CN105758553B - 一种光纤激光高温报警器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤激光高温报警器,包括依次连接的一个DBR光纤激光器以及位于DBR光纤激光器输出端的光探测器，DBR光纤激光器具有激光输出阈值随环境温度的升高而降低的特点，实现激光输出的温度触发功能，当环境温度未达到所设定的温度时，激光无输出，当环境温度达到或超过设定的温度时，激光输出；光探测器具有对激光有无输出的探测能力，并以此为基础判定是否输出报警信号，当探测到没有激光时，判定为不报警，当探测到激光信号时，判定为报警并输出报警信号；光纤激光高温报警器可以排除应变和侧向压力的干扰，具有报警温度可调谐的能力，具有耐高温特性，可以在不高于600摄氏度的高温环境下保持正常的工作的能力。

Description

一种光纤激光高温报警器

技术领域

本发明涉及光纤激光传感领域，特别涉及一种光纤激光高温报警器。

背景技术

分布式布拉格反射光纤激光器(Distributed Bragg Reflector fiber laser，DBR fiber laser)具有结构小巧、抗电磁干扰、可复用、窄线宽以及高信噪比等优势，可以应用于窄线宽光源以及光纤传感领域，是最具发展潜力的光纤器件之一。

由于DBR光纤激光器的布拉格反射器(光纤布拉格光栅)的波长对于温度具有响应，因此，可以通过激光输出的波长变化或者正交偏振双频拍频的追迹来实现对于环境温度的传感功能。

一方面，由于布拉格反射器存在应变和侧向压力的交叉敏感性，会带来对温度的测量结果的影响。为了克服上述问题，香港理工大学L.Y.Shao等人，采用激光波长结合偏振双频拍频的办法实现了对温度和应变的同时测量(IEEE Photonics Technology Letters,19，1598，2007)；南开大学B.Liu等人，采用激光阵列结合偏振双频拍频的方法实现了温度和侧向压力的同时测量(Optical Fiber Technology，17,619,2011)。

另一方面，传统DBR光纤激光器的光纤光栅反射器并不具有高温抵抗的能力。在高温环境中，反射器的反射率热消退会引起谐振腔Q值的降低，最终导致增益无法超过阈值而无法实现激光输出，使其应用范围受到了限制。

为了克服这一问题，英国阿斯顿大学的Y.Lai等人采用飞秒激光器在铒镱共掺有源光纤上直接刻写光纤光栅反射谐振腔，利用硅基光纤的多光子吸收“损伤”机制所引起的永久性折射率变化，实现了在600摄氏度高温下的稳定激光器输出(Optics Letters,31,1672,2006)。中国浙江大学的Y.Shen等人采用铋锗共掺的无源光纤制作了一对I型光纤光栅反射器并将其熔接在有源光纤两端，利用铋的调制热稳定性实现了耐高温DBR光纤激光器，可以耐受400摄氏度环境(Optics Express,15,363,2007)。中国大连理工大学B.Guan等人在铒镱共掺有源光纤上直接制作了基于退火的过饱和I型光纤光栅反射器的DBR光纤激光器，可以抵抗500摄氏度的高温(Opt.Express,16,2958,2008)。为了进一步提高耐温性，美国匹兹堡大学的R.Chen等人采用再生光纤光栅(Regenerated fiber Bragg grating)作为反射器，可以耐受高达750摄氏度的高温(Optics Letters,38,2490,2013)。中国暨南大学的Y.Ran等人采用IIa型光纤光栅反射器制作DBR光纤激光器，可以稳定工作于600摄氏度高温的环境下。

采用上述方法的结合，可以实现光纤激光器对环境温度尤其是高温的传感功能。不过，上述的方法都需要采用精细的波长分辨手段(如光谱分析仪)或者频谱分辨手段(如频谱分析仪)来实现解调，价格比较昂贵，解调方式也比较复杂。而且在实际应用时需要提前布设信号传递光纤来实现实时监控，也增大了应用难度。

