CN104634370A - 一种基于激光器的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明适用于传感技术领域，提供一种基于激光器的传感器，包括泵浦源、含有增益介质的第一公共段、第二公共段及参考段和检测段；第一、第二公共段和参考段形成第一激光谐振腔，第一、第二公共段和检测段形成第二激光谐振腔；检测段设有传感元件，第二公共段设有输出单元或者参考段和检测段各设有一输出单元，输出单元的出射光路上设有偏振态旋转单元及光电探测器。本发明由两路不同频率的激光发生外差干涉，通过检测频率差确定被测物理量的大小，由于激光频率对谐振腔的光程变化非常敏感，因此检测灵敏度和精度较高，并且该传感器的两个谐振腔存在共程的光路，抗干扰能力强，适合用于测量多种物理量的微小变化。

Description

一种基于激光器的传感器

技术领域

本发明属于光学传感技术领域，特别涉及一种基于激光器的传感器。

背景技术

现有技术中测量长度、温度、折射率、压力等物理量的微小变化时，通常采用激光相位型干涉法进行测量，基于马赫-曾德尔干涉仪的光学传感器是一种常见利用激光相位型干涉法进行测量的传感器，其原理是将激光器输出的激光分成两束，分别进入干涉仪的两臂中，两路光经过不同的传输路径后再汇合，形成干涉，由探测器检测两束光的相位差，进而确定被测的物理量。由于两个臂的光程量可以受到温度、压力等外在条件的影响，所以，马赫-曾德尔干涉仪可以实现应变、温度等物理量的测量，是许多传感器的重要物理基础。但这种传感器检测的是两束激光的相位差，其检测精度和灵敏度依然有限，需要提供一种新型的高精度、高灵敏度的光学传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激光器的传感器，旨在提高测量精度和灵敏度。

本发明是这样实现的，一种基于激光器的传感器，包括泵浦源、含有增益介质的第一公共段、第二公共段以及通过第一偏振分光单元和第二偏振分光单元并列连接于第一公共段和第二公共段之间的参考段和检测段；

所述第一偏振分光单元和第二偏振分光单元将入射光分为偏振方向不同的第一线偏振光和第二线偏振光，所述第一公共段、第二公共段和参考段形成传输第一线偏振光的第一激光谐振腔，所述第一公共段、第二公共段和检测段形成传输第二线偏振光的第二激光谐振腔；

所述检测段设有能引起光程变化的传感元件，所述第二公共段设有一输出单元或者所述参考段和检测段各设有一输出单元，所述输出单元连接合光单元，所述合光单元连接光电探测器，激光从所述输出单元输出，经过合光后传输至所述光电探测器，在所述合光单元和输出单元之间还设有用于将第一线偏振光和第二线偏振光的偏振态变为一致的偏振态旋转单元。

本发明提供的传感器包括偏振态不同的两个激光谐振腔，这两个激光谐振腔共用包含同一个增益介质的公共段，并且在检测段设置能引起光程变化的传感元件，通过传感元件感应被测物理量，导致检测段传输激光频率发生变化，使两路激光产生频率差，由这两路不同频率的激光发生外差干涉，通过检测频率差确定被测物理量的大小，而由于激光振荡的频率对谐振腔的光程变化非常敏感，因此该传感器的检测灵敏度和精度远高于传统的基于相位差的传感器，并且该传感器的两个谐振腔存在共程的光路，外界环境导致公共段的变化所引起这两个激光器的频率变化基本一致，因此检测频率差值可以抵消这变化，因此该传感器抗干扰能力强，适合用于测量多种物理量的微小变化。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的基于激光器的传感器的结构示意图(一)；

图2是本发明第一实施例提供的基于激光器的传感器的结构示意图(二)；

图3是本发明第一实施例提供的基于激光器的传感器的结构示意图(三)；

图4是本发明第一实施例提供的基于激光器的传感器的结构示意图(四)；

图5是本发明第二实施例提供的基于激光器的传感器的结构示意图；

图6是本发明第三实施例提供的基于激光器的传感器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

请参考图1至图4，本发明实施例提供一种基于激光器的传感器，包括泵浦源01、设有增益介质021的第一公共段02、第二公共段03以及并列连接于第一公共段和第二公共段之间的参考段04和检测段05,参考段04和检测段05的两端分别通过第一偏振分光单元06和第二偏振分光单元07连接于第一公共段02和第二公共段03之间。第一偏振分光单元06和第二偏振分光单元07能够将入射光分为偏振方向不同的第一线偏振光和第二线偏振光，当然也可以将偏振方向不同的第一线偏振光和第二线偏振光合为一束光输出，通常，第一线偏振光和第二线偏振光的偏振方向垂直。为了便于描述，将该第一线偏振光和第二线偏振光分别记为S光和P光，当然做相反标记也是可以的。该第一公共段02和第二公共段03的端部可以设置反射镜或双色镜等部件，作为激光谐振腔的端镜，该第一公共段02、第二公共段03和参考段04形成传输第一线偏振光的第一激光谐振腔，第一公共段02、第二公共段03和检测段05形成传输第二线偏振光的第二激光谐振腔。在检测段，设有能引起光程变化的传感元件051，该传感元件051用于将被测物理量转换成光程量，在第二公共段03设有一输出单元08，或者在参考段04和检测段05各设有一输出单元08，该输出单元08的输出的激光经过合光单元11后产生干涉，利用光电探测元件09进行探测，为了实现两束光的干涉，还在光电探测元件09和输出单元08之间设置偏振态旋转单元10，用于将第一线偏振光和第二线偏振光的偏振态变为一致。

