CN104634369B - 一种环形激光器传感器 - Google Patents

Abstract

本发明适用于传感技术领域，提供一种环形激光器传感器，包括泵浦源、公共段及参考段和检测段，公共段设有增益介质，公共段和参考段形成第一环形激光谐振腔，公共段和检测段形成第二环形激光谐振腔，第一环形激光谐振腔和第二环形激光谐振腔中的激光传输方向相反；检测段设有能引起光程变化的传感元件，公共段设有输出单元或者参考段和检测段各设有一输出单元，输出单元经过合光单元连接光电探测器。本发明包括两个传输方向相反的环形激光谐振腔，在检测段设置传感元件，由于激光频率对谐振腔的光程变化极其敏感，因此该传感器的检测灵敏度和精度较高，并且该传感器存在共程的光路，因此该传感器抗干扰能力强，适用于测量多种物理量的微小变化。

Description

一种环形激光器传感器

技术领域

本发明属于光学传感技术领域，特别涉及一种环形激光器传感器。

背景技术

现有技术中测量长度、温度、折射率、压力等物理量的微小变化时，通常采用光纤传感器，基于马赫-曾德尔的光学传感器是一种常见的光纤传感器，其原理是由激光器发射激光经过耦合器分束进入干涉仪的两条光纤臂中，在两光纤臂分别传输的光再经耦合器汇合，形成干涉，由探测器检测两束光干涉的光强，从而确定它们的相位差，进而确定被测的物理量。由于两个光纤臂的光程量以受到温度、压力等外在条件的影响，所以，马赫-曾德尔干涉仪可以实现光纤应变、温度等物理量的测量，是许多高灵敏度光纤传感器的重要物理基础。但这种光纤传感器检测的是两束激光的相位差，其检测精度和灵敏度依然有限，需要提供一种新型的高精度、高灵敏度的光学传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种环形激光器传感器，旨在提高测量精度和灵敏度。

本发明是这样实现的，一种环形激光器传感器，包括泵浦源、公共段以及并列连接于所述公共段的两端之间的参考段和检测段，所述公共段设有增益介质，所述公共段和参考段形成第一环形激光谐振腔，所述公共段和检测段形成第二环形激光谐振腔，所述第一环形激光谐振腔和第二环形激光谐振腔中的激光传输方向相反；所述检测段设有能引起光程变化的传感元件，所述公共段设有一输出单元或者所述参考段和检测段各设有一输出单元，所述输出单元经过合光单元连接光电探测器，激光从所述输出单元输出，经过合光后传输到光电探测器。

本发明提供的传感器含有两个传输方向相反的环形激光谐振腔，在检测段设置能引起光程变化的传感元件，通过传感元件感应被测物理量，导致检测段传输激光的光程及频率发生变化，使两环路激光产生频率差，由这两路不同频率的激光发生外差干涉，通过检测频率差确定被测物理量的大小，而由于激光振荡的频率对谐振腔的光程变化非常敏感，因此该传感器的检测灵敏度和精度远高于传统的基于相位差的传感器，并且该传感器存在共程的光路，外界环境导致公共段的变化所引起第一环形激光器和第二环形激光器中的频率变化基本一致，因此检测频率差值可以抵消这变化，因此该传感器抗干扰能力强，适合用于测量多种物理量的微小变化。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的环形激光器传感器的结构示意图(一)；

图2是本发明第一实施例提供的环形激光器传感器的结构示意图(二)；

图3是本发明第一实施例提供的环形激光器传感器的结构示意图(三)；

图4是本发明第二实施例提供的环形激光器传感器的结构示意图(一)；

图5是本发明第二实施例提供的环形激光器传感器的结构示意图(二)。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

