CN105606140B - 低频探测的无泵浦多波长布里渊光纤激光传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光纤激光传感器，具体是一种低频探测的无泵浦多波长布里渊光纤激光传感器。本发明解决了现有光纤激光传感器探测灵敏度低、抗干扰能力差、测量精度低的问题。低频探测的无泵浦多波长布里渊光纤激光传感器，包括窄线宽单频激光器、第二单向光分路器、低频光电探测器、频谱仪、谐振腔；所述谐振腔包括半导体光放大器、光环行器、偏振控制器、光隔离器、第一单向光分路器、Sagnac环型腔镜；所述Sagnac环型腔镜包括双向光分路器、高非线性传感光纤。本发明适用于光纤传感领域。

Description

低频探测的无泵浦多波长布里渊光纤激光传感器
技术领域
本发明涉及光纤激光传感器，具体是一种低频探测的无泵浦多波长布里渊光纤激光传感器。
背景技术
现有的光纤激光传感器主要分为三种：单波长光纤激光传感器、多波长光纤激光传感器、多纵模光纤激光传感器。实践表明，上述三种光纤激光传感器由于自身原理所限，存在如下问题：若要实现高灵敏度探测，则需要采用光谱仪来进行探测，由此导致系统的复杂度和成本增加。为了克服上述问题，中国专利ZL201410691738.7公开了一种基于多波长布里渊光纤激光器的光纤温度传感器。然而，此种传感器由于光路结构所限，仅能够获得个位数量级的波长数，且功率分布严重不均匀，由此导致其探测灵敏度低。此外，中国专利ZL200810034296.3公开了一种自激发多波长布里渊掺铒光纤激光器。然而，此种传感器由于提供布里渊增益的光纤长度长达5km，其测量精度会受到外界干扰的严重影响，由此导致其抗干扰能力差、测量精度低。基于此，有必要发明一种全新的光纤激光传感器，以解决现有光纤激光传感器存在的上述问题。
发明内容
本发明为了解决现有光纤激光传感器探测灵敏度低、抗干扰能力差、测量精度低的问题，提供了一种低频探测的无泵浦多波长布里渊光纤激光传感器。
本发明是采用如下技术方案实现的：
低频探测的无泵浦多波长布里渊光纤激光传感器，包括窄线宽单频激光器、第二单向光分路器、低频光电探测器、频谱仪、谐振腔；
所述谐振腔包括半导体光放大器、光环行器、偏振控制器、光隔离器、第一单向光分路器、Sagnac环型腔镜；
所述Sagnac环型腔镜包括双向光分路器、高非线性传感光纤；
其中，半导体光放大器的出射端与光环行器的入射端连接；光环行器的反射端与双向光分路器的上行端口连接；双向光分路器的两个下行端口之间通过高非线性传感光纤连接；光环行器的出射端与偏振控制器的入射端连接；偏振控制器的出射端与光隔离器的入射端连接；光隔离器的出射端与第一单向光分路器的上行端口连接；第一单向光分路器的第一个下行端口与半导体光放大器的入射端连接；第一单向光分路器的第二个下行端口与第二单向光分路器的第一个下行端口连接；窄线宽单频激光器的出射端与第二单向光分路器的第二个下行端口连接；第二单向光分路器的上行端口与低频光电探测器的入射端连接；低频光电探测器的信号输出端与频谱仪的信号输入端连接。
工作时，将高非线性传感光纤置于温度控制系统（如图2所示）或光纤拉力器（如图3所示）中。具体工作过程如下：半导体光放大器发出的自发辐射光在谐振腔中进行谐振。当半导体光放大器的功率足够大时，自发辐射光谐振产生激光。当半导体光放大器的功率进一步增大时，此激光在Sagnac环型腔镜中发生受激布里渊散射效应和四波混频效应，由此产生高阶斯托克斯波。高阶斯托克斯波经第一单向光分路器进入第二单向光分路器。与此同时，窄线宽单频激光器发出的激光进入第二单向光分路器，并与高阶斯托克斯波进行拍频，由此产生拍频光信号。拍频光信号经低频光电探测器转换为拍频电信号后进入频谱仪。频谱仪对拍频电信号进行拍频分析，由此获取高非线性传感光纤的温度值和应变值。
基于上述过程，与现有光纤激光传感器相比，本发明所述的低频探测的无泵浦多波长布里渊光纤激光传感器基于全新的光路结构，并利用受激布里渊散射效应和四波混频效应，实现了对高非线性传感光纤的温度值和应变值进行高灵敏度探测，由此具备了如下优点：其一，与中国专利ZL201410691738.7相比，本发明能够获得更高数量级的波长数，且功率分布更加均匀，由此大幅提高了探测灵敏度（探测灵敏度能够提高100个数量级）。其二，与中国专利ZL200810034296.3相比，本发明采用的高非线性光纤长度大幅缩短（通常仅为500m），由此大大减小了外界干扰对测量精度的影响，从而显著增强了抗干扰能力、大幅提高了测量精度。
本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有光纤激光传感器探测灵敏度低、抗干扰能力差、测量精度低的问题，适用于光纤传感领域。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的第一种工作状态参考图。
图3是本发明的第二种工作状态参考图。
图中：1-半导体光放大器，2-光环行器，3-双向光分路器，4-高非线性传感光纤，5-偏振控制器，6-光隔离器，7-第一单向光分路器，8-窄线宽单频激光器，9-第二单向光分路器，10-低频光电探测器，11-频谱仪，12-温度控制系统，13-光纤拉力器。
具体实施方式
低频探测的无泵浦多波长布里渊光纤激光传感器，包括窄线宽单频激光器8、第二单向光分路器9、低频光电探测器10、频谱仪11、谐振腔；
所述谐振腔包括半导体光放大器1、光环行器2、偏振控制器5、光隔离器6、第一单向光分路器7、Sagnac环型腔镜；
所述Sagnac环型腔镜包括双向光分路器3、高非线性传感光纤4；
其中，半导体光放大器1的出射端与光环行器2的入射端连接；光环行器2的反射端与双向光分路器3的上行端口连接；双向光分路器3的两个下行端口之间通过高非线性传感光纤4连接；光环行器2的出射端与偏振控制器5的入射端连接；偏振控制器5的出射端与光隔离器6的入射端连接；光隔离器6的出射端与第一单向光分路器7的上行端口连接；第一单向光分路器7的第一个下行端口与半导体光放大器1的入射端连接；第一单向光分路器7的第二个下行端口与第二单向光分路器9的第一个下行端口连接；窄线宽单频激光器8的出射端与第二单向光分路器9的第二个下行端口连接；第二单向光分路器9的上行端口与低频光电探测器10的入射端连接；低频光电探测器10的信号输出端与频谱仪11的信号输入端连接。
所述半导体光放大器1在中心波长为1550nm处能够提供21dB的小信号增益和5.8dBm的饱和增益。
所述双向光分路器3的分光比为50：50。
所述高非线性传感光纤4的长度为500m，且其具有1dB/km的衰减和15W-1km-1的非线性系数。
所述第一单向光分路器7的分光比为90：10。
所述窄线宽单频激光器8采用中心波长为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、波长可调范围为1520-1630nm的连续运行激光器。
所述第二单向光分路器9的分光比为50：50。
所述低频光电探测器10的响应带宽为0-1GHz。
所述频谱仪11的带宽为0-26.5GHz、最小分辨率为1Hz。
具体实施时，所述温度控制系统12采用调节范围为5-60℃、温度分辨率为0.1℃的连续运行恒温系统。所述光纤拉力器13的行程为15cm、调节分辨率为10μm。所述半导体光放大器1采用英国CIP公司的1550波段高非线性光放大器。所述窄线宽单频激光器8采用法国Yenista公司的单频系列激光器，其具有输出功率高、可调范围宽和线宽窄的优点。所述低频光电探测器10采用飞博源光电的光电探测器。所述频谱仪11采用Keysight公司的N9020信号分析仪。所述温度控制系统12采用杭州保恒恒温技术有限公司的动态恒温控制系统。所述光纤拉力器13采用北京北光世纪仪器有限公司的TS300系列精密平移台。

