CN214309190U - 一种光纤激光高温传感器及其制备装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光纤激光高温传感器，包括有源光纤，以及通过飞秒激光形成在有源光纤的Ⅱ型相移光纤光栅。本实用新型还公开了上述光纤激光高温传感器的制备装置。本申请，利用飞秒激光直接在光纤上刻写形成Ⅱ型相移光纤光栅—即周期非均匀的Ⅱ型光纤光栅，该结构可形成超窄线宽分布反馈（DFB）光纤激光器，用于高温传感。与现有技术相比较，本申请的光纤激光高温传感器，光谱带宽窄具有更高的传感分辨率，且光谱信噪比高具有更高的传感精度。另外，可在有源光纤中形成具有多个不同周期Ⅱ型相移光纤光栅的阵列，基于波分复用技术可以实现温度多点测量。

Description

一种光纤激光高温传感器及其制备装置

技术领域

本实用新型涉及光纤光栅技术领域，特别是涉及一种光纤激光高温传感器及其制备装置。

背景技术

基于光纤光栅的耐高温传感器，在具体的工业及航空航天应用场景中，在极端温度环境条件下，对于光纤光栅的温度传感要求较为苛刻。考虑到上述有些方法需要载氢过程，工艺复杂且不灵活，还有些方法中光纤光栅周期受限于掩模板的周期，不能制备不同周期的光栅，现有的光纤激光高温传感器，其利用紫外激光相位掩模板法在铒/镱共掺光纤上制作出超饱和光栅，可实现500 ℃高温传感。但是，使用紫外激光掩模板法有以下缺点：制备光纤光栅常需要对光纤进行载氢处理以增加光敏性，时间成本高、实验危险性大；受限于掩模板的周期，不能制备不同周期的光栅，所制备的光纤光栅的周期等参数无法灵活调整，不同参数的光栅需使用不同掩模板进行制备，成本高，工艺复杂且不灵活。

实用新型内容

为了克服现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种光纤激光高温传感器，包括有源光纤，以及通过飞秒激光形成在有源光纤的Ⅱ型相移光纤光栅。

作为本实用新型提供的光纤激光高温传感器的一种实施方案，所述Ⅱ型相移光纤光栅包括两个光栅FBG1、FBG2所形成的光栅对，该光栅对的两个光纤光栅FBG1、FBG2构成法布里-玻罗腔结构；所述光栅FBG1、FBG2之间具有相移区。

作为本实用新型提供的光纤激光高温传感器的一种实施方案，所述有源光纤中形成有由多个不同周期的Ⅱ型相移光纤光栅所组成的阵列。

作为本实用新型提供的光纤激光高温传感器的一种实施方案，所述Ⅱ型相移光纤光栅形成在有源光纤的纤芯。

本申请还提供了一种光纤激光高温传感器的制备装置，所述光纤激光高温传感器如上所述；所述制备装置包括激光光路系统、夹持移动装置、控制装置；所述激光光路系统用于使飞秒激光聚焦在光纤纤芯；所述夹持移动装置用于带动光纤移动。

作为本实用新型提供的光纤激光高温传感器的制备装置的一种实施方案，所述激光光路系统包括飞秒激光器、反射镜、光阑、折射率匹配液、物镜。作为本实用新型提供的光纤激光高温传感器的制备装置的一种实施方案，所述物镜和有源光纤都浸泡在折射率匹配液中。

作为本实用新型提供的光纤激光高温传感器的制备装置的一种实施方案，所述制备装置还包括光谱采集与分析模块。

作为本实用新型提供的光纤激光高温传感器的制备装置的一种实施方案，所述光谱采集与分析模块包括宽带光源、光纤耦合器、光谱仪、泵浦激光器、波分复用器。

作为本实用新型提供的光纤激光高温传感器的制备装置的一种实施方案，所述宽带光源输出端与光纤耦合器连接；所述光纤耦合器与有源光纤的输入端连接；所述有源光纤的输出端与波分复用器输入端连接；所述波分复用器一端输出与光谱仪连接，波分复用器另一端输出与泵浦激光器连接。

与现有技术相比较，本实用新型具有以下有益效果：

本申请，利用飞秒激光直接在光纤上刻写形成Ⅱ型相移光纤光栅—即周期非均匀的Ⅱ型光纤光栅，该结构可形成超窄线宽分布反馈（DFB）光纤激光器，用于高温传感。与现有技术相比较，本申请的光纤激光高温传感器，光谱带宽窄具有更高的传感分辨率，且光谱信噪比高具有更高的传感精度。另外，可在有源光纤中形成具有多个不同周期Ⅱ型相移光纤光栅的阵列，基于波分复用技术可以实现温度多点测量。

