CN108240874B - 一种增益竞争温度测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种增益竞争温度测量装置，包括依次相连的掺铒光纤放大器、光纤隔离器、第一光纤耦合器；第一光纤耦合器的另一端分别设有第一光纤环形器和第二光纤环形器，第一光纤环形器的另一端和第二光纤环形器的另一端设有第二光纤耦合器，第二光纤耦合器的另一端与掺铒光纤放大器的另一端相连，第二光纤耦合器的第三端还设有光谱分析仪；第一光纤环形器的第三端设有相连的可调光衰减器和第一布拉格光纤光栅，第二光纤环形器的第三端设有相连的温度探测模块和第二布拉格光纤光栅；第一布拉格光纤光栅的输出功率与第二布拉格光纤光栅的输出功率的差值小于1dBm。本发明利用两个激光环形谐振腔产生增益竞争，提高探测模块检测温度时的灵敏性。
Description
技术领域
本发明涉及激光温度测量装置技术领域，尤其涉及一种增益竞争温度测量装置。
背景技术
准确的温度测量在光纤通信和光纤传感系统中是十分重要的。目前，高灵敏度温度传感是光纤传感领域的一个重要研究方向，它在现代工业应用的许多层面都有涉及。由于光纤的一些优良特性：尺寸小、成本低、抗电磁干扰、耐高温高压等，基于光纤形式的温度传感器目前已成为温度传感领域的一个主流热点；石墨烯是迄今为止导热性最好的材料之一，因此可以被制成高灵敏度的温度传感器，同时它又具有极低的吸光系数，这就使其能够与光纤波导完美贴合而不引入较大光学损耗而损坏波导结构。现有的一种利用石墨烯粉末在水环境下的“热泳”效应吸附在微米光纤结构上的原理，制作了一种简易的强度型温度传感器。利用该强度型温度传感器制作的温度测量装置包括掺铒光纤放大器、光纤隔离器、光纤耦合器、光纤环形器、强度型温度传感器，只具有一个激光环形谐振腔，因此导致强度型温度传感器对外界环境温度的感知不够灵敏，即其对温度测量的灵敏度较低，尤其在外界温度变化幅度较小时，该强度型温度传感器无法检测到温度变化，因此现有的温度测量装置灵敏度较低、同时不便于及时、准确的观测温度变化。
发明内容
本发明提供了一种增益竞争温度测量装置，该温度测量装置的灵敏度较高，且便于观测温度变化。
本发明所采用的技术方案是，一种增益竞争温度测量装置，其特征在于，沿信号输入到信号输出方向，包括依次相连的掺铒光纤放大器、光纤隔离器、第一光纤耦合器；所述的第一光纤耦合器的另一端分别设有第一光纤环形器和第二光纤环形器，所述的第一光纤环形器的另一端和第二光纤环形器的另一端设有第二光纤耦合器，所述的第二光纤耦合器的另一端与所述的掺铒光纤放大器的另一端相连，所述的第二光纤耦合器的第三端还设有光谱分析仪；所述的第一光纤环形器的第三端设有依次相连的可调光衰减器和第一布拉格光纤光栅，所述的第二光纤环形器的第三端设有依次相连的温度探测模块和第二布拉格光纤光栅；所述的掺铒光纤放大器包括依次相连的泵浦源、波分复用器和掺铒光纤，所述的波分复用器的另一端与所述的光纤隔离器相连，所述的掺铒光纤的另一端与所述的第二光纤耦合器相连；所述的温度探测模块包括温度控制器，所述的温度控制器上设有双锥形微米结构光纤，所述的双锥形微米结构光纤包括两段锥形光纤，所述的两段锥形光纤通过一段过渡光纤相连，所述的锥形光纤直径较小的一端与所述的过渡光纤相连，所述的过渡光纤上涂覆有石墨烯层。
采用以上技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下优点：
