CN204963883U - 一种利用啁啾光纤光栅实现激光拍频的测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种利用啁啾光纤光栅实现激光拍频的测量装置，980泵浦光源通过光纤连接波分复用器，该波分复用器的一端通过光纤依次连接有第一掺饵光纤、光纤光栅、第二掺饵光纤、第一线性啁啾光纤光栅和第一光电探测器，其中光纤光栅和第一线性啁啾光纤光栅构成第一光纤谐振腔，波分复用器的另一端通过光纤依次连接有第二线性啁啾光纤光栅和第二光电探测器，其中第二线性啁啾光纤光栅和光纤光栅构成第二光纤谐振腔，第一光电探测器和第二光电探测器分别连接于同一示波器的两端。本实用新型具有更高的精确性，成本低廉，易于实现，具有超高稳定性和准确性。

Description

一种利用啁啾光纤光栅实现激光拍频的测量装置

技术领域

本实用新型属于温度或应力测量装置技术领域，具体涉及一种利用啁啾光纤光栅实现激光拍频的测量装置。

背景技术

1989年Meltz等人提出了光纤布拉格光栅可用紫外激光从侧面对光纤全息曝光来制作光纤布拉格光栅，并证明掺锗光纤在244nm波长附近约35nm宽的强烈吸收带上可以写入光栅，另外由于这种方法制作的光栅其周期和线宽都可以单独选择，因而此技术便得到了充分的研究和发展。近几十年来，光纤光栅传感器一直是世界各国科研工作者研究的热点，从最基本的温度，应变，压力以及到电压，电流，电磁场，振动等各种物理量的测量，都是光纤光栅应用的重要场合。目前世界上各个国家对光纤光栅传感的研究都投入了大量的人力物力，光纤光栅传感器的制作和封装工艺已经非常可靠，应用范围也越来越广。

光纤光栅与传统的电学传感器相比，它具有体积小、重量轻、可靠性好、抗干扰、耐腐蚀、不受电磁干扰、能在复杂的环境下工作，尤其是因为采用波长编码，光纤光栅传感器不受光源功率波动和光纤连接损耗以及光纤器件插入损耗的影响等诸多优点，所以它在传感方面的应用得到越来越多人们的重视。同时随着波长解调技术的深入研究和不断进步，更加推动光纤光栅传感器不断地渗透到各个领域，不管是传统的国防，航空航天等领域，还是现在的物联网，智能结构监测，智能土木建筑，智能航空等等系统都呼唤更加高质量，低成本以及稳定性更好，传感特性更加精密的光学传感器。然而如何检测光纤光栅响应波长的移动，即对波长编码信号进行解调，是实现光纤光栅传感的关键。一般来说，基于光纤布拉格光栅(FBG)传感器是通过光谱的方法来测量布拉格波长的变化，当光纤光栅接触一些应变或温度等物理量的变化时，布拉格波长会发生相应的变化，然而为了检测和测量这样的变化，虽然利用光谱分析仪(OSA)或电频谱分析仪(ESA)等传统光学仪器可以实现对波长编码的解调，但是这类仪器价格昂贵，导致解调系统的成本大大增加，而且体积庞大，携带不便，使用条件苛刻，不适于现场应用。因此，简化解调系统成为了人们关注的焦点，寻找切实可行且成本低廉的解调方案，是使光纤光栅传感器真正走向实用化所必须解决的首要问题。

发明内容

本实用新型解决的技术问题是提供了一种使用方便且成本低廉的利用啁啾光纤光栅实现激光拍频的测量装置。

本实用新型为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种利用啁啾光纤光栅实现激光拍频的测量装置，其特征在于：980泵浦光源通过光纤连接波分复用器，该波分复用器的一端通过光纤依次连接有第一掺饵光纤、光纤光栅、第二掺饵光纤、第一线性啁啾光纤光栅和第一光电探测器，其中光纤光栅和第一线性啁啾光纤光栅构成第一光纤谐振腔，第一线性啁啾光纤光栅的色散量在2000ps/nm以上，波分复用器的另一端通过光纤依次连接有第二线性啁啾光纤光栅和第二光电探测器，其中第二线性啁啾光纤光栅和光纤光栅构成第二光纤谐振腔，第一光电探测器和第二光电探测器分别连接于同一示波器的两端。

本实用新型通过线性啁啾光栅构成两个光纤谐振腔实现两组激光拍频来实现波长编码信号的解调，具有更高的精确性，同时该技术成本低廉，易于实现，具有超高稳定性和准确性，具有广阔的市场前景。

附图说明

图1是本实用新型的模块连接图。

图面说明：1、980nm泵浦光源，2、光纤，3、波分复用器，4、第一掺饵光纤，5、光纤光栅，6、第二掺铒光纤，7、第一线性啁啾光纤光栅，8、第一光电探测器，9、第二线性啁啾光纤光栅，10、第二光电探测器，11、示波器。

