CN105928549B - 基于级联少模光纤的多物理量有源光纤传感器及传感方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于级联少模光纤的多物理量有源光纤传感器，包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、隔离器、级联少模光纤单元、偏振控制器和耦合器，所述级联少模光纤单元包括第一单模光纤、少模光纤、第二单模光纤、光环形器和刻有光栅的少模光纤；上述各个器件通过光纤耦合的方式首尾相连闭合形成有源光纤谐振腔。级联少模光纤单元同时作为激光器的传感和选模单元。本发明还公开了基于级联少模光纤的多物理量有源光纤传感器的传感方法。本发明器件均采用全光纤耦合方式，结构紧凑，具有较高的重复性；谐振腔内激光振荡功率较强，提高了传感信号的信噪比；灵敏度高、多物理量测量交叉不敏感；具有较高的重复性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别是基于级联少模光纤的多物理量有源光纤传感器及传感方法。
背景技术
光纤传感器以光波为载体，光纤为媒质实现被测信号的传输与感知，具有信息容量大、抗电磁干扰、抗腐蚀、结构简单、体积小等特点，成为现代传感领域的重点研究对象。光纤传感器的应用范围已渗透至国防军事、土木工程、能源环保、医学健康等各个领域，能够实现对温度、应力、振动、电磁场等众多物理量的测量。
目前，FBG传感器和分布式光纤传感器是当前光纤传感器研究和应用的两个重要分支，而高灵敏度、多个物理量同时测量是光纤传感技术追求的目标。对于普通无源FBG传感器，FBG波长对温度和应变同时敏感，当二者共同作用时将产生交叉敏感效应，降低了传感器的测量精度和稳定性。为此，研究人员提出了采用双波长矩阵法、双参量矩阵法和补偿封装法等实现对两个物理参量的区分测量。这些方法需对FBG的结构和封装进行特殊设计，否则容易产生测量误差，并且易受光源波动等因素的影响。对于无源分布式光纤传感器，已有方案主要通过增强光源或者增加探测器灵敏度来改善传感系统的探测灵敏度，而实现多物理量测量则需要结合复杂的解调系统和算法来实现，一定程度上增加了光源和探测端的成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供基于级联少模光纤的多物理量有源光纤传感器及传感方法，本发明的所有器件均采用全光纤耦合方式，结构紧凑，具有较高的重复性；通过在有源光纤谐振腔内引入级联少模光纤单元作为传感单元，结合谐振腔内激光增益特性和传感单元的多物理量感知能力，提高了传感信号的信噪比，增加了传感系统的灵敏度、多物理量测量交叉敏感免疫力强。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种基于级联少模光纤的多物理量有源光纤传感器，包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、隔离器、级联少模光纤单元、偏振控制器和耦合器，所述级联少模光纤单元包括第一单模光纤、少模光纤、第二单模光纤、光环形器和刻有光栅的少模光纤；其中，
泵浦源的输出端与波分复用器的短波长输入端相连，波分复用器的输出端依次通过增益光纤、隔离器与光环形器的第一端口相连，光环形器的第二端口与刻有光栅的少模光纤相连，光环形器的第三端口与第一单模光纤相连，第一单模光纤与少模光纤的一端错位熔接，少模光纤的另一端与第二单模光纤错位熔接，第二单模光纤与偏振控制器的输入端相连，偏振控制器的输出端与耦合器的输入端相连，耦合器的输出反馈端与波分复用器的长波长输入端相连。
作为本发明所述的一种基于级联少模光纤的多物理量有源光纤传感器进一步优化方案，所述少模光纤为最多能容纳两个或者四个模式稳定传输的光纤。
作为本发明所述的一种基于级联少模光纤的多物理量有源光纤传感器进一步优化方案，刻有光栅的少模光纤的实现方式是通过紫外曝光或飞秒激光刻写的方法向少模光纤纤芯内引入周期性折射率调制形成。
作为本发明所述的一种基于级联少模光纤的多物理量有源光纤传感器进一步优化方案，所述泵浦源为半导体激光泵浦源。
