• Распределенные волоконно-оптические датчики на основе когерентной волоконно-оптической интерферометрии
  
  

  Метод когерентной (фазовой) волоконно-оптической интерферометрии является основой для создания распределенных волоконно-оптических датчиков физических величин. Современные распределенные волоконно-оптические датчики на основе этого метода способны с высокой чувствительностью измерять деформации оптических волокон и скорости излучения этих деформаций под воздействием окружающей среды, что в свою очередь позволяет с высоким пространственным разрешением и чувствительностью измерить и контролировать степень возмущений этой среды на достаточно больших расстояний.

• Лазерная оптомеханика

  Руководитель направления Егоров Федор Андреевич вед. науч. сотр., д-р физ.-мат. наук эл. почта: [email protected]

  
  

  Новое научно-техническое направление, сформировавшееся на стыке лазерной физики, микрооптомеханики, волоконной и интегральной оптики, связанное с исследованиями взаимодействия лазерного излучения с оптомеханическими микроосцилляторами (ОМО) на основе полупроводниковых структур с микронными масштабами размеров и волоконных микро-(нано) световодов. Лазерное возбуждение мод упругих колебаний ОМО открывает новые, уникальные возможности для управления характеристиками световой волны (амплитуды, частоты, фазы, состояния поляризации, направления волнового вектора и др.), которые могут найти применение в таких областях как информатика, квантовая макрофизика и оптика, физическое материаловедение, особенно при исследованиях свойств микро-(нано)объектов и низкоразмерных структур. В настоящее время проводятся исследования особенностей динамики волоконных лазеров с внутрирезонаторными ОМО; методов бесконтактного возбуждения мод упругих колебаний ансамблей микроосцилляторов; влияния интенсивного лазерного излучения на параметры мод собственных упругих колебаний ОМО на основе волоконных микро-(нано)световодов, которые направлены на разработку новых методов управления характеристиками лазерного излучения: создание волоконно-оптических датчиков с частотным выходом и контрольно-измерительных систем на их основе.

• Развитие метода спектральной волоконно-оптической низкокогерентной интерферометрии с целью создания микроминиатюрных волоконно-оптических датчиков физических величин
  
  

  Метод спектральной волоконно-оптической низкокогерентной интерферометрии (ВОНКИ) является одним из практичных и перспективных решений проблемы дистанционных измерений абсолютных оптических путей. К основным достоинствам относятся достаточно высокая точность, дистанционность и высокое пространственное разрешение. Метод ВОНКИ основан на измерении автокорреляционной функции зондирующего излучения после его взаимодействия с образцом (чувствительным элементом датчика) и последующей обработки спектров.
  На основе этого метода в лаборатории реализованы ВОД абсолютных расстояний с погрешностью ~нм (между торцом волокна и отраженной поверхностью) и ВОД температуры на основе кремниевого резонатора Фабри-Перо, оптическая толщина (база) изменяется при изменении температуры. На рисунке 1 приведена схема такого датчика.

  

  Рисунок 1. Схема измерения температуры кремниевого интерферометра Фабри–Перо.

  Спектры отражения микрорезонатора Фабри-Перо зависят от оптической толщины пластины (оптические пути в резонаторе), в свою очередь зависящей от температыры вследствие температурной зависимости коэффициента преломления кремния.

  

  Рисунок 2. Спектры отражения SLD-471 (1) и кремниевой пластины (2, 3), полученные при температурах 293°К (2) и 246°К (3).

  По этим спектрам путем соответствующей их обработке вычисляется оптическая толщина микрорезонатора и ее зависимости от температуры.

  

  Рисунок 3. Зависимости коэффициента преломления кремния и базы И.Ф.П. от температуры.

• Разработан общий методологический подход к описанию интерференционных эффектов и шумовых флюктуаций интенсивности возникающих при рэлеевском рассеянии когерентного излучения в одномодовом оптическом волокне на основе статического анализа волоконного интерферометра рассеянного излучения, представляющего собой отрезок волокна, в котором происходит многомодовая интерференция обратно рассеянного измерения со случайными полями и фазами. На основании этого подхода решена задача о предельной чувствительности когерентного рефлектометра.
  Теоретически и экспериментально исследовано влияние нелинейности отклика, а также схемы позволяющие исключать замирания сигнала в линии. Разработаны и реализованы новые алгоритмы демодуляции обратно-рассеянного излучения. Предложен и испытан ряд распределенных датчиков на основе когерентного (фазового) рефлектометра.

