CN112857554B - 一种多波长光纤激光器超声探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多波长光纤激光器超声探测系统。该多波长光纤激光器超声探测系统包括光放大器、起偏器、第一偏振控制器、光纤赛格耐克环、第一耦合器、短栅区的光纤布拉格光栅以及长栅区的光纤布拉格光栅；光放大器的输出端与起偏器的输入端连接，光放大器的输入端与第一耦合器的输出端连接；起偏器的输出端与通过第一偏振控制器与光纤赛格耐克环的输入端连接；光纤赛格耐克环的输出端与短栅区的光纤布拉格光栅连接；多个光纤布拉格光栅沿激光光路依次并行设置，长栅区的光纤布拉格光栅的中心波长落在短栅区的光纤布拉格光栅的线性工作区；第一耦合器设于光纤布拉格光栅与光放大器之间的激光光路上。本发明既能够实现多波长激光的输出，又能够实现分布式超声信号的探测。

Description

一种多波长光纤激光器超声探测系统

技术领域

本发明涉及光纤激光器超声探测领域，特别是涉及一种多波长光纤激光器超声探测系统。

背景技术

近年来，随着国防工业领域的发展，超声探测系统的在大型建筑健康监测的应用越来越多。超声探测系统中常常会用到布拉格光栅，超声信号作用于布拉格光栅时会导致布拉格光栅的栅区会随着信号而拉伸或者收缩，从而布拉格光栅的中心波长发生漂移。光纤器中内置布拉格光栅搭配一个具有高斜率的滤波器，实现超声信号的探测。

该类激光器超声探测系统是内置一种掺铒光纤激光器，但是在激光器中存在强烈的模式竞争，对于特定光栅作为滤波器的系统难以实现多波长激光输出。常规的方法是控制每一个布拉格光栅对应的波长的激光在激光器环路中增益和损耗，实现多波长激光输出。该类激光器的内在损耗极大，不易于高性能的激光器。此外利用高非线性光纤，在光路中产生非线性效应进而实现多波长激光，但是成本极高，不易于产业化。

现有的技术无法实现稳定的特定波长的多波长激光输出，且无法实现布拉格光栅对超声信号的探测。因此，现有技术无法较好的实现多波长的光纤输出下的布拉格光栅的超声探测。目前，基于布拉格光栅的激光器超声探测还处于单点探测。

发明内容

本发明的目的是提供一种多波长光纤激光器超声探测系统，既能够实现多波长激光的输出，又能够实现分布式超声信号的探测。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种多波长光纤激光器超声探测系统，包括：光放大器、起偏器、第一偏振控制器、光纤赛格耐克环、第一耦合器、短栅区的光纤布拉格光栅以及长栅区的光纤布拉格光栅；每个所述光纤布拉格光栅的布拉格反射波长不同；

所述光放大器的输出端与所述起偏器的输入端连接，所述光放大器的输入端与所述第一耦合器的输出端连接；所述光放大器用于将多个波长的激光进行放大；

所述起偏器的输出端与通过所述第一偏振控制器与所述光纤赛格耐克环的输入端连接；所述起偏器用于将放大后的激光转换为偏振状态一致的偏振激光；所述第一偏振控制器用于调整激光光路中各个波长激光的偏振态；

所述光纤赛格耐克环的输出端与所述短栅区的光纤布拉格光栅连接；所述光纤赛格耐克环用于调节激光光路损耗以及不同波长激光的偏振态，平衡各个波长在激光光路中的增益与损耗，实现多波长激光输出；

多个所述光纤布拉格光栅沿激光光路依次并行设置，长栅区的光纤布拉格光栅的中心波长落在短栅区的光纤布拉格光栅的线性工作区；

所述第一耦合器设于所述光纤布拉格光栅与所述光放大器之间的激光光路上；所述第一耦合器用于耦合所述光纤布拉格光栅反射的反射激光至所述光放大器，并输出多个波长的反射激光。