在本发明中，掺铒光纤放大器、光纤隔离器、第一光纤耦合器、第一光纤环形器、可调光衰减器、第一布拉格光纤光栅、第二光纤耦合器合围成第一激光环形谐振腔，掺铒光纤放大器、光纤隔离器、第一光纤耦合器、第二光纤环形器、温度探测模块、第二布拉格光纤光栅及第二光纤耦合器合围成第二激光环形谐振腔；利用第一激光环形谐振腔和第二激光环形谐振腔之间产生较为激烈的增益竞争现象，提高温度探测模块测量外界温度变化时的灵敏度，然后再通过光谱分析仪得到第二激光环形谐振腔的输出波长与输出功率的曲线图，最后根据该输出功率与温度之间的关系计算具体温度值，因此本发明测量温度时的灵敏度较高，且便于获取温度具体数值。
作为改进，所述的过渡光纤的直径为5μm～7μm，长度为20mm～30mm，过渡光纤若太短则会导致第一激光环形谐振腔和第二激光环形谐振腔的测量精度较低。
作为改进，所述的泵浦源的波长为980nm，该种波长的泵浦源功率较小，价格较为便宜。
作为改进，所述的第一布拉格光纤光栅的中心波长与第二布拉格光纤光栅的中心波长之间的差值范围为1nm～2nm，第一布拉格光纤光栅的中心波长与第二布拉格光纤光栅的中心波长相隔较近，便于测量。
作为改进，所述的第一布拉格光纤光栅的中心波长为1550nm，所述的第二布拉格光纤光栅的中心波长为1551nm，中心波长之间的差值较小，有利于控制第一布拉格光纤光栅的输出功率与第二布拉格光纤光栅的输出功率之间的差值。
作为改进，所述的第一光纤耦合器和第二光纤耦合器的分光比为45:55或者55:45，光耦合效果较好。
作为改进，所述的掺铒光纤的放大系数为10dB/m，长度为8m～12m，掺铒光纤的长度过长，稳定性较差，同时也会导致泵浦源的功率过高，存在一定的危险性没，掺铒光纤在使用时是卷绕在一起的，若长度较长，也不利于散热。
作为改进，所述的双锥形微米结构光纤的制作过程包括以下步骤：
S1、制作双锥形微米结构光纤，将两段锥形光纤通过一段过渡光纤相连，然后给过渡光纤外壁镀石墨烯层；
S2、将过渡光纤放置在石墨烯粉末与酒精的混合溶液，混合溶液的浓度为0.1mg/ml～1.5mg/ml，进行加热，加热温度为40℃～50℃，混合溶液发生热泳效应，石墨烯粉末覆着在过渡光纤上形成石墨烯层。
利用上述的步骤制作的双锥形微米结构光纤的稳定性更好，测量精度更高，使用寿命更长。
附图说明
图1为本发明结构示意图
图2为双锥形微米结构光纤的结构示意图
图中所示，1、泵浦源，2、波分复用器，3、掺铒光纤，4、光纤隔离器，5、第一光纤耦合器，6、第一光纤环形器，7、可调光衰减器，8、第一布拉格光纤光栅，9、第二光纤耦合器，10、第二光纤环形器，11、温度探测模块，12、第二布拉格光纤光栅，13、光谱分析仪，14、温度控制器，15、锥形光纤，16、过渡光纤。
具体实施方式
一种增益竞争温度测量装置，沿信号输入到信号输出方向，包括依次相连的掺铒光纤放大器、光纤隔离器4、第一光纤耦合器5，第一光纤耦合器为1×2光纤耦合器；第一光纤耦合器的另一端分别设有第一光纤环形器6和第二光纤环形器10，第一光纤环形器和第二光纤环形器形成两条支路，在第一光纤环形器6的另一端和第二光纤环形器10的另一端设有第二光纤耦合器9，第二光纤耦合器的另一端与掺铒光纤放大器的另一端相连，第二光纤耦合器的第三端还设有光谱分析仪13，第二光纤耦合器9为1×2光纤耦合器，第一光纤耦合器5和第二光纤耦合器9的分光比为45:55或者55:45；第一光纤环形器6的第三端设有依次相连的可调光衰减器7和第一布拉格光纤光栅8，第二光纤环形器10的第三端设有依次相连的温度探测模块11和第二布拉格光纤光栅12；可调光衰减器7用于调整第一布拉格光纤光栅8的输出功率，使第一布拉格光纤光栅的输出功率与第二布拉格光纤光栅的输出功率的差值在小于1dBm的范围内，第一布拉格光纤光栅8的中心波长与第二布拉格光纤光栅12的中心波长之间的差值范围为1nm～2nm，在本发明中将第一布拉格光纤光栅的中心波长设置为1550nm，将第二布拉格光纤光栅的中心波长设置为1551nm