CN112816097A - 一种光纤随机激光高温传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤随机激光高温传感器,属于光纤传感技术领域。包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、随机光纤光栅、光环行器、光纤隔离器、管壁炉和光谱仪,波分复用器的两端分别连接泵浦源和增益光纤,增益光纤的一端连接于光环形器,光环形器的输出端依次连接随机光纤光栅,光纤隔离器和光谱仪且随机光纤光栅置于管壁炉内;泵浦光经波分复用器耦合进入增益光纤放大,光环形器将放大后的激光耦合进入随机光纤光栅;调节管壁炉温度使随机光纤光栅的波长发生变化,光谱仪记录输出激光的光谱实现对温度的传感。本发明传感器可以获得极低的阈值、超高的光学信噪比以及在较高的温度下进行传感,在实际需要进行高温监测与测量等方面具有极大的前景。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域,更具体地,涉及一种光纤随机激光高温传感器。
背景技术
近年来,随着对光纤随机激光器的不断研究,各种应用也相应的成熟,对随机光纤激光器中的关键器件随机光纤光栅的研究也得到广泛的关注,基于光纤随机激光器的传感器也同样获得了高速发展,极大丰富了光纤随机激光器的研究与应用领域。
光纤随机激光器具有结构简单、尺寸小、重量轻、抗干扰、耐腐蚀、灵敏度高的优点,同时也适合在长距离点或分布式测量、易构成大规模的传感网络等一系列优点,现已成为国内外研究的热点,并在航空航天、食品加工、环境监测、金属冶炼、火灾监测等行业有着广泛的应用前景。近年来随着对光纤随机激光器的广泛研究,光纤随机激光温度传感器也被提出。
目前,光纤随机激光器主要分为:(1)采用光纤内固有的瑞利散射提供随机反馈,这类光纤随机激光器通常采用半开放腔的结构,一端是长光纤,另一端是采用温度敏感的光纤布拉格光栅,通过利用光纤布拉格光栅对温度敏感从而实现对温度的传感。然而,由于光纤中的瑞利散射非常的弱以及对波长不敏感,因而这类传感器的阈值非常高而且光学信噪比非常低,降低了传感的性能。(2)采用随机光纤光栅提供随机反馈,这类随机激光器通常具有较低的阈值以及非常高的光学信噪比。然而现有技术的这类随机激光器由于采用的随机光纤光栅的反射谱中的多个反射峰具有相近的反射率而通常需要采用窄带滤波器才能够获得稳定的单波长激射,这也导致随机激光器的波长难以连续调谐而难以应用于温度的传感中。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种光纤随机激光高温传感器,由此解决现有技术中随机激光高温传感器阈值高的技术问题。
为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了一种光纤随机激光高温传感器,所述高温传感器包括:泵浦源、波分复用器、增益光纤、随机光纤光栅、光环形器、管壁炉和光谱仪;
所述泵浦源的输入端连接于所述波分复用器的输入端,所述波分复用器的输出端连接于所述增益光纤的一端,所述增益光纤的另一端连接于所述光环形器的第一端口;所述随机光纤光栅的一端连接于所述光环形器的第二端口,其另一端连接于所述光谱仪的输入端;
所述随机光纤光栅置于所述管壁炉的内部;
所述泵浦源用于输出泵浦光,所述波分复用器用于将所述泵浦光耦合进入所述增益光纤进行放大,所述光环形器用于将放大后的激光耦合进入所述随机光纤光栅;所述管壁炉用于通过调节其内部温度以使所述随机光纤光栅的波长发生相应变化,通过所述光谱仪记录输出激光的光谱从而实现对温度的传感。
优选地,还包括光纤隔离器,所述光纤隔离器的输入端连接于所述随机光纤光栅的一端,其输出端连接于所述光谱仪的输入端;
所述光纤隔离器用于消除由所述随机光纤光栅输出激光的寄生反馈以提高激光输出的稳定性。
优选地,所述增益光纤为掺饵光纤。
优选地,所述光环形器还用于将所述随机光纤光栅反射的激光再次注入至随机光纤激光腔中。
优选地,所述随机光纤光栅为光纤沿轴向随机分布的子光栅构成,所述子光栅为布拉格光栅。
优选地,所述随机光纤光栅的制作方法具体为:将光纤置于电动位移平台上,借助飞秒激光刻写出一个子光栅后再将光纤沿轴向移动一段距离,并再次刻写一个子光栅,刻写的过程中实时监测子光栅的反射谱,直至最高反射峰的反射率与其他反射峰的反射率的差大于预设阈值后停止刻写。
优选地,将光纤沿轴向移动一段距离为任意长度,以使相邻子光栅的无光栅区的长度为随机长度。
优选地,所述无光栅区的长度小于相邻所述子光栅的长度。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,能够取得下列有益效果:
1、本发明提出的一种光纤随机激光高温传感器,通过部分反射的随机光纤光栅提供窄带强随机反馈,使得光纤随机激光器应用于温度传感器的阈值极低并且具有极高的光学信噪比。
2、本发明提出的一种光纤随机激光高温传感器,通过使用较低的飞秒激光的脉冲能量,低于光纤的损伤阈值,并且不需要去除光纤涂覆层,保证了随机光纤光栅的机械强度,提高了温度传感器的鲁棒性和稳定性。
3、本发明提出的一种光纤随机激光高温传感器所制备的随机光纤光栅可以方便刻写在各个波段,使得光纤随机激光器可以采用各种增益光纤,并同时适用环形器以及线性腔结构。
4、本发明提出的一种光纤随机激光高温传感器,其中构成随机光纤光栅的子光栅以及邻近子光栅的间距的参数并不需要相同的参数,降低了对随机光纤光栅的加工精度并且极大地降低了对加工系统的要求以及加工的成本。
5、本发明提出的一种光纤随机激光高温传感器制造成本低,性能稳定,灵活性高。
6、本发明提出的一种光纤随机激光高温传感器在实际温度监测与测量等方面具有极大的应用前景。
附图说明
图1是本发明光纤随机激光高温传感器的结构示意图;
图2是本发明光纤随机激光高温传感器的随机光纤光栅的结构示意图;
图3是本发明光纤随机激光高温传感器采用飞秒激光制备随机光纤光栅的结构示意图;
图4是本发明刻写随机光纤光栅的反射谱和透射谱的示意图;
图5是本发明光纤随机激光器输出功率曲线图;
图6是本发明光纤随机激光器在不同温度下的光谱;
图7是本发明光纤随机激光器的输出波长随温度变化的示意图;
图8是本发明光纤随机激光器在500℃时输出波长和峰强度在2h内的变化图。
在所有附图中,相同的附图标记用来表示相同的元件或结构,其中:泵浦源11;波分复用器12;增益光纤13;随机光纤光栅14;光纤隔离器15;管壁炉16;光环形器17;光谱仪18;光纤本体21;子光栅22;无光栅区23;位移平台31;激光光束32;飞秒激光器33;显微物镜34;宽带光源35;第二光环形器36;第二光谱仪37。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示,本发明提出了一种光纤随机激光高温传感器,包括泵浦源11、波分复用器12、增益光纤13、随机光纤光栅14、光环形器17、管壁炉16、光纤隔离器15和光谱仪18,其中
优选地,所述增益光纤13为掺饵光纤。
本发明的高温传感器连接结构如图1所示,所述泵浦源11的输入端连接于所述波分复用器12的输入端,所述波分复用器12的输出端连接于所述增益光纤13的一端,所述增益光纤13的另一端连接于所述光环形器17的第一端口,所述随机光纤光栅14的一端连接于所述光环形器17的第二端口,其另一端连接于所述光纤隔离器15的输入端,所述光纤隔离器15的输出端连接于所述光谱仪18的输入端。
本发明提出的高温传感器的工作原理为:
泵浦源31输出泵浦激光,所述泵浦激光经所述波分复用器12耦合后进入所述增益光纤13,所述增益光纤13受激并使激光放大后进入所述光环形器17,所述光环形器17用于将放大后的激光耦合进入所述随机光纤光栅14,所述随机光纤光栅14置于所述管壁炉16内,所述管壁炉16通过调节其内部的温度以使所述随机光纤光栅14的波长发生相应变化,通过所述光谱仪18对输出激光的光谱进行记录从而实现对温度的传感。
如图2所示,本发明中所述随机光纤光栅14为光纤沿轴向随机分布的子光栅构成,所述子光栅为布拉格光栅。
具体的,图2为本发明随机光纤光栅的结构图,如图2所示,所述光纤包括子光栅22和无光栅区23,所述子光栅22沿所述光纤的轴向随机分布,所述无光栅区23设于两相邻子光栅22之间。具体的,临近子光栅的无光栅区23的长度是随机的,所述子光栅22的参数,包括长度、周期、数目根据实际需要确定,在同一随机光纤光栅中的所述子光栅22的参数可以是相同也可以是不同。
优选地,所述无光栅区23的长度小于相邻子光栅22的长度,以提高制作最高反射峰的反射率显著大于其他反射峰的反射率的随机光纤光栅的概率。
本发明的实施例中随机光纤光栅的制作方法具体包括:
S1,使用飞秒激光沿光纤纤芯的轴向随机间隔刻写若干子光栅。
S2,刻写的同时监测子光栅反射率的反射谱,直至最高反射峰的反射率与其他反射峰的反射率的差大于预设阈值后,停止刻写并形成随机光纤光栅。
本发明的实施例中所述飞秒激光的波长为520nm,所述光纤为单模光纤,所述子光栅的刻写是采用飞秒激光直写法之一的逐点法刻写的方式,所述宽带光源为掺饵自发辐射源。
具体的,将光纤置于移动平台上,使所述光纤的轴向垂直于飞秒激光光束的入射方向;
通过显微镜观察并调整所述光纤的位置,使飞秒激光器输出的光束通过显微物镜聚焦于所述光纤的纤芯中心;
所述飞秒激光器曝光的同时所述移动平台移动从而在所述光纤的纤芯刻写子光栅。
具体的,所述移动平台沿所述光纤的轴向随机移动一段距离,并再次刻写子光栅。
具体的,宽带光源输出的测试光经过光纤环形器到达所述子光栅;
所述测试光经所述子光栅反射后的反射光经所述光纤环形器输入到光谱仪中;
通过对所述光谱仪的监测从而实现对所述子光栅反射率的反射谱的实时监测。
更进一步的说明,所述子光栅为布拉格光栅。
本发明的工作原理:
随机光纤光栅是由子光栅在光纤轴向的随机分布构成,在子光栅的连续刻写时随机光纤光栅反射峰之间的相对反射率随子光栅数目的增加表现为随机涨落,某些反射峰的反射率相对于其他反射峰会增长的更快因此具有更大的反射率,从而确保可以获得最高反射峰的反射率显著大于其他反射峰的反射率的随机光纤光栅。另一方面,随机光纤光栅的反射率太高和太低都难以获得最高反射峰的反射率显著大于其他反射峰的反射率,并仅在部分反射光纤光栅中才可能实现。由于借助了最高反射峰的反射率显著大于其他反射峰的反射率的随机光纤光栅提供随机反馈,因而所发明的光纤随机激光器无需借助滤波器就能够实现稳定的单波长运转。通过利用随机光纤光栅对温度敏感这一特性,从而可以很容易实现光纤随机激光温度传感器,而借助飞秒制备随机光纤光栅可以使得该传感器具有很好的高温抵抗力。
图3是本发明采用飞秒激光制备随机光纤光栅的结构示意图。如图3所示,制作上述随机光纤光栅的装置包括移动平台31、飞秒激光器33、显微物镜34、宽带光源35、第二光环形器36和第二光谱仪37。所述宽带光源35连接于所述第二光环形器36的第一端口,所述第二光环形器36的第二端口连接于所述第二光谱仪37,所述第二光环行器36的第三端口连接于所述光纤本体21。
更进一步的说明,所述光纤本体21置于所述移动平台31上,所述飞秒激光器33输出的激光光束32通过所述显微物镜34聚集于所述光纤本体21的纤芯中心。本实施例中,通过显微镜观察并调整所述光纤本体21的位置,使所述光纤本体21的轴向垂直于所述激光光束32的入射方向。