请参考图1，本发明实施例提供一种环形激光器传感器，包括泵浦源101、公共段以及并列连接于所述公共段的两端之间的参考段和检测段，公共段设有增益介质102，公共段和参考段形成第一环形激光谐振腔，如图1中逆时针传输的谐振腔(以下称为逆时针谐振腔)，公共段和检测段形成第二环形激光谐振腔，如图1中顺时针传输的谐振腔(以下称为顺时针谐振腔)，顺时针谐振腔和逆时针谐振腔中的激光传输方向相反。当然，也可以使第一环形激光谐振腔中的激光顺时针传输，使第二环形激光谐振腔中的激光逆时针传输，本发明不局限于一种。检测段设有能引起光程变化的传感元件103，公共段设有一输出单元或者参考段和检测段各设有一输出单元，将由输出单元输出的第一环形激光和第二环形激光激光进行合光，合光由合光单元实现，合光后的两个激光将发生干涉，利用光电探测元件探测干涉条纹的频率。

在上述传感器中，泵浦源101发出泵浦光进入公共段，并激发增益介质102产生激发光，激发光分别在顺时针谐振腔和逆时针谐振腔内反向传输，被测物理量作用于检测段的传感元件103上，改变了逆时针谐振腔的光程，使逆时针谐振腔内的激光频率发生改变，而顺时针谐振腔中激光频率不变，两个谐振腔中不同频率的激光经输出单元输出并进行合光产生外差干涉，然后由光电探测元件检测干涉图样，进而获得两路激光的频率差，根据该频率差可以确定被测物理量的大小。具体的，在顺时针谐振腔中，激光频率为在逆时针谐振腔中，激光频率为其中C为光速，纵模数q为整数，L_CW和L_CCW分别为顺、逆时针谐振腔的光程，CW和CCW分别代表顺时针和逆时针方向。由于传感器产生的光程改变导致顺、逆时针谐振腔中的光程差为ΔL＝L_CW-L_CCW。则频率差公式中，L是顺、逆时针谐振腔光程的平均值，ν是顺、逆时针激光器的频率的平均值。λ为激光器的波长。由于该公式中，分子中的光速C是一个很大的值，而分母中的λ是一个很小的量。因此当光程L发生微小变化时，频率差Δν也会发生较大变化，因此，该传感器具有明显高于传统传感器(例如马赫-曾德尔干涉仪等)的灵敏度和检测精度。另外，由于该传感器的顺、逆时针谐振腔存在有公共的光路，公共段受外界环境的干扰时，在顺逆时针激光器中可以相互抵消。因此该传感器受外接环境影响小，抗干扰能力强，适合用于测量多种物理量的微小变化。

基于上述原理，以下进一步提供几种具体结构的传感器。

实施例一：

如图1，该传感器的参考段和检测段采用光纤作为传输介质，参考段包括参考光纤104，检测段包括检测光纤105，能引起光程差的传感元件103设置于检测光纤105上。公共段包括公共光纤106，在公共光纤106上设有波分复用器107，泵浦源101发出的泵浦光经过波分复用器107进入公共段的增益介质102。公共光纤106的两端可以通过第一耦合器108和第二耦合器109连接检测光纤105和参考光纤104。而第一耦合器108和第二耦合器109优选为较高分光比的耦合器，例如采用95:5以上的耦合器，使顺时针的激光经过第一耦合器108进入检测光纤105，使逆时针的激光经过第二耦合器109后进入参考光纤104，进而避免两路激光相互干扰影响检测结果。为了进一步防止某路激光受到逆向激光的干扰，可以在检测光纤105和参考光纤104各设一个隔离器110。

作为另一种实现方式，如图2，公共光纤106还可以通过第一环形器111和第二环形器112连接参考光纤104和检测光纤105。环形器是一个多端口器件，其中光在环形器内传输只能沿单方向环行，反方向是隔离的。

在本实施例中，检测光纤105和参考光纤104的长度最好相等，使二者的初始光程差接近零，该初始光程差是指在被测的物理量不作用于传感元件103的情况下两臂的光程差，该值理想值为零，为了补偿初始光程差，可以在参考光纤104上设置光纤延时单元113，使该光程差尽量小，以便光电探测元件119检测。

进一步的，激光在谐振腔中传输必然有损耗，为了避免顺时针谐振腔和逆时针谐振腔的光功率相差过大，在参考光纤104和检测光纤105上各设置一可调衰减单元114，也可以只在参考光纤104或检测光纤105上设置一个可调衰减器，当其中一臂光强较低时，通过调整可调衰减单元114，减小两臂激光强度的差距，提高测量精度。

