CN103852093A - 一种基于模式干涉反射结构的光纤激光传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模式干涉反射结构的光纤激光传感系统。包括泵浦源、波分复用器、稀士掺杂光纤、输出耦合器、单模光纤、多模光纤、金属反射膜、3dB分束器、光电探测器和波长解调系统，传感探头由单模光纤、多模光纤及蒸镀于其上的金属反射膜组成的模式干涉光纤反射结构封装构成，该结构即作为线形腔光纤激光器的波长选择元件和腔镜，同时响应位移、折射率、温度、应变等各类物理量。物理量变化时激光传感器输出波长和功率随之发生偏移，通过光电探测器和波长解调系统对激光输出波长和功率的检测，实现各类物理量的高精度测量。本发明易于制作，成本低，工作性能可靠，可实现高精度传感。

Description

一种基于模式干涉反射结构的光纤激光传感系统

技术领域

 本发明属于光电子技术领域，涉及光纤激光传感等方面，涉及一种新型光纤激光传感器的设计与制作。

背景技术

光纤激光传感系统除具有光纤传感器的优点之外，还具有激光器输出信噪比高、线宽窄、噪声低、单位带宽功率高的优良特性。光纤激光传感系统无需宽带光源，可实现高灵敏、高分辨和高精度传感，在微弱信号探测方面有着不可比拟的优势。可用于工业技术、环境工程、海洋科学等领域的温度、应变、位移、折射率、振动等物理量的测量。如中国专利CN101793570A公开的光纤布拉格光栅激光器的传感方法，中国专利CN103134581A公开的推挽式光纤激光矢量水听器，传统的光纤激光传感器以光纤光栅作为激光器的谐振腔，同时响应外界各类物理量，从而实现传感测量。然而，光纤光栅在实现温度和应变测量时，具有交叉敏感的特点，导致测量的不稳定性。模式干涉光纤结构透过光谱表现出带通滤波特性，外界信号使多模光纤参数变化，其滤波特性也随之发生改变，基于模式干涉结构的光纤传感器表现出制作简便、结构紧凑、成本低、响应快速等优点。且温度与应力对模式干涉结构输出光谱产生极性相反的作用。传统的模式干涉结构是基于“单模+多模+单模”光纤构成的透射式结构，一般情况下只能采用环形腔结构，而且，一个值得注意的问题是这种透射式结构的滤波带宽较宽，限制其在高精度（高灵敏度、高分辨率）探测中的应用。

发明内容

为解决背景技术中光纤光栅激光传感器温度与应力交叉敏感、模式干涉光纤传感器无法应用于高精度、高分辨率传感中的应用等问题，模式干涉透射式结构只能采用环形腔结构且滤波带宽较宽，限制其在高精度探测中的应用。

本发明的目的在于设计并制备了一种基于模式干涉反射结构的光纤激光传感系统，由单模光纤、多模光纤和金属反射镆构成的模式干涉光纤反射结构作为光纤激光谐振腔的反射镜，同时作为优越感探头，是响应外界物理量的敏感元件，是一种具有高信噪比、高优越感精度、无温度应变交叉敏感特性的功能型光纤激光传感器。

为实现上述目的，本发明一种基于模式干涉反射结构的光纤激光传感系统所采取的方案是：它包括：泵浦源、波分复用器、输出耦合器、稀土掺杂光纤、单模光纤、多模光纤、金属反射膜、宽带介质反射镜、3dB分束器、光电探测器、波长解调系统组成；传感探头由单模光纤、多模光纤和蒸镀于其上的金属反射膜构成，多模光纤作为外界物理量敏感介质，多模光纤的尺寸和长度可根据光纤激光器输出波长和传感设计要求进行选择；传感探头构成模式干涉光纤反射结构作为线形腔光纤激光器的波长选择元件，金属反射膜提供线形腔的腔面反射，宽带介质反射镜作为线形腔的另一腔面反射；泵浦源采用单模光纤输出的半导体激光器，泵浦光经波分复用器耦合进入光纤激光器线形腔内，稀士掺杂光纤包括掺镱光纤、掺铒光纤、铒镱共掺的单模光纤，为激光波长提供增益。输出耦合器根据稀土掺杂光纤的吸收系数及增益的要求可选择不同输出比；光纤激光器的输出波长由光谱增益曲线和多模光纤的模式干涉滤波特性决定，该波长获得增益在光纤激光器线形腔内振荡，并从输出耦合器输出，进入光电探测器或波长解调系统进行检测，当外界的温度、应变、位移、折射率、振动等物理量作用于传感探头时，模式干涉结构的滤波特性发生偏移，导致线形腔光纤激光器的输出波长偏移，偏移量与作用于多模光纤上的物理量的大小有关，光纤激光器输出波长和功率随待测物理量变化的信息被检测出来，实现各类物理量的传感探测。