具体实施方式

结合附图详细描述本实用新型的具体内容。一种利用啁啾光纤光栅实现激光拍频的测量装置，980泵浦光源1通过光纤2连接波分复用器3，该波分复用器3的一端通过光纤2依次连接有第一掺饵光纤4、光纤光栅5、第二掺饵光纤6、第一线性啁啾光纤光栅7和第一光电探测器8，其中光纤光栅5和第一线性啁啾光纤光栅7构成第一光纤谐振腔，第一线性啁啾光纤光栅7的色散量在2000ps/nm以上，波分复用器3的另一端通过光纤2依次连接有第二线性啁啾光纤光栅9和第二光电探测器10，其中第二线性啁啾光纤光栅9和光纤光栅5构成第二光纤谐振腔，第一光电探测器8和第二光电探测器10分别连接于同一示波器11的两端。

本实用新型具体实施过程中，980nm泵浦光源通过波分复用器(WDM)然后进入光纤谐振腔，光纤谐振腔中设有非线性增益的掺饵光纤，掺饵光纤激发出来的光在光纤谐振腔内不断的被放大，当泵浦光源达到一定功率时，通过光纤光栅的滤波，可以检测到稳定的激光输出，连接光电探测器，通过示波器，就可以看到激光拍频信号。实验中所用光纤光栅(FBG)是窄线宽、低反射率的，线性啁啾光纤光栅(CFBG)是色散率大，时延抖动小，光纤光栅(FBG)和线性啁啾光纤光栅(CFBG)的中心波长位置是一样的。

激光腔的谐振频率为：式中q为纵模的阶次，c为光在真空中的传播速度，n为介质的折射率，L为激光谐振腔腔长。

根据上式，可以得到相邻纵模的频率间隔为：

$\mathrm{\Δ}v=v_{q+1}-v_q=\frac{(q+1)c}{2nL}-\frac{qc}{2nL}=\frac{c}{2nL},$

激光腔的谐振频率Vq，相邻纵模的频率间隔均与谐振腔长度L有关。

在常温(即温度，没有发生变化)无应力施加情况下，通过调节泵浦功率，在示波器上可以看到一个稳定的拍频现象，激光的拍频频率为：

当作用在光纤光栅上的温度(或者应力等物理变化)发生变化时，布拉格波长将会发生相应的变化，对应在线性啁啾光纤光栅上的波长位置也随之发生变化，由于线性啁啾光纤光栅的色散率较大，将会导致光纤谐振腔的腔长发生相对明显的变化，反应在示波器上就是拍频的频率将会发生明显变化，此时频率记为：

这样，通过两次拍频的频率变化量，可以算出来谐振腔长的具体变化量：

${\mathrm{\Δv}}_1-{\mathrm{\Δv}}_2=\frac{c}{2{\mathrm{nL}}_1}-\frac{c}{2{\mathrm{nL}}_2}=\frac{c}{2n}(\frac{1}{L_1}-\frac{1}{L_2}).$

L的变化量为：△L＝L₂-L₁。

由于本实用新型搭建了两个光纤谐振腔，由上述同理可得另一光纤谐振腔腔长L′根据温度变化的变化量：△L′＝L₃-L₄，

温度变化前后拍频的变化量：

${\mathrm{\Δv}}_3-{\mathrm{\Δv}}_4=\frac{c}{2{\mathrm{nL}}_3}-\frac{c}{2{\mathrm{nL}}_4}=\frac{c}{2n}(\frac{1}{L_3}-\frac{1}{L_4}).$

然后再对两组光纤谐振腔腔长变化量求平均值：

再根据线性啁啾光纤光栅的啁啾率S(S＝dλ/dz，表布拉格波长沿纵向z的变化率，单位nm/cm)可以计算出时光纤光栅布拉格波长的变化量：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}L}=S\·\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}\·c,$ c为光速。

温度变化引起的光纤光栅反射波长移动可表示为：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_g}{{\mathrm{\λ}}_g}=({\mathrm{\α}}_s+{\mathrm{\ζ}}_s)\mathrm{\Δ}T,$

其中ζ_s为光纤的热光系数，描述光纤折射率随温度的变化关系，α_s为光纤的热膨胀系数，描述光栅的栅距随温度的变化关系，从而检测出作用在光栅上物理因素的变化量。本实用新型通过构造双光学谐振腔来实现对光纤光栅布拉格波长的解调，精确度更高，具有良好的市场前景。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围。

Claims (1)

1.一种利用啁啾光纤光栅实现激光拍频的测量装置，其特征在于：980泵浦光源通过光纤连接波分复用器，该波分复用器的一端通过光纤依次连接有第一掺饵光纤、光纤光栅、第二掺饵光纤、第一线性啁啾光纤光栅和第一光电探测器，其中光纤光栅和第一线性啁啾光纤光栅构成第一光纤谐振腔，第一线性啁啾光纤光栅的色散量在2000ps/nm以上，波分复用器的另一端通过光纤依次连接有第二线性啁啾光纤光栅和第二光电探测器，其中第二线性啁啾光纤光栅和光纤光栅构成第二光纤谐振腔，第一光电探测器和第二光电探测器分别连接于同一示波器的两端。