结合图1，上述传感器的工作原理为：泵浦源021发出泵浦光进入第一公共段02，并激发增益介质021产生激发光，激发光经过第一偏振分光单元06分为S光和P光，并且使P光进入检测段05，S光进入参考段04，可以理解，本发明中采用S光或P光进行检测都是可行的。被测物理量作用于检测段05的传感元件051上，使P光频率发生改变，而S光频率没有变化，这样，第一激光谐振腔和第二激光谐振腔中的激光产生与被测物理量相关的频率差，两个谐振腔中不同频率的激光经输出单元输出并进行合光后产生外差干涉，然后由光电探测元件检测干涉图样，进而获得两路激光的频率差，根据该频率差可以确定被测物理量的大小。具体的，在第一激光谐振腔中，激光频率为在第二激光谐振腔中，激光频率为其中C为光速，纵模数q为整数，L₁和L₂分别为第一、第二激光谐振腔的光程。由于传感元件产生的光程变化导致两谐振腔中的光程差为ΔL＝L₁-L₂。则频率差公式中，L是第一、第二激光谐振腔光程的平均值，ν是第一谐振腔、第二谐振腔中激光频率的平均值。λ为激光器的波长。由于该公式中，分子中的光速C是一个很大的值，而分母中的λ是一个很小的量。因此当光程L发生微小变化时，频率差Δν也会发生较大变化，因此，该传感器具有明显高于传统传感器(马赫-曾德尔干涉仪等)的灵敏度和检测精度，并且该传感器的两个谐振腔存在共程的光路，外界环境导致公共段的变化所引起这两个激光器的频率变化基本一致，因此检测频率差值可以抵消这变化，因此该传感器抗干扰能力强，适合用于测量多种物理量的微小变化。

基于上述原理，以下进一步提供几种具体的实施例。

实施例一：

如图1～4，该传感器的第一公共段02、第二公共段03、参考段04和检测段05均采用光纤作为传输介质，第一公共段02包括第一公共光纤022，第一公共光纤022采用保偏光纤，其末端设有第一反射单元023，具体可以镀有高反膜(图3)或设置反射镜(图1)，作为第一激光谐振腔和第二激光谐振腔的端镜，或者还可以在高反镜的内侧设置准直镜024，也可以采用FBG器件作为反射单元(图4)，本实施例不局限于一种。增益介质021设置于第一公共光纤022上，第一公共光纤022上还可以设有一波分复用器025，泵浦源01发出的泵浦光经过波分复用器025进入第一公共光纤022，用于泵浦增益介质021。

在本发明实施例中，增益介质021可以以增益掺杂光纤的形式连接在第一公共光纤022内，也可以以单独的增益器件的形式连接于第一公共光纤022上。

第二公共段03包括第二公共光纤031，第二公共光纤031也采用保偏光纤根据激光输出的方式不同，第二公共光纤031的末端可以设置第二反射单元032，例如镀高反膜(图3)或设置高反镜(图1)，也可以采用FBG器件(图4)，或者设置输出镜082(图2)等，具体设置原则如后续所述。

参考段04包括参考光纤041，检测段05包括检测光纤052，参考光纤041和检测段05都采用保偏光纤，能引起光程变化的传感元件051设置于检测光纤052上。参考光纤041和检测光纤052通过第一偏振耦合器061和第二偏振耦合器071连接于第一公共光纤022和第二公共光纤031之间。第一公共光纤022中的激发光经过第一偏振耦合器061分为S光和P光，S光进入检测光纤052，P光进入参考光纤041，在第二偏振耦合器071中合为一束光进入第二公共光纤031。

作为一种输出方式，如图1、3、4，在参考光纤041和检测光纤052上分别设置一个输出单元08，具体的，在检测光纤052和参考光纤041上各设置一个耦合器081，在其中一个耦合器081的出射光路上设置偏振旋态旋转单元10，经过偏振旋态旋转单元10输出的光与经过另一耦合器081输出的光的偏振态相同，两束光经过合光元件11进入光电探测元件09。对于上述输出方式，该第二公共光纤031的末端不需再设置输出单元，因此第二公共光纤031的末端可以设置第二反射单元032，例如高反镜或镀高反膜或采用FBG器件等，作为激光谐振腔的端镜。

