CN209820413U - 一种光纤干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种光纤干涉仪，其结构包括耦合器、偏振控制器以及两段保偏光纤。本实用新型采用两种保偏光纤引入不同的光程差，当两段保偏光纤的长度差满足预设条件时，该结构的光谱将包含不同的频率分量，从而产生游标效应，干涉光的光谱由包络谱和精细谱组成，包络谱的应变灵敏度相比单段保偏光纤组成的干涉仪的应变灵敏度增加，使传感灵敏度大大提高。本实用新型将两段保偏光纤进行级联，通过计算发现传感器的灵敏度由保偏光纤的长度和固有灵敏度决定，与基于单个保偏光纤的干涉仪相比，包络和精细谱在应变和温度变化时发生不同反应，具有实现应变和温度同步测量的潜力，且结构简单，制作方便，成本低。
Description
技术领域
本实用新型涉及光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种光纤干涉仪。
背景技术
光纤应变传感器是结构健康监测和分布式传感应用的重要候选。与传统的应变传感方法相比，光纤传感具有体积小、制作简单、抗电磁干扰、分辨率高等特点。到目前为止，人们已经提出了许多不同种类的光纤传感装置，如光纤光栅和光纤干涉仪。在光纤光栅应变传感器中，光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)和长周期光栅(Long PeriodFiber Grating，LPG)都是潜在的传感元件，并得到了广泛的研究。这些传感器易于制造，但应变灵敏度低，典型的光纤光栅传感器应变灵敏度只有1.2pm/με，基于长周期光纤光栅的传感器应变灵敏度只有7.6pm/με。干涉型光纤传感器的灵敏度较高，但制造过程通常比较复杂。此外，游标效应是一种可以大幅度提高灵敏度的方法，但基于游标效应的传感器通常需要两个独立的干涉仪，结构复杂。
上述传感器的一个常见问题是应变传感会受到温度的干扰。为了解决这一问题，基于矩阵法的多参数同时测量传感器成为一个有吸引力的解决方案。一种可行的方法是设计基于多模干涉干涉仪，该方法利用多种模式的差异实现多参数同时传感，但这种传感器的重复性较差。另一种方法是级联两个具有不同灵敏度的独立光纤器件，但该方法仍面临结构复杂、成本高的挑战。
实用新型内容
针对现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于解决现有光纤应变传感器高灵敏度与低成本、简单结构不能兼得的问题，以及应变传感容易受温度干扰的技术问题。
为实现上述目的，本实用新型提供一种光纤干涉仪，包括：耦合器、偏振控制器、第一段保偏光纤以及第二段保偏光纤；
所述耦合器的第一端接收输入光，所述耦合器将输入光分为两束；
所述耦合器的第二端连接第一段保偏光纤的一端，所述耦合器的第三端连接偏振控制器的一端，所述偏振控制器的另一端连接第二段保偏光纤的一端，所述第一段保偏光纤的另一端和第二段保偏光纤的另一端连接，所述第一段保偏光纤快轴和第二段保偏光纤快轴的夹角为预设角度；所述耦合器、偏振控制器、第一段保偏光纤以及第二段保偏光纤组成光纤环，所述偏振控制器用于控制光纤环内引入的偏振旋转角；
所述耦合器将输入光分为两束，分别沿顺时针和逆时针穿过光纤环，一束穿过第一段保偏光纤至第二段保偏光纤回到耦合器，另一束穿过第二段保偏光纤至第一段保偏光纤回到耦合器，两束输入光经过两段保偏光纤时引入相位差，回到耦合器后的两束输入光发生干涉，得到干涉光；
所述耦合器的第四端输出干涉光，当第一段保偏光纤和第二段保偏光纤的长度差满足预设条件时，所述干涉光的光谱由包络谱和精细谱组成，所述包络谱的应变灵敏度相比单段保偏光纤组成的干涉仪的应变灵敏度增加。
可选地，所述萨格纳克光纤干涉仪输出的干涉光的透射率为：
其中，T表示透射率，α和β分别表示耦合器的第一端至第一段保偏光纤拼接处引入的偏振旋转角，β表示第二段保偏光纤至耦合器第三端拼接处引入的偏振旋转角，θ表示所述预设角度，B表示两段保偏光纤的双折射率，λ表示输入光的波长、L1表示第一段保偏光纤的长度，L2表示第二段保偏光纤的长度；
当L1和L2的差值小于预设阈值时，所述精细谱由高频周期函数决定，所述包络谱由低频周期函数决定，形成级联式游标效应。
可选地，所述包络谱的应变灵敏度Kε,E与单段保偏光纤组成的干涉仪的应变灵敏度Kε满足关系式：L0表示其中一段保偏光纤中接受应变作用部分的长度。
