры. Патент RU2466366C1. Бюл. 2012. № 31.

16. Bennett J.M., Pelletier E., Albrand G., Borgogno J.P., Lazarides B., Carniglia C.K., Schmell R.A., Allen T.H., Tuttle-Hart T., Guenther K.H., Saxer A. Comparison of the properties of titanium dioxide films prepared by various techniques // Applied Optics. 1989. V. 28. N 16. P. 3303–3317. https://doi.org/10.1364/AO.28.003303

17. Hirsch M., Majchrowicz D., Wierzba P., Weber M., Bechelany M., Jędrzejewska-Szczerska M. Low-coherence interferometric fiber-optic sensors with potential applications as biosensors // Sensors. 2017. V. 17. N 2. P. 261. https://doi.org/10.3390/s17020261

18. Lee D., Yang M., Huang C., Dai J. Optical fiber high-temperature sensor based on dielectric films extrinsic Fabry–Pérot cavity // IEEE Photonics Technology Letters. 2014. V. 26. N 21. P. 2107–2110. https://doi.org/10.1109/LPT.2014.2346622

19. Киреенков А.Ю., Алейник А.С., Плотников М.Ю., Мехреньгин М.В. Способ частотно-импульсной модуляции полупроводникового лазерного источника оптического излучения для опроса оптических интерферометрических датчиков. Патент RU2646420C1. Бюл. 2018. № 7.

20. Киреенков А.Ю. Волоконно-оптические интерферометрические методы для построения измерительных систем на основе поверхностно-излучающего лазера: дисертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.11.01 / НИУ ИТМО. СПб., 2017. 155 с.

21. Ефимов М.Е. Метод и аппаратура для регистрации акустической эмиссии и деформаций композитного графит-эпоксидного материала на основе анализа амплитудно-фазовых характеристик сигнала волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо: диссертация на соискание ученой степени. кандидата технических наук: 05.11.01 / НИУ ИТМО. СПб., 2018. 147 с.

22. Plotnikov M.Y., Volkov A.V. Adaptive phase noise cancellation technique for fiber-optic interferometric sensors // Journal of Lightwave Technology. 2021. V. 39. N 14. P. 4853–4860. https://doi.org/10.1109/JLT.2021.3075781

23. Volkov A.V., Plotnikov M.Y., Mekhrengin M.V., Miroshnichenko G.P., Aleynik A.S. Phase modulation depth evaluation and correction technique for the PGC demodulation scheme in fiber-optic interferometric sensors // IEEE Sensors Journal. 2017. V. 17. N 13. P. 4143–4150. http://dx.doi.org/10.1109/JSEN.2017.2704287

24. Lee C.E., Atkins R.A., Taylor H.F. Performance of a fiber-optic temperature sensor from -200 to 1050°C // Optics Letters. 1988. V. 13. N 11. P. 1038–1040. https://doi.org/10.1364/OL.13.001038

25. Gao H., Jiang Y., Cui Y., Zhang L., Jia J., Jiang L. Investigation on the thermo-optic coefficient of silica fiber within a wide temperature range // Journal of Lightwave Technology. 2018. V. 36. N 24. P. 5881–5886. https://doi.org/10.1109/JLT.2018.2875941