CN104215367A - 多维应力光子晶体光纤测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光子晶体光纤传感领域，为实现能够在室温条件下多维应力传感，结构简化，减小体积，提高灵敏度，本发明采取的技术方案是，多维应力光子晶体光纤测试装置及方法，包括：依次相连的激光泵浦源、泵浦耦合系统、双色镜、激光增益介质、光子晶体光纤端面作为输出镜；激光增益介质为双包层掺镱多芯光子晶体光纤，双包层掺镱多芯光子晶体光纤的中部一段两端由高精度调整架固定形成应力传感部分；多芯光子晶体光纤的一个端面作为输出镜，依靠4％的菲涅尔反射，与双色镜构成激光谐振腔；增益光子晶体光纤的输出依次通过显微物镜、光衰减片、CMOS探头输出到计算机处理系统。本发明主要应用于多维应力测量。

Description

多维应力光子晶体光纤测试装置及方法

技术领域

本发明涉及光子晶体光纤传感领域，具体讲，涉及多维应力光子晶体光纤传感器装置。

技术背景

随着科技的进步，人们对传感器的要求越来越高，光纤传感器以其本身优点在科研和工业应用中一直占有重要的地位。与传统的传感器相比，光纤应力传感器以其造价低廉、重量轻、不受电磁辐射等影响等优点而被广泛应用，在国家安全、重大工程、生物医药等多个领域具有重大的社会需求和应用前景。由于大多数光纤只用石英材料，通过特殊的微结构实现导光，当给光纤施加应力时，会改变光纤的微结构，导致谐振波长的变化，因此可以用来实现应力传感。

光纤受到应力将引起弯曲传感损耗,光纤中传输的光强因光纤弯曲损耗受到调制。光纤应力传感的主要机理是模式耦合，即纤芯中传输的导模耦合到辐射模中随之辐射到光纤之外。目前光纤应力传感的成熟度和应用情况相对不足，大部分的研究也是基于光纤光栅。该研究将两个光纤光栅分别贴在待检测机构的两个面上，当机构发生弯曲变形时，通过检测两个光纤光栅特征波长变化量来实现应力传感。这种方法的缺点是在贴附光纤光栅时两者的位置要精确对应，而且还要考虑环境温度对传感的影响。为了克服光纤光栅的不足，又提出了基于光子晶体光纤的应力传感方法，如基于拉锥光子晶体光纤的马赫-泽德干涉仪。将拉锥光子晶体光纤两端的空气孔塌陷，然后分别熔接标准单模光纤，以此来构成应力传感器。然而，由于光纤不同弯曲方向的谐振波长弯曲灵敏度几乎相同，因此上述的光纤应力传感器只能检测到一维应力，而不能够进行多维应力。在许多实际的工程测量应用中，往往需要进行多维应力的测量。目前，已报道的多维应力传感使用紫外光在氢载光纤中写入的具有一定的应力相关性的两个长周期光纤光栅相互配合在一定程度上可以解决工程测量中的多维应力传感问题。但是这种方法需要使用多个传感器组合测量，长周期光纤光栅受温度影响较大，检测精度不高，依据能量损耗实现应力测量存在较大误差。

近年来，多芯光子晶体光纤的概念被提出。多芯光子晶体光纤各个纤芯之间的光场相互耦合可以形成所谓“超模”，其中的同相超模具有类高斯型的远场强度分布，有效模场分布面积较大。多芯光子晶体光纤激光器，就是采用有源多芯光子晶体光纤作为激光增益介质的激光器。有源多维应力光子晶体光纤传感装置不仅具有常规光子晶体光纤传感装置的众多优良特性,并且由于有源传感装置将光源与传感器及其传输介质集合到一起,进一步增强了结构的紧凑性,并有很高的稳定性和灵敏度，可以实现多维应力传感。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光子晶体光纤激光器的新型多维应力传感装置。将双包层掺镱多芯光子晶体光纤作为激光增益物质的同时，还可以将其作为多维应力传感器，以此来实现多维应力传感。采用该传感器装置，可以对空间多维应力进行检测，能够检测到从空间多方向施加的应力。同时，相比较于以往的应力传感器，能够简化传感器装置，减小装置的体积，提高应力测量的灵敏度。并且省去了传统光纤应力传感器使用的昂贵的光谱分析仪和宽带光源，节约了成本。由于硅基光子晶体光纤的超低温度灵敏性，该多维应力传感器能够在室温条件下稳定运行。为此，本发明采取的技术方案是，多维应力光子晶体光纤测试装置，包括：依次相连的激光泵浦源、泵浦耦合系统、双色镜、激光增益介质、光子晶体光纤端面作为输出镜；激光增益介质为双包层掺镱多芯光子晶体光纤，双包层掺镱多芯光子晶体光纤的中部一段两端由高精度调整架固定形成应力传感部分；多芯光子晶体光纤的一个端面作为输出镜，依靠4％的菲涅尔反射，与双色镜构成激光谐振腔；增益光子晶体光纤的输出依次通过显微物镜、光衰减片、CMOS探头输出到计算机处理系统。