采用激光的有无检测(功率输出与无输出检测)，从而实现报警功能是一种更具实用性的手段，如目前侵入式激光报警器，已经广泛的应用于防盗、安保等方面。

然而，如何应用DBR光纤激光器实现对于温度的触发报警功能还尚未有所涉及。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种光纤激光高温报警器，通过具有温度触发特性的分布式布拉格反射光纤激光器实现对特定温度的报警功能，无交叉敏感，结构小巧，工作方式简单。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种光纤激光高温报警器，包括DBR光纤激光器以及光探测器。

所述DBR光纤激光器具有激光输出阈值随环境温度的升高而降低的特点，可以实现激光输出的温度触发功能，当环境温度未达到所设定的温度时，激光无输出，当环境温度达到或超过设定的温度时，激光输出；所述的光探测器具有对激光有无输出的探测能力，并以此为基础判定是否输出报警信号，当探测到没有激光时，判定为不报警，当探测到激光信号时，判定为报警并输出报警信号；所述光纤激光高温报警器可以排除应变和侧向压力的干扰；所述光纤激光高温报警器具有报警温度可调谐的能力；所述光纤激光高温报警器具有耐高温特性，可以在不高于600摄氏度的高温环境下保持正常的工作的能力。

所述DBR光纤激光器包括依次相连的泵浦激光器和激光腔所组成，所述激光腔结构包含一段有源光纤以及处于有源光纤两端的一对光纤布拉格光栅反射器(输入端次生-IIa型光纤布拉格光栅反射器和输出端次生-IIa型光纤布拉格光栅反射器)。

所述有源光纤具体是：纤芯通过掺杂铒、镱等稀土离子实现对泵浦光的吸收，并实现增益。

所述DBR光纤激光器具有可实现激光输出的泵浦激光功率阈值(后简称输出阈值)随温度的升高而降低的特点。这是由于当激光腔参数一定时，输出阈值只取决于光纤布拉格光栅反射器的反射率的变化。而所述光纤布拉格光栅反射器的反射率在一定温度范围内反射率随环境温度的升高而增大。因此，设定适当的泵浦功率并保持泵浦功率恒定，由于在环境温度低于特定温度的时候，DBR激光器的输出阈值高于所设置的泵浦功率，因此无激光输出；而当环境温度达到或者超过特定温度时，由于DBR激光器输出阈值的降低随温度的升高而降低，因此，设定的泵浦功率将会高于DBR激光器输出阈值，实现激光输出。

所述DBR光纤激光器的触发温度可以通过有源光纤、光纤布拉格光栅反射器以及泵浦功率等参数的设定来实现调控与设置。

所述次生-IIa型光纤布拉格光栅反射器具体是：带有次生光栅的IIa型光纤布拉格光栅(后简称“次生-IIa光栅”)，其反射谱线具有双峰或者双峰叠加的特点，双峰结构为次生光栅和IIa型光栅构成，次生光栅反射峰位于IIa型光栅反射峰的短波长方向。这种独特的双峰现象与光纤的双折射、光栅旁瓣以及高阶模耦合无关。

所述双峰峰值波长对于温度都具有正向响应，而次生光栅反射峰的温度敏感性更高，随着温度的提高，次生光栅反射峰在波长上呈现靠近IIa型光栅反射峰并与之相叠的趋势，并在一定温度下可以达到双峰波长完全对应，也就是双峰完美的叠加。双峰叠加过程中不会出现法布里-珀罗干涉图样，但是会呈现出叠加峰反射率不断增强的效果，此种反射率增强效果只与环境温度有关，与作用于光纤上的应变和侧压力无关。