进一步的，还可以在公共光纤106设置单频获取单元115，或者在参考光纤104和检测光纤105各设置一单频获取单元115，使顺时针谐振腔和逆时针谐振腔均只传输一种频率的激光，进而改善干涉条纹的对比度。进一步的，该单频获取单元115可以是窄带滤波器，也可以是由两个准直透镜和二者之间的F-P干涉仪构成的单元，两个准直透镜之间为自由空间，光纤输出的激光经过准直透镜变为平行光，再由F-P干涉仪进行选频，然后经过另一准直透镜聚焦进入光纤。

在本实施例中，输出单元可以设置在公共光纤106上，也可以在检测光纤105和参考光纤104上分别设置一个。如图1和2，输出单元设置于检测光纤105和参考光纤104上，具体包括设置于检测光纤105上的第三耦合器116和设置在参考光纤104上的第四耦合器117，第三耦合器116和第四耦合器117共同连接一合光单元118，该合光单元118的输出端连接光电探测元件119。检测光纤105和参考光纤104输出不同频率的激光，分别经过第三耦合器116和第四耦合器117进入合光单元118进行合光，产生外差干涉，通过光电探测元件119检测干涉图样，获得两路激光的频率差。

如图3，输出单元还可以设置于公共光纤106上，其包括第五耦合器120，该第五耦合器120具有两个输出的端口，两端口分别通过光纤连接合光单元118，进而连接至光电探测元件119。

在本发明实施例中，增益介质102可以以增益掺杂光纤的形式连接在公共光纤106的某段内，也可以以单独的增益器件的形式连接于公共光纤106上。波分复用器107和泵浦源101可以各设置一个，还可以设置两个，两个波分复用器分别设置在增益介质102和第一耦合器108之间以及增益介质102和第二耦合器109之间，每个波分复用器各连接一泵浦源，这种结构可以提高激光功率。

在本发明实施例中，公共光纤106作为两环形谐振腔的公共段，顺时针谐振腔和逆时针谐振腔的激光都经过该段传输，在传输的过程中，不可避免发生后向散射，而后向散射的激光必然参与到另一环路激光当中，这样两臂激光的后向散射光参与对方光路传输，导致两臂激光频率差减小，导致检测难度加大，灵敏性降低，因此，该公共光纤的长度不宜过长，以减小两路激光的耦合，避免发生类似激光陀螺的闭锁现象。

实施例二：

如图4，本发明实施例与实施例一的主要区别在于公共段的设置，检测段和参考段仍然采用光纤传输。公共段采用自由空间传输形式。具体的，公共段包括设置于泵浦源101的输出方向的双色镜121以及与该双色镜121形成自由空间光路的第一反射镜122、第二反射镜123及第三反射镜124，增益介质102设置于该自由空间光路中。泵浦源101发出的泵浦光经过双色镜121进入公共段，首先经过双色镜121进入增益介质102，增益介质102向两侧发出激发光，两束激发光沿着顺时针和逆时针方向传输，分别在公共段和参考段形成的第一环形激光谐振腔(逆时针谐振腔)和公共段和检测段形成的第二环形激光谐振腔(顺时针谐振腔)中传输，激光在由双色镜和第一、第二、第三反射镜形成的光路中反向传输。

进一步的，在公共段的两端分别通过第一耦合器108和第二耦合器109连接检测光纤105和参考光纤104，在公共段的两端采用聚焦透镜125和准直透镜126组成的透镜组将光束从自由空间耦合至一光纤段中，再由该光纤段耦合至第一耦合器108或第二耦合器109中，进而进入参考光纤104和检测光纤105中。