可选的，所述光放大器包括：泵浦光源、波分复用器以及掺铒光纤；

所述泵浦光源用于为所述掺铒光纤提供激励；

所述波分复用器设于所述泵浦光源的输出光路上，并且所述波分复用器的输入端与所述第一耦合器的耦合输出端连接；所述波分复用器用于获得耦合激光源；

所述掺铒光纤设置在所述波分复用器和所述起偏器之间；所述掺铒光纤用于将所述耦合激光源增益放大，获得多个波长的激光源。

可选的，所述泵浦光源为980nm泵浦光源。

可选的，所述波分复用器为980/1550nm波分复用器。

可选的，所述光纤赛格耐克环包括：第二耦合器和第二偏振控制器；

所述第二耦合器设置在所述起偏器与短栅区的光纤布拉格光栅之间的激光光路上；

所述第二偏振控制器的输入端以及输出端均与所述第二耦合器连接。

可选的，所述第二耦合器为1/1耦合器。

可选的，所述第一耦合器为4/6耦合器。

可选的，还包括：第一光纤环形器和第二光纤环向器；

所述第一光纤环形器的输入端与所述光纤赛格耐克环连接，所述第一光纤环形器的传输端与短栅区的第一个光纤布拉格光栅连接；所述第一光纤环形器的输出端与所述第二光纤环形器的输入端连接，所述第二光纤环形器的传输端与长栅区的第一个光纤布拉格光栅连接，所述第二光纤环形器的输出端与所述第一耦合器连接。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明所提供的一种多波长光纤激光器超声探测系统，光放大器输出多个波长的激光，上述激光通过起偏器后将获得相同的偏振态，再经过激光光路的第一偏振控制器之后，不同波长的光得到不同的偏振态改变量。当光进入到光纤赛格耐克环之后，对不同波长的激光进行偏振态的改变。并且在光纤赛格耐克环中存在光的干涉效应，其强度与入射光的偏振态相关，进而调整不同波长激光的透射率。然后激光分别进入长短栅区的布拉格光栅，分别被反射进入到输出第一耦合器中，一部分光再次回到光放大器实现信号光再次放大。调节光路中的第一偏振控制器和光纤赛格耐克环，实现对不同波长的强度的调节。当信号光在激光光路中的增益等于损耗时，激光光路中输出稳定激光。当激光稳定时，将光纤布拉格光栅对置于超声环境中，长栅区的光栅对超声信号不敏感，短栅区的光栅在超声作用下反射的中心波长来回漂移，进而实现对该波段的激光在激光器中的损耗进行调制。通过调节激光在激光光路中的损耗，来调节激光输出的强度，从而实现超声信号的探测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种多波长光纤激光器超声探测系统结构示意图；

图2为本发明所提供的一种多波长光纤激光器超声探测系统中短栅区的光纤布拉格光栅以及长栅区的光纤布拉格光栅结合反映超声信号示意图。

图3为本发明所提供的一种多波长光纤激光器超声探测系统输出单波长激光切换的光谱图；

图4为本发明所提供的一种多波长光纤激光器超声探测系统输出多个波长的光谱图；

图5为本发明所提供的一种多波长光纤激光器超声探测系统三波长输出下单通道超声探测示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种多波长光纤激光器超声探测系统，既能够实现多波长激光的输出，又能够实现分布式超声信号的探测。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的一种多波长光纤激光器超声探测系统结构示意图，如图1所示，本发明所提供的一种多波长光纤激光器超声探测系统，包括：光放大器、起偏器4、第一偏振控制器5、光纤赛格耐克环、第一耦合器18、短栅区的光纤布拉格光栅以及长栅区的光纤布拉格光栅；每个所述光纤布拉格光栅的布拉格反射波长不同。

所述光放大器的输出端与所述起偏器4的输入端连接，所述光放大器的输入端与所述第一耦合器18的输出端连接；所述光放大器用于将多个波长的激光进行放大。

所述起偏器4的输出端与通过所述第一偏振控制器5与所述光纤赛格耐克环的输入端连接；所述起偏器4用于将放大后的激光转换为偏振状态一致的偏振激光；所述第一偏振控制器5用于调整激光光路中各个波长激光的偏振态。

所述光纤赛格耐克环的输出端与所述短栅区的光纤布拉格光栅连接；所述光纤赛格耐克环用于调节激光光路损耗以及不同波长激光的偏振态，平衡各个波长在激光光路中的增益与损耗，实现多波长激光输出。

多个所述光纤布拉格光栅沿激光光路依次并行设置，长栅区的光纤布拉格光栅的中心波长落在短栅区的光纤布拉格光栅的线性工作区。

所述第一耦合器18设于所述光纤布拉格光栅与所述光放大器之间的激光光路上；所述第一耦合器18用于耦合所述光纤布拉格光栅反射的反射激光至所述光放大器，并输出多个波长的反射激光。

