CN103616649A - 基于光纤光栅激光器的磁场传感器灵敏度调谐方法 - Google Patents

Abstract

本发明为基于光纤光栅激光器的磁场传感器灵敏度调谐方法；激光腔内产生的线性双折射与待测磁场引起的圆双折射相结合后形成椭圆双折射；光纤光栅激光器工作在单纵模双正交偏振态，产生两个激光输出；两个激光输出经起偏器后输入光电探测器中混合并产生拍频信号；通过检测所述拍频信号的频率变化，推算出所述椭圆双折射的变化，再计算出待测磁场的磁场强度；通过施加侧向压力挤压光纤或者采用激光器侧向照射对光纤进行热处理等工艺手段，改变光纤光栅激光器激光腔内的线性双折射大小就可以实现对磁场测量灵敏度的调谐。本发明具有简单、适应性广的特点，可暂时或者永久性的改变灵敏度，个性化的满足不同应用的实际需求。

Description

基于光纤光栅激光器的磁场传感器灵敏度调谐方法

技术领域

本发明涉及磁场的光纤光学测量，具体涉及基于光纤光栅激光器的磁场传感器灵敏度调谐方法。

背景技术

光纤光栅是利用掺杂光纤的光敏性制作的，通过特殊的光线照射使光纤折射率发生永久性改变。光纤光栅能对满足布拉格反射条件的入射光产生反射，也就相当于在光纤内部直接写入一个具有波长选择性的反射镜。利用光纤光栅制作的传感器具有体积小、重量轻、信噪比高等优点。然而这种传感器大多采用波长位移检测，技术复杂且价格昂贵，检测分辨率和检测动态范围均受到检测器件的限制。

在对磁场的光纤光学测量方面，分为直接测量和间接测量两类方法。直接测量即是对磁场这一物理量进行直接的、无转换的测量。由于无需经过其他物理量的转换，不涉及中间环节，因此往往性能更加稳定、测量更加可靠、适应性更强。在直接测量方法中，普遍采用的是基于磁场的法拉第效应的原理。如1999年奥特马·贝耶尔，托马斯·博塞尔曼在“借助法拉第效应测量磁场的方法和装置”发明专利（申请号CN99802899.1、公开日2001年4月4日）中提出利用在介质中传输的线性偏振光的偏振面在磁场中发生偏转的角度与沿着光线经过路径的磁场积分成比例的关系来测量磁场的方法。间接测量则是先将磁场转化为电、热、力等其他中间物理量，通过对这些中间物理量的测量来实现对磁场的测量。如2009年詹亚歌，邱夷平在“一种全光纤型磁场强度在线传感测量仪”中国发明专利（申请号CN200920209227.1、公开日2010年5月19日）中提出利用固化在磁致伸缩材料上的长周期光纤光栅峰值波长随被测磁场的变化关系来测量磁场的方法。

由于光纤的法拉第效应很微弱，因此现有技术中多数技术方案均需要数十甚至上百米的光纤才能实现对磁场的有效测量，这使得这些方案设计的传感器较大、不够灵活，且难以适用于需要点测量的应用场合。

发明内容

本发明的目的是提供基于法拉第效应和光纤光栅激光器的磁场传感器灵敏度调谐方法，以解决现有技术中传感器不够灵活，难以应用于点测量场合的技术问题。

本发明的目的采用下述技术方案来实现：基于光纤光栅激光器的磁场传感器灵敏度调谐方法，所述磁场传感器包括依次连接的光纤光栅激光器、起偏器及光电探测器，所述光纤光栅激光器的激光腔内产生的线性双折射与待测磁场引起的圆双折射相结合后形成椭圆双折射；光纤光栅激光器工作在单纵模双正交偏振态，产生两个同属于一个纵模的、具有频率差别的、偏振态正交的激光输出；所述两个激光输出经起偏器后输入光电探测器，在光电探测器中混合产生一个频率等于两个激光器输出的频率之差的拍频信号；通过检测所述拍频信号的频率变化，推算出所述椭圆双折射的变化，再计算出待测磁场的磁场强度；对所述光纤光栅激光器的激光腔施加压力或进行激光照射，改变光纤光栅激光器激光腔内的线性双折射大小，调节拍频信号频率随待测磁场磁场强度的变化大小。