所述次生-IIa光栅对于有源光纤的具体要求是：光纤纤芯直径必须小于6微米，优选的，为3微米，纤芯锗离子含量大于10％，其包层直径与前述的有源光纤相匹配。

所述有源光纤两端的一对光纤布拉格光栅反射器具有相同的反射率及光谱性质。

所述次生-IIa型光纤布拉格光栅反射器的制作方法具体是：采用准分子激光器结合相位掩膜板，对上述有源光纤直接进行曝光，实现周期性折射率调制。

所述准分子激光器的光源仅采用193纳米紫外准分子激光器，避免额外的光纤载氢等增敏手段实现直接刻写，同时可以提供较大的空间Talbot长度。

所述相位掩膜板，可以通过改变相位掩膜板的周期来实现光栅反射波长的设计，优选的，光栅反射波长设计于C波段。

所述“次生-IIa光栅”在曝光调制中的传输谱线衍化特征为：首先，初生光栅随着曝光量的积累，光栅反射率逐渐增大，同时光栅的布拉格反射波长随着折射率正改变向长波方向漂移，体现典型的I型光栅衍化特征。当初生光栅反射率接近饱和时，次生光栅开始从光谱上显现出来，位于初生光栅短波长方向。随后，初生光栅达到饱和后，随着曝光量的继续积累，反射强度逐渐消退开始衰减并达到最小值，而其反射波长依旧向长波方向漂移。在这个过程中，次生光栅的反射率逐渐增大且向长波方向移动，次生光栅的反射率将超过初生光栅，呈现双反射峰结构。最后，随着曝光量的继续累积，在长波长方向出现一个新的反射峰，且反射率不断增大的同时反射波长向短波方向漂移，体现折射率负变化，为IIa型光栅的衍化特征，而次生光栅反射率继续增强并向长波方向移动，初生光栅完全消退，因此形成一个新的次生光栅-IIa型光栅的双峰结构，次生光栅的反射率始终强于IIa型光栅，并处于短波长方向。在此过程中两个反射峰的波长移动方向相反，呈现相向移动。因此，光栅的谱线最终状态可以是两个反射峰，也可以是两个反射峰的不完美叠加状态，其波长差和谱线形态取决于累积曝光量以及光栅写制时加载在光纤两端的预应力。

所述泵浦激光器波长为增益稀土离子的吸收光波段，优选的，泵浦波长为980纳米；优选的，泵浦激光器为半导体激光器；优选的，泵浦激光器与激光腔的连接方式为光纤连接；优选的，泵浦激光器带有单向光隔离器。

所述光探测器，放置于激光的输出端，可采用空间光耦合或者光纤连接等方式，实现对DBR激光的输出与否的探测，并使其转换为报警信号。当DBR激光无输出时不报警，说明环境温度未达到设定的临界温度，当DBR激光有输出时报警，表明环境温度达到或者超过了设定的临界温度。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明采用的“次生-IIa光栅”作为反射器，具有随温度的增加双峰叠加增强反射率的能力，同时其一体化光栅结构不会引入额外的干涉和损耗，是实现激光器输出阈值对环境温度响应的有益方法。而且，由于此类型光栅的耐高温特性，可以保证其在高温环境下(小于等于600摄氏度)的工作能力。

2、本发明的采用的“次生-IIa光栅”的制作无需载氢和退火，同时所述的光纤载体具有高掺锗，小纤芯等特点，具有高效制备的能力。

3、本发明的DBR光纤激光器可以通过有源光纤增益、“次生-IIa光栅”的反射率及谱线形状以及泵浦功率等参数的设定，达到触发温度可调控设计的功能，可以满足不同场合的应用需求。

