ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2013, № 5, с. 103-107
ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНИКА
УДК 621.3.049.76
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АБСОЛЮТНЫХ РАССТОЯНИЙ И ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С НАНОМЕТРОВЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ
© 2013 г. В. Т. Потапов, М. Н. Жамалетдинов, Н. М. Жамалетдинов, А. М. Мамедов, Т. В. Потапов
Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН Россия, 141190, Фрязино Московской обл., пл. имени академика Б.А. Введенского, 1
E-mail: v_potapov38@mail.ru Поступила в редакцию 08.08.2012 г.
Описано волоконно-оптическое устройство измерения малых абсолютных расстояний — базы интерферометров Фабри—Перо, образованных торцом волокна и отражающей поверхностью в пределах от 30 до 250 мкм с разрешением не хуже 50 нм. В основе функционирования устройства лежит спектральный метод волоконно-оптической низкокогерентной интерферометрии.
DOI: 10.7868/S0032816213040277
Задачи измерения абсолютных расстояний и перемещений волоконно-оптическими методами представляют значительный интерес для создания миниатюрных датчиков различных физических величин (таких, как давление, температура, деформации и т.д.), которые могут конвертироваться в перемещения. В настоящее время известно большое число работ по созданию волоконно-оптических датчиков физических величин на основе интерферометров Фабри—Перо (и.Ф.П.), образуемых с помощью оптических волокон, база которых (расстояние между отражателями) изменяется под влиянием внешних воздействий [1—5]. При этом для измерений базы и.Ф.П. применяются различные оптические и волоконно-оптические методы измерений абсолютных расстояний и перемещений.
Одним из перспективных и практичных решений этой проблемы являются методы низкокогерентной волоконно-оптической интерферометрии, в которых применяются низкокогерентные источники излучения (суперлюминесцентные све-тодиоды) с длиной когерентности, не превышающей 20—30 мкм [2, 5]. Главными достоинствами этих методов являются высокая точность измерений, которая практически не зависит от флуктуа-ций оптической мощности в линии, дистанцион-ность измерений и возможность создания миниатюрных чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков.
Методы волоконно-оптической низкокогерентной интерферометрии основаны на измерении автокорреляционной функции зондирующего излучения после его взаимодействия с образцом (или чувствительным элементом, выполненным в виде
и.Ф.П.). Автокорреляционная функция может быть измерена либо с помощью опорного интерферометра с модулируемой разностью плеч (оптического коррелометра [2, 5]), либо спектральным методом [6, 7], который заключается в измерении спектра мощности излучения на выходе образца с последующей математической обработкой результатов.
Несмотря на то, что спектральный метод дает меньшую точность измерений по сравнению с оптическим коррелометром, он может быть с успехом использован для решения целого ряда задач. Однако до сих пор остаются не выясненными пределы точности измерений расстояний, достигаемые этим методом. В данной работе описывается волоконно-оптическое устройство, позволяющее измерять расстояние между торцом оптического волокна и отражающей поверхностью с погрешностью не более ±50 нм в пределах от 30 до 250 мкм.
Схема установки, реализующей спектральный метод волоконно-оптической низкокогерентной интерферометрии, приведена на рис. 1. Она состоит из источника излучения, волоконно-оптической линии с разветвителем и спектрометра, содержащего отражательную дифракционную решетку (эшелет), объектив и п.з.с.-матрицу. Излучение широкополосного суперлюминесцентного светодиода 8ЬЭ471 в диапазоне длин волн ДХ = = 920—960 нм с центром на длине волны ~ 940 нм по оптическому волокну попадает на и.Ф.П., сформированный на торце волокна. Отраженный от и.Ф.П. сигнал через разветвитель подается на вход спектрометра. Спектрометр выполнен по автоколлимационной схеме, свет проходит через
Широкополосный оптический источник
Разветвитель
И.Ф.П.
П.з.с.- .
матрица
, Дифракционная решетка
Объектив
□
| Компьютер
1(Х) ~ /0ехр
2АХ2
1 - V008^),
X )
(1)
= 2п.
(2)
X т ^ т - 1
Отсюда выражение для базы и.Ф.П. d имеет вид:
Амплитуда, отн. ед 100 г
80
60 40 20
Рис. 1. Схема установки для измерения базы интерферометра Фабри—Перо и перемещений.
объектив дважды — туда и обратно, при этом отраженный от решетки спектр излучения 1-го порядка регистрируется п.з.с.-матрицей с числом пикселов 640 х 512. Фокусное расстояние объектива составляет 50 мм, светосила 2.8, диаметр аберрационного пятна =20 мкм. Дифракционная решетка представляет собой реплику на стекле, покрытую металлом. Размеры решетки 40 х 40 мм, 600 штрихов/мм. Эффективность решетки в 1-м порядке дифракции составляет =70%.
Известно [1, 2], что спектр имеет гауссово распределение, в данном случае с центром на Х0 = = 940 нм. Поэтому интенсивность отраженного сигнала будет описываться произведением функций отражения интерферометра Фабри—Перо и гауссовой функции источника, т.е. имеет вид:
(Х-Х о )2'
920 940 960 980 1000 Длина волны, нм
Рис. 2. Спектр интерферометра Фабри—Перо.