图4是本发明刻写随机光纤光栅的反射谱和透射谱的示意图,如图4所示,本发明的一个具体实施例中,部分反射的随机光纤光栅是由8个相同的子光栅构成,每个子光栅的长度为800μm并且反射率约为6%,无光栅区的长度分别为61,43,455,623,747,104,456μm,反射谱中最高反射峰的反射率为74.9%,并且相较于第二高反射峰的反射率大了18.8%,由于随机光纤光栅的最高反射峰的反射率显著大于其他反射峰,因而可以确保基于这个随机光纤光栅的光纤随机激光器可以实现不借助滤波器获得稳定的单波长运转;图5是本发明光纤随机激光器输出功率曲线图,插图为阈值附近的放大图,激光器的阈值仅为6.4mW;图6是本发明光纤随机激光器在不同温度下的光谱,在所有温度下的光谱的光学信噪比均高达70dB;图7是本发明光纤随机激光器的输出波长随温度变化的示意图,线性拟合的均方根误差为0.05,表明输出波长随温度的变化表现出非常好的线性性,拟合的斜率表明我们的温度灵敏度为12.7pm;图8是本发明光纤随机激光器在500℃时输出波长和峰强度在2h内的变化图,在2h内波长和峰强度抖动分别为16pm和0.22dB,表明本发明的光纤随机激光温度传感器确实可以稳定工作在500℃高温下。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种光纤随机激光高温传感器,其特征在于,所述高温传感器包括:泵浦源(11)、波分复用器(12)、增益光纤(13)、随机光纤光栅(14)、光环形器(17)、管壁炉(16)和光谱仪(18);
所述泵浦源(11)的输出端连接于所述波分复用器(12)的输入端,所述波分复用器(12)的输出端连接于所述增益光纤(13)的一端,所述增益光纤(13)的另一端连接于所述光环形器(17)的第一端口;所述随机光纤光栅(14)的一端连接于所述光环形器(17)的第二端口,其另一端连接于所述光谱仪(18)的输入端;
所述随机光纤光栅(14)置于所述管壁炉(16)的内部;
所述管壁炉(16)用于模拟实际传感器应用的高温场景;
所述泵浦源(11)用于输出泵浦光,所述波分复用器(12)用于将所述泵浦光耦合进入所述增益光纤(13)进行放大,所述光环形器(17)用于将放大后的激光耦合进入所述随机光纤光栅(14);所述管壁炉(16)用于通过调节其内部温度以使所述随机光纤光栅(14)的波长发生相应变化,通过所述光谱仪(18)记录输出激光的光谱从而实现对温度的传感。
2.根据权利要求1所述的一种光纤随机激光高温传感器,其特征在于,还包括光纤隔离器(15),所述光纤隔离器(15)的输入端连接于所述随机光纤光栅(14)的一端,其输出端连接于所述光谱仪(18)的输入端;
所述光纤隔离器(15)用于消除由所述随机光纤光栅(14)输出激光的寄生反馈以提高激光输出的稳定性。
3.根据权利要求1或2所述的一种光纤随机激光高温传感器,其特征在于,所述光环形器(17)还用于将所述随机光纤光栅(14)反射的激光再次注入至随机光纤光栅(14)中。
4.根据权利要求3所述的一种光纤随机激光高温传感器,其特征在于,所述随机光纤光栅(14)为光纤沿轴向随机分布的子光栅构成,所述子光栅为布拉格光栅。
5.根据权利要求4所述的一种光纤随机激光高温传感器,其特征在于,所述随机光纤光栅(14)的制作方法具体为:将光纤置于电动位移平台上,借助飞秒激光刻写出一个子光栅后再将光纤沿轴向移动一段距离,并再次刻写一个子光栅,刻写的过程中实时监测子光栅的反射谱,直至最高反射峰的反射率与其他反射峰的反射率的差大于预设阈值后停止刻写。
6.根据权利要求5所述的一种光纤随机激光高温传感器,其特征在于,将光纤沿轴向移动一段距离为任意长度,以使相邻子光栅的无光栅区的长度为随机长度。
7.根据权利要求5或6所述的一种光纤随机激光高温传感器,其特征在于,所述随机光纤光栅是借助飞秒激光直写法制作的。
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