23.4 Волоконно-оптические датчики на основе микромеханических резонаторов, возбуждаемых светом.

В посл. годы широкое развитие получили работы по созданию нового класса ВОД на основе микромеханич. резонаторов с частотным кодированием вых. сигнала. Микрорезонатором (МР) чаще всего служит микромостик или микроконсоль, изгот. методом анизотропного травления в пластине из монокристалл. кремния. Под д. модулированного оптич. излучения в МР возбуждаются изгибные колебания, механизм такого возбуждения главным образом фототермичный. При поглощении пластиной МР оптического излуч. ее освещенная сторона ок-ся сильнее прогретой, что приводит к возникновению большого механич. напряжения, связанного с тем-ым расширением.

В пластине возникает изгибной момент сил, изменяющ. в фазе с оптическим излуч., кот. приводит к механич. колебаниям МР.

Внешнее возд. (давление, тем-ра, ускорение и т.п.) преобразуется во внутр. механич. напряжение МР, что приводит к изменению его собственной резон. частоты, определ. размерами МР и его физ. свойствами.

Качество чувствительного элемента (МР) опред. резонансная частота его собственных колебаний и добротность. Типичные значения собственных частот МР лежат в пределах 103…105 Гц.

Возбуждение МР осущ. модулированным оптическим излучением в режимах вынужденных и свободных колебаний.

Для возбуждения МР широко используются п/п-е лазеры и светодиоды с мощностью 1 мВт. В связи с малой амплитудой колебаний МР (менее 0,1 мкм) используют интерференционный съем информации. На рис. 3.6 изобр.схема ВОД на основе МР.

Когерентное излучение лазера вводиться в волоконный световод, по которому распр-ся, и в микрорезонатор. Выходной торец волокна и частично отражающая поверхность МР образуют интерферометр Фабри-Перо. При колебаниях пластины микрорезонатора излучение, отраж. интерферометром, оказывается промодулированным. Распространяясь обратно по волокну, часть его попадает на фотоприемник (ФП), далее информационный сигнал обраб-ся анализатором спектра.

На этом принципе был создан ВОД для измерения давления с высокой степенью точности (0,05%). Чувствит. элемент ВОД выполнен в виде расположенных в близости микромостика и микроконсоли, изгот. методом анизотр. травления в кремниевой мембране. Частоты собственных колебаний микромостика и микроконсоли сост. примерно 30 кГц и 190 кГц соответственно.

Дальнейшее развитие этого направления связано с созд. самовозбуждающихся микрорезонаторных датчиков на основе автоколебательной системы. Условия возникн. автомодуляции для системы ВОЛ–МРС с оптической связью через ИФП: 1) частота колебаний ВОЛ (или ее гармоник) близка к резонансной частоте МРС fр≈nfрел, где n=1,2,3…) 2) рабочая точка ИФП расположена на определенных ветвях интерферограммы, периодичных с периодом ИФП λ/2; 3) оптическая мощность, падающая на ИФП, превышает пороговое значение.

Представляется перспективным применение в микрорезонаторных ВОД автогенераторного типа волоконно-оптических лазеров (ВОЛ), облад. свойствами, позволяющих:

1) обеспечить эффективное оптическое согласование МР с ВОЛ, тем самым получить оптич. обратную связь между ними;

2) оптимизировать длину волны излучения λ, благодаря возможности значительной перестройки спектрального диапазона генерации ВОЛ;

3) в широких пределах изменять параметры лазера: выходная мощность излучения, частота релаксационных колебаний, длина волоконного резонатора ВОЛ (до 100 м более) и т.д.

Эти особенности приводят к новым свойствам систем типа ВОЛ–микрорезонатор, в частности возможность автоколебательного режима с резонансной частотой МР.