CN104655159A - 一种正交偏振激光器的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明适用于传感技术领域，提供一种正交偏振激光器的传感器，包括泵浦源、含有增益介质的公共段及参考段和检测段；第一、第二偏振分光单元将入射光分为偏振方向不同的第一、第二线偏振光，公共段和参考段形成第一激光谐振腔，公共段和检测段形成第二激光谐振腔；检测段设有传感元件，公共段或参考段和检测段设有输出单元，其出射光路上设有光电探测器，光电探测器和输出单元之间设有偏振态旋转单元。本发明包括偏振态不同的两个激光谐振腔，传感元件感应被测物理量导致谐振腔光程变化，不同频率的激光发生干涉，通过检测频率差确定被测物理量，激光频率对谐振腔的光程变化非常敏感，因此该传感器的灵敏度高并且抗干扰能力强。

Description

一种正交偏振激光器的传感器

技术领域

本发明属于光学传感技术领域，特别涉及一种正交偏振激光器的传感器。

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臂中，在将两臂中的光经耦合器汇合，形成干涉，由探测器检测两束光的相位差，进而确定能引起光程变化的物理量。由于两臂的光光程差可以受到温度、压力等外在条件的影响，所以，马赫-曾德尔干涉仪可以实现应变、温度等物理量的测量，是许多高灵敏度传感器的重要物理基础。但这种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正交偏振激光器的传感器，旨在提高测量精度和灵敏度。

本发明是这样实现的，一种正交偏振激光器的传感器，包括泵浦源、含有增益介质的公共段以及通过第一偏振分光单元和第二偏振分光单元并列连接于所述公共段的两端之间的参考段和检测段；

所述第一偏振分光单元和第二偏振分光单元将入射光分为偏振方向不同的第一线偏振光和第二线偏振光，所述公共段和参考段形成传输第一线偏振光的第一环形激光谐振腔，所述公共段和检测段形成传输第二线偏振光的第二环形激光谐振腔；

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，所述输出单元连接合光单元，所述合光单元连接光电探测器，激光经过所述输出单元输出，经过合光单元后传输至光电探测器，在所述合光单元和输出单元之间还设有用于将第一线偏振光和第二线偏振光的偏振态变为一致的偏振态旋转单元。

本发明提供的传感器包括偏振态不同的两个环形激光谐振腔，并且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，由于激光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，并且该传感器受由于两个谐振腔存在共程光路，因此外界环境对共程光路的影响导致两谐振腔的频率变化相一致，通过外差干涉时相互抵消，因此该传感器受外界环境影响小，抗干扰能力强，适合用于测量多种物理量的微小变化。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的正交偏振激光器的传感器的结构示意图；

图2是本发明第一实施例提供的正交偏振激光器的传感器的另一结构示意图；

图3是本发明第二实施例提供的正交偏振激光器的传感器的结构示意图；

图4是本发明第三实施例提供的正交偏振激光器的传感器的结构示意图；

图5是本发明第四实施例提供的正交偏振激光器的传感器的结构示意图。

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：

本发明实施例提供一种正交偏振激光器的传感器，包括泵浦源01、设置有增益介质021的公共段02以及通过第一偏振分光单元05和第二偏振分光单元06并列连接于公共段02的两端之间的参考段03和检测段04；公共段02和参考段03形成第一环形激光谐振腔，公共段02和检测段04形成第二环形激光谐振腔。第一偏振分光单元05和第二偏振分光单元06可以将入射光分为偏振方向不同的第一线偏振光和第二线偏振光，为了便于说明，将第一线偏振光记为P光，将第二线偏振光记为S光，当然做相反的标记也是可以的。第一环形激光谐振腔和第二环形激光谐振腔分别传输第一线偏振光和第二线偏振光。可以理解，P光、S光以及上述第一、第二的命名仅是为了描述清楚，不作为限定本发明的技术特征。检测段04设有能引起光程变化的传感元件07，该传感元件07用于感应被测物理量，公共段02设有一输出单元08，或者参考段03和检测段04各设有一输出单元08，激光经输出单元08输出后，再经过合光单元11进行合光，利用光电探测器09探测合光后的干涉干涉图样，在合光单元11和输出单元08之间的S光或P光的传输光路上设有偏振态旋转单元10，用于将第一线偏振光和第二线偏振光的偏振态变为一致，以实现干涉检测。

以图1为例，上述传感器的工作原理为：泵浦源01发出泵浦光进入公共段02，并激发增益介质021向两侧产生激发光，激发光经过第一偏振分光单元05分为S光和P光，并且使S光进入检测段04，P光进入参考段03，被测物理量作用于检测段04的传感元件07上，使P光频率发生改变，而S光频率没有变化，这样，第一环形激光谐振腔和第二环形激光谐振腔中的激光产生与该外界通过传感元件07引起的光程变化相关的频率差，两个谐振腔中不同频率的激光经输出单元输出后进行合光，产生外差干涉，然后由光电探测器09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，在第一环形激光谐振腔中，激光频率为在第二环形激光谐振腔中，激光频率为其中C为光速，纵模数q为整数，L₁和L₂分别为第一、第二环形激光谐振腔的光程。由于传感元件产生的光程变化导致两谐振腔中的光程差为ΔL＝L₁-L₂。则频率差公式中，L是第一、第二环形激光谐振腔光程的平均值，ν是第一环形激光器、第二环形激光的频率的平均值。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，由于分子是一个很大值，而分母是一个很小的值，因此频率差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(马赫-曾德尔干涉仪等)的灵敏度和检测精度，并且该传感器的两个谐振腔存在共程的光路，外界环境导致公共段的变化所引起这两个激光器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的实施例。

实施例一：

如图1，该传感器的公共段02、参考段03和检测段04均采用保偏光纤作为传输介质，公共段02包括公共光纤022，参考段03包括参考光纤031，检测段04包括检测光纤041，能引起光程变化的传感元件07设置于检测光纤04上。公共光纤022的两端分别通过第一偏振分光单元05和第二偏振分光单元06(本实施例采用偏振耦合器作为偏振分光单元)连接检测光纤041和参考光纤031。在公共光纤022上设有波分复用器023，在检测光纤041和参考光纤031上分别设有第一输出耦合器081和第二输出耦合器082，作为输出单元08，两耦合器连接一合光单元11，合光单元11连接光电探测器09。在第一或第二输出耦合器和合光单元11之间设有偏振态旋转单元10。

该传感器的工作原理为：泵浦光经波分复用器023进入公共光纤022，激发增益介质021向两侧发出激发光，其中，逆时针的激发光经过第一偏振分光单元05后分为S光和P光，P光进入参考光纤，S光进入检测光纤，顺时针的激发光经过第二偏振分光单元06后分为S光和P光，其中P光进入参考光纤，S光进入检测光纤，这样，在第一环形激光谐振腔和第二环形激光谐振腔中均传输方向相反的两束光，在参考段03传输方向相反的两束P光，在检测段04传输方向相反的两束S光。这种结构的传感器可以通过相反方向S光和P光的干涉进行检测，也可以通过相同方向S光和P光的干涉进行检测，主要根据输出方式确定。

作为一种实施方式，可以采用合适的第一输出耦合器081和第二输出耦合器082，使第一输出耦合器081输出顺时针的P光，第二输出耦合器082输出逆时针的S光，此时是由两束反向传输的激光发生干涉。当然，还可以使第一输出耦合器081输出逆时针的P光，第二输出耦合器082输出顺时针的S光，此时也是由两束反向传输的激光发生干涉。

作为另一种实施方式，可以使第一输出耦合器081输出顺时针的P光，第二输出耦合器082输出顺时针的S光，此时是由两束同方向的激光发生干涉。当然，还可以使第一输出耦合器081输出逆时针的P光，第二输出耦合器082输出逆时针的S光，此时也是由两束同向的激光发生干涉。

作为另一种输出方式，可以将输出单元设置于公共光纤上，具体可以是一种具有四个端口的耦合器，也可以是三端口的耦合器，如图2所示，在公共光纤022上设置一第三输出耦合器083，该耦合器具有一个输出端，该输出端连接第三偏振分光单元21，将光束分为S光和P光，在S光或P光的光路上设置偏振态旋转单元10，将两束光的偏振态变为一致，然后通过合光单元11入射至光电探测器09。

在本发明实施例中，公共光纤022作为两环形谐振腔的公共段，由于两个谐振腔中的激光在此公共段会产生一定的相互耦合，例如采用反向激光进行干涉，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，相互耦合将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。

本发明实施例可以实现同向或反向激光的干涉，应用比较灵活，在采用同向光干涉的情况下，可以在公共段02设置一个隔离器，或在检测段04和参考段03各设置同向的隔离器12。当采用反向激光干涉时，也可以在参考段03和检测段04各设置反向的隔离器12，将各段内不需要的方向的激光隔离。采用隔离器12还可以防止同光纤中的对向激光产生后向散射光对所需激光的影响，进一步提高检测的准确性。

在本发明实施例中，增益介质021可以以掺杂光纤的形式连接于公共光纤段，也可以以单独的增益器件的形式连接于公共光纤022上。波分复用器023和泵浦源01可以各设置一个，还可以设置两个，两个波分复用器023分别设置在增益介质021和第一偏振分光单元05之间以及增益介质021和第二偏振分光单元06之间，每个波分复用器023各连接一泵浦源01，这种结构可以提高激光功率。

进一步的，第一环形激光谐振腔和第二环形激光谐振腔存在初始光程差，为了补偿初始光程差，可以在参考光纤上设置延时单元13，具体可以是光纤延时器，使该光程差尽量小，以便光电探测器09检测。

进一步的，激光在谐振腔中传输必然有损耗，为了避免第一环形激光谐振腔和第二环形激光谐振腔的光能量相差过大，可以在参考光纤和检测光纤上均设置一可调衰减器14，也可以只在参考光纤或检测光纤上设置一个可调衰减器14，当其中一臂光强较低时，通过调整可调衰减单元，减小两臂激光的光强差值。

进一步的，还可以在公共光纤022设置一单频获取单元15，或者在参考光纤031和检测光纤041各设置一单频获取单元15，使第一环形激光谐振腔和第二环形激光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15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。

作为本发明的其他实施例，在检测段04和参考段03采用光纤传输的情况下，公共段也可以采用自由空间传输方式，本实施例不再赘述。

实施例二：

参考图3，该传感器的公共段02、检测段04和参考段03均采用自由空间传输。公共段02含有一双色镜024，以及若干个反射镜025和作为输出单元08的输出镜084，该双色镜024位于泵浦源01的输出方向，双色镜024、反射镜025及输出镜084构成一环形光路，在其中的两个反射镜025之间设有第一偏振分光单元05和第二偏振分光单元06，当然，第一偏振分光单元05和第二偏振分光单元06也可以设置于该环路的其他位置。该第一偏振分光单元05和第二偏振分光单元06可以采用偏振分光元件，即可以使入射光分为偏振方向不同的S光和P光，其中，S光被反射，通过若干个反射镜025反射至第二偏振分光单元06，P光直接透射至第二偏振分光单元06。S光的路径构成检测段04，而P光路径构成参考段03。传感元件07设置于S光的路径上。在输出镜084的两个不同的输出方向上，分别设有一半反半透镜16和一棱镜17，该棱镜17可以将入射光反射至半反半透镜16，在输出镜084和半反半透镜16之间，或者在输出镜084和棱镜17之间，或者在棱镜17和半反半透镜16之间设有偏振态旋转单元10。光电探测器09设置于半反半透镜16的出射方向。

本发明实施例的工作原理为：泵浦源01发出的泵浦光经过双色镜025进入公共段02，激发增益介质021向两侧产生激发光，顺时针的激发光经过第一偏振分光单元05分为S光和P光，S光进入检测段04，P光进入参考段03，S光与P光在第二偏振分光单元06处汇合为一束光进入公共段02继续传输。逆时针的激发光经过第二偏振分光单元06分为S光和P光，S光进入检测段04，P光进入参考段03，S光与P光在第一偏振分光单元05处汇合为一束光进入公共段02继续传输。该传感器为两个反向传输的环形激光器。输出镜084将顺时针和逆时针的激光分别输出，其中一束激光的S光和另一束激光的P光干涉，以图2所示为例，顺时针的S光经过输出镜084后由棱镜17反射至半反半透镜16，逆时针的P光经输出镜084直接传输至半反半透镜16，S光经过偏振态旋转单元10后变为P光，两束P光合为一束后由光电探测器09探测。

在本发明实施例中，采用顺时针的S光和逆时针的P光即可实现检测，而逆时针的S光和顺时针的P光可以不采用，此时可以采用隔离器12将不需要的激光隔离，而考虑公共段02需要双向传输，因此将反向的隔离器12设置于检测段04和参考段03，将不需要的方向的激光隔离。同实施例一相同的，该隔离器12同样可以防止同光路中不需要的对向激光的后向散射光参与所需激光中，进而保证检测准确性和精度。

当然，在其他实施例中，也可以采用逆时针的S光和顺时针的P光进行检测。选择合适的隔离器即可。

在本发明实施例中，也可以在相应位置设置可调衰减单元14，延时单元13，单频获取单元15等，其位置和作用同实施例一相同，本实施例不再赘述。

实施例三：

如图4，本发明实施例中，该传感器的公共段02、检测段04和参考段03均采用自由空间传输。与实施例二的不同之处主要体现在输出方式，其他结构可以采用相同的设计。本发明实施例在输出镜084的一个方向设置第三偏振分光单元18。在该第三偏振分光单元18的S光反射光路设有若干个反射镜19以及偏振态旋转单元10，在其P光的透射光路上设有半反半透镜20，光电探测器09设置于该半反半透镜20的出射方向。可以理解，偏振态旋转单元10还可以设置在P光的透射光路上。

本发明实施例采用单一方向的输出方式，只将顺时针或逆时针的激光输出，再通过第三偏振分光单元18将两个环形激光谐振腔的激光(S光和P光)分离，进而实现外差干涉。

同样的，对于不需要的方向的激光，可以在公共段02或检测段04和参考段03设置隔离器12，将不需要的方向的激光隔离。采用隔离器同样可以防止同光路中对向激光的后向散射光参与所需激光中，保证检测准确性和精度。

在本发明实施例中，还可以在检测段04和参考段03设置可调衰减单元14，在参考段03设置延时单元13，在公共段02设置单频获取单元15，或者在检测段04和参考段03各设一个单频获取单元15，各器件的作用同其在实施例一和二中的作用相同，此处不再赘述。

实施例四：

如图5，本发明实施例中，该传感器的公共段02采用自由空间传输、检测段04和参考段03均采用保偏光纤传输。与实施例一相似的是，参考段03包括参考光纤031，检测段04包括检测光纤041，能引起光程变化的传感元件07设置于检测光纤04上。公共段02的两端分别通过第一偏振分光单元05和第二偏振分光单元06连接检测光纤041和参考光纤031。与实施例一不同的是，本实施例的公共段采用自由空间传输，公共段02含有一双色镜024，以及若干个反射镜025，该第一偏振分光单元05和第二偏振分光单元06可以采用偏振耦合器，使入射光分为偏振方向不同的S光和P光，其中，P光进入检测光纤031，S光进入参考光纤041。在检测光纤041和参考光纤031上分别设有第一输出耦合器081和第二输出耦合器082，作为输出单元08，两耦合器连接一合光单元11，合光单元11连接光电探测器09。在第一或第二输出耦合器和合光单元11之间设有偏振态旋转单元10。作为另一实施例，还可以将输出单元08设置在公共段02，如采用实施例二或三所述的输出方式，本实施例不再赘述。本发明实施例同样可以实现同向或反向激光的干涉，在采用同向光干涉的情况下，可以在公共段02设置一个隔离器，或在检测段04和参考段03各设置同向的隔离器。当采用反向激光干涉时，也可以在参考段03和检测段04各设置反向的隔离器，将各段内不需要的方向的激光隔离。采用隔离器还可以防止同光纤中的对向激光产生后向散射光对所需激光的影响，进一步提高检测的准确性。

在本发明实施例中，也可以在相应位置设置可调衰减单元14，延时单元13，单频获取单元15等，其位置和作用同以上实施例相同，本实施例不再赘述。

综上所述，本发明由泵浦源、公共段、检测段和参考段形成两个环形激光器，这两个激光谐振腔可以采用全光纤形式，也可以为自由空间的形式，或者为自由空间和光纤的组合形式，检测段的传感元件受到被测物理量的作用后使谐振腔的光程改变，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)

1.一种正交偏振激光器的传感器，其特征在于，包括泵浦源、含有增益介质的公共段以及通过第一偏振分光单元和第二偏振分光单元并列连接于所述公共段的两端之间的参考段和检测段；

所述第一偏振分光单元和第二偏振分光单元将入射光分为偏振方向不同的第一线偏振光和第二线偏振光，所述公共段和参考段形成传输第一线偏振光的第一环形激光谐振腔，所述公共段和检测段形成传输第二线偏振光的第二环形激光谐振腔；

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，所述输出单元连接合光单元，所述合光单元连接光电探测器，激光经过所述输出单元输出，经过合光单元后传输至光电探测器，在所述合光单元和输出单元之间还设有用于将第一线偏振光和第二线偏振光的偏振态变为一致的偏振态旋转单元。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述公共段包括公共光纤、所述参考段包括参考光纤，所述检测段包括检测光纤，所述能引起检测光程变化的传感元件设置于所述检测光纤上，所述公共光纤、检测光纤和参考光纤采用保偏光纤。

3.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述参考光纤和检测光纤各设有一所述输出单元，于其中一所述输出单元的输出光路上设有所述偏振态旋转单元。

4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述公共段采用自由空间传输形式，所述参考段和检测段采用光纤或自由空间传输形式，所述公共段设有输出镜；

或者，所述检测光纤和参考光纤各设有一输出单元，其中一个输出单元连接所述偏振态旋转单元，另一个输出单元和所述偏振态旋转单元共同连接所述合光单元。

5.如权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述输出镜的一个输出方向设有第三偏振分光单元，将所述输出镜输出的光分为偏振方向不同的线偏振光，且使二者沿不同的路径传输至所述光电探测器，在其中一种线偏振光的输出路径上设有所述偏振态旋转单元，该偏振方向不同的线偏振光的偏振态分别和所述的第一线偏振光和第二线偏振光的偏振态相同。

6.如权利要求4所述的传感器，其特征在于，在所述输出镜的两个不同的输出方向上，分别设有一棱镜和一半反半透镜，其中一种线偏振光直接输出至所述半反半透镜，另一种线偏振光经过所述棱镜反射至所述半反半透镜，在其中一种偏振光的输出路径上设有所述偏振态旋转单元。

7.如权利要求6所述的传感器，其特征在于，在所述检测段设有第一隔离器，在所述参考段设有第二隔离器，所述第一隔离器和第二隔离器的隔离方向相反。

8.如权利要求1至7任一项所述的传感器，其特征在于，在所述参考段上设有延时单元。

9.如权利要求1至7任一项所述的传感器，其特征在于，在所述参考段和/或检测段上设有可调衰减单元。

10.如权利要求1至7任一项所述的传感器，其特征在于，所述公共段设有单频获取单元，或者所述参考段和检测段各设有一单频获取单元。