CN104501843B - 一种基于随机反馈的外腔型光纤激光传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于随机反馈的外腔型光纤传感器，包括泵浦光源、激光耦合器件、填充型特种光纤、外腔结构和频谱‑模场分析器件，所述外腔结构由十字形空芯玻璃管构成，所述十字形空芯玻璃管嵌套在所述填充型特种光纤上，所述空芯玻璃管和所述填充型特种光纤的接口处采用光学胶进行粘合密封，以构成随机光纤激光的谐振腔体；所述十字形空芯玻璃管包括上孔洞和下孔洞，待测样品通过所述上孔洞进入所述谐振腔中，从所述下孔洞流出；所述泵浦光源产生光波，所述激光耦合器件将所述光波耦合进入所述填充型特种光纤，以激发随机激光；所述谐振腔体的输出光波耦合进入所述频谱‑模场分析器件，以进行频谱和模场信息分析。

Description

一种基于随机反馈的外腔型光纤激光传感器

技术领域

本发明属于光纤传感器领域，特别涉及了一种基于随机反馈的外腔型光纤激光传感器。

背景技术

光纤传感器的原理是利用光源的光经过光纤送入待测的环境中，由于环境的温度、湿度等因素导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，通过对这些变化进行分析，得到待测环境的参数。由于其较强的抗电磁干扰的性能，耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等优势得到了广泛的关注。现有的光纤传感器的光纤暴露在检测环境中，检测过程容易受到外界环境的影响。此外，现有光纤传感器对微小颗粒，尤其是低浓度下的微小颗粒不敏感，不能检测其浓度、大小等信息。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种基于随机反馈的外腔型光纤激光传感器，以减轻或消除外界环境对光纤传感器的影响，提高检测的精度和灵敏度。

为解决上述技术问题，本发明提出了如下技术方案：

本发明提供了一种基于随机反馈的外腔型光纤激光传感器，所述外腔型光纤激光传感器包括泵浦光源、激光耦合器件、填充型特种光纤、外腔结构和频谱-模场分析器件，其特征在于，所述外腔结构由十字形空芯玻璃管构成，所述十字形空芯玻璃管嵌套在所述填充型特种光纤上，所述空芯玻璃管和所述填充型特种光纤的接口处采用光学胶进行粘合密封，以构成随机光纤激光的谐振腔体；所述十字形空芯玻璃管包括上孔洞和下孔洞，待测样品通过所述上孔洞进入所述谐振腔中，从所述下孔洞流出，以保证所述谐振腔内的正常压强；所述泵浦光源产生光波，所述激光耦合器件将所述光波耦合进入所述填充型特种光纤，以激发随机激光；所述谐振腔体的输出光波耦合进入所述频谱-模场分析器件，以进行频谱和模场信息分析。

在一个实施例中，所述十字形空芯玻璃管的内径大于所述填充型特种光纤

根据权利要求1所述的基于随机反馈的外腔型光纤激光传感器，其特征在于，所述填充型光纤的包层部分由毛细管或光子晶体光纤组成，所述填充型光纤的纤芯部分可充入填充材料；所述填充材料由填充基质、增益介质和散射体混合而成。

在一个实施例中，所述填充基质为可固化的且折射率大于包层材料的液体紫外固化胶或硅树脂。

在一个实施例中，所述增益介质为若丹明6或NaYF4：Yb，Er。

根据权利要求3或4或5所述的基于随机反馈的外腔型光纤激光传感器，其特征在于，所述散射体为二氧化钛或纳米银颗粒。

在一个实施例中，所述增益介质为量子点、半导体材料。

本发明还提供了一种制备外腔型光纤激光传感器的方法，其特征在于，所述方法包括：

对光纤纤芯进行光照或加热，以固化所述光纤纤芯的填充材料，形成所述填充型特种光纤；

对所述填充型特种光纤进行打磨或熔融拉锥形成锥形结构，以在所述锥型结构区形成倏逝场；

将十字形空芯玻璃管嵌套在所述填充型特种光纤上，控制所述锥形结构恰好位于所述两个十字形孔洞处；

将所述十字形空芯玻璃管和所述填充型特种光纤的连接处用光学胶进行粘合密封，构成所述外腔型光纤激光传感器。

在一个实施例中，所述方法还包括：

将增益介质和散射粒子混合入可固化的、具有高折射率特性的紫外胶或者聚合物材料中，然后将混合物填充到空芯毛细管，以构成所述光纤纤芯。

与现有技术相比，本发明基于随机反馈的外腔型光纤激光传感器在倏逝场作用下可以检测低浓度下的微小颗粒，由此，增加了光纤传感器的灵敏度。此外，填充型光纤嵌套入十字形空芯玻璃管中，从而减轻或避免了外界复杂环境对填充型光纤的影响，由此，提高了光纤传感器的精度。