4、本发明的DBR光纤激光器的激光触发特性只与环境温度有关，不受应变、侧压力等光纤本征敏感参量的影响，避免了交叉敏感。

5、本发明的光纤激光高温报警器摒弃了传统的光纤传感器所采用的波长、频率等复杂昂贵的解调手段，直接探测激光输出与否，设计更直接，更具经济效益。

6、本发明的光纤激光高温报警器具有较大的温度报警范围，当环境温度在设定报警温度至600摄氏度区间，都可以实现报警功能。

7、本发明的光纤激光高温报警器具有结构紧凑，实现方法简单，可灵活布置等特点。

附图说明

图1是本发明实施例1的光纤激光报警器结构图。

图2是本发明中次生-IIa型光纤布拉格光栅在193nm准分子激光结合相位掩膜板进行写制过程中光栅传输光谱典型衍化形式。

图3(a)是本发明初始具有双峰结构的次生-IIa型光纤布拉格光栅随温度变化的谱线衍化过程；

图3(b)是本发明初始具有双峰不完美叠加的次生-IIa型光纤布拉格光栅随温度变化的谱线衍化过程；

图4为本发明所述的DBR光纤激光器在不同温度下的输出阈值的变化趋势；

图5为本发明所述的DBR光纤激光器在泵浦功率设置恒定在80mw情况下在不同环境温度下的输出光谱；

图6为本发明所述的DBR光纤激光器在泵浦功率设置恒定在60mw情况下在不同环境温度下的输出光谱；

图7为本发明所述的DBR光纤激光器在泵浦功率设置恒定在40mw情况下在不同环境温度下的输出光谱；

其中：1-泵浦激光器；2-通信光纤；3-输入端次生-IIa型光纤布拉格光栅反射器；4-有源(增益)光纤；5-输出端次生-IIa型光纤布拉格光栅反射器；6-光探测器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，一种实现上述目标的光纤激光高温报警器的结构。包括：泵浦激光器1、输入端次生-IIa型光纤布拉格光栅反射3；有源光纤4(或者称为增益光纤)；输出端次生-IIa型光纤布拉格光栅反射器5和光探测器6。

泵浦激光器1与输入端次生-IIa型光纤布拉格光栅反射器3通过通信光纤2相连接。输入端次生-IIa型光纤布拉格光栅反射器3、有源光纤4与输出端次生-IIa型光纤布拉格光栅反射器5依次连接；输出端次生-IIa型光纤布拉格光栅反射器5与光探测器6通过空间光耦合或者通信光纤2相连接。

实施例1为典型的正向泵浦结构，反向泵浦方式也同样适用本实施例。

泵浦激光器1的激光输出波长为980纳米，是有源光纤4中掺铒或镱离子的典型泵浦吸收波段，只要满足有源光纤4的泵浦吸收波段都适用于本实施例。

通信光纤2和有源光纤4写制在光纤之上，光纤的典型值为，纤芯为3微米，包层为125微米，纤芯的锗离子掺杂浓度为15％及以上，只要纤芯小于6微米，且满足纤芯的锗离子掺杂浓度的光纤都适用于本实施例。

通信光纤2和有源光纤4的制作采用193纳米紫外准分子激光器结合相位掩膜板法，准分子激光的重复频率设置为200赫兹，激光单位能量为120毫焦耳/平方厘米，相位掩膜板的周期为1067纳米。