在一个优选的实施例中，对所述光纤光栅激光器的激光器施加压力的方式为：

将所述光纤光栅激光器夹在上下两块板材之间，再通过所述板材向光纤光栅激光器施加垂直于光纤光栅激光器的压力，以改变光纤光栅激光器的外形，从而改变光纤光栅激光器激光腔中的线性双折射。

优选地，通过在所述光纤光栅激光器上方的玻璃板上放置重物，以向光纤光栅激光器施加垂直于光纤光栅激光器的压力。

优选地，所述两块板材之间，还夹有与所述光纤光栅激光器平行放置的条状物；所述条状物的横截面为圆形，且与所述光纤光栅激光器的横截面等大。其中，所述条状物可以为一空闲光纤；所述板材可以为玻璃板。

在一个优选的实施例中，，对所述光纤光栅激光器的激光器进行激光照射的方式为：

将所述光纤光栅激光器放置在二氧化碳激光器的扫描激光束的聚焦平面处；所述二氧化碳激光器发射出3kHz重复频率的激光脉冲，并通过ZnSe的透镜被聚焦在所述光纤光栅激光器照射区域处的一个光斑；通过优化扫描速度和功率以及照射的重复次数，调整二氧化碳激光照射引起的折射率梯度和双折射的变化。

本发明的原理如下：首先在稀土元素掺杂的光纤上制作具有两个正交偏振态输出且相互间具有一定频率差别的短腔光纤光栅激光器。然后通过对此光纤光栅激光器的激光腔施加压力或者激光照射等方式，改变此光纤光栅激光器的激光腔中的线性双折射大小。再将经过上述处理的光纤光栅激光器置于待测量的磁场中。利用磁场的法拉第效应在光纤光栅激光器中引入一个圆双折射，从而使得光纤光栅激光器的两个正交偏振态输出间的频率差别随磁场强度发生变化。最后将光纤光栅激光器的输出经过一个起偏器之后送入光电探测器进行探测，从而将光纤光栅激光器的两个正交偏振态输出间的频率差别转变为射频拍频信号的频率变化。通过检测该频率变化可进而求得磁场强度的大小，实现对磁场的测量。由于上述射频拍频信号的频率随待测磁场磁场强度的变化大小与光纤光栅激光器的激光腔中的线性双折射大小有关，因此上述对光纤光栅激光器激光腔的处理方法实现了对磁场测量灵敏度的调谐。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明方法为调节光纤光栅激光器激光腔内的线性双折射大小，由于磁场传感的灵敏度反比于线性双折射的大小，从而达到对灵敏度进行调谐的目的。通过施加侧向压力挤压光纤或者采用激光器侧向照射对光纤进行热处理等工艺手段，改变光纤光栅激光器激光腔内的线性双折射大小就可以实现对磁场测量灵敏度的调谐。当将光纤光栅激光器的激光腔内的线性双折射调小，可有效的提高对磁场测量的灵敏度；反之则削弱磁场传感器的灵敏度。本发明具有简单、适应性广的特点，可根据实际应用要求暂时或者永久性的改变灵敏度，个性化的满足不同应用的实际需求。

附图说明

图1是通过施加侧向压力挤压光纤以实现本发明调谐方法的方案；

图2是通过二氧化碳激光器侧面照射光纤进行热处理以实现本发明调谐方法的方案；

图3是一个4500G的磁场中磁场变化与无磁场时拍频频率关系的曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明基于光纤光栅激光器的磁场传感器灵敏度调谐方法中，所述磁场传感器包括依次连接的光纤光栅激光器、起偏器及光电探测器；所述光纤光栅激光器的激光腔内产生的线性双折射与待测磁场引起的圆双折射相结合后形成椭圆双折射；光纤光栅激光器工作在单纵模双正交偏振态，产生两个同属于一个纵模的、具有频率差别的、偏振态正交的激光输出；所述两个激光输出经起偏器后输入光电探测器，在光电探测器中混合产生一个频率等于两个激光器输出的频率之差的拍频信号；通过检测所述拍频信号的频率变化，推算出所述椭圆双折射的变化，再计算出待测磁场的磁场强度。