即多个所述光纤布拉格光栅具有不同的布拉格反射波长，并且光纤布拉格光栅中不同栅区长度的光纤布拉格光栅对外界超声信号响应不同。长栅区的光纤布拉格光栅中心波长落在短栅区的光纤布拉格光栅的线性工作区，两者同时置于超声环境中可以实现反射强度随超声信号变化。

所述激光光路为光放大器、起偏器4、第一偏振控制器5、光纤赛格耐克环、第一耦合器18、短栅区的光纤布拉格光栅以及长栅区的光纤布拉格光栅组成的环形光路。

如图1所示，所述光纤布拉格光栅10为1550.18nm的光纤布拉格光栅，所述光纤布拉格光栅11为1550.52nm的光纤布拉格光栅，所述光纤布拉格光栅12为1552.59nm的光纤布拉格光栅，所述光纤布拉格光栅13为1552.27nm的光纤布拉格光栅，所述光纤布拉格光栅14为1556.56nm的光纤布拉格光栅，所述光纤布拉格光栅15为1556.11nm的光纤布拉格光栅，所述光纤布拉格光栅16为1560.57nm的光纤布拉格光栅，所述光纤布拉格光栅17为1560.15nm的光纤布拉格光栅。其中，短栅区的光纤布拉格光栅为光纤布拉格光栅11、光纤布拉格光栅13、光纤布拉格光栅15以及光纤布拉格光栅17。长栅区的光纤布拉格光栅为光纤布拉格光栅10、光纤布拉格光栅12、光纤布拉格光栅14以及光纤布拉格光栅16。

如图2所示，所述长栅区的光纤布拉格光栅的中心波长落在短栅区的光纤布拉格光栅的线性工作区域，所述长短栅区的光纤布拉格光栅对在超声作用下，短栅区的中心波长随超声信号而漂移，因而组合的光纤布拉格光栅的反射率的强度与超声信号的强度相关，可以反映超声信号。

所述光放大器包括：泵浦光源1、波分复用器2以及掺铒光纤3；

所述泵浦光源1用于为所述掺铒光纤3提供激励；

所述波分复用器2设于所述泵浦光源1的输出光路上，并且所述波分复用器2的输入端与所述第一耦合器18的耦合输出端连接；所述波分复用器2用于获得耦合激光源；

所述掺铒光纤3设置在所述波分复用器2和所述起偏器4之间；所述掺铒光纤3用于将所述耦合激光源增益放大，获得多个波长的激光源。

所述波分复用器2的第二输入端23与所述耦合器18的耦合输出端182连接形成闭合的光路。所述波分复用器2的第一输入端21与所述泵浦光源1的光路连接。所述波分复用器2的输出端22与所述掺铒光纤3连接。

所述泵浦光源1为980nm泵浦光源1。

所述波分复用器2为980/1550nm波分复用器2。

所述光纤赛格耐克环包括：第二耦合器6和第二偏振控制器7；

所述第二耦合器6设置在所述起偏器4与短栅区的光纤布拉格光栅之间的激光光路上；

所述第二偏振控制器7的输入端以及输出端均与所述第二耦合器6连接。

如图1所示，第二耦合器6的63和64端口相连，61端口连接第一偏振控制器5，62端口连接第一环形器的81端口。在整个光纤赛格耐克环中，调节第二偏振控制器7可以改变光路中各个波长激光的偏振态，在整个环中存在与偏振态相关的干涉现象。偏振控制在不同波长的激光中会引入不同大小的偏振态，从而使得其在光纤赛格耐克环出射的能量大小得到调节。激光器中，第一偏振控制器5和起偏器4结合控制着整个激光光路中不同波长损耗，而光纤赛格耐克环结合起偏器4不仅可以调节不同波长在光路中的损耗而且可以调节整体光路的损耗。调节第一偏振控制器5使得多个波长同时存在光路中的损耗等于铒纤带来的增益变可以实现多波长输出。

所述第二耦合器6为1/1耦合器。

所述第一耦合器18为4/6耦合器。4/6耦合器用于耦合60％的反射激光至所述光放大器，并输出40％的多个波长的反射激光。

进一步的，第一耦合器18还包括：多波长输出端183。

如图1所示，本发明所提供的一种多波长光纤激光器超声探测系统，还包括：第一光纤环形器8和第二光纤环形器9。

所述第一光纤环形器8的输入端81与所述光纤赛格耐克环连接，所述第一光纤环形器8的传输端82与短栅区的第一个光纤布拉格光栅11连接；所述第一光纤环形器8的输出端83与所述第二光纤环形器9的输入端91连接，所述第二光纤环形器9的传输端92与长栅区的第一个光纤布拉格光栅10连接，所述第二光纤环形器9的输出端93与所述第一耦合器18的输入端181连接。

