Микрорезонаторные волоконно-оптические датчики физических воздействий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ЧУРЕНКОВ Александр Владиславович

МИКРОРБЗОНАТОРНЫЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ФИЗИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ.

специальность 01.04.04-физическая электроника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1992

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени физико-техническом институте.

Научный рукозодатель: доктор физико-митекатичесхнх наук,

профессор Козел Станислав Миронович Научный консультант: кандидат физико-математических наук,

доцент Листвин Владимир Николаевич Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Защита состоится ЫОО. 1993 года в 15 часов 1и заседании

специализированного совета К.063.91.01 в Московском физико-техническом институте по адресу: М1700, г.Долгопруднын Московской области, Институтский переулок 9, МФТИ, гуд.204 НК

профессор Мазаньхо Игорь Павлович, доктор физико-математических наук, Свиридов Михаил Викторович

Ведущая организаций:

Институт радиотехники и электроники АН СССР

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского физико-технического института.

Ученый секретарь специализированного совета

Коновалов Н.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

11 ■ - * «

От,:>/. Актуальность работы. Создание оптических волокон с малым обусловило развитие нового класса датчиков физических воздействий - пассивных волоконно-оптических датчиков (ВОД). Чувствительные . элементы пассивных ВОД не содержат электронной схемы и работают лишь с оптическим сигналом, в силу чего они могут быть вынесены в зону повышенной агрессивности, радиактивности, взрывоопасное™ и сильных электро-магнит-ных помех, а их присутствие невозможно обнаружить по рассеиваемому электромагнитному излучению.

В разрабатьшавшхся до сих пор пассивных ЮД использовалась в основном аналоговая форма представления сигнала и, следовательно, такие датчики принципиально чувствительны к долговременным дрейфам параметров источника и приемника излучения, а также кратковременным флуктуациям потерь оптической мощности в волокне. Использование частоты в качестве информационного параметра позволяет, во-первых, передавать сигнал без искажений на большие расстояния и, во-вторых, преобразовывать его в цифровую форму наиболее простым способом.

Для частотного кодирования измеряемой величины используют механические микрорезонаторы, изготавливаемые, как правило, методом анизотропного травления из монокристаллического кремния (или кварца) и имеющие вид микробалки, закрепленной с обоих концов. Внешнее воздействие (например, давление) деформирует подложку микрорезонатора и через изменение внутреннего механического напряжения изменяет резонансную частоту изгибных колебаний, возбуждаемых оптически, главным образом, за счет фототермического эффекта.

Новые возможности для измерения физических воздействий,

изменяющих напряженность магнитного поля, открывает использование в качестве материала микрорезонаторов магнитно-мягких аморфных сплавов (ММАС). В этом случае микрорезонатор имеет вид консоли, закрепленной с одного конца, резонансная частота которой изменяется за счет дЕ-зффекта в ММАС и магнитоей-лового взаимодействия с магнитным полем. Помимо несвойственной кремниевым микроструктурам магниточувсгвительности, микрорезонаторы из ММАС потенциально обладают лучшей температурной стабильностью, так как они закреплены с одного конца и изменения температуры окружающей среды не преобразуются в изменения продольного механического напряжения.

Дальнейшее развитие рассматриваемого направления связано с созданием полностью пассивных мультиплексных схем датчиков, позволяющих объединить большое число чувствительных элементов в единую сеть. При этом встают проблемы увеличения эффективности оптического возбуждения колебаний, уменькения температурных дрейфов частоты и создания микрорезонаторов, самовоз-бувдающихся под действием немодулированного когерентного излучения. Решение названных проблем позволяет расчитывать на появление нового класса датчиков физических воздействий большой практической значимости.

Цель работы. Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное исследование физических принципов фототермического возбуждения и самовозбуждения микрорезонаторов, механизма преобразования внешних воздействий в частоту собственных колебаний микрорезонаторов из кремния и магнитно-мягких аморфных сплавов и исследование возможности создания на их основе пассивных датчиков физических воздействий с частотной формой представления выходного сигнала.

