Устройство для измерения продольного распределения температуры в полимерном покрытии активных световодов волоконных лазеров и усилителей

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к области измерения температуры полимерной оболочки волоконного световода.

В волоконных лазерах и усилителях большая часть оптической накачки преобразуется в излучение лазера. Разность энергии квантов накачки и лазерного излучения (квантовый дефект), преобразуется в тепловую энергию. Нагрев световода происходит также вследствие потерь излучения накачки и генерируемого лазерного излучения в оптическом волокне и его полимерной оболочке. Нагрев световода приводит к изменению сечений поглощения и люминесценции редкоземельных ионов, следовательно изменяется спектр коэффициента усиления активного световода. Значительное повышение температуры активной среды приводит к уменьшению времени жизни метастабильного уровня, что приводит к увеличению порога генерации. Одним из главных ограничивающих мощность излучения факторов является тепловое разрушение полимерной оболочки световода.

Распределение тепловой мощности по длине волокна для волоконного усилителя с накачкой в сердцевину зависит от уровня мощности и направления распространения накачки и усиливаемого сигнала. В активных световодах с двойной оболочкой, коэффициент поглощения многомодовой накачки меняется вдоль активного волокна. Это связано с различными коэффициентами оптического поглощения мод оболочки и перераспределением энергии между модами. Следовательно, температура волокна и его полимерной оболочки в мощных волоконных лазерах неоднородна по длине. Распределение температуры полимерной оболочки по длине является функцией нескольких параметров. Измерение распределения температуры полимерной оболочки вдоль активного световода - актуальная задача для понимания и построения модели генерации и усиления мощного лазерного излучения.

Более 15 лет продолжается поиск и разработка новых методов измерения температуры активных волоконных световодов. Общепринятая теоретическая модель тепловых эффектов в цилиндрическом световоде рассмотрена в работе [D.С. Brown, Н.J. Hoffman. "Thermal, stress, and thermo-optic effects in high average power double-clad silica fiber lasers", IEEE J. of Quant. Electron., 37, 207-217 (Feb. 2001)]. Недавно была предложена новая (коаксиальная) модель разогрева активного световода и проведены первые экспериментальные измерения температуры в сердцевине активного волокна при помощи интерферометра Маха-Цандера [В.В. Гайнов, Р.И. Шайдуллин, О.А. Рябушкин "Стационарный разогрев активных волоконных световодов при оптической накачке", Квант, электроника, 2011, 41 (7), 637-643] и волоконного брегговского резонатора [Fiebrandt J., Leich. М., Rothhardt М., Bartelt Н. "In-fiber temperature measurement during optical pumping of Yb-doped laser fibers", Proc. of SPIE. 2012. V. 8426. 84260 В-1].

Известно использование импедансной спектроскопии для экспериментального измерения температурной зависимости диэлектрической проницаемости оптических волокон с полимерным покрытием. На основе данного принципа был предложен способ измерения температуры полимерной оболочки волоконного световода, патент РФ №2543695. В этом способе, исследуемый световод помещается между обкладками конденсатора, состоящего из двух параллельно расположенных металлических проводов, намотанных несколькими витками на каркас (например, цилиндрический), формируя электрический колебательный LC контур. Далее снимается амплитудно-частотная характеристика системы (зависимость импеданса конденсатора от частоты) для нескольких фиксированных значений температуры, задаваемых внешним разогревом, и определяется резонансная частота этого контура. Найденная таким образом калибровочная зависимость резонансной частоты от температуры позволяет определить разогрев полимерной оболочки волокна в условиях лазерной генерации. Однако данный способ имеет ряд недостатков. В случае наличия градиента температуры оболочки оптического волокна по длине, такой способ определяет усредненную по длине температуру.

Известен метод измерения температуры активного волокна Yb/Er лазера при помощи сенсорного волокна с записанными в нем волоконными брегговскими решетками (ВБР), играющими роль локальных температурных датчиков [Jeong Y., Baek S., Dupriez P. et al. "Thermal characteristics of an end-pumped high-power ytterbium-sensitized erbium-doped fiber laser under natural convection" Opt. Express. 2008. V. 16. №24. P. 19865]. Сенсорное волокно находилось в тепловом контакте с исследуемым. Экспериментально по спектру оптического отражения брэгговских решеток определялись локальные температуры сенсорного волокна, а распределение температуры в сердцевине исследуемого активного волокна рассчитывалась теоретически.

Указанный способ принят за прототип изобретения. Недостатком данного способа является измерение температуры брэгговских решеток, находящихся в контакте с полимерной оболочкой активного волокна, а не температуры оболочки. Вторым недостатком устройства с ВБР является необходимость разработки теоретической модели, позволяющей рассчитать температуру всей полимерной оболочки. Теоретическая модель основывается на значениях неконтролируемых тепловых параметров контакта "полимер-ВБР".

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в измерении распределения температуры полимерного покрытия оптического волокна по длине. Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что участки исследуемого оптического волокна размещают внутри нескольких локальных конденсаторов, каждый из которых образован двумя металлическими обкладками. Конденсаторы соединяют с катушками индуктивности, формируя локальные колебательные LC-контуры. Созданные таким образом колебательные контуры являются локальными температурными датчиками. Каждый конденсатор C_i локального датчика "i" может быть соединен с собственной катушкой индуктивности L_i, либо же соединяется с общей для всех локальных колебательных контуров катушкой индуктивности L. В частном случае обкладки конденсаторов локальных датчиков могут быть образованы двумя цилиндрическими металлическими проводами. Для каждого локального датчика проводится калибровка зависимости резонансной частоты соответствующего ему колебательного LC-контура от температуры при однородном разогреве в печи-термостате. При разогреве активного световода в условиях генерации или усиления излучения температуру полимерного покрытия на каждом из измеряемых участков определяют из сопоставления результатов измерения сдвигов резонансных частот локальных колебательных контуров с соответствующими им калибровочными коэффициентами.

