Физические основы работы распределенных волоконно-оптических сенсорных систем для измерения физических величин

Отчет 32 с., 3 ч., 15 рис., 14 источников, 2 приложения КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: динамическая решетка, волоконный датчик, устройство опроса, перестраиваемый лазер, самосканирование частоты, рефлектометрия Целью проекта является применение комплексного подхода к рассмотрению работы сенсорных систем на основе оптоволоконных компонентов, используемых для регистрации различных физических величин. Данный подход включает в себя как анализ физических принципов работы самих сенсорных элементов, так и разработку устройств опроса сенсорных элементов с использованием источников когерентного излучения, а также поиск эффективных алгоритмов обработки сигналов. В 2022 году были получены следующие основные результаты: 1. Продемонстрирована возможность измерения распределения температуры вдоль одномодового волокна методом когерентной оптической частотной рефлектометрии с использованием самосканирующего волоконного лазера и рэлеевского рассеяния света на вмороженных в волокно неоднородностях. Для достижения этой цели была решена задача увеличения чувствительности схемы рефлектометра до уровня ~-120 дБ/мм. Показана линейная связь между изменением температуры волокна и смещением спектра отражения нагреваемого участка волокна длиной 4 см с чувствительностью ~2 ГГц/oC. 2. Продемонстрирована одночастотная непрерывная генерация в волоконном гольмиевом лазере со спектральной селекцией на основе насыщающегося поглотителя и проведено её экспериментальное исследование. Обнаружено, что динамика интенсивности генерации лазера сильно зависит от температуры насыщающегося поглотителя: импульсный режим с несколькими продольными модами при комнатной температуре и одночастотный режим с одной продольной модой при температуре жидкого азота. Относительный уровень шума составил около -65 дБ/Гц, а мгновенная ширина линии не превышала 2 МГц. 3. Проведено сравнение характеристик двух схем устройств опроса оптических датчиков на основе волоконной брэгговской решетки (ВБР). В результате сравнения создано компактное устройство опроса ВБР на основе фильтра в виде широкополосной ВБР. Точность измерения температуры устройства опроса составила не хуже 0.25˚C. 4. Исследованы спектральные характеристики фотонной интегральной схемы на основе упорядоченной волноводной решетки и интерферометра Маха-Цандра, используемой в качестве спектрального элемента в устройстве опроса датчиков на основе ВБР. Предложены аналитическое описание регистрируемых сигналов и подходы к нахождению аналитических калибровочных коэффициентов. Полученные выражения были использованы как для калибровки, так и для дальнейшей демодуляции сигнала на выходе ФИС. Точность демодуляции тестового сигнала составляет 100 пм. По результатам работ в 2022 г. опубликовано 6 научных работ в изданиях, индексируемых в базе Scopus, и опубликовано 2 статьи в материалах конференций (РИНЦ). Одна научная работа [S4] отправлена в журнал, индексируемый в базе Scopus. Работы [S9-S10] опубликованы по результатам исследований 2021 года.