CN117516605B - 一种集成回音壁模式微泡微腔的多参量感测系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成回音壁模式微泡微腔的多参量感测系统与方法，包括：干涉信号解调子系统、多参量测量子系统以及多参量分析子系统；所述干涉信号解调子系统，用于基于回音壁模式微泡微腔，进行背向散射激光的干涉信号解调；所述多参量测量子系统，用于基于解调的干涉信号，进行多参量测量；所述多参量分析子系统，用于基于解调的干涉信号，进行多参量分析。本发明有助于大幅度降低WGM模式解调系统的复杂度与解调成本。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，具体涉及一种集成回音壁模式微泡微腔的多参量感测系统与方法。
背景技术
随着传感器应用需求发展，很多时候现有传感系统已经无法满足高精度的测量要求。与光纤系统集成、体积小、具备远程监测能力的光学谐振腔具有很高的测量精度，在多参量如压力，气体测量方面有着独特的优势。在微腔回音壁模式WGM谐振信号解调方法方面，目前的WGM模式解调系统存在复杂度大与解调成本等问题。因为微腔WGM模式的谐振波长会随着传感参量变化而改变，对于常规的传输谱监测方案，输出干涉谱峰是衰减峰，线宽非常窄，为了有效WGM传输谱并解调，就需要利用性能稳定，成本高昂的窄线宽可调谐激光器对波长进行扫描得到WGM模式传输谱，分析才能得到模式的谐振频率以及线宽等信息。
发明内容
本发明旨在解决现有技术的不足，提出一种集成回音壁模式微泡微腔的多参量感测系统与方法，相比于通过监测基于WGM模式干涉效应产生的窄带低通干涉峰，背向散射激光的能量和谱峰位置与该干涉峰密切相关，可以替代干涉峰实现高可靠地微腔模式特性调控。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种集成回音壁模式微泡微腔的多参量感测系统，包括：干涉信号解调子系统、多参量测量子系统以及多参量分析子系统；
所述干涉信号解调子系统，用于基于回音壁模式微泡微腔，进行背向散射激光的干涉信号解调；
所述多参量测量子系统，用于基于解调的干涉信号，进行多参量测量；
所述多参量分析子系统，用于基于解调的干涉信号，进行多参量分析。
优选的，所述干涉信号解调子系统，包括泵浦激光器、环形器、高掺铒光纤、高反射可调滤波器、偏振控制器以及集成回音壁模式微泡微腔；其中，所述高反射可调滤波器与所述集成回音壁模式微泡微腔之间形成激光线性腔；
所述泵浦激光器，用于输出激光；
所述环形器，用于传输所述激光；
所述高掺铒光纤，作为增益介质，用于使所述激光器输出单频激光；
所述高反射可调滤波器，作为激光线性腔的反射腔镜，用于调节所述激光的波长；
所述偏振控制器，用于控制所述激光线性腔的偏振态；
所述集成回音壁模式微泡微腔，作为激光线性腔的输出腔镜，用于进行微泡微腔回音壁模式的能量激发和耦合，完成基于背向散射激光的微腔回音壁模式干涉信号解调。
优选的，基于所述集成回音壁模式微泡微腔的谐振波长，获得所述激光的波长。
优选的，所述集成回音壁模式微泡微腔，包括超薄微泡腔和斜角度端面单模双芯光纤；其中，在预设研磨角度下，所述斜角度端面单模双芯光纤满足波矢匹配。
优选的，多参量测量子系统，包括光谱分析仪、温度控制模块、压强控制模块以及气体控制模块；
所述压强控制模块，用于基于解调的干涉信号，进行压强传感特性测量；
所述气体控制模块，用于基于解调的干涉信号，进行气体传感特性测量；
