CN114336242B - 有源光纤环形腔与光源的波长自动匹配的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学传感技术领域，具体提供一种有源光纤环形腔与光源的波长自动匹配的方法，包括步骤：S1、激光在有源光纤环形腔内循环，经过三端环形器进入可调谐光纤光栅中；S2、当可调谐光纤光栅加调制时，获得可调谐光纤光栅的反射波型，再对时域原始信号进行频率解调，得到一次谐波信号；S3、当一次谐波信号大于预设阈值时，对可调谐光纤光栅进行调谐，直至一次谐波信号小于预设阈值，则完成有源光纤环形腔与光源的波长的自动匹配。本发明的方法，不需要复杂的控温处理来保证光纤光栅的中心波长不发生漂移，可直接通过PID算法完成光纤光栅的中心波长与光源波长的自动匹配，也不需要人工校准滤波器，操作简单。

Description

有源光纤环形腔与光源的波长自动匹配的方法

技术领域

本发明涉及光学传感技术领域，特别涉及一种有源光纤环形腔与光源的波长自动匹配的方法，一种基于该自动匹配方法的有源光纤环形腔衰荡痕量气体检测系统以及检测方法。

背景技术

随着传感技术的发展，光腔衰荡技术由于其具有高灵敏度、可以实现远距离实时检测、实验装置简单等优点越来越受到人们的青睐。该技术能够根据需要对浓度、应力、温度、折射率、压强等物理量进行测量，被广泛应用于大气化学、物理和化学传感器的开发、痕量气体的检测、环境监测等领域。

与传统的腔衰荡结构相比，有源光纤环形腔利用高分比的光纤耦合器代替高反射率镜，构成环形光纤腔，解决了高反镜必须精确对准，腔模式匹配等问题。为防止同一个输入脉冲的两次相邻输出重合，在光纤环形腔中需要加入一定长度的光纤延迟线。同时在腔内增加光放大器作为增益介质，补偿腔内的激光功率损耗，增加光在腔内往返的次数以延长衰荡时间。但放大器的自发辐射噪声会在一定程度上限制测量的准确性和重复性，常用的方法是使用中心波长与光源相同的光纤光栅作为滤波装置滤除噪声，但由于光纤光栅对温度、应力比较敏感，在实际应用中，需要进行控温处理或对光纤光栅进行封装来防止光纤光栅中心波长漂移，增加了操作的复杂性与难度。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供一种利用光纤光栅实现有源光纤环形腔与光源的波长自动匹配的方法，具体通过使用压电陶瓷拉伸光纤光栅改变光纤光栅的中心波长，结合一次谐波锁定算法实现光纤光栅的中心波长自动匹配光源的波长，进而使滤波效果达到最好，提高测量的精度与灵敏度，同时使光纤光栅抗外界环境干扰能力更强。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供一种有源光纤环形腔与光源的波长自动匹配的方法，所述自动匹配的方法包括步骤：

S1、所述光源发出激光，所述激光在所述有源光纤环形腔内循环，经过所述三端环形器进入可调谐光纤光栅中；

S2、当所述可调谐光纤光栅不加调制时，所述激光的反射谱在所述可调谐光纤光栅的中心波长处出现峰值，实现窄带滤波；

当所述可调谐光纤光栅加调制时，通过光电探测器的时域原始信号获得所述可调谐光纤光栅的反射波型，再对所述时域原始信号进行频率解调，得到一次谐波信号；

S3、当所述一次谐波信号大于预设阈值时，对所述可调谐光纤光栅进行调谐，直至所述一次谐波信号小于预设阈值，则完成所述有源光纤环形腔与所述光源的波长的自动匹配。

优选的，所述有源光纤环形腔包括第一耦合器、光放大器、三端环形器、第二耦合器、光纤延迟线以及可调衰减器；

所述第一耦合器的输出端与所述光放大器的输入端连接；所述光放大器的输出端与所述三端环形器的第一端口连接；所述三端环形器的第三端口与所述第二耦合器的输入端连接；所述第二耦合器的输出端与所述光纤延迟线的第一端连接；所述光纤延迟线的第二端与所述可调衰减器连接；所述可调衰减器与所述第一耦合器的输入端连接。

