Мах

Dec 10, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 12130 (2022) Цитировать эту статью

2111 Доступов

2 цитаты

23 Альтметрика

Подробности о метриках

Экспериментально продемонстрирован новый тип интерферометрического волоконного датчика на основе гибридной схемы Маха-Цендера-Фабри-Перо. Интерферометр сочетает в себе преимущества двухлучевой конфигурации и оптического резонатора, что обеспечивает рекордно высокое разрешение по деформации и фазе, ограниченное только собственным тепловым шумом в оптических волокнах в широком диапазоне частот. Используя только стандартные компоненты, датчик способен достигать разрешения по деформации с ограниченным шумом 40 f\(\varepsilon \)/\(\sqrt{(}Гц)\) при 10 Гц и 1 f\(\ варепсилон \)/\(\sqrt{(}Гц)\) при 100 кГц. Считается, что при правильном масштабировании разрешение атто-деформации в таких интерферометрах находится в пределах досягаемости в ультразвуковом диапазоне частот.

В последние годы волоконно-оптические интерферометры вызвали огромный интерес благодаря их потенциальному применению в оптическом зондировании1, волоконно-оптической связи2, оптических вычислениях3 и биомедицинской визуализации4,5. Пассивные интерферометрические волоконные датчики (IFS), в частности, способны достигать чрезвычайно высокого разрешения сигнала, что делает их особенно подходящими для разработки сверхчувствительных оптических датчиков6,7,8,9. По сути, все IFS построены на одном и том же принципе работы, т.е. на исследовании оптических флуктуаций фазы/частоты, вызванных внешними измеряемыми величинами (например, деформацией, температурой, давлением и т. д.), посредством оптических помех1. Чтобы оптимизировать способность IFS разрешать малые сигналы, необходимо: i) максимизировать реакцию датчика на внешние возмущения (т. е. чувствительность) и ii) минимизировать нежелательный шум.

Первую цель можно решить, используя интерферометрические схемы с четкой фазовой/частотной дискриминацией. За прошедшие годы было продемонстрировано несколько сверхчувствительных методов IFS, в том числе \(\pi \)-волоконные брэгговские решетки с фазовым сдвигом (\(\pi \)-FBG)10,11,12,13, ВБР медленного света14, 15,16,17 и длинноволоконные интерферометры Фабри-Перо18,19,20,21,22,23. Между тем, значительные усилия также были направлены на снижение шума. Поскольку шум опрашивающего лазера обычно доминирует в схеме пассивной IFS, большая часть недавних исследований была сосредоточена либо на разработке новых малошумящих лазеров24, либо на совершенствовании методов лазерной стабилизации25.

Однако в конечном итоге разрешение IFS ограничивается собственным тепловым шумом оптических волокон. В волокнах существует два типа тепловых шумов. Термодинамический шум (также известный как термопроводящий шум), который имеет быстрый спад на высоких частотах, обычно доминирует на частотах выше 100 Гц26,27. Термомеханический шум, имеющий спектральную характеристику 1/f, является преобладающим механизмом на низких частотах (например, < 10 Гц)28,29.

Достижение оптоволоконного зондирования с ограничением теплового шума одновременно и привлекательно, и сложно: привлекательно, потому что оно представляет максимальную разрешающую способность, которую может достичь датчик; Это сложная задача, поскольку для достижения минимального теплового шума требуется, чтобы сенсорная система имела как чрезвычайно высокую чувствительность, так и очень низкий системный шум30,31,32. За последние три десятилетия продолжались усилия по разработке оптоволоконных датчиков, которые могут работать на уровне теплового шума1,33,34,35,36,37,38. Обычно для достижения этой цели используются два различных подхода: i) частотная селективность и ii) фазовая селективность. В схеме частотной дискриминации оптический резонатор, такой как волоконная брэгговская решетка (ВБР)37 или волоконный интерферометр Фабри-Перо (FFPI)38, используется для создания резкой спектральной особенности (т.е. резонансного пика), которую можно использовать как высокочувствительный дискриминатор оптических частот. Преимущество этого подхода заключается в том, что сам датчик может быть очень компактным, обычно порядка метра или меньше. Однако недостатком является их неспособность отличить сигнал датчика от лазерного шума, что часто делает опрашивающий лазер наибольшей помехой для общего разрешения датчика39. В результате, чтобы добиться работы с ограничением теплового шума с помощью схемы частотной дискриминации, необходимо использовать либо сверхмалошумящий лазер37, либо сложную систему лазерной стабилизации частоты30,38. Между тем, схема фазовой дискриминации использует фазовую чувствительность традиционного двухлучевого интерферометра, такого как Майкельсон36, Маха-Цендер35 или конфигурация Саньяка33. Он предъявляет гораздо меньшие требования к опрашивающему лазеру, поскольку фазовый/частотный шум лазера в этих интерферометрах представляет собой синфазный шум. С другой стороны, датчики фазовой дискриминации часто бывают довольно громоздкими: длина плеча значительно превышает десятки или даже сотни метров, что позволяет им достичь достаточной фазовой чувствительности35,36. Их не только сложно упаковать, но и они очень чувствительны к колебаниям окружающей среды.