所述温度控制模块，用于恒温放置所述集成回音壁模式微泡微腔；所述温度控制模块，包括空心结构光纤微球，与所述压强控制模块或所述气体控制模块相连；
所述光谱分析仪，用于基于所述压强传感特性测量或所述气体传感特性测量，获得信号光谱变化图。
优选的，所述多参量分析子系统，包括布拉格光纤光栅、光电探测器、信号采集卡以及计算机；
所述布拉格光纤光栅，用于进行所述集成回音壁模式微泡微腔声波参量的频域分析；
所述光电探测器以及所述信号采集卡，用于进行光强度信号的采集；
所述计算机，用于处理采集的所述光强度信号，进行所述集成回音壁模式微泡微腔的压强参量响应特性分析或气体参量响应特性分析。
优选的，进行所述声波参量的频域分析的过程为：
测量在布拉格光纤光栅光谱范围内窄线宽激光功率的时域变化，并进行傅里叶变换，完成进行集成回音壁模式微泡微腔声波参量的分析。
本发明还提供一种集成回音壁模式微泡微腔的多参量感测方法，所述多参量感测方法基于所述的多参量感测系统实现，包括以下步骤：
基于回音壁模式微泡微腔，进行背向散射激光的干涉信号解调；
基于解调的干涉信号，进行多参量测量以及多参量分析。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的特点在于利用回音壁模式微泡微腔特性，因为回音壁模式微泡微腔的高品质因子在输出端产生线宽极窄的WGM干涉光谱，同时也会在微腔内形成较强的背向散射光，采用激光腔增益放大方式，输实现干涉信号解调，通过分析输出激光特性可以实现主动微腔模式调控及传感测量，这有助于大幅度降低WGM模式解调系统的复杂度与解调成本。相比于通过监测基于WGM模式干涉效应产生的窄带低通干涉峰，背向散射激光的能量和谱峰位置与该干涉峰密切相关，可以替代干涉峰实现高可靠地微腔模式特性调控。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的基于背向散射激光的微腔WGM模式干涉信号解调图；
图2为本发明实施例的微泡微腔传感器的压强传感特性测量图；
图3为本发明实施例的微泡微腔传感器的气体传感特性测量图；
图4为本发明实施例的微泡微腔压强参量响应特性分析图；
图5为本发明实施例的信号光谱变化图。
附图标记说明：泵浦激光器1，环形器2，环形器22，高掺铒光纤3，高反射可调滤波器4，偏振控制器5，集成回音壁模式微泡微腔6，光谱分析仪7，温度控制模块8，压强控制模块9，气体控制模块10，布拉格光纤光栅(FBG)11，光电探测器12，信号采集卡13，计算机14。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
一种集成回音壁模式微泡微腔的多参量感测系统，本发明系统采用激光腔增益放大方式，具体方法是基于微泡微腔的背向散射特性，将微泡微腔视作F-P激光线性腔或环形腔中的半透半反射输出镜面。通过在腔内引入增益介质和泵浦光源，形成基于微腔背向散射效应的单模窄线宽激光输出。
集成回音壁模式微泡微腔的多参量感测系统包括：干涉信号解调子系统、多参量测量子系统以及多参量分析子系统；
所述干涉信号解调子系统，用于基于回音壁模式微泡微腔，进行背向散射激光的干涉信号解调；
进一步的实施方式在于，干涉信号解调子系统，包括泵浦激光器1、环形器2、高掺铒光纤3、高反射可调滤波器4、偏振控制器5以及集成回音壁模式微泡微腔6；其中，高反射可调滤波器4与集成回音壁模式微泡微腔6之间形成激光线性腔；
泵浦激光器1，用于输出激光；
