CN106291410A - 一种基于细芯光纤马赫‑曾德干涉仪的磁场测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于细芯光纤马赫‑曾德干涉仪的磁场测量方法，所述测量方法包括以下步骤：a)搭建细芯光纤马赫‑曾德干涉仪，细芯光纤马赫‑曾德干涉仪依次连接泵浦源、一支波分复用器以及细芯光纤马赫‑曾德结构；细芯光纤马赫‑曾德结构包括一段细芯光纤、第一掺杂稀土光纤和第二掺杂稀土光纤，细芯光纤熔接在第一掺杂稀土光纤和第二掺杂稀土光纤之间，第一掺杂稀土光纤和第二掺杂稀土光纤作为光纤激光器的增益介质；b)将所述细芯光纤马赫‑曾德结构与磁致伸缩材料固定；c)逐渐改变磁场强度，记录梳状谱移动的长度，绘制梳状谱移动长度与磁场强度的变化曲线；d)通过所述梳状谱移动长度与磁场强度的变化曲线对外加磁场进行测量。

Description

一种基于细芯光纤马赫-曾德干涉仪的磁场测量方法

专利的交叉引用

本申请要求2015年10月13日提交的，申请号CN201510670818.9的中国发明专利申请的优选权。

技术领域

本发明涉及光纤干涉仪领域，特别的涉及一种基于细芯光纤马赫-曾德干涉仪的磁场测量方法。

背景技术

通常，全光纤化的传感器具有结构紧凑、使用寿命长、对测试量敏感、传输信道多等优势广泛地应用于光纤传感、光纤通信、光学加工等领域。通过光纤端面微加工技术或搭建具有干涉结构的全光纤传感器，在泵浦源作用下，输出具有梳状谱图样的干涉谱曲线。现有技术中一种基于双芯光纤的马赫-曾德干涉仪，干涉条纹衬幅比约为10dBm，条纹间隔约为2nm。将两支3dB耦合器制成马赫-曾德干涉系统，结合双芯光纤，构成双级结构的马赫-曾德干涉仪，条纹衬幅比约为30dBm。

按照物理学定义，磁场是电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间里存在着的一种特殊形态的物质。磁场测量就是用实验手段感知这些物质的存在并确定其各参量值。它不仅在磁性测量中是必不可少的，在其他领域中也有广泛应用。由于被测磁场的性质和强度差别很大，测量方法也各式各样。随着科学技术的进步，特别是固体物理领域中的新效应、新现象的发现，使磁场测量方法，测量的灵敏度、准确度均有很大的进步。随着电子技术和计算机技术的发展，磁场测量在实现自动化、数字化方面也发生了很大的变化。通常使用的磁场测量方法可分为:利用产生磁场的电流与磁场的严格关系，通过测量电流来确定磁场(简称电流法)；利用法拉第电磁感应定律测量磁场(简称电磁感应法)；借助于一些物质的磁效应(如霍耳效应)测量磁场。常用的磁场测量仪器有电磁感应测场仪、霍耳效应测场仪、磁阻效应测场仪、磁共振测场仪和磁光效应测场仪。

细芯光纤马赫-曾德光纤传感器结构简单且易于实现，该结构由一段细芯光纤熔接在两段芯径相对较粗的掺杂稀土光纤光纤中，能够有效准确的获取梳状谱图样的干涉谱曲线，因此，需要借助一种基于细芯光纤马赫-曾德干涉仪对磁场强度进行精确、高效的测量。

发明内容

根据本发明提供了一种基于细芯光纤马赫-曾德干涉仪的磁场测量方法，所述测量方法包括以下步骤：

b)搭建所述细芯光纤马赫-曾德干涉仪，所述细芯光纤马赫-曾德干涉仪通过光栅光纤依次连接泵浦源、一支波分复用器以及细芯光纤马赫-曾德结构；所述细芯光纤马赫-曾德结构包括一段细芯光纤、第一掺杂稀土光纤和第二掺杂稀土光纤，所述细芯光纤熔接在第一掺杂稀土光纤和第二掺杂稀土光纤之间，所述第一掺杂稀土光纤和第二掺杂稀土光纤作为光纤激光器的增益介质；

b)将所述细芯光纤马赫-曾德结构与磁致伸缩材料固定；

c)逐渐改变磁场强度，记录梳状谱移动的长度，绘制梳状谱移动长度与磁场强度的变化曲线；

d)通过所述梳状谱移动长度与磁场强度的变化曲线对外加磁场进行测量。

优选地，所述的泵浦源通过一支激光二极管作为光纤激光器。

优选地，所述第一掺杂稀土光纤和第二掺杂稀土光纤为掺杂稀土元素的掺杂光纤，用于光纤激光器的增益。

优选地，所述的波分复用器用于将泵浦光耦合进入第一掺杂稀土光纤。

优选地，步骤b)中所述的固定的方法是将所述细芯光纤、第一掺杂稀土光纤和第二掺杂稀土光纤与磁致伸缩材料组合为一体，置于磁场变化的环境进行磁场标定，所述标定过程采用磁场的连续增强或连续减弱中的一种。