优选的，所述第一耦合器与所述第二耦合器的分光比为99：1。

优选的，所述光放大器为掺铒光纤放大器。

优选的，所述光源为分布式反馈二极管激光器。

优选的，所述光电探测器为铟镓砷光电探测器。

优选的，所述可调谐光纤光栅包括光纤光栅、一对轻质铝块以及压电陶瓷。

优选的，所述对所述可调谐光纤光栅进行调谐包括：根据所述一次谐波信号与零点的差值大小，通过PID算法自动给所述压电陶瓷施加迭代电压反馈，改变所述压电陶瓷的偏置，进而改变所述光纤光栅的中心波长。

本发明所提供的有源光纤环形腔与光源的波长自动匹配的方法，不需要复杂的控温处理来保证光纤光栅的中心波长不发生漂移，可直接通过PID算法完成光纤光栅的中心波长与光源波长的自动匹配，不需要人工校准滤波器，操作简单；不需要引入额外的设备，可直接基于光纤环形腔完成波长自动匹配，不会导致成本的增加；另外，通过采用光纤光栅，对压力敏感，可以精确的与光源波长相匹配，通过此方法滤除放大器自发辐射噪声，可以使滤波效果达到最好；同时，光纤光栅价格低廉，作为滤波器具有成本低的优点。

另一方面，本发明还提供一种基于该自动匹配方法的有源光纤环形腔衰荡痕量气体检测系统，所述检测系统包括上述的有源光纤环形腔、光源、光开关、气室以及数据采集卡；所述气室连接于所述有源光纤环形腔中，用于充入待测气体；所述光源发出的激光在所述有源光纤环形腔内循环；通过上述的有源光纤环形腔与光源的波长自动匹配的方法进行波长匹配，再通过所述数据采集卡控制所述光开关的通断，被放大去噪后的脉冲光在所述有源光纤环形腔内多次往返，通过待测气体吸收引起的衰荡时间变化反演获得所述待测气体的浓度。

再另一方面，本发明还提供一种有源光纤环形腔衰荡痕量气体检测方法，所述检测方法包括步骤：

S11、通过气室充入待测气体，光源发出的激光在有源光纤环形腔内循环；

S22、通过上述的有源光纤环形腔与光源的波长自动匹配的方法进行波长匹配；

S33、通过数据采集卡控制光开关的通断，被放大去噪后的脉冲光在所述有源光纤环形腔内多次往返，通过待测气体吸收引起的衰荡时间变化反演获得所述待测气体的浓度。

本发明所提供的有源光纤环形腔衰荡痕量气体检测系统和检测方法，在光衰荡的过程中，光纤光栅的波长与光源波长相匹配，可以实现很好的滤波效果，提高测量的精度。

附图说明

图1是本发明一种实施例中有源光纤环形腔的结构示意图。

图2是本发明一种实施例中可调谐光纤光栅的结构示意图。

图3(a)是本发明一种实施例中光纤光栅的反射谱。

图3(b)是本发明一种实施例中光纤光栅加调制后的反射谱以及一次谐波信号图。

图4是本发明一种实施例中有源光纤环形腔与光源的波长自动匹配的方法流程图。

图5是本发明一种实施例中有源光纤环形腔衰荡痕量气体检测系统的结构示意图。

附图标记：100、有源光纤环形腔；1、第一耦合器；2、放大器；3、三端环形器；4、第二耦合器；5、光纤延迟线；6、可调衰减器；

8、光开关；9、数据采集卡；10、气室；11、光源；12、光电探测器；13、激光控制器、14、电压放大器；15、数据采集及软件控制装置；

7、可调谐光纤光栅；71、第一铝块；72、第二铝块；73、光纤光栅；74、压电陶瓷。

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，以下结合附图及具体实施例，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用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