作为另一种输出方式，如图2，该输出单元08可以设置于第二公共光纤031的末端。具体的，在第二公共光纤031的末端设置一输出镜082，在输出镜082的出射光路上设有第三偏振分光单元12，该第三偏振分光单元12可以采用偏振分光器，在该偏振分光器的反射光路上设有若干个反射镜13，在偏振分光器的透射光路上设有一个半反半透镜14，输出镜082输出的激光经过偏振分光器后分为S光和P光，S光被反射后经过系列反射镜13，被偏振态旋转单元10改变偏振态后与P光偏振态相同，并到达半反半透镜14，P光直接经过偏振分光器透射至半反半透镜14，两束偏振光合光后发生干涉，光电探测元件09进行探测。

进一步的，第一激光谐振腔和第二激光谐振腔存在初始光程差，为了补偿初始光程差，可以在参考光纤上设置延时单元15，具体可以是光纤延时器，使该光程差尽量小，以便光电探测元件09检测。

进一步的，激光在谐振腔中传输必然有损耗，为了避免第一激光谐振腔和第二激光谐振腔的光能量相差过大，可以在参考光纤和检测光纤上均设置一可调衰减器16，也可以只在参考光纤或检测光纤上设置一个可调衰减器16当其中一臂光强较低时，通过调整可调衰减单元，减小两臂激光的光强差值。

进一步的，还可以在第一公共光纤022或第二公共光纤031设置一单频获取单元17，或者在参考光纤041和检测光纤052各设置一单频获取单元17，使第一激光谐振腔和第二激光谐振腔均只传输一种频率的激光，进而改善干涉信号的对比度，提高测量灵敏度。进一步的，该单频获取单元可以是窄带滤波器，也可以是由两个准直透镜和二者之间的F-P干涉仪构成的单元，两个准直透镜之间为自由空间。

实施例二：

如图5，本发明实施例同上述实施例一的主要区别在于第一公共段02和第二公共段03采用自由空间形式，而检测段05和参考段04依然采用光纤传输，其中，第一公共段02至少包括双色镜026、准直聚焦镜组027和第一偏振耦合器061，增益介质021设置于双色镜026和准直聚焦镜组027之间的光路上，泵浦源01发出的泵浦光经过双色镜026泵浦激发增益介质021发出激发光，激发光经过准直聚焦镜组027后进入一光纤段，该光纤段连接第一偏振耦合器061，通过该第一偏振耦合器061将激发光分为S光和P光，分别进入检测段05和参考段04。

在本实施例中，第二公共段03也采用自由空间的形式，具体的，第二公共段03至少包括一准直镜033和高反镜034或者输出镜(图中未示)，当输出单元08设置于参考段04和检测段05时采用高反镜034，当输出单元08设于第二公共段03时采用输出镜。第二偏振耦合器071连接一光纤段，该光纤段另外一端连接准直镜033，准直镜033和高反镜或输出镜034之间存有一定距离。

在本实施例中，可以采用上述实施例一中的输出单元的设置方式，还可以在相应位置设置上述的可调衰减单元，延时单元，单频获取单元等，本实施例不再赘述。

实施例三：

如图6，本发明实施例中，第一公共段02、第二公共段03、检测段05和参考段04均采用自由空间传输。具体的，第一公共段02至少由双色镜026和第一偏振分光单元06形成，增益介质021设置于双色镜026和第一偏振分光单元06之间，第二公共段03至少由输出镜035和第二偏振分光单元07形成。第一偏振分光单元06和第二偏振分光单元07可以采用偏振分光器。在第一偏振分光单元06和第二偏振分光单元07之间形成参考段04和检测段05，参考段04对应于第一偏振分光单元06和第二偏振分光单元07之间的透射光路，检测段05对应第一偏振分光单元06和第二偏振分光单元07之间的反射光路，第一偏振分光单元06和第二偏振分光单元07之间通过若干个反射镜18形成检测段05的传输路径，能够产生光程差的传感元件051设置于该检测段传输路径上。

以图6所示为例，本实施例的工作原理为：增益介质021发出的激发光，经过第一偏振分光单元06分为S光和P光，S光被第一偏振分光单元07反射进入检测段05，经过至少两个反射镜18反射至第二偏振分光单元07，P光由第一偏振分光单元06透射进入参考段04，并传输至第二偏振分光单元07，S光和P光在第二偏振分光单元07处合为一束光传输至输出镜035。输出光路的设计如实施例一所述，该输出镜035的出射光路设有第三偏振分光单元12，该第三偏振分光单元12可以采用偏振分光器，在该偏振分光器的反射光路上设有若干个反射镜13，在该反射光路上还设有偏振态旋转单元10，在其透射光路上设有一个半反半透镜14，输出镜035输出的激光经过偏振分光器元件后分为S光和P光，S光被反射后经过系列反射镜13，被偏振态旋转单元10改变偏振态后与P光偏振态相同，并到达半反半透镜14，P光直接经过偏振分光器透射至半反半透镜14，两束偏振光合为一束后进入光电探测元件09。当然，该偏振态旋转单元10也可以设置在偏振分光器的透射光路上，将P光转换为S光，与另一束S光进行合光。