Научная новизна

1. Разработана теория фототермического возбуждения микрорезонаторов (в том числе и композитных микроструктур). Яа основе полученных аналитических зависимостей проведена оптимизация условий возбуждения и регистрации колебаний, проанализирована возможность миниатюризации микрореаонаторов.

2. Теоретически рассмотрен эффект самовозбуждения микрорезонаторов под действием (смодулированного когерентного излучения. Показано, что для возбуждения автоколебаний толщина пластики микрорезонатора должна бить меньше глубины затухания температурной волии. Полутени энергетические и фазовые условия самовозбуждения в мягком и жестком режимах.

3. Проанализированы физические принципы преобразования магнитного поля в изменение частоты собственных колебаний микрорезонаторов из ММАС. Теоретически описаны иагнитоупругий и магнитосиловой эффекты в микрорезонаторах иэ аморфных сплавов. Рассмотрено влияние отклонения направления магнитной анизотропии в ленте из ММАС нз величину д Е-эффекта.

4. Разработаны лабораторные макеты датчиков, с помощью которых исследовано преобразование магнитного поля и малых смещений постоянного магнита в частоту собственных колебаний микрорезонатора из ММАС. Измерения проведены как в , области магнитно-силового взаимодействия, так и в области дЕ-эффекта.

Практическая ценность

1. Разработана технология высокотемпературного отжига образцов с большим размагничивающим фактором.

2. Создана система возбуждения и регистрации колебаний микрорезонатора, не требующая активной стабилизации среднего расстояния между отражателями интерферометра.

3. Изготовлены лабораторные макеты волоконно-оптического

1/2

магнитометра с чувствительностью 60 нТл/С Гц) и датчика смешения с разрешением 0,2 мкм. Показана возможность использования микрорезонаторов из ММАС в шбрационно-струнных преобразователях и в качестве чувствительного элемента магнитно-силового микроскопа.

4. Получены расчетные формулы для амплитуды колебаний микрорезонаторов, энергетических условий их самовозбуждения, коэффициентов преобразования механического напряжения, температуры и магнитного поля в частоту генерации.

Защищаемые положения.

На основе исследований, выполненных ь диссертационной работе, на защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты теоретического и экспериментального исследования механизма фототермического - возбуждения механических микрорезонаторов.

2. Анализ эффекта самовозбуждения микрорезонаторов под действием немодулированного когерентного излучения.

3. Теоретическое и экспериментальное исследование физических принципов преобразования магнитного поля в изменение частоты собственных колебаний микрорезонаторов из ШАС.

Апробация работы. Материалы включенные в диссертецию докладывались на советско-американском семинаре ВНТОРЭС им. А. С. Попова-IEEE в ИРЭ АН СССР (Москва, 1989), на конференции "Быстродействующие элементы и устройства волоконно-оптических и лазерных информационных систем"

(Севастополь, 1990), на международной конференции 15Г0С-91 (Ленинград, 1991), на первой всесоюзной конференции 'Чизика и конверсия" (Калининград, 1991), были представлены на-международной конференции 1С0-15 (Гармиш-Партенкирхен, 1990), а также на конференциях М1ГИ (1989-1991), семинарах ИРЭ АН СССР и ФГИ АН СССР.

По приглашению председателя международной конференции по волоконно-оптическим датчикам 0Р5(С)'91 (Духан, Китай, 1991) профессора Б. Калшоу была подготовлена статья обзорного характера, опубликованная в специальном томе трудов конференции.

Содержание работы

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литеретуры. Работа содержит Ц8 страниц текста и 35 рисунков. Список цитируемой литературы включает 99 наименований.

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована основная цель исследований. Кратко издожно содеркание материала по главам.