如图1所示，为本发明一种实施例的有源光纤环形腔与光源的波长自动匹配的方法中，具体有源光纤环形腔的结构示意图。

在该具体实施例中，有源光纤环形腔100包括第一耦合器1、光放大器2、三端环形器3、第二耦合器4、光纤延迟线5以及可调衰减器6；第一耦合器1、光放大器2以及第二耦合器4分别包括输入端和输出端，第一耦合器1和第二耦合器4用于形成有源光纤环形腔，光放大器2作为增益介质，补偿有源光纤环形腔100内的激光功率损耗，增加光在有源光纤环形腔100内往返的次数以延长衰荡时间；三端环形器3包括第一端、第二端和第三端，三端环形器3主要用于将通过光纤光栅73的信号返回到有源光纤环形腔100以及光电探测器12中；光纤延迟线5包括第一端和第二端，主要用于防止同一个输入脉冲的两次相邻输出重合；可调衰减器6用于衰减光强，同时与光放大器2配合，精确补偿有源光纤环形腔100内的损耗。

具体实施例中，所述第一耦合器1的输出端与所述光放大器2的输入端连接；所述光放大器2的输出端与所述三端环形器3的第一端口连接；所述三端环形器3的第三端口与所述第二耦合器4的输入端连接；所述第二耦合器4的输出端与所述光纤延迟线5的第一端连接；所述光纤延迟线5的第二端与所述可调衰减器6连接；所述可调衰减器6与所述第一耦合器1的输入端连接；具体的，第二耦合器4分光为99％的输出端连接光纤延迟线5的第一端；光纤延迟线5的另一端连接可调衰减器6；可调衰减器6再连接第一耦合器1分光为99％的输入端。

具体实施方式中，第一耦合器1的分光比例与第二耦合器4的分光比例可以为任意比例；更具体的，第一耦合器1与第二耦合器4的分光比可以为99：1；通过该分光比可将大部分的光留在有源光纤环形腔内，极少部分的光输出有源光纤环形腔外。

具体实施方式中，光放大器2可以为任意一种光放大器，优选的实施方式中，光放大器2为掺铒光纤放大器，采用掺铒光纤放大器不但具有低噪声、高增益、高工作功率等特点，同时又具有插损低，耦合效率高等优点。

如图2所示，为本发明一种实施例的有源光纤环形腔与光源的波长自动匹配的方法中，具体可调谐光纤光栅的结构示意图。在该具体实施例中，可调谐光纤光栅7包括光纤光栅73、一对轻质铝块(包括第一铝块71和第二铝块72)以及压电陶瓷74，光纤光栅73由第一铝块71和第二铝块铝块72固定在光路中，光纤光栅73的下方与压电陶瓷74相连，由于压电陶瓷74的逆压电效应，当压电陶瓷74受到外电场的激励时会产生形变，拉伸光纤光栅73，改变光纤光栅73的周期，从而调节其中心波长。

如图3(a)和图3(b)所示，分别是FBG(Fiber Bragg Grating，光纤布拉格光栅)，即光纤光栅73的反射谱以及光纤光栅73加调制后的反射谱以及一次谐波(1f)信号，即为本发明一种实施例中有源光纤环形腔与光源的波长自动匹配的方法原理图。