环形器2，用于传输激光；(环形器包括环形器2和环形器22)
高掺铒光纤3，作为增益介质，用于使激光器输出单频激光；铒纤也起到饱和吸收体效果；由980nm激光器泵浦。
高反射可调滤波器4，作为激光线性腔的反射腔镜，用于调节激光的波长；
偏振控制器5，用于控制激光线性腔的偏振态；
集成回音壁模式微泡微腔6，作为激光线性腔的输出腔镜(半透半反射的输出镜面)，用于进行微泡微腔回音壁模式的能量激发和耦合，完成基于背向散射激光的微腔回音壁模式干涉信号解调。由于微腔内的粒子散射效应等因素影响，导致有一定程度的背向散射光谱输出。当微泡微腔品质因子较高(﹥105量级)时，不仅会在输出端产生线宽极窄的WGM干涉光谱，也会在微腔内形成较强的背向散射光，通过采用激光腔增益放大方式，来分析输出激光特性可以实现主动微腔模式调控及传感测量，这有助于大幅度降低WGM模式解调系统的复杂度与解调成本。微腔WGM谐振信号解调监测方法包括微腔的传输谱，反射谱，辐射谱。为了提升解调系统稳定性，结合了Pound-Drever-Hall锁模等技术将激光频率实时调节到回音壁模式谐振频率处，通过实时追踪谐振频率的变化作为信号进行传感。
进一步的实施方式在于，基于集成回音壁模式微泡微腔6的谐振波长，获得激光的波长。
进一步的实施方式在于，集成回音壁模式微泡微腔6，包括超薄微泡腔和斜角度端面单模双芯光纤；其中，在预设研磨角度下，斜角度端面单模双芯光纤满足波矢匹配。从而提高微泡微腔模式调控系统的集成度和稳定性。其中，基于临界态膨胀辅助放电法制备超薄微泡微腔，毛细光纤管一端连接单模光纤，另一端连接压力泵，在填充气压，多次的放电情况下，使得毛细光纤管缓慢膨胀成超薄的单端微泡结构。
多参量测量子系统，用于基于解调的干涉信号，进行多参量测量；
进一步的实施方式在于，多参量测量子系统，包括光谱分析仪7、温度控制模块8、压强控制模块9以及气体控制模块10；
压强控制模块9，用于基于解调的干涉信号，进行压强传感特性测量；
气体控制模块10，用于基于解调的干涉信号，进行气体传感特性测量；
温度控制模块8，用于恒温放置集成回音壁模式微泡微腔6；温度控制模块8，包括空心结构光纤微球，与压强控制模块9或气体控制模块10相连；
光谱分析仪7，用于基于压强传感特性测量或气体传感特性测量，获得信号光谱变化图。
如图1所示，为本发明实施案例的背向散射激光的微腔WGM模式干涉信号解调系统(干涉信号解调子系统连接关系图)：
泵浦激光器1输出端和环形器2输入端连接，环形器2输出端和高掺铒光纤3的输入端连接，另外，环形器2的另一输出端和高反射可调滤波器4输入端连接。掺铒光纤3的输出端和偏振控制器5的输入端连接，偏振控制器5的输出端和集成回音壁模式微泡微腔6的输入端连接，集成回音壁模式微泡微腔6输出端和光谱分析仪7的输入端连接。
多参量测量子系统与干涉信号解调子系统的连接关系：
如图2所示，本实施例微泡微腔传感器的压强传感特性测量：泵浦激光器1输出端和环形器2输入端连接，环形器2输出端和高掺铒光纤3的输入端连接，另外，环形器2的另一输出端和高反射可调滤波器4输入端连接。掺铒光纤3的输出端和偏振控制器5的输入端连接，偏振控制器5的输出端和集成回音壁模式微泡微腔6的输入端连接，集成回音壁模式微泡微腔6输出端和光谱分析仪7的输入端连接，集成回音壁模式微泡微腔6系统放置在一个精密温度控制模块8内，另外与空心结构光纤微球相连的玻璃管另一端与一个压强控制模块9相连接。