本发明对所述光纤光栅激光器的激光腔，通过施加压力、激光照射等方式，改变光纤光栅激光器激光腔内的线性双折射大小，可以调节拍频信号频率随待测磁场磁场强度的变化大小，实现对所述磁场传感器的磁场测量灵敏度的调谐。下面将根据线性双折射大小的不同改变方式，举两个实施例，对本发明作更为详细的描述。

实施例1

本实施例如图1所示，可暂时的改变线性双折射的大小来调谐灵敏度。在该方案中，光纤光栅激光器101与一根空闲光纤102（空闲光纤102具有与光纤光栅激光器同样外径）平行放置并共同被夹在两块玻璃板103之间。平行放置的空闲光纤102起到支撑作用，并保证玻璃板103施加给光纤光栅激光器的力垂直于光纤光栅激光器。光纤光栅激光器上方的玻璃板上放置一定重量的重物104，通过重力来对光纤光栅激光器施加侧向压力，以改变光纤光栅激光器的外形，从而改变激光腔中的线性双折射。通过改变重物的重量，即可调节激光腔中的线性双折射大小。在本实施例中，采用上述线性双折射调谐方案，对一个发射波长为1529.79nm的双正交偏振双频光纤光栅激光器调谐其线性双折射。当没有外周磁场时，拍频频率在约395MHz。调谐激光器激光腔内线性双折射以减小无外周磁场时的拍频频率。然后沿激光器轴向施加4500G的磁场并检测磁场的变化大小，测量结果如图3所示。根据反比关系计算的理论曲线也示于图3。可以看到在同样为4500G的磁场中，拍频频率变化从395MHz时的约0.25MHz提高到19MHz时的约5MHz，敏感度提高了约20倍。并且，实验测量结果与理论计算曲线非常吻合。

如图1所示，光纤光栅激光器101为在稀土元素掺杂的光纤上使用常规技术手段制作的短腔光纤光栅激光器，由于光纤的非理想圆形等因素引起的线性双折射，该短腔光纤光栅激光器本身会产生同属于一个纵模的两个偏振态正交的激光输出，并且这两个激光输出的频率存在一定差别。在短腔光纤光栅激光器周围没有磁场时，该频率差别正比于双折射的大小。当双频光纤光栅激光器的输出激光经起偏器后，送入光电探测器进行检测时，光纤光栅激光器的两个正交偏振态输出间的频率差别就转变为射频拍频信号的频率变化，拍频频率由下式给出：

$\mathrm{\Δv}=\frac{c}{n_0{\mathrm{\λ}}_0}B---\left(1\right)$

这里，c是真空中的光速，λ₀是激光波长，n₀和B分别是光纤的平均折射率和双折射。拍频频率正比于光纤的双折射；因此，导致双折射变化的任何扰动，都可通过辨别拍频的频移检测到。通常，光纤激光腔里具有一个本征线性双折射β，其导致的本征偏振模式是两个线偏振的模式。当一个沿着光纤轴向的待测磁场施加到光纤激光腔时，通过磁场的法拉第旋转效应可在腔里产生均匀圆双折射。因此，在光纤激光腔被置于轴向磁场中时，其腔内本征的线性双折射与磁场引起的圆双折射的综合效果是椭圆双折射，该椭圆双折射的大小和磁场强度的大小存在一一对应的关系，它的大小由下式给定：

$\mathrm{\Ω}=\sqrt{{\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\β}}^2}---\left(2\right)$