激光从第一耦合器18的另一个端口182输入到波分复用器2中，完成单向传输的激光环路形成激光谐振腔。

实现输出单波长切换输出的激光如图3所示，当通过所述第一偏振控制器5和第二偏振控制器7调整光纤布拉格光栅对反射的激光的偏振状态和偏振相关损耗。首先利用第二偏振控制器7调节整个光路的整体损耗，将损耗降到最低，使得激光输出的能量较大。然后调节第一偏振控制使得需要的波长处的激光在第一偏振控制器5的作用下，将其调节到起偏器4所对应的偏振态。而其他波段的激光则与起偏器4起偏方向存在一定的偏向角，所以当激光在激光光路中多次传输后其余波长的损耗越来越大，使得激光器最终以单波长的形式输出。当整个光路中1550nm的激光在激光光路中的偏振态与起偏器4的起偏方向最为接近时，激光器输出1550.25nm波长的激光，其余波段的激光都被抑制，实现单波长输出。当整个激光光路中1552nm的激光在激光光路中的偏振态与起偏器4的起偏方向最为接近时，激光器输出1552.31nm波长的激光，其余波段的激光都被抑制，实现单波长输出。当整个光路中1556nm的激光在激光光路中的偏振态与起偏器4的起偏方向最为接近时，激光器输出1556.20nm波长的激光，其余波段的激光都被抑制，实现单波长输出。当整个激光光路中1560nm的激光在激光光路中的偏振态与起偏器4的起偏方向最为接近时，激光器输出1560.23nm波长的激光，其余波段的激光都被抑制，实现单波长输出。合理的调节第二偏振控制器7，来调节整个激光光路的能量使得整体的激光输出的能量趋于一致。

实现双波长、三波长、四波长开关的过程：如图4a)所示，当通过第一偏振控制器5和第二偏振控制器7调整所述光纤布拉格光栅12、13、14、15反射的激光的偏振状态和偏振相关损耗，将所述光纤布拉格光栅反射的1552nm和1556nm所对应的激光的偏振状态、激光环路中的损耗与其他的所述光纤布拉格光栅反射的激光的区分开。调整第二偏振控制器7控制整体激光输出的能量大小，并实现对该双波长的偏振态控制使其与起偏器4的偏振方向相近。调节第一偏振控制器5对激光输出进行调整，使激光输出具有良好的平坦度。合理的调节第一偏振控制器5和第二偏振控制器7可以实现多种双波长输出的组合，此处以1552nm和1556nm为例。

如图4b)所示，当通过所述第一偏振控制器5和第二偏振控制器7调整所述光纤布拉格光栅10、11、12、13、16、17反射的激光的偏振状态和偏振相关损耗，将所述光纤布拉格光栅反射的1550nm、1552nm和1560nm所对应的激光的偏振状态、激光环路中的损耗与其他的所述光纤布拉格光栅反射的激光的区分开。调整第二偏振控制器7控制整体激光输出的能量大小，并实现对该三波长的偏振态控制使其与起偏器4的偏振方向相近。调节第一偏振控制器5对激光输出进行微调整，使激光输出具有良好的平坦度。合理的调节第一偏振控制器5和第二可以实现多种双波长输出的组合，此处以1550nm、1552nm和1560nm为例。

如图4c)所示，当通过所述第一偏振控制器5和第二偏振控制器7调整所述光纤布拉格光栅10、11、12、13、14、15、16、17反射的激光的偏振状态和偏振相关损耗，将所述光栅对反射的1550nm、1552nm和1560nm所对应的激光的偏振状态、激光环路中的损耗与其他的所述光纤布拉格光栅反射的激光的区分开。调整第二偏振控制器7控制整体激光输出的能量大小，并实现对该三波长的偏振态控制使其与起偏器4的偏振方向相近。调节第一偏振控制器5对激光输出进行微调整，使激光输出具有良好的平坦度。合理的调节第一偏振控制器5和第二偏振控制器7可以实现多种双波长输出的组合，此处以1550、1552、1556和1560nm为例。但是该激光器在四波长输出的状态下，其稳定不如三波长、双波长、单波长输出的情况。