Claims (1)

1.一种低频探测的无泵浦多波长布里渊光纤激光传感器，其特征在于：包括窄线宽单频激光器（8）、第二单向光分路器（9）、低频光电探测器（10）、频谱仪（11）、谐振腔；
所述谐振腔包括半导体光放大器（1）、光环行器（2）、偏振控制器（5）、光隔离器（6）、第一单向光分路器（7）、Sagnac环型腔镜；
所述Sagnac环型腔镜包括双向光分路器（3）、高非线性传感光纤（4）；
其中，半导体光放大器（1）的出射端与光环行器（2）的入射端连接；光环行器（2）的反射端与双向光分路器（3）的上行端口连接；双向光分路器（3）的两个下行端口之间通过高非线性传感光纤（4）连接；光环行器（2）的出射端与偏振控制器（5）的入射端连接；偏振控制器（5）的出射端与光隔离器（6）的入射端连接；光隔离器（6）的出射端与第一单向光分路器（7）的上行端口连接；第一单向光分路器（7）的第一个下行端口与半导体光放大器（1）的入射端连接；第一单向光分路器（7）的第二个下行端口与第二单向光分路器（9）的第一个下行端口连接；窄线宽单频激光器（8）的出射端与第二单向光分路器（9）的第二个下行端口连接；第二单向光分路器（9）的上行端口与低频光电探测器（10）的入射端连接；低频光电探测器（10）的信号输出端与频谱仪（11）的信号输入端连接；
所述半导体光放大器（1）在中心波长为1550nm处能够提供21dB的小信号增益和5.8dBm的饱和增益；
所述双向光分路器（3）的分光比为50：50；
所述高非线性传感光纤（4）的长度为500m，且其具有1dB/km的衰减和15W-1km-1的非线性系数；
所述第一单向光分路器（7）的分光比为90：10；
所述窄线宽单频激光器（8）采用中心波长为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、波长可调范围为1520-1630nm的连续运行激光器；
所述第二单向光分路器（9）的分光比为50：50；
所述低频光电探测器（10）的响应带宽为0-1GHz；
所述频谱仪（11）的带宽为0-26.5GHz、最小分辨率为1Hz。
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