可选地，所述萨格纳克光纤干涉仪的波长漂移与参量变化的关系表示如下：
其中，ΔλE和ΔλF分别表示包络谱和精细谱的位移，Δε表示应变变化量，ΔT表示温度变化量，Kε，E表示包络谱的应变灵敏度，Kε，F表示精细谱的应变灵敏度，KT，E表示包络谱的温度灵敏度，KT，F表示精细谱的温度灵敏度。
可选地，所述第一段保偏光纤和第二段保偏光纤均为熊猫型保偏光纤。
总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本实用新型采用两段长度相近的保偏光纤进行级联，快轴夹角为预设角度，并对其中一段的预设长度进行应变测量，使这种结构的干涉仪产生游标效应，大大提高了传感的灵敏度。
本实用新型通过计算级联保偏光纤的传递函数，通过分析和设置合适的参数，使该结构的透射谱由包络和精细谱的组成，分别对应变和温度变化产生不同的反应，实现了应变和温度的同时测量，并得到了灵敏度的表达式，消除了温度对应变灵敏度的影响。
本实用新型结构简单、制作方便、重复性好、成本低，可作为一个应用于实际工程中的良好选择。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的光纤干涉仪的原理结构图；
图2(a)为本实用新型实施例提供的光纤干涉仪的应变传感实验原理图；
图2(b)为本实用新型实施例提供的光纤干涉仪的温度传感实验原理图；
图3为本实用新型实施例提供的基于两个保偏光纤的萨格纳克光纤干涉仪应变传感实验的包络与精细谱的波长漂移与应变的关系示意图；
图4为本实用新型实施例提供的基于两个保偏光纤的萨格纳克光纤干涉仪温度传感实验的包络与精细谱的波长漂移与温度的关系示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型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。
针对目前领域内存在的问题，本实用新型的目的在于解决现有光纤应变传感器高灵敏度与低成本、简单结构不能兼得的问题，以及应变传感容易受温度干扰的问题。
为了实现上述目的，本实用新型提出了一种基于游标效应的萨格纳克(Sagnac)光纤干涉仪，其结构包括3dB耦合器、普通单模光纤、偏振控制器以及两段保偏光纤。其中，萨格纳克是光纤干涉仪的一种分类，具体指将一束光分成两束反向传输的光，最后产生干涉的环形干涉仪。
具体地，两段保偏光纤的长度分别为28cm和23cm。
具体地，两段保偏光纤快轴的夹角为45°。
具体地，利用其中一段保偏光纤长度为12.5cm的一部分来测量应变。
具体地，该结构可实现应变和温度的同时测量。
具体地，该结构可产生游标效应，大大提高灵敏度，实验测得包络和精细谱的应变灵敏度分别为58.0pm/με和5.9pm/με，温度灵敏度分别为-1.05nm/℃和-1.36nm/℃。
具体地，保偏光纤可以选取熊猫型保偏光纤。
图1为本实用新型实施例提供的光纤干涉仪的原理结构图，如图1所示，其中包含传统单模光纤、3dB耦合器OC、偏振控制器PC和两段保偏光纤(Polarization-maintainingFiber，PMF)。在这个结构中，光从耦合器一端输入，经过耦合器后，光被分为两束，分别沿顺时针和逆时针穿过光纤环，途中经过两段保偏光纤引入相位差，在穿过环后回到耦合器，发生干涉，得到干涉光谱。为了研究方便，只讨论耦合器耦合比为0.5的情况。
其中，偏振控制器PC用于控制光纤环内引入的偏振旋转角。
与一般的Sagnac干涉仪相比，这个结构将两段保偏光纤熔接在一起，插入了光纤环中，替代了单根保偏光纤。那么对这段级联保偏光纤，容易得到，它在光沿不同方向传播时，Jones矩阵分别为：
其中MCW和MCCW分别是级联保偏光纤在顺时针和逆时针情况下的Jones矩阵，θ是两保偏光纤快轴之间的夹角，和分别是两段保偏光纤引入的相位差，满足其中，λ是波长、L1、L2是两个PMF的长度，B是保偏光纤的双折射率。
具体地，两段保偏光纤除了长度不同之外，其他参数均相同。
在耦合比为0.5的情况下，输入光与输出光的关系可以简化为：
其中，Einx,Einy,Eoutx和Eouty分别是入射光场和出射光场在x轴和y轴上的分量，α表示耦合器的第一端至第一段保偏光纤拼接处引入的偏振旋转角，β表示第二段保偏光纤至耦合器第三端拼接处引入的偏振旋转角。
