CN104390723A - 基于多波长布里渊光纤激光器的光纤温度传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于多波长布里渊光纤激光器的光纤温度传感器是利用光纤的布里渊增益效应、掺铒光纤放大效应、多级布里渊散射光温度效应以及外差拍频解调原理制成的光纤温度传感器，包括窄线宽单频激光器，光分路器，偏振控制器，光隔离器，光环形器，单模传感光纤，掺铒光纤放大器，未泵浦的掺铒光纤，高速光电探测器，频谱分析仪。本发明具有波长数量多、线宽窄、波长间隔固定、输出稳定的优点，用提供给此光纤激光器增益的单模光纤作为温度传感探测单元，对高阶斯托克斯波进行外差拍频解调探测，实现高精度高灵敏度的温度测量。

Description

基于多波长布里渊光纤激光器的光纤温度传感器

技术领域

本发明涉及光纤激光器传感器，尤其是包括窄线宽单频激光器，光分路器，偏振控制器，光隔离器，光环形器，单模传感光纤，掺铒光纤放大器，未泵浦的掺铒光纤，高速光电探测器，频谱分析仪的基于多波长布里渊光纤激光器的光纤温度传感器。

背景技术

在基于光纤激光器的传感器领域，国内外学者（A. T. Alavie, et. al. “A multiplexed Bragg grating fiber laser sensor system,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 5, no. 9, pp. 1112–1114, Sep. 1993；徐团伟等提出的发明专利，授权公开号：CN102829810A；Ahmad, H.; et. al.. "Temperature Sensing Using Frequency Beating Technique From Single-Longitudinal Mode Fiber Laser," Sensors Journal, IEEE, vol.12, no.7, pp.2496-2500, July 2012）使用基于光纤光栅(FBG)的单波长光纤激光器，利用FBG对波长敏感的原理，构建了基于光纤激光器的温度传感器，灵敏度有每摄氏度GHz量级的变化，但还是存在一些不足，一方面当使用滤波器进行解调探测时，受滤波器可调速度的影响，不仅加大了系统的复杂程度而且降低了系统的响应速度，另一方面当使用拍频解调探测时，需要一个和此光纤激光器输出相匹配的单频光源作为参考，这样不仅增加了成本，而且不适用与高温度探测，第三方面是这类激光传感器测量精度会受限于FBG的带宽大小；同样对于基于FBG多波长光纤激光器的分布式多点温度传感器（R. Perez-Herrera, et. al.. "L-Band Multiwavelength Single-Longitudinal Mode Fiber Laser for Sensing Applications," J. Lightwave Technol. 30, 1173-1177, 2012.）也会出现单波长光纤激光器的第一和第三方面的问题；为了解决前两个问题，南京大学陈向飞课题组提出了一种基于多纵模光纤激光传感器（Zuowei Yin; et. al.. "Fiber Ring Laser Sensor for Temperature Measurement," Lightwave Technology, Journal of , vol.28, no.23, pp.3403,3408, Dec.1, 2010；S. Liu, et. al.. Multilongitudinal mode fiber laser for strain measurement, Opt. Lett. 35, 835-837, 2010.），通过对光纤激光器基频及不同阶纵模的拍频探测，获取环境温度值，但由于此温度传感器的机理是传感光纤自身热效应，所以即使是基频的76倍纵模，其灵敏度也仅有每摄氏度kHz量级的变化。

上述这些光纤激光器传感器，不能同时实现高精度高灵敏度的温度测量，因此迫切需要开发一种高精度高灵敏度的光纤温度传感器。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种简单、稳定性好、高精度、高灵敏度的基于多波长布里渊光纤激光器的光纤温度传感器。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的。

一种基于多波长布里渊光纤激光器的光纤温度传感器，包括窄线宽单频激光器、偏振控制器、光隔离器、光分路器、未泵浦的掺铒光纤、光环形器、掺铒光纤放大器、单模传感光纤、温度控制系统、高速光电探测器和频谱分析仪；其特征在于：第一窄线宽单频激光器作为多波长窄线宽光纤激光器的泵浦光，经偏振控制器、光隔离器和第一光分路器的一个输入端注入到谐振腔中；泵浦光再经第二光环形器的第二端口、掺铒光纤放大器放大以及第二光环形器后，返回谐振腔中；然后经第一光分路器的另一个输入端和单模传感光纤，通过内嵌可饱和吸收体的窄带环形滤波器和第一光环形器后，再返回谐振腔中；其中，所述内嵌可饱和吸收体的窄带环形滤波器还包括未泵浦的掺铒光纤和第二光分路器，单模传感光纤置于温度控制系统内；最后再通过第三光分路器，将第一光分路器的另一个输出端和第二窄线宽单频激光器输出信号进行拍频，根据不同阶斯托克斯波的波长调节第二窄线宽单频激光器的输出波长，并与所输出的波长相匹配，拍频信号经过高速光电探测器后，使用频谱仪进行拍频分析。