  

  Схема распределенного волоконно-оптического датчика на основе когерентного фазового рефлектометра для геологических исследований и сейсмологии. 1– п/п лазер с распределенной обратной связью; 2 – волоконный эрбиевый усилитель; 3, 11 – циркулятор; 4 – разветвитель 3×3; 5 – отрезок волокна, на котором регистрируется изменение фазы (gauge length); 6 – оконечная нагрузка; 7 – Фарадеевские зеркала; 8 – линии задержки; 9 – переменный аттенюатор; 10 – эрбиевый усилитель; 11 –фотодетектор; 12 – блок обработки; 13 – волоконный тракт

  

  Сигнал обратного рэлеевского рассеяния когерентного рефлектометра в распределенном датчике.

  

  Регистрация акустических волн, возбужденных в грунте при падении тяжелого груза

  

  Отклик датчика в координатах пространство- время при регистрации сигнала на одной частоте (а) и при усреднении на 16 частотах (в).

  

  Отклик датчика в одном единичном пространственном канале на 16 частотах с ясно видимыми фазовыми скачками (серые линии) и усредненный отклик датчика (красная линия) фазовые скачки исчезают после усреднения.

  

  Схема эксперимента в скважине вертикального морского бурения в море Лаптевых. 1 – буровая платформа; 2 – электрический разрядник; 3 – обсадная труба; 4 – волоконный кабель.

  

  Результат, полученный с датчиком в скважине вертикального морского бурения при усреднении по 3600 выборок.

  Публикации:
  
  • Boris G. Gorshkov, Alexey E. Alekseev, Denis E. Simikin, Mikhail A. Taranov, Konstantin M. Zhukov and Vladimir T. Potapov A Cost-Effective Distributed Acoustic Sensor for Engineering Geology – 2022 – Sensors – V.22 – №23 – Р.9482
  • Д. Е. Симикин, А. Э. Алексеев, Б. Г. Горшков, В. Т. Потапов, М. А. Таранов Улучшение линейности отклика фазового волоконного рефлектометра с помощью усреднения откликов по множеству волокон в волоконном кабеле – 2022 – Квантовая электроника – V. 52 – №7 – С 625–630
  • A. E. Alekseev, B. G. Gorshkov, V. T. Potapov, M. A. Taranov, and D. E. Simikin Random jumps in the phase-OTDR response – 2022 – Applied Optics – V.61 – №1 – pp. 231-240
  • A E Alekseev, B G Gorshkov, A V Bashaev, V T Potapov, M A Taranov and D E Simikin Kalman filter based demodulation in a dual-pulse phase-OTDR – 2021 – Laser Physics – V.31 – №3 – pp. 035101
  • M.A. Taranov, B.G. Gorshkov, A.E. Alekseev, V.T. Potapov Distributed strain and temperature sensing over 100 km using tunable-wavelength OTDR based on MEMS filters – 2021 – Applied Optics – V. 60 – № 11. – pp. 3049–3054
  • S. Nikitin, E. Fomiryakov, D. Kharasov, O. Nanii, V. Treshchikov Characterization of Ultra-Narrow Linewidth Lasers for Phase-Sensitive Coherent Reflectometry Using EOM Facilitated Heterodyning. – 2020 – Journal of Lightwave Technology. – V.38 – №6 – pp.1446-1453
  • Лукашова Т.О., Наний О.Е., Никитин С.П., Трещиков В.Н. Точность измерения и пространственная разрешающая способность распределенного температурного датчика на основе двухимпульсного дифференциального когерентного рефлектометра. – 2020 – Квантовая электроника – Т.50 – №9 – С.882-887

• На основе кремниевой пластины толщиной 22 мкм экспериментально показана возможность измерения температуры в диапазоне 77 ÷ 300 °C с погрешностью не более ±1.5° . Приводятся исследования с других типов полупроводниковых микроинтерферометров с целью повышения чувствительности и расширения динамического диапазона датчика.

  Публикации:
  
  • В. Т. Потапов, Н. М. Жамалетдинов Возможности повышения точности измерений абсолютных расстояний методом спектральной низкокогерентной интерферометрии – 2021 – Приборы и техника эксперимента – № 4 – С.47-50
  • V. T. Potapov and N. M. Zhamaletdinov The Possibilities of Increasing the Accuracy of Measuring Absolute Distances by the Method of Spectral Low Coherence Interferometry – 2021 – Instruments and Experimental Techniques – V. 64 – № 4 – pp. 542–545
  • Потапов В.Т., Жамалетдинов Н.М. Измерение температуры с помощью кремниевых микроинтерферометров Фабри–Перо методом спектральной низкокогерентной интерферометрии – 2022 – Приборы и техника эксперимента – № 3 – С. 77-80
  • V. T. Potapov and N. M. Zhamaletdinov Fiber-optic Temperature Sensing with Silicon Fabry–Perot Interferometer Using Spectral Low-coherence Interferometry – 2022 – Instruments and Experimental Techniques – V. 65 – № 3 – pp. 440–443

Информация о лаборатории доступна также на сайте Фрязинского филиала ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН