CN111323059B - 基于光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的传感装置 - Google Patents

基于光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的传感装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于光纤布拉格光栅法布里‑泊罗腔的传感装置，包括光源单元、光纤环形器、光纤传感单元和光谱检测单元，所述光源单元、光纤传感单元和光谱检测单元分别连接至所述光纤环形器，所述光源单元包括主动锁模激光器，所述光纤传感单元为光纤布拉格光栅法布里‑泊罗腔，所述主动锁模激光器的等效光程为n1L1，所述光纤布拉格光栅法布里‑泊罗腔的等效光程差为2n2L2；其中，
Figure DDA0001908745580000011
i为正整数，
Figure DDA0001908745580000012
本发明可以有效地补偿光纤布拉格光栅法布里‑泊罗腔中的相干光的光程差，获得更大自由光谱范围的干涉条纹，实现了更高的灵敏度，从而提高了传感测量的精度。

Description

基于光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的传感装置
技术领域
本发明涉及传感技术领域，具体是一种基于光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的传感装置。
背景技术
在工业领域的众多行业中，光纤传感器由于其本质安全特性，特别适合于易燃、易爆、强电磁场场所的传感应用要求，可以方便、准确和有效地对各种环境尤其是各种恶劣环境中有关物理量的检测。
光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）传感器的中心峰值波长通常与其所受的温度和应变相关，因此根据此原理，可以将光纤光栅制作成光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器。目前，为了弥补FBG传感器峰值波长不能准确测量的缺点，在FBG传感器的基础上发展出了光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔（FBG-FP）传感器。
光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔是在光纤纤芯中相隔一定距离的两处写入两个参数相同的布拉格光栅，当满足光栅反射条件的某个特定波长的光信号入射时，会被耦合成反射与透射光波，从而使得光波在两光栅之间振荡，形成多光束干涉，从而在布拉格光栅反射带内形成高精细度干涉条纹。利用光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔进行物理量感知的基本原理是：温度、应变等物理量的变化会引起两光栅之间所构成的法布里-泊罗腔的腔长变化，导致干涉条纹的特征波长（透射峰波长或反射峰波长）发生漂移，由于透射峰和反射峰的3dB带宽很小，因此，可以准确测量很小的波长漂移，其灵敏度与FBG传感器相当，但是可以提高测量精度。
虽然目前的FBG-FP传感器相比于FBG传感器提高了波长解调精度，然而，其提高的空间也受限于解调设备的分辨率，在光谱仪的解调方式下可达10pm，在扫描式光源解调下，也只能达到1pm，对应的应变灵敏度为微应变量级，温度灵敏度为0.1摄氏度，不能满足更高的需求，例如，地球潮汐的测量，地震前兆观测等。因此，如何进一步提高FBG-FP传感器的传感测量的精度是业内一直在探索解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的传感装置，该装置可以获得更大自由光谱范围的干涉条纹，实现了更高的灵敏度，从而提高了传感测量的精度。
为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种基于光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的传感装置，包括光源单元、光纤环形 器、光纤传感单元和光谱检测单元，所述光源单元连接至所述光纤环形器的第一端口，所述 光纤传感单元连接至所述光纤环形器的第二端口，所述光谱检测单元连接至所述光纤环形 器的第三端口，其中，所述光源单元包括主动锁模激光器，所述光纤传感单元为光纤布拉格 光栅法布里-泊罗腔，所述主动锁模激光器的等效光程为n1L1，所述光纤布拉格光栅法布里- 泊罗腔的等效光程差为2n2L2；其中，
Figure 202180DEST_PATH_IMAGE001
，i为正整数，
Figure 334084DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，n1为所述主动锁模激光器的激光腔的等效折射率，L1为所述主动锁模激光器的激光腔的等效腔长，n2为所述光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的等效折射率，L2为所述光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的等效腔长，λ为所述光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔中光纤布拉格光栅的反射中心波长，Δλ为所述光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔中光纤布拉格光栅的反射带宽。
优选地，所述k的取值范围是：
Figure 125323DEST_PATH_IMAGE003
。
优选地，所述i的取值范围是：
Figure 735296DEST_PATH_IMAGE004
。
优选地，所述光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的等效折射率n2和等效腔长L2满足条 件：
Figure 764431DEST_PATH_IMAGE005
。
具体地，所述光纤传感单元包括写入到光纤中的第一高反布拉格光栅和第二高反布拉格光栅，所述第一高反布拉格光栅和所述第二高反布拉格光栅具有相同的结构参数并且相互间隔设置构成所述光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔。
具体地，所述第一高反布拉格光栅和所述第二高反布拉格光栅的反射带宽Δλ为0.2nm以上，反射率分别为60%以上。
具体地，所述第一高反布拉格光栅和所述第二高反布拉格光栅的反射率分别为90%以上。
具体地，所述主动锁模激光器为主动锁模光纤激光器。
具体地，所述光源单元还包括光纤隔离器和线偏器，所述主动锁模激光器输出的激光依次通过所述光纤隔离器和所述线偏器后输入到所述光纤环形器的第一端口。
具体地，所述主动锁模光纤激光器、光纤隔离器、线偏器、光纤环形器以及光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔均为单模光纤器件。
本发明实施例提供的基于光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的传感装置，采用主动锁模激光器作为信号光源，通过将主动锁模激光器的等效光程n1L1设置为接近于光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的等效光程差2n2L2的整数倍（或者说是控制激光器的激光脉冲周期为接近于光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的振荡周期的整数倍），由此可以有效地补偿光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔中的相干光的光程差，由此获得更大自由光谱范围的干涉条纹，实现了更高的灵敏度，从而提高了光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔传感测量的精度。
附图说明
图1是本发明实施例的基于光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的传感装置的结构示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。
本实施例提供了一种基于光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的传感装置，如图1所示，所述传感装置包括光源单元1、光纤环形器2、光纤传感单元3和光谱检测单元4。
本实施例中，所述光源单元1包括主动锁模激光器11、光纤隔离器12和线偏器13，所述光纤环形器2包括第一端口21、第二端口22和第三端口23，所述光纤传感单元3为光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔，所述光谱检测单元4为光谱仪。
其中，所述主动锁模激光器11输出的激光依次通过所述光纤隔离器12和所述线偏器13后输入到所述光纤环形器2的第一端口21，再从所述光纤环形器2的第二端口22输入至所述光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔，激光在所述光纤法布里-泊罗腔振荡后形成多光束干涉光，其中的反射光从所述第二端口22返回至所述光纤环形器2，再从所述光纤环形器2的第三端口23输入至所述光谱检测单元4，由所述光谱检测单元4对反射光的光谱进行解调。其中，当所述光纤法布里-泊罗腔所探测的温度、应变等物理量的变化时，会引起光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的等效光程差发生变化，导致干涉条纹的特征波长发生漂移，通过所述光谱检测单元4对干涉条纹进行分析解调获得特征波长漂移量，从而计算获得相应的所探测的物理量参数。
具体地，所述主动锁模光纤激光器11、光纤隔离器12、线偏器13、光纤环形器3以及光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔（光纤传感单元3）均为单模光纤器件。
其中，如图1所示，所述光纤传感单元3包括写入到光纤中的第一高反布拉格光栅31和第二高反布拉格光栅32，所述第一高反布拉格光栅31和所述第二高反布拉格光栅32具有相同的结构参数并且相互间隔设置构成所述光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔，所述第一高反布拉格光栅31和所述第二高反布拉格光栅32的有效间距即为所述光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的腔长。
具体地，所述第一高反布拉格光栅31和所述第二高反布拉格光栅32的反射带宽Δλ为0.2nm以上，反射率分别为60%以上。在更为优选的方案中，所述第一高反布拉格光栅31和所述第二高反布拉格光栅32分别设置为反射率为90%以上的布拉格光栅。
本发明实施例中，所述主动锁模光纤激光器11的激光脉冲周期设置为接近于所述 光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的振荡周期的i倍（i为正整数），或者说是将所述主动锁模 激光器11的等效光程n1L1设置为接近于所述光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的等效光程差 2n2L2的i倍，具体设置为：
Figure 863974DEST_PATH_IMAGE001
，i为正整数，
Figure 345771DEST_PATH_IMAGE002
。其中，n1为 所述主动锁模激光器11的激光腔的等效折射率，L1为所述主动锁模激光器11的激光腔的等 效腔长，n2为所述光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔（光纤传感单元3）的等效折射率，L2为所述 光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔（光纤传感单元3）的等效腔长，λ为所述光纤布拉格光栅法 布里-泊罗腔中光纤布拉格光栅的反射中心波长，Δλ为所述光纤布拉格光栅法布里-泊罗 腔中光纤布拉格光栅的反射带宽。
在本实施例中，所述主动锁模激光器11选择为主动锁模光纤激光器，此时折射率n1和n2可以看做是相等的，通过控制腔长L1为接近于腔长L2的偶数倍，即可使得所述主动锁模激光器11的激光脉冲周期为接近于所述光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的振荡周期的整数倍。
如上实施例提供的基于布拉格光栅光纤法布里-泊罗腔的传感装置，主动锁模激光器11输出的脉冲光Ap(p=1,2,3…)在光纤传感单元3（FBG-FP腔）反射可形成脉冲序列Apq(p=1,2, 3…；q=1,2, 3…)，q代表在FBG-FP腔内振荡次数。而由于所述主动锁模激光器11的激光脉冲周期设置为接近于FBG-FP腔的振荡周期的i倍，当相邻两个输出激光脉冲在FBG-FP腔内振荡次数差异为i时，两个脉冲会发生时间上的重叠，即Apq与A（p-1）（q+i）重叠，并进行干涉。主动锁模激光器11输出的不同的脉冲是相干的，相邻两个激光脉冲时间差对应的初始光程差OPD0=n1L1，这两个脉冲在FBG-FP腔内振荡次数差为i时，产生的附加光程差为-2i n2L2，最终相邻两个脉冲的光程差OPD可以表示为：OPD= n1L1-2i n2L2。同理，相隔j个周期的两个脉冲，在腔内振荡次数差异为j×i(j=1,2, 3…)时会发生时间上的重叠，即Apq与A（p-j）（q+j×i）重叠，并进行干涉，两个脉冲的光程差OPD可以表示为：OPD=j(n1L1-2i n2L2)。因此，主动锁模激光器11输出的脉冲光在光纤传感单元3反射的脉冲序列可形成多光束干涉。
根据多光束干涉理论可以得知，如上实施例提供的基于布拉格光栅光纤法布里- 泊罗腔的传感装置，最终在光纤传感单元3（FBG-FP腔）反射带内形成反射谱的干涉条纹，条 纹中有周期性的陷波谷，且该干涉条纹的自由光谱范围（Free Spectral Range，FSR）为
Figure 759435DEST_PATH_IMAGE006
，而现有的FBG-FP腔的FSR为
Figure 643078DEST_PATH_IMAGE007
。
根据：
Figure 842416DEST_PATH_IMAGE001
，i为正整数，
Figure 811509DEST_PATH_IMAGE008
，则
Figure 294443DEST_PATH_IMAGE009
。 因此本发明实施例的传感装置可以获得更大自由光谱范围（FSR）的干涉条纹。而由于 “波 长/相位”灵敏度与FSR成正比，因此，本发明实施例的传感装置具有更高的灵敏度。另外， FBG-FP腔的多次反射使相位调制量提高i倍，因此最终的系统灵敏度提高的倍数为
Figure 298171DEST_PATH_IMAGE010
。通过提高系统灵敏度可以提高系统的测量精度，因此，在现有的解调设备 的分辨率受限的情况下，本发明实施例的传感装置通过提高系统的灵敏度从而提高了传感 测量的精度。
在优选的方案中，所述k的取值范围是：
Figure 942779DEST_PATH_IMAGE003
。
在优选的方案中，所述i的取值范围是：
Figure 195906DEST_PATH_IMAGE004
。
在优选的方案中，通过控制选择所述光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的参数n2和L2 使得：
Figure 685793DEST_PATH_IMAGE011
。
综上所述，根据本发明的实施例提供的基于光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的传感装置，采用主动锁模激光器作为信号光源，并且控制光源的脉冲周期为接近于光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的振荡周期的整数倍（或者说是将主动锁模激光器的等效光程n1L1设置为接近于光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的等效光程差2n2L2的整数倍），由此可以有效地补偿光纤法布里-泊罗腔中的相干光的光程差，获得更大自由光谱范围的干涉条纹，实现了更高的灵敏度，从而提高了传感测量的精度。
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。