模式干涉光纤反射结构的滤波特性是由信号光在多模光纤内经历往反两次模式干涉效应产生的，其选择的峰值透过率波长与多模光纤参数间的关系为： 其中p代表自成像点数，L、a和n分别代表多模光纤的长度、半径以及折射率，当外界各类物理量作用于传感探头时，多模光纤的长度、半径及折射率参数的变化规律为： ，其中，α和β分别代表光纤的热扩散系数和热光系数， 为有效光弹系数，p11和p12为熔融硅光弹系数，σ为泊松比，i=1,2代表纤芯和包层，ΔT是温度的变化量，ε代表应变大小。

本发明选择不同泵浦源、有源光纤及其它光纤无源器件，可实现1550nm和1060nm波段光纤激光传感器，结合光电探测器和波长解调系统实现各类物理量的传感测量。

本发明被测物理量包括温度、应变、位移、折射率、振动等。可直接测量位移、折射率等，通过转化也可实现温度、应变、振动和声波的测量。

本发明的工作原理：由宽带介质反射镜、泵浦源、波分复用器、输出耦合器、稀土掺杂光纤、多模光纤和金属反射膜构成基于模式干涉反射结构线形腔光纤激光器，利用单模光纤、多模光纤和蒸镀于其上的金属反射膜构成的模式干涉反射结构实现激光波长的选择和提供高反射率的反射，同时模式干涉反射结构作为传感探头，响应外界各类物理量，在泵浦源提供增益情况下，线形腔中间加上能够产生足够增益的稀士掺杂光纤，由输出耦合器输出的激光经3dB耦合器分别进入光电探测器和波长解调系统进行测量分析，当外界的位移、折射率、温度、应变等物理量作用于传感探头时，光纤激光传感器输出波长和功率发生改变，通过进一步的检测实现对位移、折射率、温度、应变等物理量的高精度测量。

本发明的优点：基于模式干涉反射结构的光纤激光传感系统结合了模式干涉光纤结构的无温度应变交叉敏感特性和光纤激光器的优良性能，传感测量结果稳定性高、单位带宽功率高、输出波长信噪比大，提高了传感分辨率，无温度应变交叉敏感特性，检测成本低，该传感器制作简单，易于封装、性能稳定。

附图说明：

图1 基于模式干涉反射结构的光纤激光传感系统结构示意图

图2模式干涉反射结构示意图

图3本发明具体实施例2的结构示意图

图4本发明具体实施例3的结构示意图

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例详细描述本发明，如图1，2所示，本发明的装置包括：泵浦源1、波分复用器2、输出耦合器3、稀土掺杂光纤4、单模光纤5、多模光纤6、金属反射膜7、宽带介质反射镜8、3dB分束器9、光电探测器10、波长解调系统11组成。采用光纤熔接技术，将各部分光纤输出端连接起来，对多模光纤部分进行封装作为传感探头，组成基于模式干涉反射结构的光纤激光传感系统。

1）泵浦源1采用单模光纤耦合输出的半导体激光器，泵浦源1的输出光纤与波分复用器2的泵浦输入端熔接，使泵浦光波分复用器2耦合进入光纤激光器线形腔内。

2）输出耦合器3为2×1的分束器，将波分复用器2的信号输出端与输出耦合器3的分束比大的输出端熔接，波分复用器2的信号输入端与宽带介质反射镜8垂直无缝粘接，作为线形腔的后反射腔镜。

3）输出耦合器3的输入端再连接稀土掺杂光纤4，稀土掺杂光纤4的长度根据增益及阈值选择，以便线形腔光纤激光传感系统获得足够输出功率和信噪比。

4）稀土掺杂光纤4的输出端连接一段单模光纤5，单模光纤5再连接一段多模光纤6，多模光纤的另一端切平抛光后，蒸镀增强铝反射膜或金反射膜，构成模式干涉光纤反射结构，如图2所示，该结构作为线形腔光纤激光器的波长选择元件和前反射腔镜，同时作为传感探头。单模光纤5的长度可根据光纤激光谐振腔和工作场合的要求合理设计。选定的激光输出波长在稀土掺杂光纤4内获得足够的增益，在线形腔内形成激光振荡，由输出耦合器3输出，输出耦合比可根据增益及信噪比的要求选定。

