Разработка и исследование волоконно-оптического датчика температуры на основе интерферометра Фабри–Перо, полученного методом сварки оптических волокон

Коннов Д.А., Казачкова И.Д., Савин В.В., Волошина А.Л., Коннов К.А., Плотников М.Ю., Варжель С.В.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Коннов Д.А., Казачкова И.Д., Савин В.В., Волошина А.Л., Коннов К.А., Плотников М.Ю., Варжель С.В. Разработка и исследование волоконно-оптического датчика температуры на основе интерферометра Фабри–Перо, полученного методом сварки оптических волокон // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 9. С. 64–72. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-09-64-72

Konnov D.A., Kazachkova I.D., Savin V.V., Voloshina A.L., Konnov K.A., Plotnikov M.Y., Varzhel S.V. Development and study of a fiber-optic temperature sensor based on a Fabry–Perot interferometer obtained by welding optical fibers [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 9. P. 64–72. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-09-64-72

Ссылка на англоязычную версию:

D. A. Konnov, I. D. Kazachkova, V. V. Savin, A. L. Voloshina, K. A. Konnov, M. Y. Plotnikov, and S. V. Varzhel, "Development and studies of a fiber-optic temperature sensor based on a Fabry–Perot interferometer obtained by welding optical fibers," Journal of Optical Technology. 90(9), 528-532 (2023). https://doi.org/10.1364/JOT.90.000528

Аннотация:

Предмет исследования. Волоконно-оптический датчик температуры на основе интерферометра Фабри–Перо, полученного методом сварки оптических волокон. Цель работы. Разработка и исследование датчика температуры на основе волоконно-оптического интерферометра Фабри–Перо, полученного методом дуговой сварки, и проведение его температурного исследования. Метод. Конструкция датчика температуры реализована на основе интерферометра Фабри–Перо, полученного методом сварки оптических волокон, отражающими зеркалами которого являются слои тонких пленок диоксида титана. Способ опроса интерферометра основан на применении вертикально-излучающего лазера, работающего в режиме импульсной генерации. Принцип регистрации сдвига фазы между излучением, отраженным от зеркал интерферометра при изменении температуры, базируется на вспомогательной модуляции длины волны излучения лазера за счет периодического изменения длительности импульсов. Основные результаты. В ходе температурного исследования разработанного датчика получены фазовые характеристики интерферометра Фабри–Перо в диапазоне температур от +20 до +380 °С. Зарегистрирован сдвиг рабочей точки при изменении температуры окружающей среды. По результатам эксперимента сделан вывод, что повышение температуры окружающей среды приводит к увеличению разности фаз между излучением, отраженным от первого и второго зеркал интерферометра. Показано, что фазовая чувствительность к изменению температуры составляет 0,96, 1,68 и 2,35 рад/°С при расстояниях между зеркалами в 5, 8 и 11 мм соответственно. Практическая значимость. Предложенный метод изготовления интерферометра Фабри–Перо создает широкие возможности для формирования резонаторов различной длины, а также позволяет исключить применение дополнительных материалов в его конструкции. Благодаря этому интерферометр имеет малые массогабаритные параметры, что дает возможность использовать его в широком спектре прикладных задач, в том числе в качестве чувствительного элемента датчика температуры. Используемый в работе способ опроса датчика позволяет не применять дорогостоящие спектральные измерительные приборы (анализаторы оптического спектра, интеррогаторы).