半导体激光器作为激光泵浦源，通过尾纤和耦合器连接，对有源多心光子晶体光纤进行泵浦，其固定输出波长为978nm，由尾纤输出。尾纤通过快速接头PMA与耦合器相接。

光纤输出聚焦镜作为泵浦耦合系统，倍率为1:0.5,978nm波长泵浦光透过率>95％，工作距离为30mm，数值孔径为0.22。

双包层掺镱多芯光子晶体光纤作为产生激光的增益介质，得到1036nm附近的激光输出；泵浦端面镜采用双色镜紧贴有源光子晶体光纤的端面，它在978nm波长高透，1036nm高反；多芯光子晶体增益光纤的另一个端面作为激光出射镜。

双色镜，978nm波长高透，1036nm波长高反。

多维应力光子晶体光纤测试方法，利用前述装置实现，并在计算机上执行下列步骤：在测量开始时，首先将采集到的已经量化后的原始数据存储起来，作为参考数据；实时监控CMOS探头采集数据的变化，对应力传感部分施加不同方向、不同大小的应力，将CMOS探头采集到的变化后的数据信息与存储好的参考数据进行作差运算，再将差值进行反演运算就可以得到应力的大小和方向。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

本发明的优点在于，基于光子晶体光纤激光器，首次将掺镱多芯光子晶体增益介质光纤本身作为多维应力传感器，利用激光器设计原理，多芯光子晶体光纤在作为激光增益介质的同时，还用于应力传感。相对于目前报道的外腔应力传感器，有源内腔传感可以实现多维应力传感，能够提高传感灵敏度，并且可以有效的减小整套装置的体积，省去了昂贵的光谱分析仪和宽带光源，节约成本。同时，采用双色镜和光纤端面构成谐振腔，可以避免将光子晶体光纤和单模光纤进行熔接所造成的损耗。采用CMOS的近场检测装置，可以避免使用专门的解调装置。由于硅基掺镱光子晶体光纤的超低温度灵敏性，该传感装置几乎不受温度影响。该传感装置更加紧凑，易于实现小型化、全固化，并能够实现在多种温度条件下稳定运转，最终可实现多维应力传感。

附图说明

图1为本发明使用的端面腔镜结构的光子晶体光纤激光器。

图2为本发明的光纤近场检测装置。

图3为多维应力传感器工作示意图。

图4为本发明软件流程图。

附图中，各标号所代表的部件例表如下：

1-激光泵浦源(带尾纤输出的半导体激光器，固定输出波长为978nm，电流控制输出功率，输出功率最大值为100W)；2-泵浦耦合系统(用光纤输出聚焦镜作为耦合器，聚焦镜倍率为1:0.5，978nm波长泵浦光透过率>95％，工作距离为30mm，数值孔径为0.22，PMA905接口)；3-双色镜，978nm波长高透，1036nm波长高反；4-激光增益介质(双包层掺镱多芯光子晶体光纤，空气圆孔的直径为5μm，基底材料纯硅，掺镱纤芯直径为7μm)；5-应力传感部分；6-高精度调整架；7-输出镜(多芯光子晶体光纤的一个端面作为输出镜，依靠4％的菲涅尔反射，与3构成激光谐振腔)；8-显微物镜；9-光衰减片；10-CMOS探头；11-计算机处理系统。

具体实施方式

本发明中，首次实现有源内腔应力传感，双包层掺镱多芯光子晶体光纤在作为激光介质的同时还可作为应力传感器，当外界对多芯光子晶体光纤施加应力，能够影响激光器的输出同相位超模分布，通过检测同相位超模的分布变化，能够实现施加应力方向的检测；根据光纤输出有效模场的变化，能够计算出应力大小。通过检测有效模场和同相位超模分布，可以实现多维应力传感。有源内腔传感比腔外传感具有更高的灵敏度，并且可以有效的减小装置体积。

