CN109342022A - 一种可调谐激光器波长动态标定装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调谐激光器波长动态标定装置和方法，通过可调谐激光器、F‑P干涉仪、迈克尔逊干涉仪和信号采集处理单元等装置可实现波长测量、剔除干涉条纹级次错误、修正波长控制参数的效果，解决了静态条件标定激光器波长偏离动态测量值的问题。本发明公开的一种可调谐激光器波长动态标定装置和方法，成功实现了激光器波长动态扫描的速度和精度要求，适用于激光器高速波长测量，可以广泛应用于光纤光栅传感信号的高速解调技术。

Description

一种可调谐激光器波长动态标定装置和方法

技术领域

本发明涉及一种可调谐激光器波长动态标定装置和方法，属于信号解调领域。

背景技术

光纤光栅传感是将被测物理量转化为光纤光栅中心波长变化的一种新型传感技术，最后通过信号解调，来获得波长随被测量变化的规律，从而达到对被测量的监控或检测。光纤光栅传感器通常可以被用来测量位移、振动、应变、温度、湿度等多个物理量，具有体积小、质量轻、易于检测、耐高温、抗电磁干扰、易于传输等优点，因此被广泛应用于航空航天、军事工业、船舶、电力、医药、石油与煤矿、土木工程和化工等领域。在光纤光栅传感系统中，反射光谱的解调技术一直是研究重点，影响着整个测试过程的精度和速度，而在激光器输出高速可调谐激光的时候，其波长的标定技术是影响最后能否实现中心波长高速、精确解算的关键。

然而激光器输出波长的标定一般是在准静态条件下进行的，如何准确测量和补偿动态扫描过程中的激光器波长，对提高波长解算的精度具有重要意义。常用的波长测量方法包括：(1)光谱分析仪、光波长计，(2)光谱检测模块，(3)波长参考。激光器波长动态扫描的速度通常在几十纳秒～几百微秒/波长点，激光器波长精度要求≤5pm。其中光谱分析仪、光波长计的测量速度在Hz量级，不能用于动态扫描过程的激光器波长测量；光谱检测模块的测量速度≤20kHz(50μs)，波长测量精度通常≤5～10pm。波长参考可以提供高精度、高速波长参考，但是存在多值和参考点数目较少的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术在动态扫描测量时激光器波长偏离动态测量值的不足，提供了一种可调谐激光器波长动态标定装置。本发明通过调谐控制电流，将激光器波长锁定到已知的波长参考的干涉条纹半峰值点上；通过辅助参考干涉仪对是否发生干涉条纹级次锁定错误进行判读。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种可调谐激光器波长动态标定装置，包括可调谐激光器、光纤耦合器、第一光纤环形器、第二光纤环形器、光纤F-P干涉仪、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器、信号采集处理单元以及迈克尔逊光纤干涉仪；

可调谐激光器输出的光，经过光纤耦合器之后分为两路，分别送入第一光纤环形器和第二光纤环形器；

通过第一光纤环形器的光束进入到光纤F-P干涉仪中形成反射光，并在光纤F-P干涉仪中形成干涉后输出，干涉仪输出光返回到第一光纤环形器，之后进入第一光电探测器进行光电探测；

通过第二光纤环形器后的光束进入到迈克尔逊光纤干涉仪中，输出三路反射光，一路经过第二光纤环形器进入第二光电探测器进行光电探测，另外两路分别进入第三光电探测器和第四光电探测器中，信号采集处理单元对第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器采集的信号进行处理，完成可调谐激光器波长动态标定。

还包括温控装置，设置在光纤F-P干涉仪内部，用于控制光纤F-P干涉仪的工作温度。

光纤F-P干涉仪的工作温度的稳定性≤0.1℃。

所述可调谐激光器输出的光为不同波长的可调谐激光。

所述光纤耦合器为3×3光纤耦合器。

迈克尔逊光纤干涉仪包括光纤耦合器、第一法拉第旋转反射镜和第二法拉第旋转反射镜；通过第二光纤环形器后的光束进入光纤耦合器中，分为两路光束分别经过第一法拉第旋转反射镜和第二法拉第旋转反射镜反射后回到光纤耦合器，两路反射光产生了干涉，干涉后输出给第三光电探测器和第四光电探测器；同时，干涉后的输出光束还返回到第二光纤环形器。