；掺铒光纤放大器包括依次相连的波长为980nm的泵浦源1、波分复用器2和掺铒光纤3，波分复用器2为泵浦源和第一布拉格光纤光栅的光分波合波，掺铒光纤3的放大系数为10dB/m，长度为8m～12m；波分复用器2的另一端与光纤隔离器4相连，掺铒光纤3的另一端与第二光纤耦合器9相连；温度探测模块11包括温度控制器14，温度控制器上设有双锥形微米结构光纤，双锥形微米结构光纤包括两段锥形光纤15，两段锥形光纤15通过一段过渡光纤16相连，锥形光纤15直径较小的一端与过渡光纤16相连，过渡光纤16的直径为5μm～7μm，长度为20mm～30mm，过渡光纤上涂覆有石墨烯层，温度控制器14用于控制温度探测模块11的环境温度；也可以直接将两个锥形光纤直径较小的端部相连形成一段过渡过纤。掺铒光纤放大器、光纤隔离器4、第一光纤耦合器5、第一光纤环形器6、可调光衰减器7、第一布拉格光纤光栅8、第二光纤耦合器9合围成第一激光环形谐振腔，掺铒光纤放大器、光纤隔离器4、第一光纤耦合器5、第二光纤环形器10、温度探测模块11、第二布拉格光纤光栅12及第二光纤耦合器9合围成第二激光环形谐振腔；沿信号传输方向，将第一光纤环形器的三端分别命名为a端、b端和c端，则第一激光谐振腔内的激光将沿逆时针方向单向传输，其中由a端入射的光只能从b端输出，从b端入射的光只能从c端输出，此时第一光纤环形器中的光则会根据图1中的箭头方向运转，同理，第二激光环形谐振腔中的激光也沿逆时针方向单向传输。
温度探测模块中的双锥形微米结构光纤的制作过程包括以下步骤：
S1、制作双锥形微米结构光纤，将两段锥形光纤15通过一段过渡光纤16相连，然后给过渡光纤16外壁镀石墨烯层；
S2、将过渡光纤放置在石墨烯粉末与酒精的混合溶液，混合溶液的浓度为0.1mg/ml～1.5mg/ml，进行加热，加热温度为40℃～50℃，混合溶液发生热泳效应，石墨烯粉末覆着在过渡光纤上形成石墨烯层。
如图1所示，掺铒光纤放大器、光纤隔离器4、第一光纤耦合器5、第一光纤环形器6、可调光衰减器7、第一布拉格光纤光栅8、第二光纤耦合器9合围成第一激光环形谐振腔；第一激光环形谐振腔的输出波长为第一布拉格光纤光栅8的中心波长，即1550nm，3dB带宽为0.2nm。掺铒光纤放大器、光纤隔离器4、第一光纤耦合器5、第二光纤环形器10、温度探测模块11、第二布拉格光纤光栅12及第二光纤耦合器9合围成第二激光环形谐振腔，第二激光环形谐振腔的输出波长为第二布拉格光纤光栅的中心波长即1551nm,3dB带宽为0.2nm；最后第一激光环形谐振腔和第二激光环形谐振腔共同组成了一个双波长掺铒光纤环形激光器，其中可调光衰减器用于调整第一布拉格光纤光栅的输出功率和第二布拉格光纤光栅的输出功率之间的差值，使二者保持在1dB的范围内，光谱分析仪10用于检测双波长掺铒光纤环形激光器的输出波长和输出功率的变化曲线。
本发明的工作原理是，在双波长掺铒光纤环形激光器中，当位于第二激光环形谐振腔中的温度探测模块检测到温度变化时，第二激光环形谐振腔的输出功率随温度的升高而增大，随温度的降低而减小，此时由于第一激光环形谐振腔和第二激光环形谐振腔之间共用同一段掺铒光纤，该掺铒光纤为增益介质，因此第一激光环形谐振腔和第二激光环形谐振腔之间存在较大的增益竞争，当第二激光环形谐振腔的输出功率增大时，第一激光环形谐振腔的输出功率则减小，当第二激光环形谐振腔的输出功率减小时，则第一激光环形谐振腔的输出功率将增大，通过光谱分析仪可以直观的获取第二激光环形谐振腔输出功率的变化，第二激光环形谐振腔输出功率变化的时刻即为温度突变的时刻，最后根据输出功率的曲线图便可以计算出温度，因此使用本发明可以较为直观的检测到温度变化趋势，同时由于第一布拉格光纤光栅和第二布拉格光纤光栅之间的功率差值在1dB m的范围内，因此会使得第一激光环形谐振腔和第二激光环形谐振腔之间存在较为激烈的增益竞争现象，即使外界温度变化小幅度变化，第二激光环形谐振腔的输出功率也将发生较为明显的波动，因此本发明对外界温度的变化感知更为敏感。