从图中可以看出，当光源11发出的一束激光进入光纤光栅73时，它能对波长满足光纤反射条件的入射光产生反射，这种反射是一种窄带反射，其反射光谱在光纤光栅73的中心波长处出现峰值，具体如图3(a)所示；当对光纤光栅73进行调制时，其反射谱如图3(b)左上角所示，利用锁相放大器进行频率解调，得到一次谐波信号的幅值波形，一次谐波信号在中心波长处的幅值为零。设置一个预设阈值，当一次谐波信号在中心波长处的幅值大于预设阈值时，PID算法根据一次谐波信号与零点差值大小不断自动给压电陶瓷74施加迭代电压反馈，改变其偏置，使中心波长处一次谐波信号的幅值不断靠近零点；当小于预设阈值时，就认为光纤光栅73的中心波长与光源的波长一致，即完成有源光纤环形腔与光源的波长自动匹配。

如图4所示，是本发明一种实施例中有源光纤环形腔与光源的波长自动匹配的方法流程图，从图中可以看出，自动匹配的方法核心在于一次谐波(1f)信号与预设阈值的比较，开始后检测一次谐波(1f)信号，若一次谐波(1f)信号小于预设阈值，则判断自动匹配完成，结束匹配；一次谐波(1f)信号并不小于预设阈值，则通过自动调节压电陶瓷74的偏置电压，实现对可调谐光纤光栅7的调谐，直到一次谐波(1f)信号小于预设阈值，则判断自动匹配完成。具体的一次谐波(1f)信号与预设阈值的比较，需要通过本发明的有源光纤环形腔以及可调谐光纤光栅7来实现。

本发明具体实施方式中提供的有源光纤环形腔与光源的波长自动匹配的方法中，所述有源光纤环形腔为上述提到的有源光纤环形腔，具体方法包括步骤：

S1、所述光源11发出激光，所述激光在所述有源光纤环形腔100内循环，经过三端环形器3进入可调谐光纤光栅7中；

S2、当所述可调谐光纤光栅7不加调制时，所述激光的反射谱在所述可调谐光纤光栅7的中心波长处出现峰值，实现窄带滤波；

当所述可调谐光纤光栅7加调制时，通过光电探测器12的时域原始信号获得所述可调谐光纤光栅7的反射波型，再对所述时域原始信号进行频率解调，得到一次谐波信号；

S3、当所述一次谐波信号大于预设阈值时，对所述可调谐光纤光栅7进行调谐，直至所述一次谐波信号小于预设阈值，则完成所述有源光纤环形腔100与所述光源11的波长的自动匹配。更优选的实施方式中，预设阈值指所述一次谐波信号的幅值在所述可调谐光纤光栅7的中心波长处为零或接近零；

具体实施方式中，光源11为分布式反馈二极管激光器，通过采用这种半导体激光器，体积小，结构紧凑，并且输出的激光辐射角较小，线宽窄，有很好的稳定性。光电探测器为铟镓砷光电探测器，通过选用该光电探测器，频率响应稳定，对最小可探测光功率灵敏度较高，噪声低，响应度高。

具体的，步骤S3中，对所述可调谐光纤光栅7进行调谐包括：根据所述一次谐波信号与零点的差值大小，通过PID算法自动给所述压电陶瓷74施加迭代电压反馈，改变压电陶瓷74的偏置电压，进而改变所述光纤光栅73的中心波长。

本发明所提供的有源光纤环形腔与光源的波长自动匹配的方法不需要复杂的控温处理来保证光纤光栅的中心波长不发生漂移，可直接通过PID算法完成光纤光栅的中心波长与光源波长的自动匹配，不需要人工校准滤波器，操作简单；不需要引入额外的设备，可直接基于光纤环形腔完成波长自动匹配，不会导致成本的增加；另外，通过采用光纤光栅，对压力敏感，可以精确的与光源波长相匹配，通过此方法滤除放大器自发辐射噪声，可以使滤波效果达到最好；同时，光纤光栅价格低廉，作为滤波器具有成本低的优点。