所述光纤F-P干涉仪提供波长锁定，其干涉信号为近似余弦的周期信号。

可调谐激光器的输出端口连接光纤耦合器的输入端口；光纤耦合器的第一输出端口连接第一光纤环形器的第一端口；

所述第一光纤环形器的第二端口连接光纤F-P干涉仪的一端；所述第一光纤环形器的第三端口连接第一光电探测器的输入端口；

所述光纤耦合器的第二输出端口连接第二光纤环形器的第一端口；所述第二光纤环形器的第二端口连接光纤耦合器的第一端口；所述第二光纤环形器的第三端口连接第二光电探测器的输入端口；

所述光纤耦合器的第二端口连接第三光电探测器的输入端口；所述光纤耦合器的第三端口连接第四光电探测器的输入端口；所述第一法拉第旋转反射镜的端口连接光纤耦合器的第四端口；所述第二法拉第旋转反射镜的端口连接光纤耦合器的第五端口；

所述第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器的输出端口分别连接到信号采集处理单元。

一种基于动态标定装置实现的可调谐激光器波长动态标定方法，步骤如下：

(1)可调谐激光器输出的光，经过光纤耦合器之后分为两路，分别送入第一光纤环形器和第二光纤环形器；

(2)通过第一光纤环形器的光束进入到光纤F-P干涉仪中形成反射光，并在光纤F-P干涉仪中形成干涉后输出，干涉仪输出光返回到第一光纤环形器，之后进入第一光电探测器进行光电探测；

(3)通过第二光纤环形器后的光束进入到迈克尔逊光纤干涉仪中，输出三路反射光，一路经过第二光纤环形器进入第二光电探测器进行光电探测，另外两路分别进入第三光电探测器和第四光电探测器中；

(4)信号采集处理单元对第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器采集的信号进行处理，信号采集处理单元可以反馈修改激光器参数，完成可调谐激光器波长动态标定。

进行可调谐激光器波长动态标定，具体为：

步骤1：信号采集处理单元将激光器的波长设置在第i个工作点，i＝0,1,2…N，N是正整数，根据第一光电探测器输出信号的强度调节激光器的控制参数，改变激光器波长λ_i，当第一光电探测器输出信号的强度为峰值强度的0.5±err/0.063时停止调节，err是要求的激光器波长误差、单位是pm；

步骤2：信号采集处理单元根据第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器输出的信号强度，计算出迈克尔逊光纤干涉仪输出干涉信号在波长λ_i时的相位Ф_i；

步骤3：计算出两个相邻波长λ_i+1、λ_i时迈克尔逊光纤干涉仪输出干涉信号相位之间的差值Ф_i-Ф_i-1，当Ф_i-Ф_i-1的值为设计值的0.67倍～1.33倍时，表明没有发生干涉条纹级次错误，激光器控制参数满足要求，完成标定过程；当Ф_i-Ф_i-1的值小于设计值的0.67倍或大于设计值的1.33倍时，修改激光器的控制参数并重新开始步骤1。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明提出的激光器高速输出波长的标定装置提供了一种高速测量激光器输出波长的方式；

(2)本发明提出的激光器高速输出波长的标定装置和方法，克服了激光器波长偏离静态测量值的问题，提高了准确度；

(3)本发明采用光纤F-P干涉仪和迈克尔逊干涉仪作为两个参考光进行波长标定，其中3×3光纤耦合器用来判断锁定干涉级次，解决了干涉信号对称性导致的多值问题、波峰波谷处强度——波长灵敏度低的问题。