На фиг. 1 изображено поперечное сечение двухпроводного конденсатора, используемого в установке, где 1 - сердцевина световода, 2 - кварцевая оболочка, 3 - полимерное покрытие волокна, 4 - металлические проводники. На фиг. 2 изображена схема измерительной установки: несколько двухпроводных конденсаторов C₁-C_N, каждый из которых образован двумя металлическими проводниками 4 с находящимся между ними участком измеряемого волокна 5. Одна из обкладок каждого конденсатора соединена с катушкой индуктивности 6, которая соединена с радиочастотным (РЧ) генератором 7. Другая обкладка каждого из конденсаторов через переключатель 8 соединена с РЧ генератором 7. Во время измерения одного из LC контуров оставшиеся конденсаторы отключаются переключателем 8. Измерение резонансной частоты проводится с помощью детектора 9, подключенного к нагрузочному сопротивлению 10 и регистрирующего амплитудно-частотную характеристику контура (РЧ-спектроанализатор или синхронный детектор). Детектор 9 синхронизирован с РЧ-генератором 7 кабелем 11. Излучение оптической накачки и сигнала вводится в активное волокно через волоконный объединитель 12.

Во втором варианте изобретения технический результат достигается тем, что используется только один локальный измерительный датчик, выполненный в виде конденсатора, между обкладками которого находится участок измеряемого оптического волокна, соединенного с катушкой индуктивности. Конденсатор такого локального датчика имеет возможность перемещаться вдоль оптического волокна, сканируя распределение температуры полимерной оболочки оптического волокна.

Схема измерительной установки, реализующая вариант изобретения с подвижным локальным датчиком, изображена на фиг. 3. Конденсатор 13 измерительного колебательного контура передвигается вдоль световода 5, обеспечивая сканирование распределения температуры полимерной оболочки оптического волокна по длине световода. Другой возможный вариант реализации подвижного локального датчика показан на фиг. 4 в поперечном сечении. Подвижный элемент датчика выполнен в виде стержня из стекла с тремя продольными отверстиями, центры которых находятся на одной прямой, центральное отверстие предназначено для размещения измеряемого участка оптического волокна, в краевые отверстия помещаются металлические провода, образующие обкладки конденсатора, подключенного к катушке индуктивности.

Во всех вариантах изобретения реализация способа состоит из калибровочных измерений и измерения температуры полимерной оболочки световода по сдвигу резонансной частоты локального колебательного контура. Калибровочные измерения проводятся при фиксированной однородной температуре среды в термостате Т. При помощи электрической измерительной схемы измеряется амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) каждого локального датчика и определяется его резонансная частота , которая связана с параметрами колебательного контура по формуле:

- резонансная частота колебательного контура i-го локального датчика;

L_i - индуктивность катушки i-го локального датчика;

C_i(T) - емкость двухпроводного конденсатора со встроенным волокном i-го локального датчика;

N - число локальных измерительных датчиков.

Температура среды в термостате в условиях однородного внешнего разогрева совпадает с температурой полимерной оболочки 3 и с температурой проводов 4. При повышении температуры в термостате диэлектрическая проницаемость полимера ε(Т), зависящая от температуры, будет изменяться, следовательно, меняться будет и погонная емкость C_i вышеуказанного двухпроводного конденсатора, определяемая по формуле:

C_i - погонная емкость конденсатора i-го локального датчика;

k - вычисляемый коэффициент пропорциональности, связанный с геометрией конденсатора (2 металлических цилиндрических проводника, между которыми располагается цилиндрический диэлектрик);

ε₀ - диэлектрическая постоянная;

ε - диэлектрическая проницаемость полимера;

a - расстояние между центрами проводов;

r - радиус проводов.

Изменение емкости двухпроводного конденсатора от температуры описывается производной:

По наклону температурной зависимости резонансной частоты для каждого локального датчика находится резонансно-термический калибровочный коэффициент K_i, который определяется по формуле:

После проведения калибровки температура полимера в условиях усиления или генерации оптического излучения в активном световоде измеряется по сдвигу резонансной частоты каждого локального датчика.

По изменениям резонансных частот АЧХ локальных датчиков с помощью ранее измеренных резонансно-термических коэффициентов K_i определяется температура T_i разогрева полимерной оболочки 3 волокна на каждом из измеряемых участков:

Т₀ - начальная температура внешней среды;

- сдвиг резонансной частоты для i-го локального датчика относительно начальной частоты при температуре Т₀;

K_i - калибровочный резонансно-термический коэффициент i-го локального датчика.

Набор измеренных температур T_i характеризует распределение температуры полимерной оболочки по длине активного волокна. При этом стоит учесть, что определяемая таким образом температура полимерной оболочки T_i отличается от неоднородной термодинамической температуры Т(x,y,z) тем, что представляет собой некую усредненную температуру полимерного покрытия участка разогретого волокна, находящегося в конденсаторе C_i. Зная оптическую мощность, выделяющуюся в сердцевине 1, мы также можем определить зависимость температуры внешней полимерной оболочки 3 от поглощаемой мощности в сердцевине 1.

Таким образом, радиочастотная импедансная спектроскопия позволяет измерять продольное распределение температуры полимерной оболочки оптического волокна и других полимерных нитевидных структур (полимерных оптических волокон (POF), кабелей, органических волокон).