基于上述技术方案，进一步的附加技术方案如下。

(1)所述第一窄线宽单频激光器和第二窄线宽单频激光器是中心波长为1550nm，光谱线宽为400kHz，边摸抑制比>45dB，相对噪声为-145dB/Hz，最大输出功率为10dBm，波长可调范围从1520nm到1630nm的连续运行激光器。

(2)所述内嵌可饱和吸收体的窄带环形滤波器中的第二光分路器的分光比是50∶50，未泵浦的掺铒光纤的长度是8m或10m。

(3)所述单模传感光纤是500m长度的G655单模光纤。

(4)所述第一光分路器的分光比是50∶50；第三光分路器的分光比是50∶50。

(5)所述温度控制系统的调节范围是5~60℃，温度分辨率是0.1℃的连续运行恒温系统。

(6)所述掺铒光纤放大器的输出功率是0.5W~2W，波长范围是1545nm~1565nm。

(7)所述高速光电探测器响应带宽是0~45GHz。

(8)所述频谱仪带宽是0~26.5GHz，最小分辨率是1Hz。

实现本发明上述所提供的一种基于多波长布里渊光纤激光器的光纤温度传感器的技术方案，与现有技术相比，本光纤温度传感器采用内嵌可饱和吸收体的窄带环形滤波器，实现了高精度的温度测量；利用多级布里渊散射光温度效应，实现了高灵敏度的温度探测，其优点与积极效果具体体现在如下两方面。

一是与现有的基于单个或多个光纤光栅（FBG）的单波长光纤激光器温度传感器相比，不会受到FBG带宽的限制，而且利用维纳效应，获得多波长窄线宽光纤激光，可以获得更高精度的温度测量；

二是与现有的基于多纵模光纤激光器的温度传感器相比，利用多级布里渊散射光对温度敏感的特性，可以有更高的温度灵敏度，大约提高三个数量级的灵敏度。

附图说明

图1是本发明提出的基于多波长窄线宽布里渊掺铒光纤激光器的光纤温度传感器的结构示意图。

图2是本发明提出的基于多波长窄线宽布里渊掺铒光纤激光器的光纤温度传感器的测温原理结构示意图。

图3式本发明提出的基于多波长窄线宽布里渊掺铒光纤激光器的光纤温度传感器的二阶斯托克斯波测温结果图。

图中：1a：第一窄线宽单频激光器；1b：第二窄线宽单频激光器；2：偏振控制器；3：光隔离器；4a：第一光分路器；4b：第二光分路器；4c：第三光分路器；5：未泵浦的掺铒光纤；6a：第一光环形器；6b：第二光环形器；7：掺铒光纤放大器；8：单模传感光纤；9：温度控制系统；10：高速光电探测器；11：频谱分析仪。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

如附图所述，实施本发明上述所提供的一种基于多波长布里渊光纤激光器的光纤温度传感器，该传感器包括第一窄线宽单频激光器1a；第二窄线宽单频激光器1b；偏振控制器2；光隔离器3；第一光分路器4a；第二光分路器4b；第三光分路器4c；未泵浦的掺铒光纤5；第一光环形器6a；第二光环形器6b；掺铒光纤放大器7；单模传感光纤8；温度控制系统9；高速光电探测器10和频谱分析仪11。

基于上述的构成要件，本发明的构成关系是：以第一窄线宽单频激光器1a作为多波长窄线宽光纤激光器的泵浦光，再先后经过偏振控制器2、光隔离器3和第一光分路器4a的一个输入端注入到谐振腔中，其中，所采用的偏振控制器2用来调节泵浦光和斯托克斯光之间的偏振态，以保证布里渊增益最大；所采用的光隔离器3是为了防止腔内出射光打坏第一窄线宽单频激光器1a；之后泵浦光再经过第二光环形器6b的第二端口、掺铒光纤放大器7放大和第二光环形器6b后，再返回到谐振腔中，然后经过第一光分路器4a的另一个输入端和单模传感光纤8，通过内嵌可饱和吸收体的窄带环形滤波器和第一光环形器6a后，再返回谐振腔中，内嵌可饱和吸收体的窄带环形滤波器起到保证单模运行状态的作用，其还包括了一段未泵浦的掺铒光纤5和第二光分路器4b，基本原理为维纳效应，单模传感光纤置于温度控制系统9内，且要保证传感光纤无外界应力的影响，通过第三光分路器4c，将第一光分路器4a的另一个输出端和第二窄线宽单频激光器1b输出信号进行拍频，根据不同阶斯托克斯波的波长调节第二窄线宽单频激光器1b的输出波长，以和所输出的波长相匹配，拍频信号经过高速光电探测器10后，使用频谱仪11进行拍频分析。