附图说明

图1为激光器高速输出波长的标定装置结构示意图；

图2为光纤F-P干涉仪光纤端面3.6％反射构成的法布里-珀罗干涉仪的反射谱；

图3为迈克尔逊光纤干涉仪输出的3路干涉信号示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

本发明提出了一种在高速环境下标定激光器输出波长的装置及方法，将激光器波长锁定在恒温控制光纤F-P干涉仪的半峰值点；同时通过基于3×3光纤耦合器和法拉第旋转反射镜的迈克尔逊光纤干涉仪监测是否存在干涉条纹级次锁定。本发明解决了波长参考中存在多值和参考点数目较少的问题，为光纤光栅信号的高速解调技术提供了重要支持。

如图1所示，本发明提出的一种可调谐激光器波长动态标定装置，包括可调谐激光器1、光纤耦合器2、第一光纤环形器3a、第二光纤环形器3b、光纤F-P干涉仪4、第一光电探测器6a、第二光电探测器6b、第三光电探测器6c、第四光电探测器6d、信号采集处理单元9以及迈克尔逊光纤干涉仪10；

可调谐激光器1输出的光，经过光纤耦合器2之后分为两路，分别送入第一光纤环形器3a和第二光纤环形器3b；所述可调谐激光器1输出的光为不同波长的可调谐激光。光纤耦合器7为3×3光纤耦合器。

通过第一光纤环形器3a的光束进入到光纤F-P干涉仪4中形成反射光，并在光纤F-P干涉仪4中形成干涉后输出，干涉仪输出光返回到第一光纤环形器3a，之后进入第一光电探测器6a进行光电探测；

通过第二光纤环形器3b后的光束进入到迈克尔逊光纤干涉仪10中，输出三路反射光，一路经过第二光纤环形器3b进入第二光电探测器6b进行光电探测，另外两路分别进入第三光电探测器6c和第四光电探测器6d中，信号采集处理单元9对第一光电探测器6a、第二光电探测器6b、第三光电探测器6c和第四光电探测器6d采集的信号进行处理，完成可调谐激光器波长动态标定。

本发明提出的另一个实施例，动态标定装置还包括温控装置5，设置在光纤F-P干涉仪4内部，用于控制光纤F-P干涉仪4的工作温度。光纤F-P干涉仪4的工作温度的稳定性≤0.1℃。

如图1所示，本发明实施例中，迈克尔逊光纤干涉仪10包括光纤耦合器7、第一法拉第旋转反射镜8a和第二法拉第旋转反射镜8b；通过第二光纤环形器3b后的光束进入光纤耦合器7中，分为两路光束分别经过第一法拉第旋转反射镜8a和第二法拉第旋转反射镜8b反射后回到光纤耦合器7，两路反射光产生了干涉，干涉后输出给第三光电探测器6c和第四光电探测器6d；同时，干涉后的输出光束还返回到第二光纤环形器3b。

光纤F-P干涉仪4提供波长锁定，其干涉信号为近似余弦的周期信号。

可调谐激光器1的输出端口连接光纤耦合器2的输入端口；光纤耦合器2的第一输出端口连接第一光纤环形器3a的第一端口；

第一光纤环形器3a的第二端口连接光纤F-P干涉仪4的一端；所述第一光纤环形器3a的第三端口连接第一光电探测器6a的输入端口；

光纤耦合器2的第二输出端口连接第二光纤环形器3b的第一端口；所述第二光纤环形器3b的第二端口连接光纤耦合器7的第一端口；所述第二光纤环形器3b的第三端口连接第二光电探测器6b的输入端口；

光纤耦合器7的第二端口连接第三光电探测器6c的输入端口；所述光纤耦合器7的第三端口连接第四光电探测器6d的输入端口；所述第一法拉第旋转反射镜8a的端口连接光纤耦合器7的第四端口；所述第二法拉第旋转反射镜8b的端口连接光纤耦合器7的第五端口；