当圆双折射α远小于线性双折射β时，式（2）可近似为：

$\mathrm{\Ω}\≈\mathrm{\β}+\frac{1}{2\mathrm{\β}}{\mathrm{\α}}^2---\left(3\right)$

由式（1），拍频频率由线性双折射及圆双折射所决定，有：

$\mathrm{\Δv}\≈\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{c}{n_0}(\mathrm{\β}+\frac{1}{2\mathrm{\β}}{\mathrm{\α}}^2)---\left(4\right)$

在非铁磁材料中，法拉第效应通过磁场诱导产生圆双折射导致一个沿磁场方向传输的线偏振光波的偏振面发生旋转。而法拉第旋转角正比于所施加的磁场强度H，即：

θ_F=VHL                 (5)

其中，V是Verdet常数，L是光波在磁场中的传输长度。因此，磁场引起的圆双折射可表示为：

α=2VH.                   (6)

因此，对于由磁场诱导的圆双折射远小于线性双折射的情况（一般来说，当圆双折射小于线性双折射1/5时，可认为圆双折射远小于线性双折射），拍频频率与磁场的关系为：

$\mathrm{\Δv}\≈\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{c}{n_0}[\mathrm{\β}+\frac{2}{\mathrm{\β}}{\left(\mathrm{VH}\right)}^2].---\left(7\right)$

其中，由于线性双折射引起的拍频频率变化为：

$\mathrm{\Δ}{v}_L\≈\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{c}{n_0}\mathrm{\β}.---\left(8\right)$

而磁场引起的拍频频率变化为：

$\mathrm{\Δ}{v}_M\≈\frac{c}{\mathrm{\π}{n}_0}\frac{1}{\mathrm{\β}}{\left(\mathrm{VH}\right)}^2.---\left(9\right)$

由上述分析可知，通过测量双正交偏振双频光纤光栅激光器的拍频频率变化，从而可推算出光纤光栅激光器中的椭圆双折射的变化，进而计算出光纤光栅激光器周围磁场强度（即待测磁场的磁场强度）的大小，实现对磁场的光纤光学测量。并且，由式（9），磁场引起的拍频频率变化反比于光纤的线性双折射β。因此，通过调节光纤光栅激光器激光腔内的线性双折射大小，可以实现对磁场测量的灵敏度的调谐。同时，由式（8），在没有磁场时，拍频频率正比于线性双折射大小，因此，对线性双折射的调谐，可通过检测无磁场时的拍频频率来获知线性双折射的大小。

光纤光栅激光器激光腔内的线性双折射大小可根据实际应用情况被暂时的或者永久性的改变。在本实施例中，光纤光栅激光器是一个双偏振分布式布拉格反射镜（DBR）光纤光栅激光器，它在掺铒光纤上分别刻写了两个长度分别为7.5mm及5.5mm的光栅用作反射镜，两个光栅间距为6mm。其在979nm处的吸收系数为11.3dB/m。光纤光栅激光器的两个正交偏振输出在光电探测器中混合，产生一个频率等于两个激光器输出的频率之差的拍频信号。

实施例2

本实施例在实现原理上与实施例1基本相同；如图2所示，可永久性的改变光纤光栅激光器激光腔中的线性双折射大小。在该方案中，光纤光栅激光器101被放置在一台二氧化碳激光器105的扫描激光束106的聚焦平面处。二氧化碳激光器发射出3kHz重复频率的激光脉冲，并通过ZnSe的透镜被聚焦在光纤光栅激光器照射区域107处一个约100μm直径的光斑。

二氧化碳激光器的光束沿着图中所示的z轴以40μm的步长扫过光纤。同时，在z轴上扫过的每一个点上，二氧化碳激光器的光束沿着图中所示的y轴横向的扫过光纤。在二氧化碳激光照射和扫描的过程中，光纤吸收二氧化碳激光器发射出的波长10.6μm的光并产生大量热量。光纤因此软化然后迅速冷却到室温，导致材料体积膨胀，折射率减小。一般而言，光纤面向二氧化碳激光器照射的那部分相比其他部分会有更大的折射率减小，从而在光纤中引入新的双折射。由于z轴的移动步长小于激光光斑直径，因此可在激光腔中形成连续的双折射改变。