基于上述具体实施方式，本发明进一步的具体实施方案如下。

第一附加技术实施方案是：所采用的第一窄线宽单频激光器1a和第二窄线宽单频激光器1b是中心波长为1550nm，光谱线宽为400kHz，边摸抑制比>45dB，相对噪声为-145dB/Hz，最大输出功率为10dBm的连续运行激光器，波长可调范围从1520nm到1630nm的连续运行激光器。

第二附加技术实施方案是：所采用的内嵌可饱和吸收体的窄带环形滤波器中的第二光分路器4b的分光比为50:50，未泵浦的掺铒光纤5长度为8m和10m。

第三附加技术实施方案是：所采用的单模传感光纤8为500m长度的G655单模光纤。

第四附加技术实施方案是：所采用的第一光分路器4a的分光比为50:50；第三光分路器4c的分光比为50:50。

第五附加技术实施方案是：所采用的温度控制系统9是调节范围为5~60℃，温度分辨率为0.1℃的连续运行恒温系统。

第六附加技术实施方案是：所采用的掺铒光纤放大器7，输出功率为0.5W~2W，波长范围为1545nm~1565nm。

第七附加技术实施方案是：所采用的高速光电探测器10响应带宽为0~45GHz。

第八附加技术实施方案是：所采用的频谱仪11带宽为0~26.5GHz，最小分辨率为1Hz。

在上述的具体实施方案中，如附图1所述，该传感器的窄线宽单频激光器是法国Yenista公司推出的T100系列单频激光器，其具有输出功率高、可调范围宽和线宽窄的优点；温度控制系统9是杭州保恒恒温技术有限公司的BH8001动态恒温控制系统；掺铒光纤放大器7是上海瀚宇光纤通信技术有限公司的MARS系列C波段高功率台式光纤放大器；高速光电探测器10是德国U2T公司推出的高灵敏探测器；频谱仪为Keysight公司推出的N9020信号分析仪11。

所采用的多波长布里渊光纤激光器的工作原理如下：

光纤中，入射激光和光纤中声波发生非线性的相互作用，光波通过电致伸缩产生声波，引起了光纤折射率的周期性调制，产生频率上、下移的反斯托克斯和斯托克斯布里渊散射光，在光纤中产生的布里渊频移                                                ，表示为

                          (1)

其中，为泵浦光频率，为声速，为光速，在1550nm附近大约为10GHz。

当掺铒光纤放大器的功率达到受激布里渊散射的阈值时，出现一阶的斯托克斯波，当进一步增加掺铒光纤放大器的功率，就激射出高阶斯托克斯波，且每两阶斯托克斯波之间间隔都为布里渊频移量，此就为预期的多波长布里渊掺铒光纤激光器，每阶斯托克斯波频率可以表示为：

                (2)

所采用的高精度温度探测的工作原理如下：

为了提高温度探测精度，需要保证每一阶斯托克斯波都处于单模运行状态，在腔中加入了内嵌可饱和吸收体的窄带环形滤波器，可饱和吸收体为未泵浦的掺铒光纤8，其长度为8m和10m，以保证其基频宽度大于布里渊增益带宽，根据维纳效应，可以得到输出激光的有效自由频谱宽（）是每个谐振环的整数倍，表示为

                    (3)

其中是每个谐振环对应的，而每个谐振环的环长，是正整数。因此，选择好适当的环长，就可以保证每一阶的斯托克斯波都处于单模的运行状态。

所采用的高灵敏度探测的工作原理：

如附图2所示，光纤中布里渊散射光频移具有温度和应变效应，如果只考虑温度效应，一阶斯托克斯波频移变化量可以表示为：

                          (4)

其中为温度变化量，为一阶斯托克斯波温度系数，因为某个特定的温度下布里渊频移是固定的，因此对于高阶斯托克斯波，其对应的布里渊频移变化量就为一阶斯托克斯波变换量的倍，同样高阶斯托克斯波温度系数也为一阶斯托克斯波系数的倍，即

           (5)