第一光电探测器6a、第二光电探测器6b、第三光电探测器6c和第四光电探测器6d的输出端口分别连接到信号采集处理单元9。

基于上述实施例涉及的标定装置，本发明还提出一种可调谐激光器波长动态标定方法，步骤如下：

(1)可调谐激光器1输出的光，经过光纤耦合器2之后分为两路，分别送入第一光纤环形器3a和第二光纤环形器3b；

(2)通过第一光纤环形器3a的光束进入到光纤F-P干涉仪4中形成反射光，并在光纤F-P干涉仪4中形成干涉后输出，干涉仪输出光返回到第一光纤环形器3a，之后进入第一光电探测器6a进行光电探测；

(3)通过第二光纤环形器3b后的光束进入到迈克尔逊光纤干涉仪10中，输出三路反射光，一路经过第二光纤环形器3b进入第二光电探测器6b进行光电探测，另外两路分别进入第三光电探测器6c和第四光电探测器6d中；

(4)信号采集处理单元9对第一光电探测器6a、第二光电探测器6b、第三光电探测器6c和第四光电探测器6d采集的信号进行处理，信号采集处理单元可以反馈修改激光器参数，完成可调谐激光器波长动态标定。具体为：

步骤1：信号采集处理单元9将激光器的波长设置在第i个工作点，i＝0,1,2…N，N是正整数，根据第一光电探测器6a输出信号的强度调节激光器的控制参数，改变激光器波长λ_i，当第一光电探测器6a输出信号的强度为峰值强度的0.5±err/0.063时停止调节，err是要求的激光器波长误差、单位是pm；

步骤2：信号采集处理单元9根据第二光电探测器6b、第三光电探测器6c和第四光电探测器6d输出的信号强度，计算出迈克尔逊光纤干涉仪输出干涉信号在波长λ_i时的相位Ф_i；

步骤3：计算出两个相邻波长λ_i+1、λ_i时迈克尔逊光纤干涉仪输出干涉信号相位之间的差值Ф_i-Ф_i-1，当Ф_i-Ф_i-1的值为设计值的0.67倍～1.33倍时，表明没有发生干涉条纹级次错误，激光器控制参数满足要求，完成标定过程；当Ф_i-Ф_i-1的值小于设计值的0.67倍或大于设计值的1.33倍时，修改激光器的控制参数并重新开始步骤1。

可调谐激光器1高速输出的光进入到光纤耦合器2，光纤耦合器2将光分成两束，其中一束光进入第一光纤环形器3a，经过第一光纤环形器3a后进入到光纤F-P干涉仪4中形成反射光，并在光纤F-P干涉仪4中形成干涉，反射光返回并进入到第一光纤环形器3a，之后进入第一光电探测器6a进行光电探测；光纤耦合器2输出的另外一束光进入到第二光纤环形器3b，经过第二光纤环形器3b后进入到基于3×3光纤耦合器7的迈克尔逊光纤干涉仪中，形成反射光后一部分光反射到第二光纤环形器3b后进入第二光电探测器6b进行光电探测，其余进入第三光电探测器6c、第四光电探测器6d中，在信号采集处理单元9中进行信号的处理，信号采集处理单元9反馈回到激光器修改激光器参数，最后完成可调谐激光器波长动态标定。

上述激光器高速输出波长的标定装置，所述3×3光纤耦合器7与法拉第旋转反射镜8a、法拉第旋转反射镜8b相互连接构成一个迈克尔逊干涉仪。

利用光纤端面反射构成的反射型光纤法布里-珀罗干涉仪，其反射谱的曲线近似为余弦曲线，如图2所示，其反射谱的曲线近似为余弦曲线，归一化反射率——波长灵敏度曲线的峰值约为6.3％/pm，可以提供良好的波长参考。

式中，R_FP(λ)为为光纤法布里-珀罗干涉仪(F-P干涉仪)的反射率，R_M1为紧邻光纤端面叠加的反射率，R_M2为单个光纤端面的反射率，通过工艺控制使R_M2≤R_M1≤4R_M2，R_M2≈3.6％；可得光纤法布里-珀罗干涉仪的峰值反射率为4R_M2≤R_FP,max(λ)≤7R_M2(反射损耗6～8.4dB)。

