CN107192449B - 基于法布里珀罗腔干涉测量脉冲激光能量传感器及脉冲光能量测量方法 - Google Patents
基于法布里珀罗腔干涉测量脉冲激光能量传感器及脉冲光能量测量方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供的是一种基于法布里珀罗腔干涉测量脉冲激光能量传感器及脉冲光能量测量方法。首先，可调谐激光光源发出波长线性变化的信号光通过单模光纤接入到干涉腔中，从单模光纤发出的光被镀有银的铝制薄片反射并与入射信号光发生干涉，干涉光信号通过单模光纤导入到光谱仪中进行信号检测；其次，被检测的脉冲激光通过光纤准值镜耦合到单模光纤中，脉冲激光从光纤尖端射出时会产生力学效应，铝片在脉冲冲击力作用下发生形变而压缩干涉腔的长度；最后通过光谱仪得到的干涉吸收峰与初始条件下的峰值位置进行对比分析，确定被检测脉冲激光的能量。本测量装置具有制备工艺简单、结构尺寸小、稳定性好、测量精度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种传感器，具体地说是一种测量脉冲激光能量的传感器。
背景技术
在光纤传感等领域，法布里珀罗(FP)腔干涉具有非常重要和广泛的应用。如微型腔的色度仪、光纤微腔的应变、温度和湿度传感等。作为法布里珀罗干涉腔干涉的传感元件的基本原理是：利用薄片对脉冲激光的应变响应敏感的特点，当被检测脉冲光冲击薄片时，薄片的形变改变了FP腔的腔长度，导致相干波长发生变化，从而改变信号光共振吸收的波长的位置。通过一定的技术手段检测出吸收波长的位置就能够确定被检测光的脉冲能量。由于脉冲激光能量的精确测量在定量探究脉冲光的能量与实验现象的规律客观规律中有着很重要的地位。除此之外，光纤传感的微纳结构大大减少了制作上所带来的资金消耗和能量源消耗，并且结构设计简单，可以大量生产，所以研究高精度的基于法布里珀罗腔干涉的脉冲激光能量的测量传感器具有非常重要的意义
近些年来，为了提高脉冲激光能量测量准确度和降低测量成本，众多研究中心对激光能量的测量技术和方法进行了大量的研究。如美国NIST和英国NPL计量技术机构研制出了低温辐射计。在国内，2007年，西安交通大学的刘国荣等人提出了一种绝对式高能量激光能量计光电校准方法，实现了能量计光电校准。2008年，中国工程物理研究院魏继峰等人对连续光功率计测量高重频窄脉冲激光能量进行了可行性研究等，但是这些测量结构为了得到高精度的结果，吸收装置以及测温元件大都采用了钯、铑等稀有金属，实验成本比较高，并且结构较为发杂。同时由于结构的局限性，在实验测量过程中，激光能量的热损失不易计算，因此增大了实验误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、成本低和测量精度高的基于法布里珀罗腔干涉测量脉冲激光能量传感器。本发明的目的还在于提供一种利用基于法布里珀罗腔干涉测量脉冲激光能量传感器的脉冲光能量测量方法。
本发明的基于法布里珀罗腔干涉测量脉冲激光能量传感器包括检测信号模块1、传感模块2和被检测脉冲激光采集模块3，所述检测信号模块1由可调谐激光光源10、光谱仪11和一乘二光纤耦合器12构成；所述检测脉冲光能量传感模块2由石英玻璃管20，第一单模光纤22，第二单模光纤25，镀银的铝制薄片24以及干涉腔23构成；被检测脉冲激光的采集模块3主要由光纤准值镜30构成；第一单模光纤22、第二单模光纤25和镀银履职薄膜24固定在石英玻璃管20内部并且均同轴；在第一单模光纤22与镀银铝制薄膜24之间留有干涉腔23；宽谱光源10的输出端链接一乘二光纤耦合器12，一乘二光纤耦合器12的另外两个端口分别连接着光谱仪11和第一单模光纤22；光纤准值镜30链接第二单模光纤25。