进一步参考图4，作为一种实施方式，输出单元设置于检测光纤105和参考光纤104上，具体包括设置于检测光纤105上的第三耦合器116和设置在参考光纤104上的第四耦合器117，第三耦合器116和第四耦合器117共同连接一合光单元118进行合光，该合光单元118的输出端连接光电探测元件119。检测光纤105和参考光纤104输出不同频率的激光，分别经过第三耦合器116和第四耦合器117进入合光单元118，发生外差干涉，通过光电探测元件119检测干涉图样，获得两路激光的频率差。

进一步参考图5，作为另一种实施方式，输出单元设置于公共段上，此时，公共段中的第二反射镜123(也可以是第三反射镜124或第四反射镜125)由具有反射和输出功能的输出镜126替代，作为输出单元的一部分，在该输出镜126的一个输出方向设有棱镜127，在该输出镜126的另一输出方向设有半反半透镜128，顺时针传输的激光经过该棱镜127反射至半反半透镜128，逆时针传输的激光由输出镜126直接向半反半透镜128输出，两束激光于半反半透镜128处汇合，再由光电探测元件119接收。当然，该棱镜127和半反半透镜128的位置可以互换。

在本实施例中，同上述实施例一相同的，可以设置单频获取单元、光纤延时单元及可衰减单元等，其位置和作用与上述实施例相同，此处不再赘述。

作为本发明的其他实施例，参考段和检测段也可以采用非光纤传输的形式，如自由空间传输，凡是基于上述原理设置的传感器，即由公共段、检测段和参考段形成两个环形谐振腔，在检测段设置传感元件，两个环形谐振腔中的两路激光反向传输并产生频率差，通过检测频率差来测量物理量，都在本发明的保护范围内。

综上所述，本发明中的公共段和检测段形成第一激光谐振腔，公共段和参考段形成第二激光谐振腔，两谐振腔中两路激光反向传输，检测段的传感元件受到被测物理量的作用后使得该谐振腔的光程改变，进而改变激光频率，通过检测两路激光的频率差获得被测物理量的大小。由于频率差对光程的变化较为敏感，因此其检测灵敏性和检测精度较高，是传统检测方法所不能及的，且检测稳定性好，抗干扰力强，适合用于多种物理量微小变化的检测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种环形激光器传感器，其特征在于，包括泵浦源、公共段以及并列连接于所述公共段的两端之间的参考段和检测段，所述公共段设有增益介质，所述公共段和参考段形成第一环形激光谐振腔，所述公共段和检测段形成第二环形激光谐振腔，所述第一环形激光谐振腔和第二环形激光谐振腔中的激光传输方向相反；所述检测段设有能引起光程变化的传感元件，所述公共段设有一输出单元或者所述参考段和检测段各设有一输出单元，所述输出单元经过合光单元连接光电探测器，激光从所述输出单元输出，经过合光后传输到光电探测器。

2.如权利要求1所述的环形激光器传感器，其特征在于，所述参考段包括参考光纤，所述检测段包括检测光纤，所述能引起光程变化的传感元件设置于所述检测光纤上。

3.如权利要求2所述的环形激光器传感器，其特征在于，所述公共段包括公共光纤以及设置于所述公共光纤上的波分复用器，所述泵浦源发出的泵浦光经过所述波分复用器进入所述公共光纤。

4.如权利要求2所述的环形激光器传感器，其特征在于，所述公共段包括设置于所述泵浦源的输出方向的双色镜，以及与所述双色镜形成自由空间光路的若干个反射镜，所述增益介质设置于环形光路中。

5.如权利要求1所述的环形激光器传感器，其特征在于，在所述参考段设有延时单元。

6.如权利要求1所述的环形激光器传感器，其特征在于，在所述参考段和/或检测段设有可调衰减单元。

7.如权利要求1至6任一项所述的环形激光器传感器，其特征在于，所述公共段的两端分别通过第一耦合器和第二耦合器与所述参考段和检测段相连接。

8.如权利要求1至6任一项所述的环形激光器传感器，其特征在于，所述公共段设有单频获取单元。

9.如权利要求1至6任一项所述的环形激光器传感器，其特征在于，所述参考段和检测段各设有一单频获取单元。

10.如权利要求1至6任一项所述的环形激光器传感器，其特征在于，所述参考段和所述检测段各设有一隔离器。