CN111289021A - 一种光纤传感装置及探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤传感装置，光产生部用于产生相干的第一模式光和第二模式光并将光入射到第一光纤内，第二光纤沿径向依次包括能够独立传播光的第一传播层以及能够独立传播光的第二传播层，第一光纤内传播的第一模式光进入第二光纤的第一传播层独立传播以及第一光纤内传播的第二模式光进入第二光纤的第二传播层独立传播，且第一模式光和第二模式光汇合进入第三光纤而发生干涉，测量部用于获取第三光纤输出光的干涉图。本光纤传感装置中第一模式光和第二模式光始终在同一根光纤内传播，始终处于相同环境，因此能够消除环境因素对测量结果的影响，能够提高测量过程中的灵敏度和测量结果的准确性。本发明还公开一种探测系统。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种光纤传感装置。本发明还涉及一种探测系统。
背景技术
马赫-增德尔干涉仪是一种典型的双光束干涉仪，可以用来观测由单一光源发出的光经过两个不同路径之后相位差的变化情况。请参考图1，典型的马赫-增德尔干涉仪包括一光纤入射端、一光纤出射端、第一耦合器11、第二耦合器12以及并列连接在第一耦合器11和第二耦合器12之间的两光纤臂，在这两根光纤臂中一根光纤13用于正常传播光，称为参考臂，而另一根光纤14会暴露在外界环境中受到外界环境的影响称为干涉臂。当相干光束由光源10发出，通过入射光纤后，会在第一耦合器11处分束，分别进入参考臂13和暴露在环境中的干涉臂14，然后两路光束在第二耦合器12处汇聚，由于干涉臂14处于待检测环境中，因此其内传输光的相位信息会随着环境的变化而发生变化，从而改变两光纤臂中光的相位差，输出光也就会随着干涉臂14所处环境参量的变化而发生变化，通过出射光纤之后，光进入到探测器15，从探测器15上能够得到光谱变化，进而获得环境参量的变化。
然而现有这种马赫-增德尔干涉仪在实际使用过程中，由于很难保证两光纤臂所处环境除被测环境参量之外的其它因素保持一致，因此会造成测量结果存在误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种光纤传感装置，与现有技术相比能够消除环境因素对测量结果的影响，能够提高测量过程中的灵敏度和测量结果的准确性。本发明还提供一种探测系统。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种光纤传感装置，包括光产生部、第一光纤、第二光纤、第三光纤和测量部，所述光产生部用于产生相干的第一模式光和第二模式光并将光入射到所述第一光纤内，所述第一光纤、所述第二光纤和所述第三光纤依次连接；
所述第二光纤沿径向依次包括能够独立传播光的第一传播层以及能够独立传播光的第二传播层，所述第一光纤内传播的第一模式光进入所述第二光纤的第一传播层独立传播以及所述第一光纤内传播的第二模式光进入所述第二光纤的第二传播层独立传播，且第一模式光和第二模式光汇合进入所述第三光纤而发生干涉，所述测量部用于获取所述第三光纤输出光的干涉图。
优选的，所述第二光纤以第一传播层中心与所述第一光纤的芯层中心偏离与所述第一光纤连接，所述第二光纤以第一传播层中心与所述第三光纤的芯层中心偏离与所述第三光纤连接。
优选的，所述第二光纤的第一传播层包括芯层和内包层，所述第二光纤的第二传播层包括下陷层和外包层，所述第二光纤的所述芯层、所述内包层、所述下陷层和所述外包层沿所述第二光纤径向依次排布，所述芯层的折射率大于所述内包层的折射率且所述芯层的折射率大于所述外包层的折射率，所述下陷层的折射率小于所述内包层的折射率且所述下陷层的折射率小于所述外包层的折射率。
优选的，所述第二光纤的所述内包层折射率与所述外包层折射率一致。
优选的，所述第二光纤的所述第二传播层裸露于外界环境。
