CN106526231B - 基于相移光栅光纤激光器的加速度测定探测头及装置 - Google Patents

基于相移光栅光纤激光器的加速度测定探测头及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于相移光栅光纤激光器的加速度测定探测头及装置。该探测头由两个带有真实相移或等效相移的光纤光栅通过增益光纤串联而成，两个光纤光栅在加载预应变的情况下，被固定在一个热膨胀系数为零或可忽略不计的支架上；第一个光纤光栅所在平面和光纤走向，与第二个光纤光栅所在平面相垂直。该装置包括泵浦半导体激光器、泵浦光隔离器、可调光衰减器、光探测器、频谱仪以及所述探测头。本发明可消除因温度变化而导致光栅周期波动对测量结果的影响；增大了测量结果的灵敏度；降低了光纤光栅的加工难度和制造成本；若使一个光纤光栅的激射频率始终小于另一个，则得到的两个激光拍频信号的频率大小能同时反映测定的加速度大小和方向。

Description

基于相移光栅光纤激光器的加速度测定探测头及装置
技术领域
本发明属于光电子技术领域，涉及光纤通信、光电传感及光电信息处理。本发明是一种基于相移光栅双波长光纤激光器的加速度测定装置，其中一个激射波长固定不变，另一个激射波长可根据加速度大小和方向发生变化，因而两个波长激光的拍频能反映加速度大小和方向。
背景技术
用双波长光纤激光器制成的传感器，在光电传感、微波信号产生和光电信息处理等方面有着十分重要的应用。用光纤光栅激光器制成的传感器，由于其结构简单紧凑，测量精度高，能与现有光纤网络互联成网，因而在现代生产技术中受到了广泛的关注。
光纤光栅激光器中，如果要形成稳定而功率均衡的双波长激光输出，一种可行的做法是用两个长度相同，中间位置各有一相移，且透射谱中心波长都处在增益光纤增益中心区域的光纤光栅，用增益光纤串联成一个光纤光栅激光器光路。在实际的光纤光栅激光器中，通常用掺铒光纤或掺镱铒光纤作为增益光纤。
由于光纤光栅的光栅周期一般是亚微米量级，因此要制作真实相移光栅，通常需要用到高精度的电子束刻写设备。这就带来了真实相移光栅制作成本高，刻写效率低下的问题。为此，南京大学陈向飞课题组提出重构－等效啁啾技术，用取样光栅来代替普通光栅，用等效相移来代替真实相移，以获得与真实相移光栅相同透射(反射)特性的等效相移光栅。
在光纤光栅激光器中，由于其光纤光栅的长度和折射率，都会随温度的改变而改变，因而其激射波长会随着温度的增加而红移。为消除因环境温度的变化而导致光纤光栅激光器激射波长漂移问题，通常要用温度调节装置来保持环境温度不变，或采取特殊设计对温度变化进行脱敏处理。
在振动监测、石油勘探、航天航空、军事装备等领域，精确测定加速度大小和方向往往十分重要。目前有很多的基于光纤激光器的加速度测定装置设计，但它们有的结构比较复杂，有的没有温度脱敏装置或采取的温度脱敏装置对温度的脱敏效果不够理想。例如，文献“Rui Ma,et.al,Two-axis slim fiber laser vector hydrophone,IEEE PhotonicsTechnology Letters,23(6):335-337,2011”中提出的设计方案结构比较复杂，且没有温度脱敏装置，不能消除温度漂移对测量结果的影响。文献“唐才杰等，一种差动式双光栅结构的光纤加速度计，中国发明专利，ZL：201310712441.X”中的设计，虽然在很大程度上减轻了温度变化对测量结果的影响，但其固定光纤光栅的装置，还是会因温度变化而长度发生变化，这将导致光栅长度改变，给测量结果带来误差。特别是当两个光栅的光栅周期相差较大时，这个影响带来的误差更大。
发明内容