一种基于级联少模光纤的多物理量有源光纤传感器的传感方法，通过外加不同物理场可同时或者单独作用于级联少模光纤单元中的第一单模光纤、少模光纤和第二单模光纤上经偏振控制器后，传递到耦合器的输出端，通过激光特性参数的变化，体现传感物理信号的变化。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
（1）本发明采用单模光纤-少模光纤-单模光纤和少模布拉格光纤光栅的级联单元作为传感单元，利用不同模式间的耦合效应可实现多参量（包括温度、应力、弯曲等）同时测量且无交叉敏感效应；
（2）本发明的单模光纤-少模光纤-单模光纤和少模光纤布拉格光栅的级联单元同时作为光纤激光谐振腔的选模单元和传感单元，腔内激光增益较大，有利于提高传感系统信噪比，提高传感系统灵敏度；
（3）本发明采用全光纤结构，结构紧凑稳定，重复性高。
附图说明
图1为基于级联少模光纤的多物理量有源光纤传感器结构示意图。
图2为基于错位熔接的单模光纤-少模光纤-单模光纤单元结构示意图。
图3为当输入和输出端错位量为别为6µm和3.3µm时，实验测得的单模-少模-单模光纤透射谱随拉力变化的关系，其中，F1<F2<F3。
图4为当输入端和输出端错位为别为6µm和3.3µm时单模光纤-少模光纤-单模光纤单元的透射谱随温度变化的关系。
图5为阶跃四模光纤布拉格光栅的反射谱。
图6为阶跃四模光纤布拉格光栅的反射谱随加载于光栅尾纤上的弯曲效应（光纤弯曲半径，其中，R1<R2<R3<R4<R5<R6）变化的关系。
图7为腔内置入单模光纤-少模光纤-单模光纤单元，光纤激光器输出光谱随拉力变化的关系，其中，F1<F2<F3。
图8为腔内置入少模光纤布拉格光栅，光纤激光器的输出光谱，激光光谱3dB带宽约为0.02nm。
图9为腔内单模光纤-少模光纤-单模光纤单元和少模光纤光栅的级联单元，光纤激光器输出光谱随施加在单模光纤-少模光纤-单模光纤单元上的拉力的变化关系，其中，F1<F2<F3，且输出光谱强度随拉力的增大而减小。
图10为腔内置入单模光纤-少模光纤-单模光纤单元和少模光纤光栅，光纤激光器输出光谱随施加在少模光纤布拉格光栅上的压力的变化关系，其中，N1<N2<N3，且输出光谱的中心波长随压力的增大而红移。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明是利用单模光纤-少模光纤-单模光纤和少模光纤光栅的级联单元作为光纤激光器的窄带选模方法，并利用单模光纤-少模光纤-单模光纤和少模光纤光栅内光场耦合过程对外界物理场的敏感效应实现有源光纤传感器。当外界物理场发生变化时，输出的激光光谱将发生强度或中心波长的改变，并且输出激光有很高的边模抑制比，因此这一有源光纤传感器有高灵敏度优势。下面就对本发明的具体技术方案进行简要说明。
如图1所示为本发明的结构示意图，一种基于级联少模光纤的多物理量有源光纤传感器，包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、隔离器、级联少模光纤单元、偏振控制器和耦合器，所述级联少模光纤单元包括第一单模光纤、少模光纤、第二单模光纤、光环形器和刻有光栅的少模光纤；其中，
泵浦源作为激光谐振腔的激励源，其输出端与波分复用器的短波长输入端相连，波分复用器将具有波长不同的泵浦光和信号光反馈复用至环形谐振腔中，其输出端依次通过增益光纤（提供光放大）、隔离器（确保腔内激光单向运行）与光环形器（实现级联少模光纤单元耦合入腔）的第一端口相连，光环形器的第二端口与刻有光栅的少模光纤相连，光环形器的第三端口与第一单模光纤相连，第一单模光纤与少模光纤的一端错位熔接，少模光纤的另一端与第二单模光纤错位熔接，第二单模光纤与偏振控制器（控制腔内激光偏振态）的输入端相连，偏振控制器的输出端与耦合器的输入端相连，耦合器的输出反馈端与波分复用器的长波长输入端相连。
所述少模光纤为最多能容纳两个或者四个模式稳定传输的光纤。
刻有光栅的少模光纤的实现方式是通过紫外曝光或飞秒激光刻写的方法向少模光纤纤芯内引入周期性折射率调制。
所述泵浦源可为半导体激光泵浦源。
外加不同物理场可同时或者单独作用于级联少模光纤单元中的第一单模光纤、少模光纤和第二单模光纤上经偏振控制器后，传递到耦合器的输出端，通过激光特性参数的变化，体现传感物理信号的变化。