本发明的基于法布里珀罗腔干涉测量脉冲激光能量传感器还可以包括：
1、从宽谱光源10输出的光不会直接导入到光谱仪11中；导入到第一单模光纤22的光与被镀银铝制薄片24反射的光在干涉腔23中发生干涉，干涉信号通过第一单模光纤22导入到光谱仪11中进行信号采集及记录；光纤准值镜30链接第二单模光纤25，通过光纤准值镜30耦合到第二单模光纤25中的脉冲光在光纤尖端产生的冲击力使镀银铝制薄片24发生形变，改变干涉腔23的腔长。
2、第一单模光纤22、第二单模光纤25和镀银履职薄膜24通过胶21固定在石英玻璃管20内部，所述胶21为紫外固化胶。
利用本发明的基于法布里珀罗腔干涉测量脉冲激光能量传感器的脉冲光能量测量方法为：首先开启检测信号模块1中的可调谐激光光源10，向脉冲激光能量传感模块注入宽普光，在被测脉冲激光采集模块3为采集脉冲激光时，使用光谱仪11采集静止时的干涉光谱图像，得到初始情况下的干涉谱线，随后使用光纤准值镜采集不同能量E的脉冲激光，在脉冲激光的作用下，镀银铝制薄片24的厚度会发生改变Δd，干涉谱线的吸收峰位置相应发生移动ΔL，在已知脉冲激光能量E的情况下得到能量E与峰值位置平移距离的ΔL的关系库，如果采集未知能量的脉冲激光，根据吸收峰平移的距离ΔL对应得到其相应的脉冲光能量E。
本发明的基于法布里珀罗(FP)腔干涉测量脉冲激光能量的传感器的工作原理为：
可调谐激光光源10的输出端链接一乘二光纤耦合器12，一乘二光纤耦合器12的另外两个端口分别连接着光谱仪11和传感部分的单模光纤22，并且从可调谐激光光源10输出的光不会直接导入到光谱仪11中。导入到单模光纤22的光与被镀银铝制薄片24反射的光在干涉腔23中发生干涉，该干涉信号通过单模光纤22导入到光谱仪11中进行信号采集及记录；光纤准值镜30链接着单模光纤25，通过光纤准值镜30耦合到单模光纤25中的脉冲光在光线尖端产生的冲击力使镀银铝制薄片24发生形变，改变干涉腔23的腔长，使光谱仪11得到的谱线发生变化。
设置好可调谐激光光源的输出参数，可调谐激光光源的10的参数设定如下：起始波长1520nm，扫波长速率为100nm/s，终止波长为1570nm。镀银铝制薄片24的厚度d约为20μm。通过光纤准值镜耦合到单模光纤25的脉冲激光在端点处产生的冲击力使薄片发生形变，干涉腔23长度改变量为Δd，在干涉谱线中呈现干涉谱线的吸收峰值相对于没有脉冲光时的峰值位置发生偏移ΔL。脉冲激光的能量E与偏移量ΔL是一一对应的，因此根据干涉图像中的吸收峰的偏移量确定所测脉冲激光的能量。
本发明的优势在于：1.主要构成器件如石英玻璃管、单模光纤，镀银的铝片、紫外固化胶、一乘二光纤耦合器等都为普通光学器件，所以主装置的成本低；2.通过引入法布里珀罗干涉的方法，提高了检测的灵敏度并简化了传感结构，能够使探测器微型化，解决了大量生产并提高了灵敏度。
附图说明
图1为一种基于法布里珀罗(FP)腔干涉测量脉冲激光能量的传感器的结构图；
图2为FP腔测量激光能量的传感结构图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作进一步描述。