通信光纤2和有源光纤4的反射率、波长及传输光谱特征相同，初始反射率典型值为-17分贝，波长为1547纳米，光谱特征为不完美叠加，呈“刀型”。

输入端次生-IIa型光纤布拉格光栅反射器3为掺铒光纤，纤芯与包层直径与通信光纤2和有源光纤4相匹配，典型的长度为17毫米。

光探测器6可以探测激光是否输出并判定是否输出报警信号，实现报警功能，如果探测到激光无输出，判定为不报警；探测到激光输出，判定为报警并输出报警信号。

如图2所示，为实施例1中，通信光纤2和有源光纤4在制作过程中的典型衍化传输光谱，衍化方向为“曝光时间1”至“曝光时间5”。其特征为：首先，初生光栅反射率逐渐增大，同时光栅的布拉格反射波长随着折射率正改变向长波方向漂移，体现典型的I型光栅衍化特征，为“曝光时间1”所示；当初生光栅反射率接近饱和时，次生光栅开始从光谱上显现出来，位于初生光栅短波长方向，为“曝光时间2”所示；随后，初生光栅达到饱和后，反射强度逐渐消退开始衰减而其反射波长依旧向长波方向漂移，次生光栅的反射率逐渐增大且向长波方向移动，在这个过程中，次生光栅的反射率将超过初生光栅，在长波长方向会出现一个新的反射峰为IIa型光栅，如“曝光时间3”所示。随后，初生光栅继续衰减至完全淹没于背景功率之中，IIa型光栅且反射率不断增大的同时反射波长向短波方向漂移，体现折射率负变化，而次生光栅反射率继续增强并向长波方向移动，形成一个新的“次生光栅-IIa型光栅”的双峰结构，次生光栅的反射率始终强于IIa型光栅，并处于短波长方向，在此过程中两个反射峰的波长移动方向相反，呈现相向化移动；因此，光栅的谱线最终状态可以是两个反射峰，如“曝光时间4”所示，也可以是两个反射峰的不完美叠加状态，谱线呈“刀型”，“如曝光时间5”所示；其波长差和谱线形态取决于累积曝光量以及光栅写制时加载在光纤两端的预应力，曝光时间的典型值为10分钟，预应力典型值为0.2牛顿。

如图3所示，为实施例1中，通信光纤2和有源光纤4在环境温度升高过程中的谱线衍化特征；(a)典型初始值为，次生光栅反射率为-12.5分贝，IIa光栅反射率-8.8分贝，双峰波长差为0.32纳米，随着温度的升高，双峰都向长波长方向漂移，但波长差减小，双峰逐渐融合，在450摄氏度时双峰不完美叠加，呈“刀型”，在600摄氏度时双峰比较完美的叠加，呈“剑型”；(b)典型初始值为，次生光栅与IIa型光栅不完美叠加，呈“刀型”，反射率为-14分贝，随着温度的升高，光栅谱线向长波长方向漂移，但是“刀型”谱线在350摄氏度左右转化为“剑型”谱线，表示双峰较完美的叠加，同时在450摄氏度及600摄氏度反射率具有较大的增加，增加至-18分贝。

如图4所示，为实施例1中的DBR光纤激光器在不同温度下输出阈值的典型变化特征，在室温到200度范围内，达到激光输出所需要的泵浦激光功率阈值都在100毫瓦以上，而当环境温度提高至250摄氏度，只要泵浦激光功率达到67毫瓦便可实现激光输出；当环境温度提高至300摄氏度时，只要泵浦激光功率达到52毫瓦便可实现激光输出,当环境温度提高至400摄氏度时，只要泵浦激光功率达到33毫瓦便可实现激光输出。

如图5所示，为实施例1中的泵浦激光功率始终维持在80毫瓦时，DBR光纤激光器随环境温度的输出谱线，在环境温度在200摄氏度及以下时，由于泵浦光功率小于阈值功率(100毫瓦)，无激光输出，如图中小图所示。当环境温度达到250摄氏度时，由于阈值功率的降低(67毫瓦)导致泵浦激光功率大于阈值功率，激光输出，而随着温度的继续升高至500摄氏度，激光始终输出。

如图6所示，为实施例1中的泵浦激光功率始终维持在60毫瓦时，DBR光纤激光器随环境温度的输出谱线，在环境温度在250摄氏度及以下时，由于泵浦光功率小于阈值功率(67毫瓦)，无激光输出，如图中小图所示。当环境温度达到300摄氏度时，由于阈值功率的继续降低(52毫瓦)导致泵浦激光功率大于阈值功率，激光输出，而随着温度的继续升高至500摄氏度，激光始终输出。

如图7所示，为实施例1中的泵浦激光功率始终维持在40毫瓦时，DBR光纤激光器随环境温度的输出谱线，在环境温度在350摄氏度及以下时，由于泵浦光功率小于阈值功率(52毫瓦)，无激光输出，如图中小图所示。当环境温度达到400摄氏度时，由于阈值功率的继续降低(33毫瓦)导致泵浦激光功率大于阈值功率，激光输出，而随着温度的继续升高至500摄氏度，激光始终输出。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光纤激光高温报警器,其特征在于，所述高温报警器包括依次连接的一个DBR光纤激光器以及位于所述DBR光纤激光器输出端的光探测器；