В первой главе дан обзор литературы, посвященной микрорезонаторным датчикам физических воздействий. Отмечено, что наиболее эффективный механизм фототермического преобразования рассматривался ранее лишь для микрорезонаторов без покрытия, в то время как больпенство экспериментальных работ было посвящено композитным резонансным структурам, допускающим миниатюризацию. Проанализированы методы возбуждения изгибных колебаний микрорезонаторов модулированным

оптическим излучением и способы их регистрации. Рассмотрены принципы мультиплексирования микрорезонаторных ЮЛ.

В заключение первой главы рассмотрены основные типы микрореэонаторов и области применения микрорезонаторных ВОД. Особое внимание уделено ммкрореэонаторам на основе ММАС, открывающим новые возможности для пассивной регистрации физических воздействий, иэменявдих напряженность магнитного поля. Показана обширная практическая потребность в создании пассивных дачиков физических воздействий с частотной формой представления выходного сигнала и необходимость исследования физических принципов фототермического возбуждения и самовозбуждения микрореэонаторов, преобразования внешних воздействий в частоту генерации.

Во второй главе диссертации теоретически рассмотрен механизм возбуждения иэгибных колебаний микрорезонатора модулированным оптическим излучением, эффект самовозбуждения колебаний за счет интерферометрической обратной связи, а также принципы преобразования физических воздействий в смещение частоты генерации.

В работе проанализирован механизм фототермического возбуждения колебаний резонатора в форме балга. прямоугольного сечения длиной I , шириной <Х , толщиной <£ , закрепленной с обоих концов и освещаемой в центре модулированным оптическим излучением (рис.1). Поглощаемая оптическая мощность вызывает возбуждение в материале микрорезонатора температурной волны, затухающей в е раз на расстоянии 8 от освещаемой поверхности. С температурной волной связана волна механических напряжений ¿(г), приводящая к возбуждению изгибных колебаний

микрорезонатора. В общем случае проекции !урье термоупругой возмущающей силы па основную моду изгибних колебаний Р (х) может бить записана как

Ф =

(1)

4>г(х) ¿х "о

Если $ мало по сравнению с толщиной микрореэонатора с£ и размером освещаемой поверхности, то переменная составляющая теплового потока направлена в основном вглубь резонатора. В этом приближении амплитуда колебаний центрального участка резонатора у, (и представима в виде следующего аналитического выражения

ас!3 95Со Г (^8)= 0,0855

(2)

¿ 1-ска+С) ¿/В

1 +

где <3- добротность резонатора,

коэффициент

температурного расширения (КТР) резонатора, С0 - скорость звука, $ - плотность, Б - теплоемкость, Р„- средняя мощность поглощаемого оптического излучения.

При увеличении отношения (1/6 модуль функции Р(с1/6 ) увеличивается от 0 до максимальной величины и, поэтому, для эффективного возбуждения микрорезонатора необходимо выполнение неравенства 8 << (1. С другой стороны при фиксированном значении <1/6 жесткость пластины резонатора на изгиб изменяется ~ и, поэтому, миниатюризация микрорезонаторов сталкивается с проблемой уменьшения амплитуды возбуждаемых колебаний и ухудшения отношения сигнал/шум. 1Ь этой причине

микрорезонаторы, изготавливаемые анизотропным травлением из монокристаллического кремния н прикрепляемые непосредственно на торец волоконного • световода, имеют обычно 8» d й для увеличения эффективности фототермического возбуждения покрываются слоем металла. Амплитуда колебаний центрального участка микрорезонатора описывается в этом случае следующим выражением

*„«,= 0,0835 P,,a(il) Ь COS Bt с®

где и En-КТР и модуль Юнга покрытия соответственно, h-толшина покрытия. Как видно из (3), амплитуда колебаний возрастает линейно с увеличением толщины покрытия.