结合图1，本发明的基于法布里珀罗腔干涉测量脉冲激光能量的传感器包括检测信号模块1、传感模块2和被检测脉冲激光采集模块3。
(1)检测信号模块1由可调谐激光光源10、光谱仪11和一乘二光纤耦合器构成；
(2)检测脉冲光能量传感模块2由石英玻璃管20，固定单模光纤作用的胶21，两段单模光纤22、25，镀银的铝制薄片24以及干涉腔23构成。
(3)被检测脉冲激光的采集模块3主要由光纤准值镜30构成。
(4)宽谱光源10的输出端链接一乘二光纤耦合器12，一乘二光纤耦合器12的另外两个端口分别连接着光谱仪11和传感部分的单模光纤22，并且从宽谱光源10输出的光不会直接导入到光谱仪11中。导入到单模光纤22的光与被镀银铝制薄片24反射的光在干涉腔23中发生干涉，该干涉信号通过单模光纤22导入到光谱仪11中进行信号采集及记录；光纤准值镜30链接着单模光纤25，通过光纤准值镜30耦合到单模光纤25中的脉冲光在光线尖端产生的冲击力使镀银铝制薄片24发生形变，改变干涉腔23的腔长。两段单模光纤22、25和镀银履职薄膜24用固定单模光纤的胶21固定在石英玻璃管20内部并且均同轴；在单模光纤22与镀银铝制薄膜24之间留有30μm左右的干涉腔23。
(5)首先开启检测信号模块1中的可调谐激光光源，向脉冲激光能量传感模块注入宽普光，在被测脉冲激光采集模块3为采集脉冲激光时，使用光谱仪11采集静止时的干涉光谱图像，能够得到初始情况下的干涉谱线。随后使用光纤准值镜采集不同能量E的脉冲激光，在脉冲光的作用下，镀银铝制薄片24的厚度会发生改变Δd，则干涉谱线的吸收峰位置会相应发生移动ΔL。在已知脉冲激光能量E的情况下可以得到，能量E与峰值位置平移距离的ΔL的关系库。如果采集未知能量的脉冲激光，可以根据吸收峰平移的距离ΔL对应得到其相应的脉冲光能量E。
所述的可调谐激光光源10在一定波长范围内可以输出强度均匀的光。光谱仪11可以扫描检测可调谐激光光源发出的一定波长范围的光信号并记录。一乘二光纤耦合器12不会将可调谐激光光源10的光直接导入到光谱仪11中，只有从薄膜24反射的信号光会被一乘二光纤耦合器12导入到光谱仪11。
所述的固定单模光纤22和25的胶21为紫外固化胶，并且单模光纤22、25，石英玻璃管20，镀银铝制薄片24均同轴。
所述的光纤准值镜可以将采集到的脉冲激光全部耦合到单模光纤中去。
在实际应用中，设置好可调谐激光光源10的参数。可调谐激光光源的10的参数设定如下：起始波长1520nm，扫波长速率为100nm/s，终止波长为1570nm。光源信号通过一乘二光纤耦合器将光信号导入到单模光纤22中并从其尖端发出。如图2所示，光信号7在碰到镀银4的铝制薄片5后被反射回来的信号光8与被单模光纤端面反射的光信号9发生干涉。干涉信号通过图1中的一乘二光纤耦合器导入到光谱仪11中，对光信号进行采集分析并记录数据。在图1中，脉冲激光通过光纤准值镜30耦合到单模光纤25中，脉冲光产生的冲击力使镀银铝制薄片产生形变而压缩了干涉腔的长度。干涉腔长度改变量为Δd，对应在谱线上干涉峰的位置也会随之产生位移量ΔL。干涉腔长度的改变量Δd是与脉冲激光的能量E呈对应关系，因此脉冲激光的能量E与干涉峰的偏移量呈对应关系。
传感器元件的装配：参见图2，两段单模光纤22、25以及在铝薄片上镀一层银膜4的薄片在石英玻璃管20内通过紫外固化胶21进行固定封装。在制作过程中要保证其均同轴。