Claims (10)

1.一种基于光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的传感装置，包括光源单元、光纤环形器、光纤传感单元和光谱检测单元，所述光源单元连接至所述光纤环形器的第一端口，所述光纤传感单元连接至所述光纤环形器的第二端口，所述光谱检测单元连接至所述光纤环形器的第三端口，其特征在于，所述光源单元包括主动锁模激光器，所述光纤传感单元为光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔，所述主动锁模激光器的等效光程为n1L1，所述光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的等效光程差为2n2L2；其中，
Figure FDA0001908745550000011
i为正整数，
Figure FDA0001908745550000012
其中，n1为所述主动锁模激光器的激光腔的等效折射率，L1为所述主动锁模激光器的激光腔的等效腔长，n2为所述光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的等效折射率，L2为所述光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的等效腔长，λ为所述光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔中光纤布拉格光栅的反射中心波长，Δλ为所述光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔中光纤布拉格光栅的反射带宽。
2.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的传感装置，其特征在于，所述k的取值范围是：
Figure FDA0001908745550000013
3.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的传感装置，其特征在于，所述i的取值范围是：1≤i≤5。
4.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的传感装置，其特征在于，所述光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的等效折射率n2和等效腔长L2满足条件：
Figure FDA0001908745550000014
5.根据权利要求1-4任一所述的基于光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的传感装置，其特征在于，所述光纤传感单元包括写入到光纤中的第一高反布拉格光栅和第二高反布拉格光栅，所述第一高反布拉格光栅和所述第二高反布拉格光栅具有相同的结构参数并且相互间隔设置构成所述光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔。
6.根据权利要求5所述的基于光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的传感装置，其特征在于，所述第一高反布拉格光栅和所述第二高反布拉格光栅的反射带宽Δλ为0.2nm以上，反射率分别为60％以上。
7.根据权利要求6所述的基于光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的传感装置，其特征在于，所述第一高反布拉格光栅和所述第二高反布拉格光栅的反射率分别为90％以上。
8.根据权利要求1-4任一所述的基于光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的传感装置，其特征在于，所述主动锁模激光器为主动锁模光纤激光器。
9.根据权利要求8所述的基于光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的传感装置，其特征在于，所述光源单元还包括光纤隔离器和线偏器，所述主动锁模激光器输出的激光依次通过所述光纤隔离器和所述线偏器后输入到所述光纤环形器的第一端口。
10.根据权利要求9所述的基于光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔的传感装置，其特征在于，所述主动锁模光纤激光器、光纤隔离器、线偏器、光纤环形器以及光纤布拉格光栅法布里-泊罗腔均为单模光纤器件。
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