与上述其他实施例不同的，本实施例以S光作为检测光，以P光作为参考光，这仅是一种实施例，不用于限定本发明的保护范围。

可以理解，本实施例也可以将传感元件051设置于第一偏振分光单元06和第二偏振分光单元07之间的透射光路中，将第一偏振分光单元06和第二偏振分光单元07之间的反射光路作为参考段，本实施例不必限制于一种。

在本发明实施例中，还可以在检测段05和参考段04同时设置可调衰减单元16，或者检测段05或参考段04设置可调衰减单元16，在参考段设置延时单元15，在第一公共段02或者第二公共段03设置单频获取单元17，或者在检测段05和参考段04各设一个单频获取单元17，各器件的作用同其在实施例一中的作用相同，此处不再赘述。

综上所述，本发明由泵浦源、第一公共段、第二公共段、检测段和参考段形成两个直腔激光器，这两个激光谐振腔可以采用全光纤形式，也可以为自由空间的形式，或者为自由空间和光纤的组合形式，检测段的传感元件受到被测物理量的作用后使谐振腔的光程量发生改变，进而改变激光频率，通过检测两路激光的频率差获得被测物理量的大小。由于频率差对光程的变化较为敏感，因此其检测灵敏性和检测精度较高，是传统检测方法所不能及的，且由于两个直腔中存在共程光路，因此检测稳定性好，抗干扰力强，适合用于多种物理量微小变化的检测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于激光器的传感器，其特征在于，包括泵浦源、含有增益介质的第一公共段、第二公共段以及通过第一偏振分光单元和第二偏振分光单元并列连接于第一公共段和第二公共段之间的参考段和检测段；

所述第一偏振分光单元和第二偏振分光单元将入射光分为偏振方向不同的第一线偏振光和第二线偏振光，所述第一公共段、第二公共段和参考段形成传输第一线偏振光的第一激光谐振腔，所述第一公共段、第二公共段和检测段形成传输第二线偏振光的第二激光谐振腔；

所述检测段设有能引起光程变化的传感元件，所述第二公共段设有一输出单元或者所述参考段和检测段各设有一输出单元，所述输出单元连接合光单元，所述合光单元连接光电探测器，激光从所述输出单元输出，经过合光后传输至所述光电探测器，在所述合光单元和输出单元之间还设有用于将第一线偏振光和第二线偏振光的偏振态变为一致的偏振态旋转单元。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述参考段包括参考光纤，所述检测段包括检测光纤，所述能引起光程变化的传感元件设置于所述检测光纤段，所述参考光纤和检测光纤采用保偏光纤。

3.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述参考光纤和检测光纤各设有一所述输出单元，于其中一所述输出单元的输出光路上设有所述偏振态旋转单元。

4.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述第一公共段包括第一公共光纤，所述第一公共光纤采用保偏光纤，所述第一公共光纤设有与所述泵浦源连接的波分复用器，所述增益介质设置于所述波分复用器和第一偏振分光单元之间，所述泵浦源发出的泵浦光经过所述波分复用器耦合进入所述第一公共光纤，用于泵浦增益介质。

5.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一公共段、第二公共段、参考段和检测段均采用自由空间传输。

6.如权利要求2、4或5所述的传感器，其特征在于，所述输出单元设置于所述第二公共段的末端，于所述输出单元的出射光路上设有第三偏振分光单元，将所述输出单元输出的光分为偏振方向不同的线偏振光，且使二者沿不同的路径传输至所述光电探测元件，在其中一种线偏振光的传输路径上设有所述偏振态旋转单元，该偏振方向不同的线偏振光的偏振态分别和所述的第一线偏振光和第二线偏振光的偏振态相同。

7.如权利要求2、3或5所述的传感器，其特征在于，所述第一公共段采用自由空间传输，所述第一公共段还包括设置于所述泵浦源的输出方向的双色镜，所述增益介质设置于所述双色镜和第一偏振分光单元之间，所述泵浦源发出的泵浦光经过所述双色镜进入所述第一公共段，用于泵浦增益介质。

8.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，在所述参考段上设有延时单元。

9.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，在所述参考段和/或检测段设有可调衰减单元。

10.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一公共段或第二公共段设有单频获取单元，或者所述参考段和检测段各设有一单频获取单元。