针对现有技术中相移光纤光栅双波长激光加速度测定装置存在的上述不足，本发明提出了一种基于相移光栅双波长光纤激光器的加速度测定装置。本发明为了能够减轻相移光栅中相移制造的难度和成本，采用等效相移取样光栅来代替真实相移光栅；同时采用对两个相移光纤光栅预施加了拉伸应力，并固定于热膨胀系数为零(或可忽略不计)材料制成的底座上的方法，来消除温度改变对测量结果的影响。
本发明的技术方案是：
本发明提供一种基于相移光栅光纤激光器的加速度测定探测头，所述加速度测定探测头是一个由两个带有真实相移或等效相移的光纤光栅通过增益光纤串联而成的双波长光纤激光器，两个光纤光栅在加载预应变的情况下，被固定在一个热膨胀系数为零或可忽略不计的支架上；第一个光纤光栅所在平面和光纤走向，与第二个光纤光栅所在平面相垂直。
作为本发明的进一步改进，两个光纤光栅表面涂敷有50～100微米的增强拉伸能力的涂敷层。
作为本发明的进一步改进，所述支架包括底盘部分和与垂直于底盘设置的悬挂梁部分，所述悬挂梁部分采用悬挂梁式结构，能放大因加速度而使第一个光纤光栅产生的额外应变，与此同时，另一个光纤光栅则不因加速度而产生额外应变。
作为本发明的进一步改进，所述两个光纤光栅带有真实相移。
作为本发明的进一步改进，所述两个光纤光栅带有等效相移。
作为本发明的进一步改进，两个相移光纤光栅设计有相近的激射波长。
本发明还提供一种基于相移光栅光纤激光器的加速度测定装置，包括泵浦半导体激光器、泵浦光隔离器、可调光衰减器、光探测器、频谱仪、所述的基于相移光栅双波长光纤激光器的加速度测定探测头；所述加速度测定探测头的光路的两个外侧，分别与泵浦光隔离器相连接，用泵浦半导体激光器作泵浦光源，使泵浦激光从一个泵浦光隔离器注入，则能从另一个泵浦光光隔离器得到双波长激光输出，输出激光通过可调光衰减器衰减后，进入光探测器，在光探测器后连接测量范围能覆盖两个波长激光拍频信号最高频率的频谱仪。
本发明还提供一种基于相移光栅光纤激光器的加速度测定装置，由三组上述的加速度测定装置相互垂直安装在一起组成。
本发明的有益效果是：
(1)由于采用了热膨胀系数为零(或可忽略不计)的材料制成光纤光栅固定支架，且在安装固定光纤光栅时采取了预载一定量应变的措施，这种方法可消除因温度变化而导致光栅周期波动对测量结果的影响。
(2)固定第一个光纤光栅(光纤光栅1)所用支架，由于采用了悬挂梁式结构，能放大因加速度而使光纤光栅1产生的额外应变，与此同时第二个光纤光栅(光纤光栅2)则不因加速度而产生额外应变。这种结构增大了测量结果的灵敏度。
(3)由于可采用等效相移光栅来替代真实相移光栅，光纤光栅的加工难度和制造成本有很大降低。
(4)由于可用结构相近的两个光纤光栅来制成双波长光纤激光器探测头，如果使一个光纤光栅产生激光的激射频率始终小于另一个光纤光栅产生激光的激射频率，则由光电探测器得到的两个激光拍频信号的频率大小，能同时反映测定的加速度大小和方向。
附图说明
图1是本发明基于相移光栅光纤激光器的加速度测定装置的结构示意图；
图2是本发明基于相移光栅光纤激光器的加速度测定探测头的结构正视图及光路示意图；
图3是沿图2探测头支架剖切线的右视图；
图4是真实π相移光栅结构示意图；
图5是等效π相移取样光栅结构示意图；
图中：1、第一个光纤光栅；2、第二个光纤光栅；3、增益光纤；4、悬挂梁部分；5、底盘部分。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步详细说明。
本发明所述的基于相移光栅光纤激光器的加速度测定装置，是在加速度环境下，相移光栅双波长光纤激光器激射的一个激光的频率(波长)将随加速度的大小而发生改变，另一个激光的频率(波长)则保持不变，因而这两个激光在光电探测器上产生的拍频信号的频率，能反映加速度的大小和方向。
1、对环境温度变化导致测量结果误差的脱敏处理