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述的实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中各部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种增益竞争温度测量装置，其特征在于，沿信号输入到信号输出方向，包括依次相连的掺铒光纤放大器、光纤隔离器(4)、第一光纤耦合器(5)；所述的第一光纤耦合器(5)的另一端分别设有第一光纤环形器(6)和第二光纤环形器(10)，所述的第一光纤环形器(6)的另一端和第二光纤环形器(10)的另一端设有第二光纤耦合器(9)，所述的第二光纤耦合器(9)的另一端与所述的掺铒光纤放大器的另一端相连，所述的第二光纤耦合器(9)的第三端还设有光谱分析仪(13)；所述的第一光纤环形器(6)的第三端设有依次相连的可调光衰减器(7)和第一布拉格光纤光栅(8)，所述的第二光纤环形器(10)的第三端设有依次相连的温度探测模块(11)和第二布拉格光纤光栅(12)；所述的第一布拉格光纤光栅(8)的输出功率与所述的第二布拉格光纤光栅(12)的输出功率的差值小于1dBm；所述的掺铒光纤放大器包括依次相连的泵浦源(1)、波分复用器(2)和掺铒光纤(3)，所述的波分复用器(2)的另一端与所述的光纤隔离器(4)相连，所述的掺铒光纤(3)的另一端与所述的第二光纤耦合器(9)相连；所述的温度探测模块(11)包括温度控制器(14)，所述的温度控制器(14)上设有双锥形微米结构光纤，所述的双锥形微米结构光纤包括两段锥形光纤(15)，所述的两段锥形光纤通过一段过渡光纤(16)相连，所述的锥形光纤直径较小的一端与所述的过渡光纤(16)相连，所述的过渡光纤(16)上涂覆有石墨烯层。
2.根据权利要求1所述的一种增益竞争温度测量装置，其特征在于，所述的过渡光纤(16)的直径为5μm～7μm，长度为20mm～30mm。
3.根据权利要求1所述的一种增益竞争温度测量装置，其特征在于，所述的泵浦源(1)的波长为980nm。
4.根据权利要求1所述的一种增益竞争温度测量装置，其特征在于，所述的第一布拉格光纤光栅(8)的中心波长与第二布拉格光纤光栅(12)的中心波长之间的差值范围为1nm～2nm。
5.根据权利要求4所述的一种增益竞争温度测量装置，其特征在于，所述的第一布拉格光纤光栅(8)的中心波长为1550nm，所述的第二布拉格光纤光栅(12)的中心波长为1551nm。
6.根据权利要求1所述的一种增益竞争温度测量装置，其特征在于，所述的第一光纤耦合器(5)和第二光纤耦合器(9)的分光比为45:55或者55:45。
7.根据权利要求1所述的一种增益竞争温度测量装置，其特征在于，所述的掺铒光纤(3)的放大系数为10dB/m，长度为8m～12m。
8.根据权利要求1所述的一种增益竞争温度测量装置，其特征在于，所述的双锥形微米结构光纤的制作过程包括以下步骤：
S1、制作双锥形微米结构光纤，将两段锥形光纤通过一段过渡光纤相连，然后给过渡光纤外壁镀石墨烯层；
S2、将过渡光纤放置在石墨烯粉末与酒精的混合溶液，混合溶液的浓度为0.1mg/ml～1.5mg/ml，进行加热，加热温度为40℃～50℃，混合溶液发生热泳效应，石墨烯粉末覆着在过渡光纤上形成石墨烯层。
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