模式干涉环形腔光纤激光传感器

摘要

本发明涉及模式干涉环形腔光纤激光传感器。包括泵浦源、波分复用器、稀士掺杂有源光纤、输出耦合器、偏振控制器、多模光纤、光纤隔离器、单模传输光纤，传感探头由多模光纤及单模光纤形成的模式干涉结构封装构成，模式干涉结构即作为环形腔光纤激光传感器的滤波元件，同时响应外界的位移、温度、应变等物理量。当各类物理作用于传感器时，激光传感器的输出波长和输出功率将发生漂移，通过对激光输出波长和功率的检测得到传感信息，实现各类物理量的高精度测量。本发明易于制作、封装，成本低，能可靠工作，信噪比高，单位带宽功率高，无温度应变交叉敏感影响。

说明书

技术领域

本发明属于光电子技术领域，涉及光纤激光传感等方面，与光纤传感器、可调谐光纤激光器、光纤滤波器等有关，涉及一种新型光纤激光传感器的设计与制作，本发明所涉及的光纤激光传感器适用于对位移、温度、应变等各类物理量的测量。

背景技术

光纤激光传感器将光纤传感器和光纤激光器有机地结合起来，使得其除具有光纤作为光的传输介质和敏感介质的“传、感”合一的优点之外，光纤激光传感器还具有输出信噪比高、线宽窄、噪声低、单位带宽功率高的优良特性，无需宽带光源，可实现高灵敏、高分辨和高精度传感，在微弱信号探测方面有着不可比拟的优势。可用于航空航天、生物医学、地下能源、海洋科学等领域的温度、应力、声波、磁场、加速度等物理量的测量。如中国专利CN101793570A公开的光纤布拉格光栅激光器的传感方法，光纤光栅作为激光器的谐振腔，同时响应外界各类物理量，从而实现传感测量。光纤光栅在实现温度和应变测量时，具有交叉敏感的特点，导致测量的不稳定性。模式干涉光纤结构透过光谱表现出带通滤波特性，外界信号使多模光纤参数变化，其滤波特性也随之发生改变，基于模式干涉结构的光纤传感器表现出制作简便、结构紧凑、成本低、响应快速等优点。且温度与应变对模式干涉结构输出光谱产生极性相反的作用。然而，一个值得注意的问题是滤波带宽较宽，限制了其在高精度（高灵敏度、高分辨率）探测中的应用。

发明内容

为解决背景技术中光纤光栅激光传感器温度与应变交叉敏感、模式干涉光纤传感器无法应用于高精度、高分辨率传感中的应用等问题，本发明的目的在于设计并制备了一种新型的模式干涉环形腔光纤激光传感器，由多模光纤与两边连接的单模光纤构成的模式干涉光纤结构作为光纤激光谐振腔的选模元件，同时作为外界物理量敏感元件，制作一种高信噪比、高精度、无温度应变交叉敏感特性的功能型光纤激光传感器。

为实现上述目的，本发明模式干涉环形腔光纤激光传感器所采取的技术方案是：将泵浦源、波分复用器、稀士掺杂有源光纤、输出耦合器、偏振控制器、多模光纤和光纤隔离器部分通过光纤熔接技术熔接，构成环形腔光纤激光传感器。传感探头由多模光纤及与之连接的单模光纤封装构成，泵浦源采用单模光纤输出的半导体激光器，泵浦光经波分复用器耦合进入光纤激光器环形腔内，稀士掺杂有源光纤包括掺镱光纤、掺铒光纤、铒镱共掺光纤，有源光纤均为单包层光纤，输出耦合器根据光纤激光器增益及阈值的要求选择不同输出比，偏振控制器使得光纤谐振腔内只存在单一偏振方向的光，多模光纤的尺寸和长度可根据光纤激光器输出波长和传感设计要求进行选择。光纤激光器的输出波长由光谱增益曲线和多模光纤的模式干涉滤波特性决定，该选择波长获得增益在光纤激光器环形腔内传播，并从输出耦合器输出，进入光电探测器或波长解调系统进行检测，当多模光纤的滤波特性所选择的波长不同时，光纤激光器的输出波长与作用于多模光纤上的物理量的大小有关，光纤激光器的输出波长和功率随被测物理量变化的信息被检测出来，实现各类物理量的传感探测。

模式干涉效应所选择的峰值透过率波长与多模光纤参数间的关系为： 其中p代表自成像点数，L、a和n分别代表多模光纤的长度、半径以及折射率，当被测物理量作用于传感探头时，多模光纤参数随之变化，其变化规律为： ，其中，α和β分别代表光纤的热扩散系数和热光系数， 为有效光弹系数，p11和p12为熔融硅光弹系数，σ为泊松比，i=1,2代表纤芯和包层，ΔT是温度的变化量，ε代表应变大小。