优选的，所述第一光纤包括单模光纤，或者所述第三光纤包括单模光纤。
优选的，所述第二光纤与所述第一光纤熔接，或者所述第三光纤与所述第二光纤熔接。
优选的，所述测量部包括CCD。
优选的，所述光产生部包括激光器。
一种探测系统，包括以上所述的光纤传感装置。
由上述技术方案可知，本发明所提供的一种光纤传感装置包括光产生部、第一光纤、第二光纤、第三光纤和测量部，光产生部产生相干的第一模式光和第二模式光并将光入射到第一光纤内，第一光纤、第二光纤和第三光纤依次连接，其中第二光纤沿径向依次包括能够独立传播光的第一传播层以及能够独立传播光的第二传播层，第一光纤内传播的第一模式光进入第二光纤的第一传播层独立传播以及第一光纤内传播的第二模式光进入第二光纤的第二传播层独立传播，且第一模式光和第二模式光汇合进入第三光纤而发生干涉，测量部获取第三光纤输出光的干涉图。由于不同模式光在光纤内传播时折射率不同，当受到相同的环境参量变化影响时，不同模式光的特征物理量的改变不相同，当不同模式光汇合发生干涉，根据干涉图的变化能够获得环境参量的变化情况。本发明光纤传感装置中第一模式光和第二模式光始终在同一根光纤内传播，始终处于相同环境，因此能够消除环境因素对测量结果的影响，能够提高测量过程中的灵敏度和测量结果的准确性。
本发明提供的一种探测系统，能够达到上述有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有马赫-增德尔干涉仪的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种光纤传感装置的示意图；
图3为本发明实施例的光纤传感装置第一光纤、第二光纤和第三光纤的连接示意图；
图4为本发明实施例的光纤传感装置中第二光纤的折射率分布图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种光纤传感装置，包括光产生部、第一光纤、第二光纤、第三光纤和测量部，所述光产生部用于产生相干的第一模式光和第二模式光并将光入射到所述第一光纤内，所述第一光纤、所述第二光纤和所述第三光纤依次连接；
所述第二光纤沿径向依次包括能够独立传播光的第一传播层以及能够独立传播光的第二传播层，所述第一光纤内传播的第一模式光进入所述第二光纤的第一传播层独立传播以及所述第一光纤内传播的第二模式光进入所述第二光纤的第二传播层独立传播，且第一模式光和第二模式光汇合进入所述第三光纤而发生干涉，所述测量部用于获取所述第三光纤输出光的干涉图。
相干的第一模式光和第二模式光是指频率相同、振动方向相同且相位差恒定的两部分光。第二光纤沿径向依次包括第一传播层和第二传播层，进入第二光纤第一传播层的光能够独立地在第一传播层内传播，而不会进入第二传播层。进入第二光纤第二传播层的光能够独立地在第二传播层内传播，而不会进入第一传播层。
光产生部产生的第一模式光和第二模式光进入第一光纤内，沿第一光纤传播，到达第一光纤与第二光纤的连接处时，第一模式光进入第二光纤的第一传播层内传播，第二模式光进入第二光纤的第二传播层内，通过第二光纤的第二传播层沿第二光纤传播。而后沿第二光纤传播的第一模式光和第二模式光汇合进入第三光纤，两种模式光汇合发生干涉。由于不同模式光在光纤内传播时折射率不同，当受到相同的环境参量变化影响时，不同模式光的特征物理量的改变不相同，当不同模式光汇合发生干涉，根据干涉图的变化能够获得环境参量的变化情况，从而根据本光纤传感装置的测量部获得的干涉图能够测量获得环境参量的变化情况。
本实施例的光纤传感装置中第一模式光和第二模式光始终在同一根光纤内传播，始终处于相同环境，因此能够消除环境因素对测量结果的影响，能够提高测量过程中的灵敏度和测量结果的准确性。
下面结合具体实施方式和附图对本光纤传感装置进行详细说明。请参考图2，图2为本实施例提供的一种光纤传感装置的示意图，由图可知，所述光纤传感装置包括光产生部20、第一光纤21、第二光纤22、第三光纤23和测量部24。光产生部20用于产生相干的第一模式光和第二模式光并将光入射到第一光纤21内，优选的光产生部20可以是激光器，或者也可以采用其它光源器件。