如附图1和附图2所示，首先选择铟钢或其他热膨胀系数为零(或可忽略不计)的材料，制成固定两个相移光栅(第一个光纤光栅1和第二个光纤光栅2)的底座(上有两个固定相移光栅的支架，包括悬挂梁部分4和底盘部分5)。其次，对两个相移光栅施加一定的预拉伸应力，在两个相移光栅保留一定的拉伸应变的情况下，用高强度固定粘接胶把第一个光纤光栅1和第二个光纤光栅2两端，分别固定到附图1和附图2所示的椭圆环形支架凹形槽(悬挂梁部分4)和圆轮形支架凹形轮缘槽(底盘部分5)内。沿图2探测头支架剖切线的右视图如图3所示。在外界温度发生变化时，由于固定两个相移光栅的支架的热膨胀系数为零(或可忽略不计)，因此两个相移光栅的热胀冷缩对两个激射波长的影响能被忽略。
2、固定第一个光纤光栅1所用的悬挂梁式结构支架，对测量结果的增敏作用
如附图2所示，在第一个光纤光栅1的安装固定方向有加速度时，由于其支架是配重加弹簧片的悬挂梁式结构，大大增大了第一个光纤光栅1因加速度而产生的额外应变，因此第一个光纤光栅1产生激光的频率变化有很大的增加。与此同时，第二个光纤光栅2的长度保持不变，因而第二个光纤光栅2产生激光的频率不因加速度的存在而发生变化。结果，固定第一个光纤光栅1所用悬挂梁式结构支架，增大了因加速度的存在而导致的两个激光的频率差，也就是增大了它们的拍频信号频率，增大了测量结果的灵敏度。
3、加速度大小和方向的测量原理
当有加速度存在时，第一个光纤光栅1的长度和它产生激光的频率就会发生改变，但第二个光纤光栅2的长度和它产生激光的频率保持不变，因两个相移光栅而产生的两个频率激光通过光电探测器产生的拍频信号，其频率大小就反映了待测量加速度的大小和方向。
例如，设第一个光纤光栅1产生的激光频率始终低于第二个光纤光栅2产生的激光频率，加速度为零时两个激光的拍频信号频率为f0，当有加速度存在时，两个激光的拍频信号频率为f，则f与f0差的绝对值反映了的测量的加速度的大小，f与f0差的正负号，在附图2中则分别表示为向上和向下的加速度方向。
4、采用等效相移光栅代替真实相移光栅，降低加工精度要求和加工成本的原理
附图4为真实π相移光栅示意图。以工作波长在1550nm范围的光纤光栅激光器为例，显然要得到这样的光栅，其加工精度至少要达到0.2微米以上。附图5为等效π相移光栅示意图，它的光栅为取样光栅，其种子光栅是由两束紫外光束相干涉得到的均匀光栅，而取样周期P则可达数个或数十个微米。所以，制作相同激射波长的光纤光栅激光器，加工等效π相移光栅取样图案的精度要比加工真实π相移光栅的精度低一到两个数量级。因此前者制造的难度和成本，比后者有很大的降低。
下面以基于工作波长为1550nm范围的相移光栅双波长光纤激光器的加速度测定装置的制作过程，来说明本发明所述的加速度测定装置的具体制作方法。
首先，用热膨胀系数为零(或可忽略不计)材料(如铟钢)制作一个探测头底座，底座形状如附图1和附图2中所示。在这个底座上，固定第一个光纤光栅1的支架为悬挂梁式结构，能放大因加速度而使第一个光纤光栅1产生的应变。固定第二个光纤光栅2的支架则能使第二个光纤光栅2不因加速度而产生形变。探测头底座的两个光栅支架设计，可以是第一个光纤光栅1所在平面和两束平行光纤走向，与第一个光纤光栅2所在平面相垂直。两个光栅支架的几何尺寸，可以根据需要优化设计，并使得最后得到足够小且满足测量要求的探测头。
接着，通过载氢光刻的方法，在一根增益光纤(如掺铒光纤或掺镱铒光纤)上，刻录两个相移光栅。相移光栅的长度和相移刻录的位置、两个相移光栅各自的透射波长中心、连接两个相移光栅所用增益光纤的长度，可以事先进行优化设计。然后把两个相移光栅加载一定的拉伸应变，再用粘接胶把两个相移光栅的两端，固定到的各自的光栅支架上。
接下来，在这个相移光栅双波长光纤激光器光路的两个外侧，分别接上一个能隔离泵浦光的光隔离器，使得进入两个隔离器中间光路的泵浦激光，只能在两个光隔离器之间的光路上传输。用一个980纳米或1480纳米波长的半导体激光器作泵浦光源，使泵浦激光从一个隔离器注入，则能从另一个光隔离器得到双波长激光输出，输出激光通过一个可调光衰减器衰减后，进入一个光探测器，在光探测器后接一个测量范围能覆盖两个波长激光拍频信号最高频率的频谱仪，就能测定最后得到的拍频信号的频率。