Ключевые слова:

интерферометр Фабри–Перо, датчик температуры, фазовая чувствительность, сдвиг фазы, чувствительность интерферометра

Коды OCIS: 120.2230, 050.2230

Список источников:

1. Villatoro J., Finazzi V., Coviello G., et al. Photonic crystal fiber enabled micro Fabry–Perot interferometer // Opt. Lett. 2009. V. 34. № 16. P. 2441–2443. https://doi.org/10.1364/OL.34.002441

2. Ferreira M.S., Bierlich J., Kobelke J., et al. Towards the control of highly sensitive Fabry–Perot strain sensor based on hollow-core ring photonic crystal fiber // Opt. Exp. 2012. V. 20. № 20. P. 21946–21952. https://doi.org/10.1364/OE.20.021946

3. Favero F.C., Araujo L., Bouwmans G., et al. Spheroidal Fabry–Perot microcavities in optical fibers for high-sensitivity sensing // Opt. Exp. 2012. V. 20. № 7. P. 7112–7118. https://doi.org/10.1364/OE.20.007112

4. Wei T., Han Y.K., Tsai H.L., et al. Miniaturized fiber inline Fabry–Perot interferometer fabricated with a femtosecond laser // Opt. Lett. 2008. V. 33. № 6. P. 536–538. https://doi.org/10.1364/OL.33.000536

5. Duan D.W., Rao Y., Hou Y.-S., et al. Microbubble based fiber-optic Fabry–Perot interferometer formed by fusion splicing single-mode fibers for strain measurement // Appl. Opt. 2012. V. 51. № 8. P. 1033–1036. https://doi.org/10.1364/AO.51.001033

6. Machavaram V.R., Badcock R.A., Fernando G.F. Fabrication of intrinsic fiber Fabry–Perot sensors in silica fibres using hydrofluoric acid etching // Sens. Actuator A Phys. 2007. V. 138. № 1. P. 248–260. https://doi.org/10.1016/j.sna.2007.04.007

7. Liu S., Wang Y., Liao C., et al. High-sensitivity strain sensor based on in-fiber improved Fabry–Perot interferometer // Opt. Lett. 2014. V. 39. № 7. P. 2121–2124. https://doi.org/10.1364/OL.39.002121

8. Egorova O.N., Semjonov S.L., Medvedkov O.I., et al. High-beam quality, high-efficiency laser based on fiber with heavily Yb³⁺-doped phosphate core and silica cladding // Opt. Lett. 2015. V. 40. № 16. P. 3762–3765. https://doi.org/10.1364/OL.40.003762

9. Zhang Q., Fan Z., Zhang J., et al. Ultrashort all-fiber Fabry–Perot interferometer fabricated by a CO₂ laser // Appl. Opt. 2020. V. 59. № 28. P. 8959–8963. https://doi.org/10.1364/AO.402999

10. Wang B., Niu Y., Zheng S., et al. A high temperature sensor based on sapphire fiber Fabry–Perot interferometer // IEEE Photon. Technol. Lett. 2020. V. 32. № 2. P. 89–92. https://doi.org/10.1109/LPT.2019.2957917

11. Shangguan C., Dong M., Lu L. All-fiber temperature sensor based on Fabry–Perot interferometer // Appl. Optics and Photonics. Conf. Optical Sensing and Imaging Technology. Beijing, China. July 23–25, 2021.

12. Egorova O.N., Vasil’ev S.A., Likhachev I.G., et al. A Fabry–Perot interferometer formed in the core of a composite optical fiber heavily doped with phosphorus oxide // Quantum Elec. (Woodbury). 2019. V. 49. № 12. P. 1140–1144. https://doi.org/10.1070/QEL17133

13. Тертышник А.Д., Волков П.В., Горюнов А.В. и др. Волоконно-оптический интерференционный датчик температуры // Патент РФ № 2466366C1. Бюл. 2012. № 31.

14. Моор Я.Д., Коннов К.А., Плотников М.Ю. и др. Высокоточный волоконно-оптический датчик температуры на основе интерферометра Фабри–Перо с отражающими тонкопленочными многослойными структурами // Научно-техн. вест. ин-форм. технол., механики и оптики. 2022. Т. 22. № 3. С. 442–449. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2022-22-3-442-449.

15. Плотников М.Ю. Волоконно-оптический гидрофон // Дисс. канд. техн. наук. Университет ИТМО, Санкт-Петербург. 2014. 155 с.