CN108801176A - 基于少模拉锥光纤的扭转传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于少模拉锥光纤的扭转传感器，包括宽带光源、锥形少模光纤、光纤固定夹、扭转装置、光谱仪；整体采用“单模—少模—单模”结构，微纳少模光纤采用火焰熔融拉锥法制备，扭转装置位于少模尾纤处。本发明器件均采用全光纤耦合方式，结构简单，易于制造，且不宜受到外界的干扰。
Description
技术领域
本发明涉及扭转传感器领域，特别是基于少模拉锥光纤的扭转传感器。
背景技术
目前，光纤扭转传感器主要有光纤布拉格光栅型（FBG）、光纤干涉型和多模光纤缠绕型等，如光纤布拉格光栅传感器（FBG），Sagnac干涉仪以及保偏光纤（PMF）等，能适应各种不同的需求。众所周知，微纳光纤具有低传输损耗、强倏逝波传输特性等优点，在微纳米尺度的测量、传感、耦合、谐振等方面皆有不俗表现。光波导理论完整建立以后，微纳光纤的光学用途展开研究，采用火焰或加热拉伸剥离光纤即可获得直径小至微米量级的光纤。为了得到更小直径的微纳光纤，童利民等人提出火焰加热二步拉伸法并成功使直径小于50nm；Brambilla 等人通过改进商用光纤耦合器制装置的加热源，重复制得超低损耗的微纳光纤。微纳光纤的成功制备为微型化集成化器件发展做出了一定的贡献。
发明内容
本发明所采用的技术是利用火焰熔融拉锥法在少模光纤上制造出微纳锥形光纤，对此锥形结构的光纤进行扭转角度的传感测量。本发明所用的器件均采用全光纤耦合方式，不易受到外界的干扰。光线从宽带光源出射，通过少模拉锥光纤后，光线的透射谱随着光纤扭转导致偏振态的改变而发生明显变化。从而能够利用透射谱的变化进行扭转传感测量。
本发明主要通过在少模光纤上进行拉锥得到微纳光纤，产生明显的模间干涉，从而增加光纤对于外界扭转的灵敏度。本发明创新性的使用少模光纤作为载体，利用其传输的高阶模式的变化得到干涉效应。光纤的扭转导致所传播的高阶模偏振态的改变，从而使得传输光强发生变化，最终得到光纤透射谱的明显变化。
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少模拉锥光纤的扭转传感器，包括宽带光源、少模锥形光纤、光纤固定夹、扭转装置、光谱仪；其中，从宽带光源出射的入射光，经过锥形光纤后激发高阶模式得到偏振光；通过扭转少模尾纤，改变偏振态，并通过单模光纤连接至光谱仪，得到光纤的透射谱。
宽带光源发出的光信号经过单模光纤，将单模光纤与少模光纤熔融连接，在少模锥形光纤中产生双折射效应，从而激发出高阶模式；光纤固定夹在少模锥形光纤的右面，扭转装置与光纤固定夹距离10cm，通过在少模光纤上施加微小的轴向张力，少模锥形光纤中激发出的高阶模的偏振态随光纤扭转而发生变化，光纤传输光强也随着偏振态的变化而变化。最终将光纤的扭转反映为光纤透射谱的变化。
作为本发明所述的一种基于少模拉锥光纤的扭转传感器设计，其中，所运用的少模拉锥光纤中激发出的高阶模式对于扭转有较高的敏感度。
作为本发明所述的一种基于少模拉锥光纤的扭转传感器设计，其中，所述少模拉锥光纤中的高阶模式的偏振态会随少模尾纤的扭转而改变，从而改变了光纤透射谱光强，实现通过光纤透射谱对光纤扭转的传感。
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）本发明采用火焰熔融拉锥法对少模光纤进行拉锥得到微纳锥形光纤，入射光经过微纳光纤产生双折射效应，从而激发高阶模式；
（2）本发明运用少模拉锥光纤高阶模的偏振特性进行扭转的传感，灵敏度高，且稳定性好，易于集成；
（3）本发明采用全光纤结构，结构简单，可连续稳定工作。
附图说明
图1是基于少模拉锥光纤的扭转传感器结构示意图。
图2为少模锥形光纤的结构示意图。
图3为基于少模拉锥光纤的扭转传感器在未发生扭转时的透射谱。
图4为基于少模拉锥光纤的扭转传感器在不同扭转角度下的透射谱；其中（a）为逆时针旋转时光强变化，（b）为顺时针旋转时光强变化。