优选地，所述梳状谱移动长度与磁场强度的变化曲线通过线性拟合或者最小二乘法进行拟合。

优选地，所述第一掺杂稀土光纤和第二掺杂稀土元素光纤选自掺铒光纤、掺镱光纤或者铒镱共掺光纤的一种。

本发明所提供的一种基于细芯光纤马赫-曾德干涉仪的磁场测量方法测量准确高效，易于操作，能够适合在多种场合应用。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出了本发明细芯光纤马赫-曾德干涉仪的磁场测量结构示意图；

图2示出了本发明细芯光纤与光栅光纤的熔接示意图；

图3示出了本发明基于细芯光纤马赫-曾德干涉仪的磁场测量方法的流程图；

图4示出了本发明一个实施例中梳状谱随磁场强度变化的曲线。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

本实施例中详细说明一种基于细芯光纤马赫-曾德干涉仪的磁场测量方法，如图1所示本发明细芯光纤马赫-曾德干涉仪的磁场测量结构示意图，所述细芯光纤马赫-曾德干涉仪包括一支激光二极管作为光纤激光器的泵浦源101、一支波分复用器(WDM)102以及细芯光纤马赫-曾德结构，所述细芯光纤马赫-曾德结构包括一段细芯光纤104、第一稀土掺杂光纤103和第二稀土光纤105，所述细芯光纤104熔接在第一掺杂稀土光纤103和第二掺杂稀土光纤105之间。第一掺杂稀土光纤103和第二掺杂稀土光纤采用掺杂稀土元素的掺杂光纤作为光纤激光器的增益介质，第一掺杂稀土光纤103和第二掺杂稀土元素光纤105选自掺铒光纤、掺镱光纤或者铒镱共掺光纤的一种，波分复用器102用于将泵浦光耦合进入第一掺杂稀土光纤103。

细芯光纤马赫-曾德结构与磁致伸缩材料107固定组合为一体，置于磁场变化的环境106中，在一些实施例中可以是对磁场的连续增强，在另一些实施例中可以是对磁场的连续减弱。本实施例中通过磁场控制器108对磁场变化的环境106进行控制，使磁场连续增强。

本实施例细芯光纤104、第一掺杂稀土光纤103和第二掺杂稀土光纤105通过光栅光纤串接在一起，如图2所示本发明细芯光纤与光栅光纤的熔接示意图，与细芯光纤202相互熔接的光栅光纤分为第一光栅光纤201和第二光栅光纤203，细芯光纤202、第一光栅光纤201和第二光栅光纤203均由光纤涂层、光纤包层和光纤芯组成，本实施例附图2示例性的给出第二光栅光纤203的光纤涂层205、光纤包层206和光纤芯207。

应当说明的是，第一掺杂稀土光纤103、第二掺杂稀土光纤105以及第一光栅光纤201和第二光栅光纤203的纤芯直径尺寸应大于细芯光纤104(202)的纤芯直径尺寸。

下面针对本发明一个实施例中基于细芯光纤马赫-曾德干涉仪的磁场测量方法过程中的光路以及梳状谱长度的变化给出具体说明：

总光强I为

其中I₁、I₂和分别为细芯光纤中纤芯和包层的光强和相移差，且

其中，n₁和n₂分别为纤芯和包层的有效折射率，L₁和L₂分别为光束在纤芯和包层中传输的长度。由于干涉臂长度相等，且存在折射率差Δn，则有

由公式1和公式3可知，传输谱中的峰值发生在满足下式的波长处，其中m为整数

2πLΔn/λ＝2mπ (4)

经过简化，公式4表示为

m＝LΔn/λ (5)

对公式5中λ进行求导可得

Δm/Δλ＝-LΔn/λ² (6)

取Δm＝1，得到在波长λ处传输谱中相邻峰值的波长间隔为

|Δλ|＝λ²/LΔn (7)

由公式7可知，本发明细芯光纤马赫-曾德梳干涉仪的梳状谱中，相邻峰值的波长间隔与中心波长、细芯光纤长度和纤芯与包层的折射率差有关。当中心波长一定时，相邻峰值的波长间隔是细芯光纤长度和纤芯与包层间折射率差的函数。

应用该梳状谱进行传感测试，当干涉仪受到磁场影响导致磁伸缩材料变形，从而引起两臂光程差发生改变时，干涉梳状谱发生变化，干涉条纹产生移动。

为了更加清楚的说明本发明基于细芯光纤马赫-曾德干涉仪的磁场测量方法，本实施例结合具体磁场测量方法的流程进行说明，如图3所示本发明基于细芯光纤马赫-曾德干涉仪的磁场测量方法的流程图；基于细芯光纤马赫-曾德干涉仪的磁场测量方法包括如下步骤：