另一方面，本发明还提供上述有源光纤环形腔与光源的波长自动匹配的方法的应用，如图5所示，本发明具体实施例提供一种有源光纤环形腔衰荡痕量气体检测系统，检测系统包括上述的有源光纤环形腔100、光源11、光开关8、气室10以及数据采集卡9；光源11为分布式反馈二极管激光器，光源11发出的激光在有源光纤环形腔100内循环，通过上述的有源光纤环形腔100与光源11的波长自动匹配的方法进行波长匹配，再通过数据采集卡9控制光开关8的通断，被放大去噪后的脉冲光在有源光纤环形腔100内多次往返，通过待测气体吸收引起的衰荡时间变化可反演所述待测的气体浓度。

具体实施方式中，气室10通过输入端和输出端简单的连接在有源光纤环形腔100中，通过气室10的进气口充入想要检测的气体，即待测气体，以便后续完成对痕量气体浓度的检测。通过数据采集卡9给光开关8施加一个方波电压，实现控制光开关8的通断。在低电平的时候光开关8接通，高电平的时候光开关8切断。

如图5所示，检测系统还包括激光控制器13、电压放大器14和数据采集及软件控制装置15，激光控制器13连接在数据采集卡9的输出端，通过数据采集及软件控制装置15的软件程序用于给分布式反馈二极管激光器，即光源11施加电流。电压放大器14用于给压电陶瓷74施加电压，电压放大器14的输入端同样连接在数据采集卡9的输出端，电压放大器14的输出端连接压电陶瓷，通过软件的PID算法，改变压电陶瓷74的偏置。具体的，数据采集及软件控制装置15可以为电脑等。

具体的，光源11的分布式反馈二极管激光器发出的激光在有源光纤环形腔100内循环；激光在有源光纤环形腔100内通过光放大器2放大，产生了自发辐射噪声；带有噪声的激光通过三端环形器3进入到光纤光栅73中，对光纤光栅73进行调制后，再通过三端环形器3返回到有源光纤环形腔100中；一小部分激光经过第二耦合器4分光比为1％的输出端输出至光电探测器，经数据采集卡9采集，得到光纤光栅73的原始信号，再对原始信号进行频率解调，得到一次谐波信号；若在中心波长处一次谐波信号幅值大于预设阈值，PID算法根据一次谐波信号与零点差值大小不断的自动调节电压放大器从而改变压电陶瓷74的电压，进而改变光纤光栅73的中心波长，使中心波长处一次谐波信号幅值小于预设阈值，这时可认为光纤光栅73的中心波长与光源的波长相对应，完成有源光纤环形腔100与光源11的波长自动匹配过程。具体的，由光源11的分布式反馈二极管激光器发出的连续光经过光开关8切断后出现脉冲光，此时已经完成了波长匹配的过程，所以由光放大器2产生的噪声可以被滤除掉，获得被放大去噪的脉冲光波长匹配后，再通过数据采集卡9控制光开关8的通断，被放大去噪后的脉冲光在有源光纤环形腔100内多次往返，由待测气体吸收引起的衰荡时间变化可反演待测气体浓度。在光衰荡的过程中，光纤光栅73的波长与光源11的波长自动相匹配，可以实现很好的滤波效果，提高测量的精度。

具体实施方式中，本发明提供的有源光纤环形腔衰荡痕量气体检测方法包括步骤：

S11、通过气室10充入待测气体，光源11发出的激光在有源光纤环形腔100内循环；

S22、通过上述的有源光纤环形腔100与光源11的波长自动匹配的方法进行波长匹配；

S33、通过数据采集卡9控制光开关8的通断，被放大去噪后的脉冲光在所述有源光纤环形腔100内多次往返，通过待测气体吸收引起的衰荡时间变化反演获得所述待测气体的浓度。

本发明所提供的有源光纤环形腔衰荡痕量气体检测系统和检测方法，在光衰荡的过程中，光纤光栅的波长与光源波长相匹配，可以实现很好的滤波效果，提高测量的精度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种有源光纤环形腔与光源的波长自动匹配的方法，其特征在于，所述自动匹配的方法包括步骤：