附图说明

图1为本申请提供的一种光纤激光高温传感器的制备装置的结构示意图；

图2为本申请提供的一种光纤激光高温传感器的结构示意图；

图3(a)是本申请实施例提供的光纤激光高温传感器，其Ⅱ型相移光纤光栅所对应的透射光谱和反射光谱；

图3(b) 是本申请实施例提供的一种光纤激光高温传感器的激射光谱；

图3(c) 是本申请实施例提供的一种光纤激光高温传感器的输出功率和泵浦功率的关系；

图3(d) 是本申请实施例提供的一种光纤激光高温传感器，在1.5小时内光纤激光高温传感器的波长和功率稳定性；

图4(a)是本申请实施例提供的一种具有两个不同周期Ⅱ型相移光纤光栅的光纤激光高温传感器的激射光谱；

图4(b) 是本申请实施例提供的一种具有两个不同周期Ⅱ型相移光纤光栅的光纤激光高温传感器的波长和功率稳定性；

图5(a)是本申请实施例提供的一种光纤激光高温传感器，在温度测试的升温过程中激射波长与温度之间的关系；

图5(b)是本申请实施例提供的一种光纤激光高温传感器，在温度测试的降温过程中激射波长与温度之间的关系；

图5(c) 是本申请实施例提供的一种光纤激光高温传感器，在温度测试的升温和降温的灵敏度；

图5(d) 是本申请实施例提供的一种光纤激光高温传感器，在温度测试中不同温度下激光波长和输出功率稳定性。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

本申请所提出的一种光纤激光高温传感器，包括：

有源光纤，以及通过飞秒激光直接形成在有源光纤的Ⅱ型相移光纤光栅。

本申请的有源光纤103，用于制备Ⅱ型相移光纤光栅。可以是掺铒光纤、掺镱光纤、铒/镱共掺光纤、掺磷化物光纤或者其他有源光纤中的任意一种。

Ⅱ型相移光纤光栅104，用于形成光纤激光高温传感器的谐振腔。

本申请的Ⅱ型相移光纤光栅，是一种周期非均匀的Ⅱ型光纤光栅，其折射率调制在空间上分布不均匀。Ⅱ型相移光纤光栅的核心结构是由两个光栅FBG1、FBG2所形成的光栅对，该光栅对的两个光纤光栅FBG1、FBG2构成法布里-玻罗腔结构。两光栅FBG1、FBG2的长度分别为L1、L2，且L1、L2不相同。两光栅FBG1、FBG2的距离为d，如图2所示。其结构相当于在常规的均匀布拉格光栅中，引入一个长度为d的非折射率调制区域，即相移区，相移区两边为光栅FBG1和FBG2，这两个光栅FBG1、FBG2的作用类似于具有波长选择性的谐振腔。该Ⅱ型相移光纤光栅的结构可形成光纤激光高温传感器，实现耐1000 ℃高温的温度检测。

如图2所示的光纤激光高温传感器，仅示意出了一个周期的Ⅱ型相移光纤光栅。优选的，本申请所提供的光纤激光高温传感器，可通过调节飞秒激光的扫描速度来制备具有多个不同周期Ⅱ型相移光纤光栅的阵列，基于波分复用技术可以实现温度多点测量。

图1是本实用新型实施例的一种光纤激光高温传感器的制备装置的结构示意图。如图1所示，制备装置包括：激光光路系统、夹持移动装置、控制装置。控制装置同时与激光加工光路系统和夹持移动装置连接。

激光光路系统具体包括：

飞秒激光器107，用于对光纤进行微加工；

反射镜108，用于调节光路；

光阑109；

折射率匹配液105：

物镜106，对光束进行聚焦。

其中，宽带光源101可以是受激自发辐射光纤光源、超连续光纤光源。光纤耦合器102可以为树形光纤耦合器、星型光纤耦合器、光纤环形器中的一种。折射率匹配液105可最大程度上减少光纤曲面引起焦点处光斑畸变。物镜106为干燥系物镜、水浸系物镜、油浸系物镜中的一种。

飞秒激光器107所发出的飞秒激光为超短脉冲飞秒激光。反射镜108优选为反射率达到99%以上的全反镜。

夹持移动装置包括光纤夹具110和三维位移平台114。光纤夹具110用于固定光纤；三维位移平台114，用于调整光纤位置。

三维位移平台114优选为在x轴方向具有超高灵敏度的电动位移平台。光纤夹具110既可以为非旋转夹具，也可以为旋转夹具。

本申请的制备装置还包括光谱采集与分析模块。

光谱采集与分析模块包括宽带光源101、光纤耦合器102、光谱仪111、泵浦激光器112、波分复用器113。其中，宽带光源101，用于提供照射光；光纤耦合器102，用于分配和组合光路；光谱仪111，用于显示并记录光谱变化；泵浦激光器112，对有源光纤进行泵浦抽运，实现粒子数反转激射激光；波分复用器113，用于对不同波长的光进行合成或分离。光谱仪111可以是衍射光栅光谱仪、棱镜光谱仪、干涉光谱仪、微型光谱仪中的一种。泵浦激光器112为半导体泵浦激光器。