如图3所示，本实施例微泡微腔传感器的气体传感特性测量：泵浦激光器1输出端和环形器2输入端连接，环形器2输出端和高掺铒光纤3的输入端连接，另外，环形器2的另一输出端和高反射可调滤波器4输入端连接。掺铒光纤3的输出端和偏振控制器5的输入端连接，偏振控制器5的输出端和集成回音壁模式微泡微腔6的输入端连接，集成回音壁模式微泡微腔6输出端和光谱分析仪7的输入端连接，集成回音壁模式微泡微腔6放置在一个精密温度控制模块8内，另外与空心结构光纤微球相连的玻璃管另一端与一个气体控制模块10相连接。
多参量分析子系统，用于基于解调的干涉信号，进行多参量分析。
进一步的实施方式在于，多参量分析子系统，包括布拉格光纤光栅11、光电探测器12、信号采集卡13以及计算机14；
布拉格光纤光栅11，用于进行集成回音壁模式微泡微腔6声波参量的频域分析；采用基于布拉格光纤光栅11(FBG)的动态光强度解调方案。测量在FBG光谱范围内窄线宽激光功率的时域变化，再通过傅里叶变换，实现被测声波参量的频域分析。具体方法是在确定激光脉冲波长值及其动态变化范围后，定做与其波长相匹配的FBG光纤光栅，使得输出激光脉冲的中心波长大致位于FBG反射谱上升沿或下降沿的中点位置。
光电探测器12以及信号采集卡13，用于进行光强度信号的采集；
计算机14，用于处理采集的光强度信号，进行集成回音壁模式微泡微腔6的压强参量响应特性分析或气体参量响应特性分析。
进一步的实施方式在于，进行声波参量的频域分析的过程为：
测量在布拉格光纤光栅11光谱范围内窄线宽激光功率的时域变化，并进行傅里叶变换，完成进行集成回音壁模式微泡微腔6声波参量的分析。
如图4所示，本实施例微泡微腔压强参量响应特性分析过程的装置结构示意：泵浦激光器1输出端和环形器2输入端连接，环形器2输出端和高掺铒光纤3的输入端连接，另外，环形器2的另一输出端和高反射可调滤波器4输入端连接。掺铒光纤3的输出端和偏振控制器5的输入端连接，偏振控制器5的输出端和集成回音壁模式微泡微腔6的输入端连接，集成回音壁模式微泡微腔6输出端和环形器22输入端连接，集成回音壁模式微泡微腔6放置在一个精密温度控制模块8内，另外与空心结构光纤微球相连的玻璃管另一端与一个压强控制模块9相连接。环形器22的输出端和布拉格光纤光栅(FBG)11输入端连接，另外，环形器22的另一输出端和光电探测器12输入端连接，光电探测器12输出端和信号采集卡13输入端连接，信号采集卡13输出端和计算机14输入端连接。
如图5所示，本实施例所述的一种集成回音壁模式微泡微腔的多参量感测系统所得到的信号光谱变化图。多参量不同数值变化，则出现信号光谱峰值移动。通过分析多参量不同数值变化与信号光谱峰值移动之间的数值关系，最终分析出集成回音壁模式微泡微腔6在传感领域潜在价值。
实施例二
本发明还提供一种集成回音壁模式微泡微腔的多参量感测方法，多参量感测方法基于多参量感测系统实现，包括以下步骤：
基于回音壁模式微泡微腔，进行背向散射激光的干涉信号解调；
基于解调的干涉信号，进行多参量测量以及多参量分析。
总的来说，多参量感测方法基于多参量感测系统，将微泡微腔及斜角度端面双芯光纤耦合系统放置在一个精密温度控制模块内。另外与空心结构光纤微球相连的玻璃管另一端与一个压强(气体)控制模块相连接。在恒温及仅改变填充压强(气体浓度)情况下，空心微腔腔长发生变化，这将导致微腔WGM干涉谱峰发生相应变化，通过监测光谱谱峰变化与压强大小(气体浓度)的关系，可计算出微泡WGM微腔的压强(气体浓度)传感特性。
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (3)