В работе отмечаеся, что наличие металлического покрытия ухудшает точность измерений, так как изменения температуры окружающей среды, а также разогрев шкрорезонатора оптическим излучением, вызывают избыточное механическое напряжение в покрытии, что приводит к смещению частоты собственных колебания резонатора Проблема влияния температуры на частоту ' генерации в значительной степени отсутствует, если микрорезонатор имеет вид консоли, закрепленной с одного конца Дополнительное преимущество такого резонатора состоит в более высокой эффективности фототермического возбуждения. Как показано в настоящей работе, амплитуда колебаний пропорциональна кривизне изгиба микрорезонатора в месте его оптического возбуждения. Для консольно закрепленного резонатора оптимальная точка возбуждения находится вблизи его основания. При этом амплитуда колебаний свободного конца оказывается приблизительно на два порядка больше амплитуды

колебаний резонатора, закрепленного с обоих концов и возбуждаемого в центре.

При использовании микрорезонатора в виде балки, закрепленной с одного конца, возникает, однако, проблема преобразования внешнего воздействия в смещение резонансной частоты. Новый подход к решению этой проблемы состоит в использовании ММАС в качестве материала микрорезонаторов. Решение уравнения колебаний для ферромагнитной балки,- закрепленной с одного конца и помещённой в продольное магнитное поле, дает в первом приближении следующую зависимость резонансной частоты Г от напряженности магнитного поля Н

где Ен- зависящий от напряженности магнитного поля модуль упругости ММАС, М& -намагниченность насыщения. В магнитных полях с напряженностью много большей, чем поле анизотропии образца Н», ферромагнитный материал резонатора находится в насыщенном состоянии и частота резонансных колебаний изменяется, главным образом, благодаря магнитно-силовому взаимодействию намагниченного торца консоли с полем. Если же напряжённость магнитного поля меньше поля анизотропии, то магнитосиловой эффект мал, и частота собственых колебаний микрорезонатора смещается за счет изменения модуля упругости ММАС.

Использовавшийся в работе микрореэонатор представлял собой закрепленную с одного конца консоль из ММАС Ге80В(АЗцС2. Для его обработки, обеспечивающей улучшение магнитомеханических свойств, била разработана технология высокотемпературного отжига, при котором из-за двухосных сжимающих механических

напряжений, возникающих при частичной кристаллизации материала, индуцируется -ось легкого намагничения (ОЛН), перпендикулярная плоскости ленты и, следовательно, её главной (продольной) оси.

Далее во .второй главе рассмотрена теория дЕ- аффекта для ленточных образцов ШАС с произвольным направлением магнитной анизотропии. В результате численного расчета из минимума термодинамического потенциала системы получена зависимость модуля упругости Е от напряженности магнитного поля Н для образцов с ОЛИ, отклоненной на 10° от направления, перпендикулярного главной оси ленты. Именно такое отклонение ОЛН наблюдалось в предшествующих работах, посвященных ШАС на основе Ре-В-31-С. Теоретические результаты, полученные в данной главе, сопоставлении с экспериментальной зависимостью Е(Н) (рис.?.). Показано, что учет отклонении ОЛН позволяет получить лучшее согласование с экспериментальными результатами по сравнению с идеальной теоретической моделью строго перпендикулярной ориентации ОЛН и глаьиой оси дети (модель Ливингстона).

Во второй главе рассматриваются также механизмы фототермического самовозбуждения микрорезонаторов за счет интерферо-метрической обратной связи. Показано, что для выполнения фазовых условий воабувдения автоколебаний необходимо, чтобы толщина пластины микрореэонатора была меньше глубины затухания температурной волны. Получены энергетические условия самовозбуждения. Для микрорезонатора, работающего в мягком режиме возбуждения, такое условие записывается следующим образом

(5)

Г'< таос £ (гг0)пи ^(п*)

> л л9 & 1д к Л_

у -ОуЭС я 95Со ^ ас(3 -(-СГГо^1 Го4-

В неравенстве (5) г и г0-амплитудные кооМициеиты отражения поверхности микроре;юнатора и торца снетоиода соответственно, Л - длина волны света, У -13Ту0/Л- Впервые рассмотрен механизм параметрического . обсуждения автоколебаний микрорезонаторов немодулироьанним когерентным излучением. Показано, что ьоэбулденно и поддир,такие незатухамцлх параметрических автоколебаний представляет существенно более сложную задачу чем в случае возбуждении резонатора под действием термоупругого изгибающего момента Кроме того возбуждение колебаний происходит в жестком режиме.