二氧化碳激光照射引起的折射率梯度和双折射的变化可以通过优化扫描速度和功率等参数以及照射的重复次数来进行调整。在本实施例中，二氧化碳激光照射的区域大约4mm，输出的功率为5W，扫描的速度为150mm/s，扫描速度比较快以避免光纤激光器的形变。在本实施例中，对一个发射波长为1551.4nm的双正交偏振双频光纤光栅激光器采用二氧化碳激光器进行热处理调谐其线性双折射。在无磁场时，最初的激光器拍频频率为约396MHz。通过二氧化碳激光器的热处理，无磁场时的拍频频率被分别调谐到625MHz、237MHz和51MHz。在沿光纤激光器轴向施加4500G磁场后，测量拍频频率的变化，结果示于图3中。根据反比关系计算了理论曲线也示于图3中。可以看到，无磁场时的拍频频率越低，在施加磁场后所引起的拍频频率变化越大，并且测量结果与理论计算结果非常吻合。因此，降低光纤激光器激光腔内的线性双折射有效的提高了磁场传感的灵敏度。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于光纤光栅激光器的磁场传感器灵敏度调谐方法，所述磁场传感器包括依次连接的光纤光栅激光器、起偏器及光电探测器，其特征在于，

所述光纤光栅激光器的激光腔内产生的线性双折射与待测磁场引起的圆双折射相结合后形成椭圆双折射；光纤光栅激光器工作在单纵模双正交偏振态，产生两个同属于一个纵模的、具有频率差别的、偏振态正交的激光输出；所述两个激光输出经起偏器后输入光电探测器，在光电探测器中混合产生一个频率等于两个激光器输出的频率之差的拍频信号；通过检测所述拍频信号的频率变化，推算出所述椭圆双折射的变化，再计算出待测磁场的磁场强度；

对所述光纤光栅激光器的激光腔施加压力或进行激光照射，改变光纤光栅激光器激光腔内的线性双折射大小，调节拍频信号频率随待测磁场磁场强度的变化大小。

2.根据权利要求1所述的灵敏度调谐方法，其特征在于，对所述光纤光栅激光器的激光器施加压力的方式为：

将所述光纤光栅激光器夹在上下两块板材之间，再通过所述板材向光纤光栅激光器施加垂直于光纤光栅激光器的压力，以改变光纤光栅激光器的外形，从而改变光纤光栅激光器激光腔中的线性双折射。

3.根据权利要求2所述的灵敏度调谐方法，其特征在于，通过在所述光纤光栅激光器上方的玻璃板上放置重物，以向光纤光栅激光器施加垂直于光纤光栅激光器的压力。

4.根据权利要求2或3所述的灵敏度调谐方法，其特征在于，所述两块板材之间，还夹有与所述光纤光栅激光器平行放置的条状物；所述条状物的横截面为圆形，且与所述光纤光栅激光器的横截面等大。

5.根据权利要求4所述的灵敏度调谐方法，其特征在于，所述条状物为一空闲光纤。

6.根据权利要求4所述的灵敏度调谐方法，其特征在于，所述板材为玻璃板。

7.根据权利要求1所述的灵敏度调谐方法，其特征在于，对所述光纤光栅激光器的激光器进行激光照射的方式为：

将所述光纤光栅激光器放置在二氧化碳激光器的扫描激光束的聚焦平面处；所述二氧化碳激光器发射出3kHz重复频率的激光脉冲，并通过ZnSe的透镜被聚焦在所述光纤光栅激光器照射区域处的一个光斑；通过优化扫描速度和功率以及照射的重复次数，调整二氧化碳激光照射引起的折射率梯度和双折射的变化。

8.根据权利要求7所述的灵敏度调谐方法，其特征在于，所述二氧化碳激光照射的区域为4mm，输出的功率为5W，扫描的速度为150mm/s。

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