本发明公开了一种基于光子晶体光纤激光器的新型多维应力传感装置，其技术方案如下：

主要包括半导体激光泵浦源、耦合系统、腔镜、双包层掺镱多芯光子晶体光纤、光衰减片和图像传感器。

本传感装置结构简单。泵浦光源978nm激光出射经光纤输出聚焦镜整形后作为泵浦光，由空间耦合进入双包层掺Yb³⁺多芯光子晶体光纤泵浦长生1036nm激光，而光子晶体光纤端面和1036nm反射镜构成了激光谐振腔。产生的1036nm激光经光子晶体端面输出，由图像传感系统采集有效模场面积和同相位超模分布，并将其量化后进行运算处理。当对掺Yb³⁺多芯光子晶体光纤施加应力会使得激光输出的有效模场面积和同相位超模分布发生明显变化，实现多维应力传感。

半导体激光器作为激光泵浦源，通过尾纤和耦合器连接，对有源多心光子晶体光纤进行泵浦。其固定输出波长为978nm，由尾纤输出。尾纤通过快速接头PMA与耦合器相接。

光纤输出聚焦镜作为耦合器，倍率为1:0.5,978nm波长泵浦光透过率>95％，工作距离为30mm，数值孔径为0.22。光子晶体光纤激光器对泵浦耦合效率要求较高，使用光纤输出聚焦镜对尾纤输出的泵浦光进行聚焦、扩束，然后将泵浦光耦合入光纤，可以实现高效耦合。经过光纤输出聚焦镜整形后的光束空间耦合进入增益介质。

双包层掺镱多芯光子晶体光纤作为产生激光的增益介质，在产生激光的同时，能够形成稳定的同相位超模。同相位超模是各个纤芯相位一致的超模。在应力传感中，将部分光纤固定在调整架上作为传感器。当对传感器(多芯光子晶体光纤)施加应力时，会使得纤芯材料的折射率发生变化，从而会影响多芯光子晶体光纤的输出模式。根据有效模场面积和输出同相位超模分布的变化，可以实现多维应力传感。用978nm的激光泵浦该光子晶体光纤，得到1036nm附近的激光输出。泵浦端面镜采用双色镜紧贴有源光子晶体光纤的端面，它在978nm波长高透，1036nm高反；多芯光子晶体增益光纤的另一个端面作为激光出射镜。

基于COMS的近场检测装置，主要由显微物镜、光衰减片和CMOS图像传感器三部分构成，可以对光子晶体光纤输出有效模场面积和同相位超模分布进行采集。显微物镜可以获得微米量级光子晶体光纤端面的输出，光衰减片对光强进行衰减，CMOS图像传感器可以将采集的超模信息量化，上传到计算机处理系统。

使用VC++程序对采集到的数据进行分析，处理系统与CMOS图像传感器连接，通过采集、处理光子晶体光纤激光器输出的同相位超模分布的变化和有效模场面积的变化，可以实现多维应力传感。

本发明的原理：利用多芯光子晶体光纤的空气孔和纤芯交错排列的特殊结构，对多芯光子晶体光纤施加应力，与受力方向同侧的材料受到压缩，另一侧的材料受到延展，这将导致一侧光纤材料的折射率降低，另一侧光纤材料的折射率增加，从而影响多芯光子晶体光纤激光器的有效模场面积以及同相位超模的分布。有效模场面积的变化呈近似线性光系，根据光子晶体光纤受力大小与有限模场面积的线性关系反演对应有限模场面积的应力大小。同时，可以通过观察光子晶体光纤输出同相位超模分布的变化得到施加应力的方向。这样，通过检测有效模场面积和同相位超模分布，就可以实现应力传感。由于多芯光子晶体光纤具有多个纤芯，当受到不同方向的应力时，每个纤芯的输出模式有所不同，最终合成同相位超模的的分布会有所不同，从而能够实现多维应力传感。

下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明。

图1所示为光子晶体光纤激光器以及腔内应力传感装置示意图。半导体泵浦源1由电流控制输出，温度控制在25℃时，输出波长为978nm的泵浦光。泵浦耦合是光纤激光器的重要一环，它是使泵浦光能够被高效率的注入增益光子晶体光纤的保证。为了简单起见，在本发明中采用了光纤输出聚焦镜2作为耦合器，泵浦源1的尾纤输出通过PMA接口和光纤输出聚焦镜2相连，微调聚焦镜，可以使得978nm激光透过最大，然后再将其耦合进入双包层多芯掺镱光子晶体光纤4的内包层区域，在双色镜3和光子晶体光纤端面7构成的谐振腔内振荡，产生波长在1036nm附近的激光，通过端面7输出。双色镜3对于978nm的光高透，对于1036nm的光高反。微调双色镜3，可以优化输出有效模场面积和同相位超模分布。将光纤的一段5作为多维应力传感器，并将其固定在高精度调整架6上。