В заключение главы рассмотрено влияние таких воздействий как температура и механическое напряжение на частоту резонансных колебаний. Показано, что фундаментальной причиной, ограничивающей пороговую чувствительность микрорезонаторных ВОД. являются тепловые колебания резонансного элемента

В третьей- главе диссертации приведены экспериментальные результаты по возбувдению и регистрации колебаний микрорезонаторов модулированным оптическим излучением, исследуется эфрект самовозбуждения, описывается конструкция системы автоподстройки частота колебаний.

Изгибные колебания микрорезонаторов возбуждались в а счйт фзтотермического эффекта промодулированным по интенсивности излучением лазерного диода 1, подводимым с помощью многомодоеого световода 2 к центральной части консоли 3

(рис.3). Колебания регистрировались бесконтактным способом с помощью интерферометра «Хибри-Перо низкого контраста, зеркалами которого являются торец- одномодового волоконного световода и поверхность консоли. При колебаниях консоли модулируется оптическая разность хода интерферирующих лучей и, соответственно, модулируется отражённая от интерферометра интенсивность излучения лазерного диода 4. Распространяясь обратно по одномодовому волоконному световоду 5,' часть излучения через ответвитель 6 поступает на фотодиод. 7. Каналы возбуждения и считывания колебаний были замкнуты через петлю фазовой автоподстройки частоты (йАГГЧ), и в микрорезонаторе, таким образом, возбуждались колебания на его резонансной частоте.

Интерференционный метод регистрации колебаний микрорезонатора обладает более высокой чувствительностью по сравнению с амплитудным методом, что позволяет использовать для возбуждения колебаний микрорезонатора источники излучения с относительно малой мощностью 1мВт. Однако при этом возникают проблемы, связанные с тем, что в пассивном датчике нельзя применять активную систему стабилизации фазового набега в интерферометре, и, следовательно, расстояние между отражателями интерферометра может изменяться под действием факторов окружающей среды. При изменении расстояния между отражателями первая гармоника продетектированного сигнала изменяется как по фазе, так и по амплитуде, исчезая в некоторых точка полностью и изменяясь по фазе на 7Г . Поэтому, фазовый компаратор системы ФАПЧ содержал два канала, работающих на частоте модуляции и на ее удвоенной частоте, а также производил автоматическое инвертирование фазы опорного сигнала.

при которой в образце аа счет двухосных сжимающих механических напряжений, возникающих при частичной кристаллизации материала, индуцируется ось легкого намагничивания, перпендикулярная плоскости ленты.

5. Созданы ■ лабораторные макеты волоконно-оптического

4/2

магнитометра с чувствительностью 60 нТл/(Гц) и датчика смещения с разрешением 0,2 мкм. Оба датчика имели выходной сигнал в частотной форме, а их ^встпительные элементы не содержали компонент электронных схем, т. е. были полностью пассивными.

Основные результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Козел С. (А, Листвин Е Н., Чуренков А. В., Фототермическое самовозбуждение механических микрорезонаторов, Тезисы конференции "Быстродействующие элементы и устройства волоконно-оптических и лазерных информационных систем", Севастололь-1990, стр. 101

2. Козел С. М., Листвин КН., Чуренков А. В,, Волоконно-оптический датчик магнитного пом с механическим ферромагнитным микрорезонатором, Тезисы конференции "Быстродействующие элементы и устройства волоконно-оптических и лазерных информационных систем", Севастополь- 1990, стр.100