1.一种集成回音壁模式微泡微腔的多参量感测系统，其特征在于，包括：干涉信号解调子系统、多参量测量子系统以及多参量分析子系统；
所述干涉信号解调子系统，用于基于回音壁模式微泡微腔，进行背向散射激光的干涉信号解调；所述干涉信号解调子系统，包括泵浦激光器、环形器、高掺铒光纤、高反射可调滤波器、偏振控制器以及集成回音壁模式微泡微腔；其中，所述高反射可调滤波器与所述集成回音壁模式微泡微腔之间形成激光线性腔；
所述泵浦激光器，用于输出激光；
所述环形器，用于传输所述激光；
所述高掺铒光纤，作为增益介质，用于使所述激光器输出单频激光；
所述高反射可调滤波器，作为激光线性腔的反射腔镜，用于调节所述激光的波长；
所述偏振控制器，用于控制所述激光线性腔的偏振态；
所述集成回音壁模式微泡微腔，作为激光线性腔的输出腔镜，用于进行微泡微腔回音壁模式的能量激发和耦合，完成基于背向散射激光的微腔回音壁模式干涉信号解调；
基于所述集成回音壁模式微泡微腔的谐振波长，获得所述激光的波长；所述集成回音壁模式微泡微腔，包括超薄微泡腔和斜角度端面单模双芯光纤；其中，在预设研磨角度下，所述斜角度端面单模双芯光纤满足波矢匹配；
泵浦激光器输出端和环形器输入端连接，环形器输出端和高掺铒光纤的输入端连接，另外，环形器的另一输出端和高反射可调滤波器输入端连接；掺铒光纤的输出端和偏振控制器的输入端连接，偏振控制器的输出端和集成回音壁模式微泡微腔的输入端连接，集成回音壁模式微泡微腔输出端和光谱分析仪的输入端连接；
集成回音壁模式微泡微腔系统放置在一个精密温度控制模块内，另外与空心结构光纤微球相连的玻璃管另一端与一个压强控制模块或一个气体控制模块相连接；
所述多参量测量子系统，用于基于解调的干涉信号，进行多参量测量；
所述多参量测量子系统，包括光谱分析仪、温度控制模块、压强控制模块以及气体控制模块；
所述压强控制模块，用于基于解调的干涉信号，进行压强传感特性测量；
所述气体控制模块，用于基于解调的干涉信号，进行气体传感特性测量；
所述温度控制模块，用于恒温放置所述集成回音壁模式微泡微腔；所述温度控制模块，包括空心结构光纤微球，与所述压强控制模块或所述气体控制模块相连；
所述光谱分析仪，用于基于所述压强传感特性测量或所述气体传感特性测量，获得信号光谱变化图；
所述多参量分析子系统，用于基于解调的干涉信号，进行多参量分析；
所述多参量分析子系统，包括布拉格光纤光栅、光电探测器、信号采集卡以及计算机；
所述布拉格光纤光栅，用于进行所述集成回音壁模式微泡微腔声波参量的频域分析；
所述光电探测器以及所述信号采集卡，用于进行光强度信号的采集；
所述计算机，用于处理采集的所述光强度信号，进行所述集成回音壁模式微泡微腔的压强参量响应特性分析或气体参量响应特性分析。
2.根据权利要求1所述的集成回音壁模式微泡微腔的多参量感测系统，其特征在于，进行所述声波参量的频域分析的过程为：
测量在布拉格光纤光栅光谱范围内窄线宽激光功率的时域变化，并进行傅里叶变换，完成进行集成回音壁模式微泡微腔声波参量的分析。
3.一种集成回音壁模式微泡微腔的多参量感测方法，所述多参量感测方法基于权利要求1-2任一项所述的多参量感测系统实现，其特征在于，包括以下步骤：
基于回音壁模式微泡微腔，进行背向散射激光的干涉信号解调；
基于解调的干涉信号，进行多参量测量以及多参量分析。
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