图2为应力传感器近场检测装置。该近场检测装置由显微物镜8，光衰减片9，CMOS探头10和计算机处理系统11构成。本发明需要观察光子晶体光纤激光器的输出有效模场面积和同相位超模分布。由于被观察的双包层掺镱多芯光子晶体光纤最小的空气孔直径为5μm，因此采用分辨能力为1μm的16倍显微物镜就可以满足要求；而CMOS图像传感器具有较宽的光谱响应范围可以满足本发明的要求，根据显微物镜和CMOS芯片的尺寸就能够确定光纤端面和CMOS间的物象距离；衰减片置于CMOS芯片之前，用于保护芯片过载。在进行测量时，先利用CMOS图像传感器采集多芯光子晶体光纤在未受应力时的输出有效模场面积和同相位超模分布，将他们进行量化，将量化后的数值信息上传到计算机处理系统，作为参考数据保存下来。显微物镜置于增益介质光纤端面7后，如图2所示。将光子晶体光纤的末端切割为平整的端面，则在光子晶体光纤末端就会存在反射率为4％的菲涅尔发射。在激光谐振腔中，双色镜与另一端的光子晶体光纤端面7组成了谐振腔，泵浦光在双色镜3和光纤端面7之间的增益光纤4内产生振荡，形成的激光从端面7出射。

按照图3所示的方向，对多芯光子晶体光纤施加应力，会改变激光器的输出模场面积和同相位超模分布，通过CMOS图像传感器采集受到应力后的模场面积和同相位超模分布并进行量化，将量化后的数据上传到计算进处理系统。计算机处理系统将获得的数据信息和参考数据信息做差，根据差值可以反馈得出光子晶体光纤受到的应力。处理系统由VC++编写的程序控制。

本发明中，部分光子晶体光纤5被固定在两个高精度调整架作为多维应力传感器，当沿某一方向对光子晶体光纤施加应力，光子晶体光纤的输出有效模场面积和同相位超模分布将会发生变化，通过近场检测系统，就可以实现多维应力传感。

图4为本发明的软件流程图。设计的程序监控整个传感测量过程。在测量开始时，首先将采集到的已经量化后的原始数据存储起来，作为参考数据。用程序实时监控CCD传感器采集数据的变化。对传感器施加不同方向、不同大小的应力，程序将CCD传感器采集到的变化后的数据信息与存储好的参考数据进行作差运算，再将差值进行反演运算就可以得到应力的大小和方向。

Claims (6)

1.一种多维应力光子晶体光纤测试装置，其特征是，包括：依次相连的激光泵浦源、泵浦耦合系统、双色镜、激光增益介质、光子晶体光纤端面作为输出镜；激光增益介质为双包层掺镱多芯光子晶体光纤，双包层掺镱多芯光子晶体光纤的中部一段两端由高精度调整架固定形成应力传感部分；多芯光子晶体光纤的一个端面作为输出镜，依靠4％的菲涅尔反射，与双色镜构成激光谐振腔；增益光子晶体光纤的输出依次通过显微物镜、光衰减片、CMOS探头输出到计算机处理系统。

2.如权利要求1所述的多维应力光子晶体光纤测试装置，其特征是，半导体激光器作为激光泵浦源，通过尾纤和耦合器连接，对有源多心光子晶体光纤进行泵浦，其固定输出波长为978nm，由尾纤输出。尾纤通过快速接头PMA与耦合器相接。

3.如权利要求1所述的多维应力光子晶体光纤测试装置，其特征是，光纤输出聚焦镜作为泵浦耦合系统，倍率为1:0.5,978nm波长泵浦光透过率>95％，工作距离为30mm，数值孔径为0.22。

4.如权利要求1所述的多维应力光子晶体光纤测试装置，其特征是，双包层掺镱多芯光子晶体光纤作为产生激光的增益介质，得到1036nm附近的激光输出；泵浦端面镜采用双色镜紧贴有源光子晶体光纤的端面，它在978nm波长高透，1036nm高反；多芯光子晶体增益光纤的另一个端面作为激光出射镜。

5.如权利要求1所述的多维应力光子晶体光纤测试装置，其特征是，双色镜，978nm波长高透，1036nm波长高反。

6.一种多维应力光子晶体光纤测试方法，其特征是，利用前述装置实现，并在计算机上执行下列步骤：在测量开始时，首先将采集到的已经量化后的原始数据存储起来，作为参考数据；实时监控CMOS探头采集数据的变化，对应力传感部分施加不同方向、不同大小的应力，将CMOS探头采集到的变化后的数据信息与存储好的参考数据进行作差运算，再将差值进行反演运算就可以得到应力的大小和方向。