5）选择980nm泵浦源和980/1550波分复用器，或者1480nm泵浦源和1480/1550波分复用器，铒掺杂或铒镱共掺的稀土掺杂光纤，1550nm输出耦合器，可实现1550nm波段光纤激光传感系统。

6）选择980nm泵浦源和980/1064波分复用器，或者915nm泵浦源和915/1064波分复用器，掺镱光纤，1064nm输出耦合器，可实现1064nm波段光纤激光传感系统。

7）多模光纤6的纤芯直径可为50μm-105μm，NA 0.22或NA 0.15，包层直径125μm，多模光纤6也可以采用直径为125μm的无芯光纤，与单模光纤的包层直径一致。多模光纤6的长度可根据光纤激光传感器的工作波段和模式干涉光纤反射结构的滤波特性来选择。

8）由单模光纤5、多模光纤6和金属反射膜7构成模式干涉光纤反射结构作为传感探头，可采用耐高温、高绝缘，性能较好的材料封装，传感探头可固定于待测物理量的现场。

9）输出耦合器4的输出端连接3dB分束器9，3dB分束器9的两个输出端分别接入光电探测器10和波长解调系统11，当外界物理量作用于传感探头时，光纤激光器输出波长和功率随待测物理量变化的信息被检测出来，实现各类物理量的传感探测。

发明人给出本发明的第二个实施例：如图3所示，宽带介质反射镜8可由光纤布拉格光栅12代替，将波分复用器2的另一端与光纤布拉格光栅12熔接作为后向反射镜，光纤布拉格光栅12实现对剩余泵浦光透射，且对1550nm波段或1064nm波段的宽带全反射，光纤布拉格光栅12不作为传感探头。在稀土掺杂光纤4和单模光纤5之间连接有偏振控制器13，偏振控制器13用于控制线形腔内激光的偏振方向，优化模式干涉光纤反射结构的滤波特性。其它组件参数及其连接关系与第一个实施例相同。

发明人给出本发明的第三个实施例：如图4所示，泵浦源1、波分复用器2、输出耦合器3、稀土掺杂光纤4、单模光纤5、光纤环形器14构成光纤激光器环形腔结构，光纤环形器14的另一端接由单模光纤5、多模光纤6、金属反射膜7构成的模式干涉光纤反射结构，该结构同时作为传感探头。其它组件参数及其连接关系与第一个实施例相同。

上述实施例中单模光纤5、多模光纤6和金属反射膜7或光纤布拉格光栅12的参数可以根据实际设计要求来选择。

Claims (4)

1.一种基于模式干涉反射结构的光纤激光传感系统，它包括泵浦源（1）、波分复用器（2）、输出耦合器（3）、稀土掺杂光纤（4）、单模光纤（5）、多模光纤（6）、金属反射膜（7）、宽带介质反射镜（8）、3dB分束器（9）、光电探测器（10）、波长解调系统（11）组成，其特征在于：泵浦源（1）输出泵浦光经波分复用器（2）进入激光腔内，被稀士掺杂光纤（4）吸收泵浦光获得增益，由输出耦合器（3）输出；多模光纤（6）和金属反射膜（7）作为传感探头，光纤激光器输出端接入光电探测器（10）或波长解调系统（11）进行检测，实现各类物理量的传感探测。

2.根据权利要求1一种基于模式干涉反射结构的光纤激光传感系统，其特征在于：单模光纤（5）、多模光纤（6）和金属反射膜（7）构成模式干涉光纤反射结构，金属反射膜（7）蒸镀于多模光纤（6）的端面上，多模光纤（6）的尺寸和长度可根据光纤激光器输出波长和传感设计要求进行选择。

3.根据权利要求1一种基于模式干涉反射结构的光纤激光传感系统，其特征在于：宽带介质反射镜（8）、波分复用器（2）、输出耦合器（3）、稀士掺杂光纤（4）、单模光纤（5）、多模光纤（6）、金属反射膜（7）依次连接组成线形腔结构，稀土掺杂光纤（4）和单模光纤（5）之间可设有偏振控制器（13），宽带介质反射镜（8）可由光纤布拉格光栅（12）代替。

4.一种基于模式干涉反射结构的光纤激光传感系统，其特征在于：泵浦源（1）、波分复用器（2）、输出耦合器（3）、稀土掺杂光纤（4）、单模光纤（5）、光纤环形器（14）构成光纤激光器环形腔结构，光纤环形器（14）的另一端接由单模光纤（5）、多模光纤（6）、金属反射膜（7）构成的模式干涉光纤反射结构作为传感探头。

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