其透射率为：
联立式(1)-(5)，可以得到此结构的透射率为：
由式(6)可以看到，此结构的光谱中包含了两个频率分量，其权重可由θ，α+β决定，其中θ在两保偏光纤熔接时确定，之后不再改变，α+β可由偏振控制器调节，偏振控制器可以调节α+β的总和。具体地，实验时可控制α+β为π/4。
如果两保偏光纤的光程差相近，那么cos[πB(L1+L2)/λ]可看作一个高频周期函数，cos[πB(L1-L2)/λ]可以看做低频周期函数。由此可见，最终的光谱包含一个高频精细谱，由cos[πB(L1+L2)/λ]决定。此外，还包含一个低频包络，主要由cos[πB(L1-L2)/λ]决定。此结构可以形成级联式游标效应，对灵敏度和动态范围有放大效果。
在一个示例中，为了产生游标效应，PMF1的长度应该设置在PMF2附近，正如上面提到的实验中设置的参数为：L1＝28cm，L2＝23cm，B＝0.0006，θ＝45°，结构如图1所示。
基于级联PMF的传感器，在传感过程中，对一个PMF施加应变，对两个PMF施加温度变化。随着温度或应变的变化，包络和精细谱都会发生位移，通过对决定包络和精细谱峰的公式进行分析，可以计算出光谱的位移。
对于单一的基于PMF的Sagnac干涉仪，当应变或温度变化时，光谱会发生位移。应变灵敏度和温度灵敏度的计算公式：
其中，B表示PMF的双折射系数，L表示PMF的长度，Δε为应变变化量，Δλε表示这个应变变化对应的波长漂移，Δε(BL)表示这段保偏光纤对应的光程差在所施加的应变改变后的变化，Kε表示PMF的应变灵敏度。同理，ΔT为温度变化量，ΔλT表示这个温度变化对应的波长漂移，ΔT(BL)表示这段保偏光纤对应的光程差在外界温度改变后的变化，KT表示PMF的温度灵敏度。
对于级联的PMF，利用其中一段保偏光纤中长度为L0的一部分来检测应变。应变引起的包络线位移可以表示为：
Δλε,E表示包络在应变变化下的波长漂移量，Kε,E表示包络的应变灵敏度，L1，L2分别表示两段PMF的长度，Δε(BL0)表示这段L0长度的PMF对应的光程差在外界应变改变后的变化。比较式(7)与(9)，可以得到级联PMF的包络灵敏度与PMF的灵敏度满足关系：
当L1和L2比较接近时，灵敏度被放大。这体现了级联PMF的游标效应带来的放大作用，放大系数M为：
而精细谱由cos[πB(L1+L2)/λ]决定，同理与式(7)对比可计算出精细谱的应变灵敏度Kε,F为：
在温度测量中，两段光纤都被用来感受温度变化，两段光纤也都会产生光程差变化。与式(8)对比，其包络谱温度灵敏度与精细谱温度灵敏度分别可以表示为：
其中，KT,E代表包络谱的温度灵敏度，KT,F代表精细谱的温度灵敏度，ΔT[B(L1-L2)]，ΔT[B(L1+L2)]分别表示包络谱和精细谱中对应长度的PMF引入的光程差在温度改变后的变化。
由式(10)，(12)，(13)，(14)可以看到，在应变测量上，级联PMF的包络谱具有游标效应放大后的应变灵敏度，精细谱具有缩小后的应变灵敏度。在温度测量中，级联PMF的包络谱和精细谱都有着与单PMF相同的温度灵敏度。这种灵敏度的明显差异使它具有应变和温度同时测量的潜力，波长漂移与参量变化的关系可以由如下交叉矩阵给出：
其中，ΔλE和ΔλF是测量出的包络线和精细线的位移。
为了验证该传感器的实际性能，进行了应变和温度测量实验。应变传感实验装置原理图如图2(a)所示。为了观察光纤结构的实时光谱，装置中包含了一台光谱仪(OSA，Yokogawa AQ6370c)和一台宽谱光源(BBS)，为了给光纤施加应变，实验中使用了两个光纤调节架，可以固定光纤并做出微小的位移。实验中，光纤支架将传感PMF固定在平台上，两级之间的原始间隔为L0＝12.5cm，即接受应变的长度为L0＝12.5cm，可以调节的最小步长为10μm，相应施加80με的应力。另外，图2(b)为测量温度的实验装置，同样使用了光谱仪OSA与宽谱光源BBS来实时观察光谱。为了施加温度变化，采用了热电制冷器(Thermal ElectricCooler,TEC)，其最小温度调节步长为0.1℃。首先，对基于单个PMF的Sagnac干涉仪进行了温度和应变传感实验，使用线性拟合，在一次实验中，应变和温度的灵敏度测量为20pm/με和-1.38nm/℃。
