Введение к работе
От,:>/. Актуальность работы. Создание оптических волокон с малым
іссер-іїі!,ия і
~--—ввтухзнием 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 разрабатывавшхея до сих пор пассивных ВОД 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 используют1 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,
- 4 -изменяющих напряженность магнитного поля, открывает использование в качестве материала микрорезонаторов магнитно-мягких аморфных сплавов (ММАС). В этом случае микрорезоиатор 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 МШС потенщіально 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, самовозбуждающихся 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 фототер-мического 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 микро-
резонаторов под действием «смодулированного когерентного
излучения. Показано, что для возбуждения автоколебаний толщина
пластини микрорезонатора должна бить меньше глубины затухания
температурной волны. Получены 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 магнитоупругий
и магнитосиловол эффекты в микрорезонаторах иа аморфных
сплавов. Рассмотрено влияние отклонения направления магнитной
анизотропии в ленте из ММАС на 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 нТлДГц) и датчика
смешения с разрешением 0,2 мкм. Показана возможность использования микрорезонаторов из ММАС в вибрационно-струнних 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 зашиту выносятся следующие положения:
-
Результаты теоретического и экспериментального исследования механизма фототермического - возбуждения механических микрорезонаторов.
-
Анализ эффекта самовозбуждения микрорезонаторов под действием немодудированного когерентного излучения.
-
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"
- 7 -(Севастополь, 1990), на международной конференции ISF0C-91 (Ленинград, 1991), на первой всесоюзной конференции "Ямайка и конверсия" (Калининград, 1991), были представлены на-международной конференции IC0-15 (Гармиш-Партенкирхен, 1990), а также на конференциях МІТИ (1989-1991), семинарах ИРЭ АН СССР и ФГИ АН СССР.
По приглашению председателя международной конференции по волоконно-оптическим датчикам 0FS(C)'91 (Вухан, Китай, 1991) профессора Б. Калшоу была подготовлена статья обзорного характера, опубликованная в специальном томе трудов конференции.