在本发明所述加速度测定装置工作时，一般我们首先需要把探测头底座用胶接等方式固定到待测平台上，并使探测头上第一个光纤光栅1的两束平行光纤固定方向(走向)，与待测加速度方向平行。
可以把三个前述加速度装置的探测头，两两垂直固定在一起，来测量任意大小和方向的加速度。三个探测头可以分别测出与各自第一个光纤光栅1两束平行光纤固定方向(走向)相平行的加速度分量的大小和方向。
综上所述，本发明基于相移光栅光纤激光器的加速度测定探测头由两个带有真实相移或等效相移的光纤光栅通过增益光纤串联而成；两个带有相移的光纤光栅在预先施加了一定量预应变的情况下，各自两端被固定在热膨胀系数为零(或可忽略不计)的材料(例如铟钢)制成的同一底座的两个支架上。固定第一个光纤光栅所用支架，其悬挂梁式结构，能放大因加速度而使光纤光栅产生的额外应变，另一光纤光栅则不因加速度而产生额外应变。第一个相移光纤光栅所在平面和两束平行光纤走向，与第二个相移光纤光栅所在平面相垂直，第一个相移光纤光栅会因加速度的存在而发生额外的应变，通过测定这个激光器激射两个激光的拍频信号频率，就能测定与这个额外应变相平行方向的加速度分量大小和方向。加速度测定装置包加速度测定探测头、频谱仪、光电探测器、可调光衰减器、两个光隔离器和泵浦光源。三个这种加速度测定装置两两垂直安装在一起得到的加速度测定装置，能测定任意大小和方向的加速度。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.基于相移光栅光纤激光器的加速度测定探测头，其特征在于：所述加速度测定探测头是一个由两个带有真实相移的光纤光栅或两个带有等效相移的光纤光栅通过增益光纤串联而成的双波长光纤激光器，两个光纤光栅在加载预应变的情况下，被固定在一个热膨胀系数为零或可忽略不计的支架上；第一个光纤光栅所在平面和光纤走向，与第二个光纤光栅所在平面相垂直；所述支架包括底盘部分和垂直于底盘设置的悬挂梁部分，所述悬挂梁部分采用悬挂梁式结构，能放大因加速度而使第一个光纤光栅产生的额外应变，与此同时，另一个光纤光栅则不因加速度而产生额外应变。
2.根据权利要求1所述的基于相移光栅光纤激光器的加速度测定探测头，其特征在于：两个光纤光栅表面涂敷有50～100微米厚的增强抗拉伸能力的涂敷层。
3.根据权利要求1所述的基于相移光栅光纤激光器的加速度测定探测头，其特征在于：当所述两个光纤光栅带有等效相移时，两个相移光纤光栅设计有相近的激射波长。
4.根据权利要求1所述的基于相移光栅光纤激光器的加速度测定探测头，其特征在于：当所述两个光纤光栅带有真实相移时，两个相移光纤光栅设计有相近的激射波长。
5.基于相移光栅光纤激光器的加速度测定装置，其特征在于：包括泵浦半导体激光器、泵浦光隔离器、可调光衰减器、光探测器、频谱仪、权利要求1至4中任意一项所述的基于相移光栅光纤激光器的加速度测定探测头；所述加速度测定探测头的光路的两个外侧，分别与泵浦光隔离器相连接，用泵浦半导体激光器作泵浦光源，使泵浦激光从一个泵浦光隔离器注入，则能从另一个泵浦光光隔离器得到双波长激光输出，输出激光通过可调光衰减器衰减后，进入光探测器，在光探测器后连接测量范围能覆盖两个波长激光拍频信号最高频率的频谱仪。
6.基于相移光栅光纤激光器的加速度测定装置，其特征在于：由三组如权利要求5所述的加速度测定装置相互垂直安装在一起组成。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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