在安装完传感器结构之后，首先需要得到该传感器所得到的吸收峰偏移量ΔL与脉冲激光能量E对应关系的数据库。参见图1，其具体操作如下：
(1)光纤准值镜30不接收任何脉冲激光的情况下，开启可调谐激光光源10并用光谱仪11接收并记录初试情况下的干涉吸收峰位置情况。
(2)在光纤准值镜10端接收已知能量E1的脉冲激光，开启可调谐激光光源10并用光谱仪11接收并记录该条件下的干涉吸收峰位置，并得到相对于初试条件下干涉吸收峰的偏移量ΔL 1；
(3)改用脉冲激光的能量En，重复步骤(2)，得到对应的偏移量ΔLn。最终得到干涉吸收峰偏移量ΔL与脉冲激光能量E对应关系的数据库。
(4)在测量未知能量的脉冲激光时，通过光纤准值镜30耦合到单模光纤25中，并进行光谱采集。根据得到的干涉吸收峰与初试峰值位置的偏移量ΔL，通过数据库得到所测量的脉冲激光的能量E。
Claims (2)
1.一种基于法布里珀罗腔干涉测量脉冲激光能量传感器，其特征是：包括检测信号模块(1)、传感模块(2)和被检测脉冲激光采集模块(3)，所述检测信号模块(1)由可调谐激光光源(10)、光谱仪(11)和一乘二光纤耦合器(12)构成；所述检测脉冲光能量传感模块(2)由石英玻璃管(20)，第一单模光纤(22)，第二单模光纤(25)，镀银的铝制薄片(24)以及干涉腔(23)构成；被检测脉冲激光的采集模块(3)主要由光纤准直镜(30)构成；第一单模光纤(22)、第二单模光纤(25)和镀银的铝制薄片(24)固定在石英玻璃管(20)内部并且均同轴；在第一单模光纤(22)与镀银的铝制薄片(24)之间留有干涉腔(23)；可调谐激光光源(10)的输出端连接一乘二光纤耦合器(12)，一乘二光纤耦合器(12)的另外两个端口分别连接着光谱仪(11)和第一单模光纤(22)；光纤准直镜(30)连接第二单模光纤(25)；
从可调谐激光光源(10)输出的光不会直接导入到光谱仪(11)中；导入到第一单模光纤(22)的光与被镀银的铝制薄片(24)反射的光在干涉腔(23)中发生干涉，干涉信号通过第一单模光纤(22)导入到光谱仪(11)中进行信号采集及记录；光纤准直镜(30)连接第二单模光纤(25)，通过光纤准直镜(30)耦合到第二单模光纤(25)中的脉冲光在光纤尖端产生的冲击力使镀银的铝制薄片(24)发生形变，改变干涉腔(23)的腔长；
第一单模光纤(22)、第二单模光纤(25)和镀银的铝制薄片(24)通过胶(21)固定在石英玻璃管(20)内部，所述胶(21)为紫外固化胶。
2.一种利用权利要求1所述的基于法布里珀罗腔干涉测量脉冲激光能量传感器的脉冲光能量测量方法，其特征是：首先开启检测信号模块(1)中的可调谐激光光源(10)，向脉冲激光能量传感模块注入宽谱光，在被测脉冲激光采集模块(3)为采集脉冲激光时，使用光谱仪(11)采集静止时的干涉光谱图像，得到初始情况下的干涉谱线，随后使用光纤准直镜采集不同能量E的脉冲激光，在脉冲激光的作用下，镀银的铝制薄片(24)的厚度会发生改变Δd，干涉谱线的吸收峰位置相应发生移动ΔL，在已知脉冲激光能量E的情况下得到能量E与峰值位置平移距离的ΔL的关系库，如果采集未知能量的脉冲激光，根据吸收峰平移的距离ΔL对应得到其相应的脉冲光能量E。
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