第一光纤21、第二光纤22和第三光纤23依次连接，光产生部20产生的相干光依次通过第一光纤21、第二光纤22和第三光纤23传播。在具体实施时，为了保证光能够依次地通过第一光纤、第二光纤、第三光纤传播，要求三段光纤在模场直径等数据方面兼容。
其中，第二光纤22沿径向依次包括第一传播层和第二传播层，第一传播层和第二传播层分别能够独立传播光，第一光纤21内传播的第一模式光进入第二光纤22的第一传播层独立传播以及第一光纤21内传播的第二模式光进入第二光纤22的第二传播层独立传播。为了实现第一光纤21内传播的两种模式光分别进入第二光纤22的第一传播层和第二光纤22的第二传播层，可以将第二光纤22以第一传播层中心与第一光纤21的芯层中心偏离与第一光纤21连接。请参考图3所示，图3为本实施例的光纤传感装置第一光纤、第二光纤和第三光纤的连接示意图，可以看出其中，第一光纤21包括芯层210，第二光纤22包括第一传播层220和第二传播层221，第三光纤23包括芯层230，第二光纤22以第一传播层220中心与第一光纤21的芯层210中心偏离与第一光纤21连接，其中虚线箭头表示光的传播路径，通过第一光纤21和第二光纤22的连接处，第一光纤21内传播的两种模式光分别进入第二光纤22的第一传播层220和第二传播层221，相互独立地沿第二光纤22传播。
通过第二光纤22的第一传播层传播的第一模式光以及通过第二光纤22的第二传播层传播的第二模式光汇合进入第三光纤23，为了使得在第二光纤22内独立传播的第一模式光和第二模式光能够汇合进入第三光纤23，可以将第二光纤22以第一传播层中心与第三光纤23的芯层中心偏离与第三光纤23连接。请参考图3所示，其中在第二光纤22与第三光纤23连接处，第二光纤22的第一传播层220中心与第三光纤23的芯层230中心偏离。
在具体实施时，第二光纤22与第一光纤21可以熔接，或者第三光纤23与第二光纤22可以熔接。
第二光纤22沿径向依次设置的第一传播层和第二传播层能够分别独立地传播光，第一光纤21内传播的第一模式光进入第二光纤22的第一传播层独立传播以及第一光纤21内传播的第二模式光进入第二光纤22的第二传播层独立传播，能够减少传输过程中不同模式光发生干涉，使在传输过程中不同模式光尽量不发生耦合，能够更好地反映外界环境的变化特征，使得测量结果更加精确。
具体的作为一种实施方式，第二光纤22的第一传播层包括芯层和内包层，第二光纤22的第二传播层包括下陷层和外包层，第二光纤22的所述芯层、所述内包层、所述下陷层和所述外包层沿第二光纤22径向依次排布，所述芯层的折射率大于所述内包层的折射率且所述芯层的折射率大于所述外包层的折射率，所述下陷层的折射率小于所述内包层的折射率且所述下陷层的折射率小于所述外包层的折射率。第二光纤22采用这种结构，使得空气、外包层、下陷层形成一个类似于无芯光纤的结构，使得光能在外包层中稳定传输；而进入第二光纤芯层的光能够稳定传输，从而两种模式光能够分别独立地在第二光纤的芯层和外包层传输。进一步优选的，请参考图4，图4为本实施例的光纤传感装置中第二光纤的折射率分布图，其中芯层222、内包层223、下陷层224和外包层225的折射率依次为n1、n2、n3和n2，其中数值关系为n1>n2>n3。
进一步优选的，本光纤传感装置应用于实际场景中时，第二光纤22的第二传播层裸露于外界环境，这样使得第二光纤保持对外界环境的敏感性，有助于提高测量过程中的灵敏度和测量结果的准确性。在具体制作时可以在第二光纤22的外表面不设置涂覆层，可以采用化学方法将光纤外侧的涂覆层去掉。
本实施例中，第一光纤21可以是单模光纤，或者第三光纤23可以是单模光纤。