本发明选择不同的泵浦源、有源光纤及其它光纤无源器件，可实现1550nm和1060nm波段光纤激光传感器，结合光电探测器或波长解调系统实现各类物理量的传感测量。

本发明被测物理量包括位移、温度、应变、振动、声波。可直接测量位移等，通过转化也可实现温度、应变、振动和声波的测量。

本发明的工作原理：利用产生模式干涉效应的多模光纤作为波长选择元件和各类物理量敏感元件，中间加上能够产生足够增益的稀士掺杂有源光纤，在泵浦光源提供增益情况下，结合波分复用器、输出耦合器、偏振控制器和光纤隔离器实现模式干涉环形腔光纤激光传感器，当外界的位移、温度、应变等物理量作用于多模光纤时，光纤激光传感器输出波长的频率或功率发生改变，通过进一步的检测实现对位移、温度、应变等物理量的高精度测量。

本发明的优点：利用模式干涉环形腔光纤激光传感器通过对激光输出波长和功率的检测得到传感信息，测量结果稳定、信噪比高、无温度应变交叉敏感影响，降低检测成本。不但避免了传感光纤光栅激光传感器的温度与应变交叉敏感特性，而且与模式干涉光纤传感器相比，由于光纤激光结构的引入，使得模式干涉环形腔光纤激光传感器输出光谱窄、信噪比高、单位带宽功率高，提高了模式干涉光纤结构的传感分辨率。该传感器易于实现，制作工艺简单，工作稳定可靠。

附图说明：

图1 模式干涉环形腔光纤激光传感器结构示意图

图2 模式干涉部分结构示意图

图3 模式干涉环的光学图

图4 模式干涉光纤结构的滤波特性曲线

图5不同多模光纤长度下模式干涉光纤结构的滤波特性。

具体实施方式：

为进一步说明本发明的技术特征，下面结合附图和具体实施例详细描述本发明，图1为模式干涉环形腔光纤激光传感器结构示意图。本发明的装置包括： 泵浦源1、波分复用器2、稀士掺杂有源光纤3、输出耦合器4、偏振控制器5、多模光纤6、光纤隔离器7、单模传输光纤8。采用光纤熔接技术，将各部分光纤输出端连接起来，对多模光纤部分进行封装作为传感探头，组成模式干涉环形腔光纤激光传感器。

1）泵浦源1采用单模光纤耦合输出的半导体激光器，工作波长为980nm/1480nm，泵浦源1的输出光纤与波分复用器2的泵浦输入端熔接，使泵浦光经980/1550nm或1480/1550nm波分复用器2耦合进入光纤激光器腔内，使得稀土掺杂有源光纤3获得增益。

2）将波分复用器2的输出端与稀土掺杂有源光纤3熔接，稀土掺杂有源光纤3为单包层掺Er3+有源光纤，长度根据吸收系数选择，以便环形腔光纤激光器获得足够的增益。

3）偏振控制器5和光纤隔离器7控制腔内的偏振状态和激光传播方向，整个光纤环形腔的光纤均为单模光纤8，可选择单模光纤8的长度优化腔长及腔内损耗参数。选定的激光输出波长在稀土掺杂有源光纤3内获得足够的增益，在环形腔内形成激光振荡，由输出耦合器4输出，输出耦合比可根据增益及信噪比的要求选定。

4）选择980nm泵浦源和980/1550波分复用器，或者1480nm泵浦源和1480/1550波分复用器，铒掺杂或铒镱共掺的稀土掺杂光纤，1550nm输出耦合器，可实现1550nm波段光纤激光传感系统。

5）选择980nm泵浦源和980/1064波分复用器，或者915nm泵浦源和915/1064波分复用器，掺镱光纤，1064nm输出耦合器，可实现1064nm波段光纤激光传感系统。

6）多模光纤6和两端的部分单模光纤8构成一种模式干涉结构，如图2所示。图3给出了该结构形成的模式干涉环的光学图，该结构产生的模式干涉效应，具有光谱滤波特性，选定激光输出波长，如图4所示。

7）多模光纤6的纤芯直径可为50μm-105μm，NA 0.22或NA 0.15，包层直径125μm，多模光纤6也可以采用直径为125μm的无芯光纤。

8）多模光纤6的长度可根据光纤激光传感器的工作波段和模式干涉光纤反射结构的滤波特性来选择，如图5所示，不同多模光纤长度下模式干涉光纤结构的滤波特性。多模光纤6的长度精确截取方法是：将多模光纤6一端切平与偏振控制器5的输出端熔接，然后截取一段多模光纤6，将多模光纤6固定于光纤切割刀上，一起固定于三维调整架上，在读数显微镜下找到上一步熔接位置，移动读数显微镜和三维调整架水平位移，使光纤切割刀的刀口位于待切割点，切割后光纤隔离器熔接，完成模式干涉光纤结构的制作。

9）多模光纤6和部分单模光纤8采用耐高温、高绝缘，热传导性能较好的材料封装作为传感探头，传感探头可固定于待测物理量的现场。

10）当外界物理量作用到多模光纤6时，激光输出波长随各类物理量变化，激光输出波长的变化携带待测物理量信息，送入光电探测器或波长解调系统转换为待测物理量的大小。

上述实施例中所选择的参数都可以根据实际设计要求来选择。