S1、所述光源发出激光，所述激光在所述有源光纤环形腔内循环，经过三端环形器进入可调谐光纤光栅中；

S2、当所述可调谐光纤光栅不加调制时，所述激光的反射谱在所述可调谐光纤光栅的中心波长处出现峰值，实现窄带滤波；

当所述可调谐光纤光栅加调制时，通过光电探测器的时域原始信号获得所述可调谐光纤光栅的反射波型，再对所述时域原始信号进行频率解调，得到一次谐波信号；

S3、当所述一次谐波信号大于预设阈值时，对所述可调谐光纤光栅进行调谐，直至所述一次谐波信号小于预设阈值，则完成所述有源光纤环形腔与所述光源的波长的自动匹配。

2.如权利要求1所述的有源光纤环形腔与光源的波长自动匹配的方法，其特征在于，所述有源光纤环形腔包括第一耦合器、光放大器、三端环形器、第二耦合器、光纤延迟线以及可调衰减器；

所述第一耦合器的输出端与所述光放大器的输入端连接；所述光放大器的输出端与所述三端环形器的第一端口连接；所述三端环形器的第三端口与所述第二耦合器的输入端连接；所述第二耦合器的输出端与所述光纤延迟线的第一端连接；所述光纤延迟线的第二端与所述可调衰减器连接；所述可调衰减器与所述第一耦合器的输入端连接。

3.如权利要求2所述的有源光纤环形腔与光源的波长自动匹配的方法，其特征在于，所述第一耦合器与所述第二耦合器的分光比为99：1。

4.如权利要求2所述的有源光纤环形腔与光源的波长自动匹配的方法，其特征在于，所述光放大器为掺铒光纤放大器。

5.如权利要求1所述的有源光纤环形腔与光源的波长自动匹配的方法，其特征在于，所述光源为分布式反馈二极管激光器。

6.如权利要求1所述的有源光纤环形腔与光源的波长自动匹配的方法，其特征在于，所述光电探测器为铟镓砷光电探测器。

7.如权利要求1所述的有源光纤环形腔与光源的波长自动匹配的方法，其特征在于，所述可调谐光纤光栅包括光纤光栅、一对轻质铝块以及压电陶瓷。

8.如权利要求7所述的有源光纤环形腔与光源的波长自动匹配的方法，其特征在于，所述对所述可调谐光纤光栅进行调谐包括：根据所述一次谐波信号与零点的差值大小，通过PID算法自动给所述压电陶瓷施加迭代电压反馈，改变所述压电陶瓷的偏置，进而改变所述光纤光栅的中心波长。

9.一种有源光纤环形腔衰荡痕量气体检测系统，其特征在于，所述检测系统包括有源光纤环形腔、光源、光开关、气室以及数据采集卡；

所述气室连接于所述有源光纤环形腔中，用于充入待测气体；

所述光源发出的激光在所述有源光纤环形腔内循环；

通过权利要求1-8任意一项所述的有源光纤环形腔与光源的波长自动匹配的方法进行波长匹配，再通过所述数据采集卡控制所述光开关的通断，被放大去噪后的脉冲光在所述有源光纤环形腔内多次往返，通过待测气体吸收引起的衰荡时间变化反演获得所述待测气体的浓度。

10.一种有源光纤环形腔衰荡痕量气体检测方法，应用于权利要求9所述的一种有源光纤环形腔衰荡痕量气体检测系统，其特征在于，所述检测方法包括步骤：

S11、通过气室充入待测气体，光源发出的激光在有源光纤环形腔内循环；

S22、通过权利要求1-8任意一项所述的有源光纤环形腔与光源的波长自动匹配的方法进行波长匹配；

S33、通过数据采集卡控制光开关的通断，被放大去噪后的脉冲光在所述有源光纤环形腔内多次往返，通过待测气体吸收引起的衰荡时间变化反演获得所述待测气体的浓度。