通过第二光纤22传播的第一模式光和第二模式光汇合进入第三光纤23而发生干涉，测量部24用于获取第三光纤23输出光的干涉图。本实施例中测量部24可采用电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)。
本实施例的光纤传感装置通过一根光纤分别独立地传输两种不同模式光，并将两种模式光混合发生干涉而实现测量，其中第一模式光和第二模式光始终在同一根光纤内传播，始终处于相同环境，与现有的马赫-增德尔干涉仪中存在两个相互分离路径的方法相比，消除了由于参考臂和干涉臂不在同一环境中造成的测量误差。能够消除环境因素对测量结果的影响，能够提高测量过程中的灵敏度和测量结果的准确性。
相应的，本发明实施例还提供一种探测系统，包括以上所述的光纤传感装置。
本实施例探测系统采用的光纤传感装置，包括光产生部、第一光纤、第二光纤、第三光纤和测量部，光产生部产生相干的第一模式光和第二模式光并将光入射到第一光纤内，第一光纤、第二光纤和第三光纤依次连接，其中第二光纤沿径向依次包括能够独立传播光的第一传播层以及能够独立传播光的第二传播层，第一光纤内传播的第一模式光进入第二光纤的第一传播层独立传播以及第一光纤内传播的第二模式光进入第二光纤的第二传播层独立传播，且第一模式光和第二模式光汇合进入第三光纤而发生干涉，测量部获取第三光纤输出光的干涉图。本光纤传感装置中第一模式光和第二模式光始终在同一根光纤内传播，始终处于相同环境，因此能够消除环境因素对测量结果的影响，能够提高测量过程中的灵敏度和测量结果的准确性。
以上对本发明所提供的一种光纤传感装置及探测系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种光纤传感装置，其特征在于，包括光产生部、第一光纤、第二光纤、第三光纤和测量部，所述光产生部用于产生相干的第一模式光和第二模式光并将光入射到所述第一光纤内，所述第一光纤、所述第二光纤和所述第三光纤依次连接；
所述第二光纤沿径向依次包括能够独立传播光的第一传播层以及能够独立传播光的第二传播层，所述第一光纤内传播的第一模式光进入所述第二光纤的第一传播层独立传播以及所述第一光纤内传播的第二模式光进入所述第二光纤的第二传播层独立传播，且第一模式光和第二模式光汇合进入所述第三光纤而发生干涉，所述测量部用于获取所述第三光纤输出光的干涉图。
2.根据权利要求1所述的光纤传感装置，其特征在于，所述第二光纤以第一传播层中心与所述第一光纤的芯层中心偏离与所述第一光纤连接，所述第二光纤以第一传播层中心与所述第三光纤的芯层中心偏离与所述第三光纤连接。
3.根据权利要求1所述的光纤传感装置，其特征在于，所述第二光纤的第一传播层包括芯层和内包层，所述第二光纤的第二传播层包括下陷层和外包层，所述第二光纤的所述芯层、所述内包层、所述下陷层和所述外包层沿所述第二光纤径向依次排布，所述芯层的折射率大于所述内包层的折射率且所述芯层的折射率大于所述外包层的折射率，所述下陷层的折射率小于所述内包层的折射率且所述下陷层的折射率小于所述外包层的折射率。
4.根据权利要求3所述的光纤传感装置，其特征在于，所述第二光纤的所述内包层折射率与所述外包层折射率一致。
5.根据权利要求1所述的光纤传感装置，其特征在于，所述第二光纤的所述第二传播层裸露于外界环境。
6.根据权利要求1所述的光纤传感装置，其特征在于，所述第一光纤包括单模光纤，或者所述第三光纤包括单模光纤。
7.根据权利要求1-6任一项所述的光纤传感装置，其特征在于，所述第二光纤与所述第一光纤熔接，或者所述第三光纤与所述第二光纤熔接。
8.根据权利要求1所述的光纤传感装置，其特征在于，所述测量部包括CCD。
9.根据权利要求1所述的光纤传感装置，其特征在于，所述光产生部包括激光器。
10.一种探测系统，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的光纤传感装置。
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