本申请的Ⅱ型相移光纤光栅104的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、调试并优化光路；

步骤二、将有源光纤安装在夹持移动装置，调整有源光纤位置使飞秒激光光斑聚焦在有源光纤的纤芯；

步骤三、通过系统软件编写制备光纤光栅程序并设置好制备参数；

步骤四、根据制备参数，通过飞秒激光进行Ⅱ型相移光纤光栅的制备；

步骤五、在制备过程中，通过启动光谱采集与分析模块并记录和监测光纤光栅光谱；

步骤六、关闭光纤光栅制备系统和扫描控制程序模块。

其中，在步骤一中，通过调试飞秒激光光纤光栅制备系统并优化光路，使其保证飞秒激光光斑没有畸变。

在步骤二中，将有源光纤固定在三维位移平台114，调整光纤使其处于最佳位置。通过调节三维位移平台倾斜、俯仰使得飞秒激光方向大致与光纤轴向垂直，且使飞秒激光光斑聚焦在有源光纤的纤芯上。

在步骤三中，通过系统软件编写制备光纤光栅程序并设置好制备参数，如光纤光栅周期数、长度、激光能量、扫线速度、跳跃速度等。

在步骤四中，启动光纤光栅制备系统及扫描控制程序模块，使得三维位移平台带动光纤移动，从而使飞秒激光的聚焦点沿着光纤轴向运动。

在步骤五中，启动光谱采集与分析模块并记录和监测光纤光栅光谱，通过光纤耦合器、宽带光源和光谱仪进行连接，用来监测光栅光谱的变化。

在制备前，先将有源光纤103剥去部分涂覆层，在步骤二中，将有源光纤103固定于光纤夹具110上，并浸于折射率匹配液105中，折射率匹配液105的作用是减少光纤曲面引起焦点处光斑畸变；光纤夹具110固定于三维位移平台114上。调整光纤位置并固定好光纤。

在步骤四中，可通过飞秒激光逐点法加工纤芯区域。飞秒激光器107提供波长为513nm 的飞秒激光，用于光纤微加工；经过反射镜108后，通过光阑109，光阑109作用为调节光斑大小；飞秒激光光束再经过物镜106进行聚焦，使激光光束聚焦点位于有源光纤的纤芯处。可以通过对光阑控制，调节光束直径大小，从而调节激光光斑大小。在步骤四中，将物镜和有源光纤都浸泡在折射率匹配液中，以最大限度地减少由光纤曲面引入的焦点处的畸变。有源光纤安装在由控制装置（计算机）控制的三维位移平台上，通过控制三维位移平台，使飞秒激光的聚焦点相对于光纤沿着光纤轴向运动，确保激光束的聚焦点沿着有源光纤的纤芯移动进而写入所需的光栅图案。

在步骤五中，光谱采集与分析模块可记录和监测光纤光栅光谱，宽带光源101输出端与光纤耦合器102连接，其作用是分配和组合光路。光纤耦合器102与有源光纤103的输入端连接。有源光纤103的输出端与波分复用器113连接，有源光纤103可对不同波长的光进行合成或分离。波分复用器113一端与光谱仪111连接，光谱仪111的作用是显示并记录光谱变化；波分复用器113另一端与泵浦激光器112连接，泵浦激光器112的作用是对有源光纤进行泵浦抽运，实现粒子数反转，激射激光。

在制备过程中，通过程序设置好制备参数，调节好激光功率。选择好合适的起始位置并执行程序，进行Ⅱ型相移光纤光栅104的写制，以便实现光纤激光高温传感器的制备。整个制备过程中利用宽带光源和光谱仪对光纤光栅的光谱进行实时记录监测，同时利用泵浦激光器对有源光纤进行泵浦，观察光纤激光高温传感器的工作状态。

通过上述方法制备得到的Ⅱ型相移光纤光栅104，无需对光纤进行载氢，可制备1000℃以上输出波长稳定，输出功率无衰减，且不被擦除的Ⅱ型相移光纤光栅，以达到在极端环境中实现高温传感的目的。尤其适合极端环境下的高温的特殊传感应用，如航空航天、石油化工、电力工业等领域。