3. Листвин а Н., Александров А. Ю. , Козел С. М., Чуренков А. В. Волоконно-оптический датчик магнитного поля с микромеханическим ферромагнитным резонатором. Письма в ЖТФ, 1990, т. 16, вып. 15, с. 36-39

4. Листвин В. II , Чуренкоа А. В. , Юшкайтис Р. В., Мультиплексный интерференционный волоконно-оптический датчик темпера-

fypu, "Лазерная интерферометрия" (Междуведомственный сборник трудов), ШГИ-1989, с. 101-109

б. Churenkov А. V. , Kosel S. М., Listvin V. N., Phototherml self-excitation of the micromashined resonators, Conference proceedings IC0-15 on "Optics in Complex Systems", Garmish-Partenkircheri, Eavaria, August 5-10, 1990. SPIE code Nos. 1319 168.

6. Alexandrov A. J. , Churenkov A. V. , Listvin V. N. , The fibre-optio sensor of the magnetic field, Conference proceedings IC0-15 on "Optics in Complex Sy^tents", Garmish-Partenkircheri, Bavaria, August 5-10, 1990, SPIE code

Nos. 1319 169.

7. Козел С. M., Яиствин Е Е , Чуренков А. В. СЕототермическое самовозбуждение механических ыикрорезонаторов, Оптика и спектроскопия, 1990, т. 69, вып. 3, стр. 679-681

8. Churenkov Л. V. , Kosel S. М. , Listvin V.N;, Passive frequency-out fibre-optic ir&gnetoimter, First International Soviet Fibre Optics Conference (1SF0C-91), Leningrad, March 2529, 1991, v. 1, pp. 319-321

9. Листвин E H., Александров А. Ю., Козел С. k., Чуренков А. В., Инфранизкочастотный волоконно-оптический магнитометр, 1 Всесоюзная конференция 'Чизика и конверсия", с. 132-134, Калининград-1991

10. Churenkov А. V. , Kosel S.'kt, Listvin V. N. Photothermal excitation of autooscillations in the mloromachined resonators, Soviet Lightwave Comunicat ions, , 1991, v. 1, No. 3

11. Залогия A. tt , Козел С. , Листвин E а .Чуренков А. В., Пассивный волоконно-оптический датчик магнитного поля с частот-

Рие.1. Механический микрорезонатор. 1-волоконныЯ световод, 2-резонансный элемент, 3-подложка.

Рис.2. Зависимость модуля упругости ленты из ММАС от напряжённости магнитного поля. I-модель строго перпендикулярноЯ ориентации ОЛН по отношению к направлению магнитного поля, 2-реэуль-таты численных расчётов для случая отклонённой ОЛН =10°), 3-экспериментальные результаты.

Л

з

и

о

Рис-3.-- Схема Установки по возбуждению и регистрации'колебаний микрореэонаторов.

Рис-4:. Схема Установки для исследования самовозбуждения резонаторов. 1-резонатор, 2-стационарное зеркало, 3-линза, 4-фотодиод, 5-делитель луча.

- 23 -

ныы выходом, Письма в ЖГФ, 1991, т. 17, вып. 4, с. 32-35

12. Козел С. М., Листйин В. Н., Чурешсов А. Е , Волоконно-оптический магнитно-силовой микроскоп. Письма в НТО, 1991, т. 17, выя. б, с. 39-41

13. Козел С. и, Листвии Е11, Чуренков А. В., Пассивный волоконно-оптический датчик смещения с микрорезокатором из магнитомягкого аморфного сплава. Радиотехника и электроника, 1991, т. 36. N.12, с. 2385-2330

14. Козел С. М., Листвии & II, Чуренков А. В, , Оптическое возбуждение механических микрорезонаторов, Письма в &Т0, 1901, т. 17, вып. 22, с. 54-66

15. Чуренков А. Е , йототермическое возбуждение механических микрорезонаторов модулированным оптическим излучением. Оптика и спектроскопия, 1992, т. 72

Типография МФТИ, £ .С/. 92, Заказ N ///«2Л тираж 100 зко.