附图说明

图1所示为根据本发明的实施例的基于随机反馈的外腔型光纤激光传感器。

图2所示为根据本发明的实施例的外腔型光纤激光传感器的激光输出频谱图。

图3所示为根据本发明的实施例的制备外腔型光纤激光传感器的方法。

图1中：1.激光耦合器件，2.填充型的光纤，3.光学凝胶，4.外腔结构，5.锥形结构，6.添加待测样品的孔洞，7.频谱及模场等分析结构，8.待测样品流出的孔洞，9. 泵浦光源。

具体实施方式

以下将对本发明的实施例给出详细的说明。尽管本发明将结合一些具体实施方式进行阐述和说明，但需要注意的是本发明并不仅仅只局限于这些实施方式。相反，对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实例中，对于大家熟知的方法、流程、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

随机反馈激光是由光波在无序增益介质中经多重散射，随机形成谐振模式，当谐振模式中的增益大到足够可以抵消损耗时，即可形成激光输出。

图1所示为根据本发明的实施例的基于随机反馈的外腔型光纤激光传感器100。外腔型光纤传感器100包括泵浦光源9、激光耦合器件1、填充型特种光纤2、外腔结构4和频谱-模场分析器件7。外腔结构4由十字形空芯玻璃管（十字形空芯玻璃管和外腔结构使用同样标号4）构成。在一个实施例中，十字形空芯玻璃管4的内径大于填充型特种光纤2。因此，十字形空芯玻璃管4嵌套在填充型特种光纤2上，十字形空芯玻璃管4和填充型特种光纤2的接口处采用光学胶3进行粘合密封，以构成随机光纤激光的谐振腔体。十字形空芯玻璃管4包括上孔洞6和下孔洞8。待测样品（例如：周边环境的空气）通过上孔洞6进入所述谐振腔中，从下孔洞8流出，以保证所述谐振腔内的正常压强。在工作（例如：上电以后）中，泵浦光源9产生光波，激光耦合器件1将所述光波耦合进入填充型特种光纤2，以激发随机激光。谐振腔体的光波在经过待测样品区域后输出并耦合进入频谱-模场分析器件7，以进行频谱和模场信息分析。由于待测环境的空气通过上孔6进入，影响光纤内光波的性质，因此，根据频谱和模场信息分析结果，频谱-模场分析器件7判断待测样品的对应参数，例如：待测环境的温度、湿度和粉尘密度等。

在一个实施例中，填充型光纤2的包层部分由毛细管或光子晶体光纤组成，填充型光纤2的纤芯部分为可充入填充材料。所述填充材料由填充基质、增益介质和散射体混合而成。所述填充基质为可固化的且折射率大于包层材料的液体，例如：紫外固化胶或硅树脂。所述增益介质，如：若丹明6或NaYF4：Yb，Er。所述散射体为纳米粉末，例如：二氧化钛或纳米银颗粒。也就是说，填充型的随机反馈的光纤由可固化的高折射率材料混合散射粒子、增益介质填充到空芯毛细管或光子晶体光纤中制作完成，然后将填充得到的光纤固化、中间打磨或者熔融拉锥处理得到锥形结构5。

在另一个实施例中，增益介质为量子点、半导体材料。优点在于，在不同的实施例中使用不同的填充材料，以适应不同检测环境下、不同波长范围下的样品参数。

在一个实施例中，泵浦光源9的光在通过填充型光纤2和外腔结构4时得到了用于对比的初始信号。当待测样品通过上孔6填满外腔时，光波在通过填充型光纤2的锥形区域由于倏逝场作用会激射到外腔的样品中，经过外腔物质内的粒子的散射放大再次耦合到随机反馈的光纤内，这样得到的随机反馈特种光纤2的功率特性、光谱特性以及模场特性比较于初始信号都可能发生改变。频谱-模场分析器件7对输出光波的变化量进行分析处理，即可以判断出待测物质中的粒子大小、浓度等信息。具体实施例将在图2做进一步描述。

图2所示为根据本发明的实施例的外腔型光纤激光传感器100的激光输出频谱图。泵浦光源9选择在增益介质吸收峰范围的激光器，图2（a）是频谱-模场分析器件7得到的在外腔内没有加入样品时，随机激光的输出频谱，此频谱与填充的激光染料和粒子浓度相关；图2（b）是通过上孔6填加某种气体样本充满外腔后得到的激光输出频谱，该频谱不仅与填充的增益介质和粒子浓度相关，还受到了填加样品的微粒的粒子大小、浓度等的影响。通过分析两者输出的光波的激射的激光波长差等信息，可以分析出样品中的粒子大小、浓度等信息。