由式(4)和式(5)，只要探测处每阶斯托克斯波频移变化量，就可以获取传感光纤出的温度值，且探测斯托克斯波的阶数越高，其灵敏度也越高。

工作时，第一窄线宽单频激光器1a作为多波长窄线宽光纤激光器的泵浦光，先后经过偏振控制器2、光隔离器3和第一光分路器4a的一个输入端注入到谐振腔中，偏振控制器2用来调节泵浦光和斯托克斯光之间的偏振态，以保证布里渊增益最大，光隔离器3是为了防止腔内出射光打坏第一窄线宽单频激光器1a，之后泵浦光经过第二光环形器6b的第二端口，再经过掺铒光纤放大器7放大和第二光环形器6b后，返回谐振腔中，之后经过第一光分路器4a的另一个输入端和单模传感光纤8，通过内嵌可饱和吸收体的窄带环形滤波器和第一光环形器6a后，再返回谐振腔中，内嵌可饱和吸收体的窄带环形滤波器起到保证单模运行状态的作用，其包括了一段未泵浦的掺铒光纤5和第二光分路器4b，基本原理为维纳效应，单模传感光纤置于温度控制系统9内，且要保证传感光纤无外界应力的影响，通过第三光分路器4c，将第一光分路器4a的另一个输出端和第二窄线宽单频激光器1b输出信号进行拍频，根据不同阶斯托克斯波的波长调节第二窄线宽单频激光器1b的输出波长，以和斯托克斯波的波长相匹配，拍频信号经过高速光电探测器10后，使用频谱仪11进行拍频分析，从而根据式5计算得到实时的温度，选择拍频探测的斯托克斯波阶数越高，温度灵敏度也就越高。如附图3为二阶斯托克斯波对应的温度曲线，从20℃到50℃，每隔5℃测一个频率，原点和星点是实际测量的频率值，虚线箭头和点划线箭头对应的为拟合直线，可以看到二阶斯托克斯波频率和温度成直线关系，最终获得了升温状态下的2.006MHz/℃灵敏度值和降温状态下的2.339MHz/℃灵敏度值，为一阶斯托克斯波灵敏度的两倍，与式5的理论分析相符。

上述光纤温度传感器具有波长数量多、线宽窄、波长间隔固定、输出稳定的特点，用提供给此光纤激光器增益的单模光纤作为温度传感探测单元，对高阶斯托克斯波进行外差拍频解调探测，以实现高精度高灵敏度的温度测量。

Claims (9)

1.一种基于多波长布里渊光纤激光器的光纤温度传感器，包括窄线宽单频激光器、偏振控制器、光隔离器、、光分路器、未泵浦的掺铒光纤、光环形器、掺铒光纤放大器、单模传感光纤、温度控制系统、高速光电探测器和频谱分析仪；其特征在于：第一窄线宽单频激光器(1a)作为多波长窄线宽光纤激光器的泵浦光，经偏振控制器(2)、光隔离器(3)和第一光分路器(4a)的一个输入端注入到谐振腔中；泵浦光再经第二光环形器(6b)的第二端口、掺铒光纤放大器(7)以及第二光环形器(6b)后，返回谐振腔中；然后经第一光分路器(4a)的另一个输入端和单模传感光纤(8)，通过内嵌可饱和吸收体的窄带环形滤波器和第一光环形器(6a)后，再返回谐振腔中；其中，所述内嵌可饱和吸收体的窄带环形滤波器还包括未泵浦的掺铒光纤(5)和第二光分路器(4b)，单模传感光纤置于温度控制系统(9)内；最后再通过第三光分路器(4c)，将第一光分路器(4a)的另一个输出端和第二窄线宽单频激光器(1b)输出信号进行拍频，根据不同阶斯托克斯波的波长调节第二窄线宽单频激光器(1b)的输出波长，并与所输出的波长相匹配，拍频信号经过高速光电探测器(10)后，使用频谱仪(11)进行拍频分析。

2.根据权利要求1所述的光纤温度传感器，其特征在于：所述第一窄线宽单频激光器(1a)和第二窄线宽单频激光器(1b)是中心波长为1550nm，光谱线宽为400kHz，边摸抑制比>45dB，相对噪声为-145dB/Hz，最大输出功率为10dBm，波长可调范围从1520nm到1630nm的连续运行激光器。

3.根据权利要求1所述的光纤温度传感器，其特征在于：所述内嵌可饱和吸收体的窄带环形滤波器中的第二光分路器(4b)的分光比是50∶50，未泵浦的掺铒光纤(5)的长度是8m或10m。

4.根据权利要求1所述的光纤温度传感器，其特征在于：所述单模传感光纤(8)是500m长度的G655单模光纤。

5.根据权利要求1所述的光纤温度传感器，其特征在于：所述第一光分路器(4a)的分光比是50∶50；第三光分路器(4c)的分光比是50∶50。

6.根据权利要求1所述的光纤温度传感器，其特征在于：所述温度控制系统(9)的调节范围是5~60℃，温度分辨率是0.1℃的连续运行恒温系统。

7.根据权利要求1所述的光纤温度传感器，其特征在于：所述掺铒光纤放大器(7)的输出功率是0.5W~2W，波长范围是1545nm~1565nm。

8.根据权利要求1所述的光纤温度传感器，其特征在于：所述高速光电探测器(10)响应带宽是0~45GHz。

9.根据权利要求1所述的光纤温度传感器，其特征在于：所述频谱仪(11)带宽是0~26.5GHz，最小分辨率是1Hz。