步骤301、搭建细芯光纤马赫-曾德干涉仪，熔接马赫-曾德结构；

步骤302、将细芯马赫-曾德结构与磁致伸缩材料固定；

步骤303、通过磁场控制器对磁场进行控制，逐渐改变磁场强度，记录梳状谱移动的长度，绘制梳状谱移动长度与磁场强度的变化曲线；其中梳状谱移动长度与磁场强度的变化曲线通过线性拟合或者最小二乘法进行拟合，本实施例中曲线的拟合过程采用最小二乘拟合，由等式

$\frac{\∂S}{\∂a_0}=\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}(y_i-a_0-a_1{x}_i)=0---\left(8\right)$

$\frac{\∂S}{\∂a_1}=\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}(y_i-a_0-a_1{x}_i)x_i=0---\left(9\right)$

联合式(8)和式(9)求解求出a₀和a₁，构造出满足平方逼近条件的逼近函数。

f(x)＝a₀+a₁x (10)

步骤304、通过梳状谱移动长度与磁场强度的变化曲线对外加磁场进行测量，如图4所示本发明一个实施例中梳状谱随磁场强度变化的曲线。

根据本发明需要对相关光纤进行参数匹配，具体参数包括但不限于泵浦波长、波分复用器、激光器出射波长以及光纤参数的匹配。本实施例中参数如表1所示：

表1根据本发明的种基于细芯光纤马赫-曾德干涉仪的光纤参数

根据本发明，掺杂稀土光纤的芯径由所采用的有源光纤决定，包层芯径优选为125μm，光纤纤芯的芯径可以选用4μm、8μm或10μm，优选为10/125μm。根据所选定的芯径选取匹配的FLM、WDM、LD尾纤芯径。掺铒光纤所匹配的泵浦波长可采用980nm或1480nm，掺镱光纤的泵浦波长可采用976nm或915nm，铒镱共掺光纤的泵浦波长可采用976nm，根据波长和芯径参数进一步确定FLM、WDM的参数。最终出射的激光波长在有源光纤一定增益范围内(如1530-1560nm)由布拉格光纤光栅的反射波长确定。掺镱光纤的典型出射波长为1535nm，掺铒光纤的典型出射波长为1064nm，铒镱共掺光纤的典型出射波长为1550nm。

例如，在本实施例中，若选用芯径为10/125μm掺铒光纤作为增益介质，LD尾纤、WDM和FLM需选取同样型号芯径。LD输出波长976nm，WDM工作波长976/1550nm，FLM工作波长1550nm，FBG选取范围为1530nm-1560nm，可在该范围内获得激光输出。实验中若选用芯径为10/125μm掺镱光纤作为增益介质，LD尾纤、WDM和FLM需选取同样型号芯径。LD为915nm单模输出，WDM工作波长915/1064nm，FLM工作波长1064nm，FBG选取1064nm附近，可在该范围内获得激光输出。

根据本发明的一种基于细芯光纤马赫-曾德干涉仪的磁场测量方法测量准确高效，易于操作，能够适合在多种场合应用。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (7)

1.一种基于细芯光纤马赫-曾德干涉仪的磁场测量方法，其特征在于所述测量方法包括以下步骤：

a)搭建所述细芯光纤马赫-曾德干涉仪，所述细芯光纤马赫-曾德干涉仪通过光栅光纤依次连接泵浦源、一支波分复用器以及细芯光纤马赫-曾德结构；所述细芯光纤马赫-曾德结构包括一段细芯光纤、第一掺杂稀土光纤和第二掺杂稀土光纤，所述细芯光纤熔接在第一掺杂稀土光纤和第二掺杂稀土光纤之间，所述第一掺杂稀土光纤和第二掺杂稀土光纤作为光纤激光器的增益介质；

b)将所述细芯光纤马赫-曾德结构与磁致伸缩材料固定；

c)逐渐改变磁场强度，记录梳状谱移动的长度，绘制梳状谱移动长度与磁场强度的变化曲线；

d)通过所述梳状谱移动长度与磁场强度的变化曲线对外加磁场进行测量。

2.根据权利要求1所述的磁场测量方法，其特征在于，所述的泵浦源通过一支激光二极管作为光纤激光器。

3.根据权利要求1所述的磁场测量方法，其特征在于，所述第一掺杂稀土光纤和第二掺杂稀土光纤为掺杂稀土元素的掺杂光纤，用于光纤激光器的增益。

4.根据权利要求1所述的磁场测量方法，其特征在于，所述的波分复用器用于将泵浦光耦合进入第一掺杂稀土光纤。

5.根据权利要求1所述的磁场测量方法，其特征在于，步骤b)中所述的固定的方法是将所述细芯光纤、第一掺杂稀土光纤和第二掺杂稀土光纤与磁致伸缩材料组合为一体，置于磁场变化的环境进行磁场标定，所述标定过程采用磁场的连续增强或连续减弱中的一种。

6.根据权利要求1所述的磁场测量方法，其特征在于，所述梳状谱移动长度与磁场强度的变化曲线通过线性拟合或者最小二乘法进行拟合。

7.根据权利要求3所述的磁场测量方法，其特征在于，所述第一掺杂稀土光纤和第二掺杂稀土元素光纤选自掺铒光纤、掺镱光纤或者铒镱共掺光纤的一种。