优点在于，由于倏逝场作用，本发明的基于随机反馈的外腔型光纤激光传感器可以检测低浓度下的微小颗粒，由此，增加了光纤传感器100的灵敏度。此外，填充型光纤2嵌套入十字形空芯玻璃管4中，从而减轻或避免了外界复杂环境对填充型光纤2的影响，由此，提高了光纤传感器100的精度。

图3所示为根据本发明的实施例的制备外腔型光纤传感器的方法300。在步骤301中，将增益介质和散射粒子混合入可固化的、具有较高折射率的紫外胶或者聚合物材料中，然后将混合物填充到空芯毛细管中，其中混合物的折射率要高于毛细管管壁的折射率。在步骤302中，对光纤纤芯进行光照或加热，以固化所述光纤纤芯的填充材料，形成所述填充型特种光纤。在步骤304中，对所述填充型特种光纤进行打磨或熔融拉锥形成锥形结构，以在所述锥型结构区形成倏逝场。在步骤306中，将十字形空芯玻璃管嵌套在所述填充型特种光纤上，控制所述锥形结构恰好位于所述两个十字形孔洞处。在步骤308中，将所述十字形空芯玻璃管和所述填充型特种光纤的连接处用光学胶进行粘合密封，构成所述外腔型光纤传感器。

上文具体实施方式和附图仅为本发明之常用实施例。显然，在不脱离权利要求书所界定的本发明精神和发明范围的前提下可以有各种增补、修改和替换。本领域技术人员应该理解，本发明在实际应用中可根据具体的环境和工作要求在不背离发明准则的前提下在形式、结构、布局、比例、材料、元素、组件及其它方面有所变化。因此，在此披露之实施例仅用于说明而非限制，本发明之范围由后附权利要求及其合法等同物界定，而不限于此前之描述。

Claims (8)

1.一种基于随机反馈的外腔型光纤激光传感器，所述外腔型光纤激光传感器包括泵浦光源、激光耦合器件、填充型特种光纤、外腔结构和频谱-模场分析器件，其特征在于，所述外腔结构由十字形空芯玻璃管构成，所述十字形空芯玻璃管嵌套在所述填充型特种光纤上，所述空芯玻璃管和所述填充型特种光纤的接口处采用光学胶进行粘合密封，以构成随机光纤激光的谐振腔体；所述十字形空芯玻璃管包括上孔洞和下孔洞，待测样品通过所述上孔洞进入所述谐振腔中，从所述下孔洞流出，以保证所述谐振腔内的正常压强；所述泵浦光源产生光波，所述激光耦合器件将所述光波耦合进入所述填充型特种光纤，以激发随机激光；所述谐振腔体的输出光波耦合进入所述频谱-模场分析器件，以进行频谱和模场信息分析，所述填充型光纤的包层部分由毛细管或光子晶体光纤组成，所述填充型光纤的纤芯部分可充入填充材料；所述填充材料由填充基质、增益介质和散射体混合而成。

2.根据权利要求1所述的基于随机反馈的外腔型光纤激光传感器，其特征在于，所述十字形空芯玻璃管的内径大于所述填充型特种光纤。

3.根据权利要求2所述的基于随机反馈的外腔型光纤激光传感器，其特征在于，所述填充基质为可固化的且折射率大于包层材料的液体紫外固化胶或硅树脂。

4.根据权利要求2或3所述的基于随机反馈的外腔型光纤激光传感器，其特征在于，所述增益介质为若丹明6或NaYF₄：Yb，Er。

5.根据权利要求2或3任一所述的基于随机反馈的外腔型光纤激光传感器，其特征在于，所述散射体为二氧化钛或纳米银颗粒。

6.根据权利要求2所述的基于随机反馈的外腔型光纤激光传感器，其特征是：所述增益介质为量子点、半导体材料。

7.一种制备权利要求1或2或3所述的外腔型光纤激光传感器的方法，其特征在于，所述方法包括：

对光纤纤芯进行光照或加热，以固化所述光纤纤芯的填充材料，形成所述填充型特种光纤；

对所述填充型特种光纤进行打磨或熔融拉锥形成锥形结构，以在所述锥形结构区形成倏逝场；

将十字形空芯玻璃管嵌套在所述填充型特种光纤上，控制所述锥形结构恰好位于两个十字形孔洞处；

将所述十字形空芯玻璃管和所述填充型特种光纤的连接处用光学胶进行粘合密封，构成所述外腔型光纤激光传感器。

8.根据权利要求7所述的制备外腔型光纤激光传感器的方法，其特征在于，所述方法还包括：

将增益介质和散射粒子混合入可固化的、具有高折射率特性的紫外胶或者聚合物材料中，然后将混合物填充到空芯毛细管，以构成所述光纤纤芯。