本发明的一种可调谐激光器波长动态标定方法，基于3×3光纤耦合器7的迈克尔逊光纤干涉仪的两路输出信号为：

f₁＝k₁A+k₁B cos (θ)

基于3×3光纤耦合器7的迈克尔逊光纤干涉仪，输入光占据了光纤耦合器的一个端口，需要使用光环行器才能将信号引出；对波长扫描过程中的采集数组取极大值和极小值并进行曲线拟合，之后对采集的信号进行归一化处理可得到θ的值。在激光器波长监测中，通过相邻两个采样点之间的相位变化来判别激光器的波长变化；为了降低噪声的相对影响，应使两个采样点之间的相位差尽量大，从而可以获得较高的“相位差/噪声”。但是，由于干涉信号的周期性，为了实现相位的准确展开，需要每个干涉条纹周期内至少有3个采样点。同时考虑迈克尔逊光纤干涉仪长度差的控制难度，一般情况下，每个干涉条纹周期内保持3～5个采样点，图3为迈克尔逊光纤干涉仪输出的3路干涉信号示意图。

本发明的一种可调谐激光器波长动态标定装置和方法，通过调谐控制电流，将激光器波长锁定到已知的波长参考的干涉条纹半峰值点上；通过辅助参考干涉仪对是否发生干涉条纹级次锁定错误进行判读。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种可调谐激光器波长动态标定装置，其特征在于：包括可调谐激光器(1)、光纤耦合器(2)、第一光纤环形器(3a)、第二光纤环形器(3b)、光纤F-P干涉仪(4)、第一光电探测器(6a)、第二光电探测器(6b)、第三光电探测器(6c)、第四光电探测器(6d)、信号采集处理单元(9)以及迈克尔逊光纤干涉仪(10)；

可调谐激光器(1)输出的光，经过光纤耦合器(2)之后分为两路，分别送入第一光纤环形器(3a)和第二光纤环形器(3b)；

通过第一光纤环形器(3a)的光束进入到光纤F-P干涉仪(4)中形成反射光，并在光纤F-P干涉仪(4)中形成干涉后输出，干涉仪输出光返回到第一光纤环形器(3a)，之后进入第一光电探测器(6a)进行光电探测；

通过第二光纤环形器(3b)后的光束进入到迈克尔逊光纤干涉仪(10)中，输出三路反射光，一路经过第二光纤环形器(3b)进入第二光电探测器(6b)进行光电探测，另外两路分别进入第三光电探测器(6c)和第四光电探测器(6d)中，信号采集处理单元(9)对第一光电探测器(6a)、第二光电探测器(6b)、第三光电探测器(6c)和第四光电探测器(6d)采集的信号进行处理，完成可调谐激光器波长动态标定。

2.根据权利要求1所述的一种可调谐激光器波长动态标定装置，其特征在于：还包括温控装置(5)，设置在光纤F-P干涉仪(4)内部，用于控制光纤F-P干涉仪(4)的工作温度。

3.根据权利要求2所述的一种可调谐激光器波长动态标定装置，其特征在于：光纤F-P干涉仪(4)的工作温度的稳定性≤0.1℃。

4.根据权利要求1所述的一种可调谐激光器波长动态标定装置，其特征在于：所述可调谐激光器(1)输出的光为不同波长的可调谐激光。

5.根据权利要求1所述的一种可调谐激光器波长动态标定装置，其特征在于：所述光纤耦合器(7)为3×3光纤耦合器。

6.根据权利要求5所述的一种可调谐激光器波长动态标定装置，其特征在于：迈克尔逊光纤干涉仪(10)包括光纤耦合器(7)、第一法拉第旋转反射镜(8a)和第二法拉第旋转反射镜(8b)；通过第二光纤环形器(3b)后的光束进入光纤耦合器(7)中，分为两路光束分别经过第一法拉第旋转反射镜(8a)和第二法拉第旋转反射镜(8b)反射后回到光纤耦合器(7)，两路反射光产生了干涉，干涉后输出给第三光电探测器(6c)和第四光电探测器(6d)；同时，干涉后的输出光束还返回到第二光纤环形器(3b)。