所述DBR光纤激光器包括依次相连的泵浦激光器和激光腔所组成，所述激光腔结构包含一段有源光纤以及处于所述有源光纤两端的输入端次生-IIa型光纤布拉格光栅反射器和输出端次生-IIa型光纤布拉格光栅反射器；

所述泵浦激光器与所述输入端次生-IIa型光纤布拉格光栅反射器通过通信光纤相连接，所述输出端次生-IIa型光纤布拉格光栅反射器与光探测器通过空间光耦合或者通信光纤相连接；

所述DBR光纤激光器的激光输出阈值随环境温度的升高而降低，实现激光输出的温度触发功能，当环境温度未达到所设定的温度时，激光无输出，当环境温度达到或超过设定的温度时，激光输出；

所述光探测器对激光有无输出进行探测，并以此为基础判定是否输出报警信号，当探测到没有激光时，判定为不报警，当探测到激光信号时，判定为报警并输出报警信号；

其中，所述次生-IIa型光纤布拉格光栅反射器具体是：带有次生光栅的IIa型光纤布拉格光栅，其反射谱线具有双峰或者双峰叠加的特点，双峰结构为次生光栅和IIa型光栅构成，次生光栅反射峰位于IIa型光栅反射峰的短波长方向；

所述带有次生光栅的IIa型光纤布拉格光栅由193nm准分子激光器结合相位掩模板法写制而成，在写制过程中次生-IIa型光纤布拉格光栅的传输谱线衍化特征是：首先，初生光栅随着曝光量的积累，光栅反射率逐渐增大，同时光栅的布拉格反射波长随着折射率正改变向长波方向漂移，体现典型的I型光栅衍化特征，当初生光栅反射率接近饱和时，次生光栅开始从光谱上显现出来，位于初生光栅短波长方向；随后，初生光栅达到饱和后，随着曝光量的继续积累，反射强度逐渐消退开始衰减并达到最小值，而其反射波长依旧向长波方向漂移，在这个过程中，次生光栅的反射率逐渐增大且向长波方向移动，次生光栅的反射率将超过初生光栅，呈现双反射峰结构；最后，随着曝光量的继续累积，在长波长方向出现一个新的反射峰，且反射率不断增大的同时反射波长向短波方向漂移，体现折射率负变化，为IIa型光栅的衍化特征，而次生光栅反射率继续增强并向长波方向移动，初生光栅完全消退，因此形成一个新的次生光栅-IIa型光栅的双峰结构，次生光栅的反射率始终强于IIa型光栅，并处于短波长方向，在此过程中两个反射峰的波长移动方向相反，呈现相向移动，光栅的谱线最终状态是两个反射峰或两个反射峰的不完美叠加状态，其波长差和谱线形态取决于累积曝光量以及光栅写制时加载在光纤两端的预应力。

2.根据权利要求1所述的一种光纤激光高温报警器,其特征在于，所述有源光纤的纤芯掺杂铒、镱以及锗离子，实现对泵浦光的吸收，并实现增益，其包层和纤芯直径与布拉格光栅反射器所写制于的光纤相匹配。

3.根据权利要求1所述的一种光纤激光高温报警器,其特征在于，所述有源光纤两端的输入端次生-IIa型光纤布拉格光栅反射器和所述输出端次生-IIa型光纤布拉格光栅反射器的反射率、反射波长以及光谱特性相一致。

4.根据权利要求1所述的一种光纤激光高温报警器，其特征在于，次生-IIa型光纤布拉格光栅所写制的光纤纤芯直径小于6微米，纤芯掺锗离子含量大于10％。

5.根据权利要求1所述的一种光纤激光高温报警器，其特征在于，所述高温报警器的报警温度通过改变所述次生-IIa型光纤布拉格光栅反射器的反射率、所述有源光纤的增益和长度和/或所述泵浦激光器设定功率实现调谐。

6.根据权利要求1所述的一种光纤激光高温报警器，其特征在于，所述泵浦激光器波长为增益稀土离子的吸收光波段。