如图5所示，激光器不同工作状态下对超声信号与冲信号的响应。图5a)表示单波长1556.20nm激光输出的状态下正弦超声信号的探测，超声发射源的正弦信号设置的频率为180KHz。对于正弦信号，单波长输出的激光器非常容易就能探测到，而且探测到的强度较大，其中在正弦型号隐约能观察到一些包络信息，该可激光器中能量输出的是振荡。图5b)示单波长1556.20nm激光输出的状态下脉冲超声信号的探测，脉冲信号的设置为方波信号和正弦信号的一个叠加信号，信号的峰峰值强度设置为20V，方波信号的周期为1ms，正弦信号设置为180KHz，在每个方波信号中只设置5个周期。能够探测到脉冲超声信号，说明其都对低能量的超声信号敏感且可以捕捉瞬时信号。图5c)-e)表示当多波长激光器的输出波长为1550.26nm、1552.29nm和1560.23nm时，分别对多通道的FBG光栅对进行脉冲超声信号的探测。对于脉冲的信号输出特性与单波长探测实验中的设置一致。波长为1550.26nm处对脉冲信号的瞬时响应较强，波长为1560.23nm处与其他通道相比能探测到更加完整的信号。这个脉冲超声探测之间的差异性与光栅匹配点的位置有关系，其中匹配点斜率大，使其对于超声信号的探测灵敏。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种多波长光纤激光器超声探测系统，其特征在于，包括：光放大器、起偏器、第一偏振控制器、光纤赛格耐克环、第一耦合器、短栅区的光纤布拉格光栅以及长栅区的光纤布拉格光栅；每个所述光纤布拉格光栅的布拉格反射波长不同；

所述光放大器的输出端与所述起偏器的输入端连接，所述光放大器的输入端与所述第一耦合器的输出端连接；所述光放大器用于将多个波长的激光进行放大；

所述起偏器的输出端与通过所述第一偏振控制器与所述光纤赛格耐克环的输入端连接；所述起偏器用于将放大后的激光转换为偏振状态一致的偏振激光；所述第一偏振控制器用于调整激光光路中各个波长激光的偏振态；

所述光纤赛格耐克环的输出端与所述短栅区的光纤布拉格光栅连接；所述光纤赛格耐克环用于调节激光光路损耗以及不同波长激光的偏振态，平衡各个波长在激光光路中的增益与损耗，实现多波长激光输出；

多个所述光纤布拉格光栅沿激光光路依次并行设置，长栅区的光纤布拉格光栅的中心波长落在短栅区的光纤布拉格光栅的线性工作区；

所述第一耦合器设于所述光纤布拉格光栅与所述光放大器之间的激光光路上；所述第一耦合器用于耦合所述光纤布拉格光栅反射的反射激光至所述光放大器，并输出多个波长的反射激光；

所述光纤赛格耐克环包括：第二耦合器和第二偏振控制器；

所述第二耦合器设置在所述起偏器与短栅区的光纤布拉格光栅之间的激光光路上；

所述第二偏振控制器的输入端以及输出端均与所述第二耦合器连接。

2.根据权利要求1所述的一种多波长光纤激光器超声探测系统，其特征在于，所述光放大器包括：泵浦光源、波分复用器以及掺铒光纤；

所述泵浦光源用于为所述掺铒光纤提供激励；

所述波分复用器设于所述泵浦光源的输出光路上，并且所述波分复用器的输入端与所述第一耦合器的耦合输出端连接；所述波分复用器用于获得耦合激光源；

所述掺铒光纤设置在所述波分复用器和所述起偏器之间；所述掺铒光纤用于将所述耦合激光源增益放大，获得多个波长的激光源。

3.根据权利要求2所述的一种多波长光纤激光器超声探测系统，其特征在于，所述泵浦光源为980nm泵浦光源。

4.根据权利要求2所述的一种多波长光纤激光器超声探测系统，其特征在于，所述波分复用器为980/1550nm波分复用器。

5.根据权利要求1所述的一种多波长光纤激光器超声探测系统，其特征在于，所述第二耦合器为1/1耦合器。

6.根据权利要求1所述的一种多波长光纤激光器超声探测系统，其特征在于，所述第一耦合器为4/6耦合器。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种多波长光纤激光器超声探测系统，其特征在于，还包括：第一光纤环形器和第二光纤环形器；

所述第一光纤环形器的输入端与所述光纤赛格耐克环连接，所述第一光纤环形器的传输端与短栅区的第一个光纤布拉格光栅连接；所述第一光纤环形器的输出端与所述第二光纤环形器的输入端连接，所述第二光纤环形器的传输端与长栅区的第一个光纤布拉格光栅连接，所述第二光纤环形器的输出端与所述第一耦合器连接。

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