传感器对外界多个物理量的感知是通过级联少模光纤单元中第一单模光纤-少模光纤-第二单模光纤以及刻有光栅的少模光纤中的光模式耦合效应来实现，外界物理量施加于级联少模光纤单元中的单模、少模光纤上，改了光纤内光场传输特性，经有源光纤谐振腔放大并传递到激光器输出端，影响激光器的输出特性，产生随物理场变化的传感信号。
本发明的级联少模单元的第一级由两段单模光纤和一段少模光纤通过错位熔接构造单模光纤-少模光纤-单模光纤单元；第二级通过周期性折射率调制方法制作少模光栅。
如图2所示为单模光纤-少模光纤-单模光纤单元结构示意图。其中“第一单模光纤-少模光纤”输入端和“少模光纤-第二单模光纤“输出端的错位量通过设定单模光纤-少模光纤的端面侧向偏移来控制。
如图3所示输入端和输出端的错位量分别为6 µm和3.3 µm的单模光纤-少模光纤-单模光纤单元的透射谱随拉力变化的关系，其中F1<F2<F3，消光比随拉力的增大而减小。
如图4所示的当输入端和输出端错位为别为6 µm和3.3 µm时单模光纤-少模光纤-单模光纤结构单元的透射谱波长随温度发生蓝移。
如图5所示为阶跃四模光纤布拉格光栅的反射谱，由于光纤可同时传输四个模式，其反射谱出现多个峰。
如图6所示为阶跃四模光纤布拉格光栅的反射谱随输入光纤弯曲半径变化的关系，其中R1<R2<R3<R4<R5<R6，反射谱峰值的数目随弯曲半径的减小而减少。
如图7所示为腔内置入单模光纤-少模光纤-单模光纤单元，光纤激光器输出光谱随拉力变化的关系，其中F1<F2<F3，激光光谱中心波长随拉力的增大而发生蓝移。
如图8所示为腔内置入少模光纤布拉格光栅单元，光纤激光器的输出光谱，激光光谱3dB带宽约为0.02nm。
如图9所示为腔内单模光纤-少模光纤-单模光纤单元和少模光纤光栅的级联单元，光纤激光器输出光谱随施加在单模光纤-少模光纤-单模光纤单元上的拉力的变化关系，其中F1<F2<F3，且输出光谱强度随拉力的增大而减小。
如图10所示为腔内置入单模光纤-少模光纤-单模光纤单元和少模光纤光栅，光纤激光器输出光谱随施加在少模光纤布拉格光栅上的压力的变化关系，其中N1<N2<N3，且激光光谱的中心波长随压力的增大而红移。
以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
Claims (5)
1.一种基于级联少模光纤的多物理量有源光纤传感器，其特征在于，包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、隔离器、级联少模光纤单元、偏振控制器和耦合器，所述级联少模光纤单元包括第一单模光纤、少模光纤、第二单模光纤、光环形器和刻有光栅的少模光纤；其中，
泵浦源的输出端与波分复用器的短波长输入端相连，波分复用器的输出端依次通过增益光纤、隔离器与光环形器的第一端口相连，光环形器的第二端口与刻有光栅的少模光纤相连，光环形器的第三端口与第一单模光纤相连，第一单模光纤与少模光纤的一端错位熔接，少模光纤的另一端与第二单模光纤错位熔接，第二单模光纤与偏振控制器的输入端相连，偏振控制器的输出端与耦合器的输入端相连，耦合器的输出反馈端与波分复用器的长波长输入端相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于级联少模光纤的多物理量有源光纤传感器，其特征在于，所述少模光纤为最多能容纳两个或者四个模式稳定传输的光纤。
3.根据权利要求1所述的一种基于级联少模光纤的多物理量有源光纤传感器，其特征在于，刻有光栅的少模光纤的实现方式是通过紫外曝光或飞秒激光刻写的方法向少模光纤纤芯内引入周期性折射率调制形成。
4.根据权利要求1所述的一种基于级联少模光纤的多物理量有源光纤传感器，其特征在于，所述泵浦源为半导体激光泵浦源。
5.基于权利要求1所述的一种基于级联少模光纤的多物理量有源光纤传感器的传感方法，其特征在于，通过外加不同物理场可同时或者单独作用于级联少模光纤单元中的第一单模光纤、少模光纤和第二单模光纤上经偏振控制器后，传递到耦合器的输出端，通过激光特性参数的变化，体现传感物理信号的变化。
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