附图标记解释为：1-宽带光源，2-少模锥形光纤，3-光纤固定夹，4-扭转装置，5-光谱仪。
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：
本发明是利用火焰熔融拉锥法制作锥形微纳光纤，构建基于少模拉锥光纤的扭转传感器。得到的扭转传感器结构简单，灵敏度高，且易于构成。下面就为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，一种基于少模拉锥光纤的扭转传感器，包括宽带光源、少模锥形光纤、光纤固定夹、旋转装置、光谱仪；其中
整体采用“单模—少模—单模” 结构，少模光纤放置在两段标准单模光纤之间进行熔融连接，取少模光纤约2cm部分进行拉锥，当出现明显干涉谱时停止拉锥，从而得到微纳锥形光纤；通过宽带光源出射的入射光经过单模光纤，通过在少模锥形光纤时，由于其直径变化从而产生双折射效应，激发出高阶模式；光纤固定夹和旋转装置在少模锥形光纤的右面，通过在少模光纤上施加微小的轴向张力，少模锥形光纤中激发出的高阶模的偏振态随光纤扭转而发生变化，光纤传输光强也随着偏振态的变化而变化。最终将光纤的扭转反映为光纤透射谱的变化。
本发明的工作原理如下：如图2微纳拉锥光纤结构所示，宽带光源出射入射光，当光进入锥形光纤，纤芯直径减小到一定程度时，光不能完全限制在纤芯中，并在锥形区Ⅰ内扩散到包层，激发高阶模式，产生多模干涉。此时与普通单模光纤相比，折射率差变大，弱导条件不再成立，光束由于微纳光纤的强场约束能力限制在包层传播。基模与邻近的高阶模发生耦合，部分能量耦合进高阶模，提高了耦合效率，从而有效提高了传感器的灵敏度。由于锥形光纤结构具有对称性，锥腰区到锥形区Ⅱ时随着直径增大， 这些模式回到锥形区Ⅱ时会回到LP01模式。
通过少模拉锥光纤可以实现双折射效应，产生较为明显的干涉，利用高阶模的偏振特性进行扭转的传感。
通过使用旋转装置，可以实现少模光纤轴向张力的改变，从而改变光的偏振态，出现光纤传输光强变化。
如图3所示为基于少模拉锥光纤的扭转传感器在未扭转时的输出光谱，波长在1250nm到1650nm之间存在4个共振峰，其中在D点处（1520.16nm）获得最高干涉调制深度，约为31dB。
如图4所示为在扭转角度不同时，少模拉锥光纤扭转传感器的输出光谱，每隔10度记录下光纤的传输光谱。（a）图为逆时针旋转时光强变化，（b）图为顺时针旋转时光强变化。
图5所示为1520.16nm处深度D不同扭率的光强的拟合曲线图，斜率为-0.0046，最大灵敏度为2.635 dB/rad·m-1。光强随着扭转角度的变化，呈正弦函数变化。在0°到90°范围内呈线性变化。
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 (3)
1.根据本发明提出的一种基于少模拉锥光纤的扭转传感器，包括宽带光源、少模锥形光纤、光纤固定夹、扭转装置、光谱仪，其特征为，从宽带光源出射的入射光，经过锥形光纤后激发高阶模式得到偏振光；通过扭转少模尾纤，改变偏振态，并通过单模光纤连接至光谱仪，得到光纤的透射谱，宽带光源发出的光信号经过单模光纤，将单模光纤与少模光纤熔融连接，在少模锥形光纤中产生双折射效应，从而激发出高阶模式；光纤固定夹在少模锥形光纤的右面，扭转装置与光纤固定夹距离10cm，通过在少模光纤上施加微小的轴向张力，少模锥形光纤中激发出的高阶模的偏振态随光纤扭转而发生变化，光纤传输光强也随着偏振态的变化而变化，最终将光纤的扭转反映为光纤透射谱的变化。
2.如权利要求1所述的一种基于少模拉锥光纤的扭转传感器，其特征为，所运用的少模拉锥光纤中激发出的高阶模式对于扭转有较高的敏感度。
3.如权利要求1或2所述的一种基于少模拉锥光纤的扭转传感器，其特征为，所述少模拉锥光纤中的高阶模式的偏振态会随少模尾纤的扭转而改变，从而改变了光纤透射谱光强，实现通过光纤透射谱对光纤扭转的传感。
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