然后对基于两个PMF的Sagnac干涉仪进行了实验。应变改变与波长漂移的关系如图3所示。线性拟合后，包络谱和精细谱的应变灵敏度分别为58.0pm/με和5.9pm/με，相比单个PMF的Sagnac干涉仪，包络谱灵敏度得到了大大提高，精细谱灵敏度略微降低，与理论分析一致。可计算出灵敏度放大系数M＝2.9，式(11)所预测的放大系数为2.5，理论值与实验测量值基本相符合，存在的误差可能是由光纤长度测量不准引起的。
实验还验证了该结构的温度性能。将两段PMF都放置在TEC上，分别从20℃加热到80℃，步长为5℃。得到不同温度下的光谱后，可以用与应变测量实验中相同的方法得到包络和精细谱的漂移，温度与波峰位移的关系如图4所示。很明显，当温度升高时，包络和精细谱都向较短的波长方向移动。通过线性拟合，得到包络和精细谱的温度灵敏度分别为-1.05nm/℃和-1.36nm/℃。如前文实验所示，单个PMF的温度敏感性为-1.38nm/℃，基本相差不大，与理论分析一致，说明级联PMF的包络谱和精细谱的温度灵敏度与单PMF的温度灵敏度近似相同。根据实验得到的应变和温度灵敏度，可以实现应变和温度同步测量。
本实用新型公开一种基于游标效应的萨格纳克光纤干涉仪，其结构包括3dB耦合器、普通单模光纤、偏振控制器以及两段长度分别为28cm和23cm的保偏光纤。本实用新型采用两种保偏光纤引入不同的光程差，因此该结构的光谱将包含不同的频率分量，从而产生游标效应，使传感灵敏度大大提高。本实用新型将两段保偏光纤进行级联，通过计算发现传感器的灵敏度由保偏光纤的长度和固有灵敏度决定，与基于单个保偏光纤的干涉仪相比，包络和精细谱在应变和温度变化时发生不同反应，因此具有实现应变和温度同步测量的潜力，且结构简单，制作方便，成本低。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种光纤干涉仪，其特征在于，包括：耦合器、偏振控制器、第一段保偏光纤以及第二段保偏光纤；
所述耦合器的第一端接收输入光，所述耦合器将输入光分为两束；
所述耦合器的第二端连接第一段保偏光纤的一端，所述耦合器的第三端连接偏振控制器的一端，所述偏振控制器的另一端连接第二段保偏光纤的一段，所述第一段保偏光纤的另一端和第二段保偏光纤的另一端连接，所述第一段保偏光纤快轴和第二段保偏光纤快轴的夹角为预设角度；所述耦合器、偏振控制器、第一段保偏光纤以及第二段保偏光纤组成光纤环，所述偏振控制器用于控制光纤环内引入的偏振旋转角；
所述耦合器将输入光分为两束，分别沿顺时针和逆时针穿过光纤环，一束穿过第一段保偏光纤至第二段保偏光纤回到耦合器，另一束穿过第二段保偏光纤至第一段保偏光纤回到耦合器，两束输入光经过两段保偏光纤时引入相位差，回到耦合器后的两束输入光发生干涉，得到干涉光；
所述耦合器的第四端输出干涉光，当第一段保偏光纤和第二段保偏光纤的长度差满足预设条件时，所述干涉光的光谱由包络谱和精细谱组成，所述包络谱的应变灵敏度相比单段保偏光纤组成的干涉仪的应变灵敏度增加。
2.根据权利要求1所述的光纤干涉仪，其特征在于，所述光纤干涉仪输出的干涉光的透射率为：
其中，T表示透射率，α表示耦合器的第一端至第一段保偏光纤拼接处引入的偏振旋转角，β表示第二段保偏光纤至耦合器第三端拼接处引入的偏振旋转角，θ表示所述预设角度，B表示两段保偏光纤的双折射率，λ表示输入光的波长、L1表示第一段保偏光纤的长度，L2表示第二段保偏光纤的长度；
当L1和L2的差值小于预设阈值时，所述精细谱由高频周期函数决定，所述包络谱由低频周期函数决定，形成级联式游标效应。
3.根据权利要求2所述的光纤干涉仪，其特征在于，所述包络谱的应变灵敏度Kε,E与单段保偏光纤组成的干涉仪的应变灵敏度Kε满足关系式：L0表示其中一段保偏光纤中接受应变作用部分的长度。
4.根据权利要求3所述的光纤干涉仪，其特征在于，所述光纤干涉仪的波长漂移与参量变化的关系表示如下：
其中，ΔλE和ΔλF分别表示包络谱和精细谱的位移，Δε表示应变变化量，ΔT表示温度变化量，Kε,E表示包络谱的应变灵敏度，Kε,F表示精细谱的应变灵敏度，KT,E表示包络谱的温度灵敏度，KT,F表示精细谱的温度灵敏度。
5.根据权利要求1至4任一项所述的光纤干涉仪，其特征在于，两段保偏光纤均为熊猫型保偏光纤。
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