基于上述Ⅱ型相移光纤光栅104的光纤激光高温传感器，在制备过程中，通过启动光谱采集与分析模块记录和监测光纤光栅光谱；并根据光谱采集与分析模块的反馈结果不断优化调整制备参数。具体的，根据光谱采集与分析模块的反馈结果优化相移光栅结构中两光栅FBG1、FBG2的长度L1、L2和两光栅的距离d，再根据长度L1、L2以及距离d来调整制备参数；然后执行步骤四，通过飞秒激光进行Ⅱ型相移光纤光栅的制备。通过上述优化可得到工作稳定的带宽极窄的单纵模分布反馈（DFB）光纤激光器；该结构可形成超窄线宽分布反馈（DFB）光纤激光器。相比于其他激光器而言，该激光器光谱带宽窄具有更高的传感分辨率，且光谱信噪比高具有更高的传感精度。本申请的光纤激光高温传感器，在1000℃以上仍能够稳定工作。

本申请，可实现光栅周期的灵活可调，在有源光纤中形成由多个不同周期Ⅱ型相移光纤光栅所组成的阵列，以制备不同激射波长和多个谐振腔的光纤激光高温传感器。可通过控制平台移动速度和刻写位置实现对飞秒激光的扫描速度的调节，在有源光纤中形成具有多个不同周期Ⅱ型相移光纤光栅的阵列，即具有不同周期的Ⅱ型相移光纤光栅。本申请具有不同周期的Ⅱ型相移光纤光栅阵列，基于波分复用技术可以实现温度多点测量。在光纤通信领域，基于波分复用的温度多点测量光纤传感器能够大大节约光纤数量成本，对多点处进行温度测量，为高速高温条件下的光传输网络提供了重要的技术支持。

本申请的光纤激光高温传感器，是通过飞秒激光制备形成的基于Ⅱ型相移光纤光栅的耐高温传感器，具有结构紧凑、抗电磁干扰、可移植性强、可嵌入性强，制作容易，材料低廉的特点。本申请的光纤激光高温传感器，在高温条件（1050℃）下输出波长稳定，输出功率无衰减。

与现有技术相比较，本实用新型具有以下有益效果：

本申请，利用飞秒激光直接在光纤上刻写形成Ⅱ型相移光纤光栅—即周期非均匀的Ⅱ型光纤光栅，该结构可形成超窄线宽分布反馈（DFB）光纤激光器，用于高温传感。与现有技术相比较，本申请的光纤激光高温传感器，光谱带宽窄具有更高的传感分辨率，且光谱信噪比高具有更高的传感精度。另外，可在有源光纤中形成具有多个不同周期Ⅱ型相移光纤光栅的阵列，基于波分复用技术可以实现温度多点测量。

显然，以上所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利保护范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤激光高温传感器，其特征在于，包括有源光纤，以及通过飞秒激光形成在有源光纤的Ⅱ型相移光纤光栅；所述Ⅱ型相移光纤光栅包括光栅FBG1、FBG2所形成的光栅对，该光栅对的两个光栅FBG1、FBG2构成法布里-玻罗腔；光栅FBG1、FBG2的长度分别为L1、L2，且L1、L2不相同。

2.根据权利要求1所述的光纤激光高温传感器，其特征在于，所述光栅FBG1、FBG2之间具有相移区。

3.根据权利要求2所述的光纤激光高温传感器，其特征在于，所述有源光纤中形成有由多个不同周期的Ⅱ型相移光纤光栅所组成的阵列。

4.根据权利要求1所述的光纤激光高温传感器，其特征在于，所述Ⅱ型相移光纤光栅形成在有源光纤的纤芯。

5.一种光纤激光高温传感器的制备装置，其特征在于，所述光纤激光高温传感器如权利要求1-4任一项所述；所述制备装置包括激光光路系统、夹持移动装置、控制装置；所述激光光路系统用于使飞秒激光聚焦在光纤纤芯；所述夹持移动装置用于带动光纤移动。

6.根据权利要求5所述光纤激光高温传感器的制备装置，其特征在于，所述激光光路系统包括飞秒激光器、反射镜、光阑、折射率匹配液、物镜。

7.根据权利要求6所述光纤激光高温传感器的制备装置，其特征在于，所述物镜和有源光纤都浸泡在折射率匹配液中。

8.根据权利要求5所述光纤激光高温传感器的制备装置，其特征在于，所述制备装置还包括光谱采集与分析模块。

9.根据权利要求8所述光纤激光高温传感器的制备装置，其特征在于，所述光谱采集与分析模块包括宽带光源、光纤耦合器、光谱仪、泵浦激光器、波分复用器。

10.根据权利要求9所述光纤激光高温传感器的制备装置，其特征在于，所述宽带光源输出端与光纤耦合器连接；所述光纤耦合器与有源光纤的输入端连接；所述有源光纤的输出端与波分复用器输入端连接；所述波分复用器一端输出与光谱仪连接，波分复用器另一端输出与泵浦激光器连接。

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