й =
X „X „
+ 1
X2
2(Xт + 1 - Xт)п 2ДХ'
при п = 1,
(3)
где 10 — мощность излучения на входе волоконного тракта; V — константа, характеризующая вид-ность интерференции и зависящая от величины потерь излучения и эффективности связи между и.Ф.П. и оптическим волокном; Х0 и АХ — соответственно центральная длина волны и ширина спектра излучения п — коэффициент пре-
ломления среды (для воздуха п = 1).
На рис. 2 в качестве иллюстрации приведен спектр отраженного сигнала от и.Ф.П., образованного торцами двух оптических волокон, расположенных на расстоянии d, равном =100 мкм, зарегистрированный п.з.с.-матрицей.
Как видно из формулы (1), максимумы в спектре отражения при фиксированном значении d находятся один от другого на расстояниях, определяемых из условий разности фаз:
4ппй 4ппй
фт - Фт - 1 = '
где АХ' = Хт +1 — Хт — расстояние между соседними максимумами.
Таким образом, для вычисления d необходимо определить длины волн, на которых располагаются максимумы (или минимумы) спектра отражения и.Ф.П. Точность измерения d и чувствительность метода в этом случае будут определяться точностью измерения Хт, т.е. спектральными характеристиками прибора, в том числе характеристиками п.з.с.-матрицы и отношением сигнал/шум.
Очевидно, что существуют ограничения для значений d, при которых спектральные характеристики прибора не будут влиять на точность измерений d. С одной стороны, спектральное разрешение дифракционной решетки прибора АХр в целом должно, по крайней мере, на порядок превышать область свободной дисперсии и.Ф.П. АХиФП . = Х2/2d, т.е. должно выполняться условие: АХр << АХиФП., где АХр = 0.2 нм — спектральное разрешение решетки (600 штрихов/мм). Отсюда получаем, что d должно быть много меньше 4400 мкм. Таким образом, верхний предел измеряемых значений баз и.Ф.П. определяется значением d = = 440 нм. С другой стороны, так как вычисление d с приемлемой точностью возможно только при достаточном числе максимумов, по крайней мере не менее двух, на спектральной кривой, то это накладывает предел на минимальные значения измеряемых d. В нашем случае оно составило примерно 20 мкм, при котором число максимумов на кривой было не менее четырех. Таким образом, можно утверждать, что в пределах 20—440 мкм характеристики прибора не будут влиять на точность измерения.
0
Волоконно-оптические
Рис. 3. Схема экспериментальной установки для тестирования датчика перемещений. ФПУ — фотоприемное устройство; АЦП — аналого-цифровой преобразователь.
Следует отметить, что верхний предел зависит от потерь в и.Ф.П. вследствие расходимости пучка излучения, поэтому он может быть ниже значения 440 мкм. В этих пределах основными факторами, ограничивающими точность измерения й, будут характеристики п.з.с.-матрицы, а именно, ее разрешающая способность и так называемый геометрический шум, возникающий вследствие различия геометрических размеров чувствительных элементов (пикселов) матрицы, различий в их чувствительности и величине темнового тока [8], а также неточностей в юстировке п.з.с.-матрицы относительно дифракционной решетки. Эти факторы влияют на точность измерения Хт и й, и поэтому необходимо проводить дополнительную калибровку п.з.с.-матрицы.
Опишем порядок вычисления й из спектральной кривой. При измерении базы и.Ф.П. й сигнал на выходе п.з.с.-матрицы (512 точек по числу рабочих пикселов, а также столбцов матрицы), пропорциональный 1(Х) (формула (1)), путем преобразования масштаба оси абсцисс преобразуется в периодический, представляющий собой синусоиду (косинусоиду): /(у) = /(X-1), где у = X— — волновое число. Преобразованный сигнал умножается на весовую функцию, имеющую максимум в центре и плавно спадающую к краям. Затем путем дискретного преобразования Фурье находится положение максимума спектра, вырезается его часть вблизи максимума и путем обратного дискретного преобразования Фурье восстанавливается профильтрованный сигнал.
Таким образом осуществляется фильтрация сигнала для того, чтобы более точно извлечь информацию о положениях максимумов на кривой. Далее, с помощью алгоритма поиска максимумов находятся последовательно расположенные максимумы на спектральной кривой, и по ним вычисляется значение d.
Как отмечалось выше, для снижения влияния геометрических шумов п.з.с.-матрицы на точность измерений кт необходимо установить степень соответствия каждого пиксела матрицы заданной длине волны кт, т.е. провести калибровку п.з.с.-матрицы. С этой целью зарегистрированная спектральная кривая сравнивалась с аналогичной кривой, полученной одновременно с помощью оптического спектроанализатора ANDO AQ-6315C со спектральным разрешением Ак = = 0.05 нм.
Сравнение полученных таким образом кривых и последующая обработка результатов позволили, в первом приближении, частично скомпенсировать влияние искажений оптической схемы (геометрических шумов), что обеспечило возможность измерять значения баз и.Ф.П. с погрешностью не более ±50 нм. Для экспериментального подтверждения погрешности измерений расстояний, пе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.