7.根据权利要求1所述的一种可调谐激光器波长动态标定装置，其特征在于：所述光纤F-P干涉仪(4)提供波长锁定，其干涉信号为近似余弦的周期信号。

8.根据权利要求6所述的一种可调谐激光器波长动态标定装置，其特征在于：可调谐激光器(1)的输出端口连接光纤耦合器(2)的输入端口；光纤耦合器(2)的第一输出端口连接第一光纤环形器(3a)的第一端口；

所述第一光纤环形器(3a)的第二端口连接光纤F-P干涉仪(4)的一端；所述第一光纤环形器(3a)的第三端口连接第一光电探测器(6a)的输入端口；

所述光纤耦合器(2)的第二输出端口连接第二光纤环形器(3b)的第一端口；所述第二光纤环形器(3b)的第二端口连接光纤耦合器(7)的第一端口；所述第二光纤环形器(3b)的第三端口连接第二光电探测器(6b)的输入端口；

所述光纤耦合器(7)的第二端口连接第三光电探测器(6c)的输入端口；所述光纤耦合器(7)的第三端口连接第四光电探测器(6d)的输入端口；所述第一法拉第旋转反射镜(8a)的端口连接光纤耦合器(7)的第四端口；所述第二法拉第旋转反射镜(8b)的端口连接光纤耦合器(7)的第五端口；

所述第一光电探测器(6a)、第二光电探测器(6b)、第三光电探测器(6c)和第四光电探测器(6d)的输出端口分别连接到信号采集处理单元(9)。

9.一种基于权利要求1～8中任一项所述的动态标定装置实现的可调谐激光器波长动态标定方法，其特征在于步骤如下：

(1)可调谐激光器(1)输出的光，经过光纤耦合器(2)之后分为两路，分别送入第一光纤环形器(3a)和第二光纤环形器(3b)；

(2)通过第一光纤环形器(3a)的光束进入到光纤F-P干涉仪(4)中形成反射光，并在光纤F-P干涉仪(4)中形成干涉后输出，干涉仪输出光返回到第一光纤环形器(3a)，之后进入第一光电探测器(6a)进行光电探测；

(3)通过第二光纤环形器(3b)后的光束进入到迈克尔逊光纤干涉仪(10)中，输出三路反射光，一路经过第二光纤环形器(3b)进入第二光电探测器(6b)进行光电探测，另外两路分别进入第三光电探测器(6c)和第四光电探测器(6d)中；

(4)信号采集处理单元(9)对第一光电探测器(6a)、第二光电探测器(6b)、第三光电探测器(6c)和第四光电探测器(6d)采集的信号进行处理，信号采集处理单元可以反馈修改激光器参数，完成可调谐激光器波长动态标定。

10.根据权利要求9所述的可调谐激光器波长动态标定方法，其特征在于：进行可调谐激光器波长动态标定，具体为：

步骤1：信号采集处理单元(9)将激光器的波长设置在第i个工作点，i＝0,1,2…N，N是正整数，根据第一光电探测器(6a)输出信号的强度调节激光器的控制参数，改变激光器波长λ_i，当第一光电探测器(6a)输出信号的强度为峰值强度的0.5±err/0.063时停止调节，err是要求的激光器波长误差、单位是pm；

步骤2：信号采集处理单元(9)根据第二光电探测器(6b)、第三光电探测器(6c)和第四光电探测器(6d)输出的信号强度，计算出迈克尔逊光纤干涉仪输出干涉信号在波长λ_i时的相位Ф_i；

步骤3：计算出两个相邻波长λ_i+1、λ_i时迈克尔逊光纤干涉仪输出干涉信号相位之间的差值Ф_i-Ф_i-1，当Ф_i-Ф_i-1的值为设计值的0.67倍～1.33倍时，表明没有发生干涉条纹级次错误，激光器控制参数满足要求，完成标定过程；当Ф_i-Ф_i-1的值小于设计值的0.67倍或大于设计值的1.33倍时，修改激光器的控制参数并重新开始步骤1。