一种基于光纤环形激光器的弯曲传感测量系统

摘要

本发明提供了一种基于光纤环形激光器的弯曲传感测量系统，其特征在于：将一段细芯光纤熔接于由泵浦激光器、波分复用器、掺铒光纤、光隔离器、1*2型光纤耦合器和偏振控制器组成的光纤环形激光器谐振腔内。细芯光纤一方面起到弯曲传感的作用，另一方面作为光学滤波器。应用时，将细芯光纤粘附于待测物体表面，利用光纤光谱仪测量光纤环形激光器的输出激光中心波长，即可测定待测物体的弯曲程度。本发明利用激光谐振腔的选模特性，具有探测信号强、信噪比高、线宽窄、灵敏度高和温度不敏感的特点，可应用于各类实际工程中。

说明书

技术领域

本发明提供了一种基于光纤环形激光器的弯曲传感测量系统，属于光纤传感技术领域。

背景技术

光纤弯曲传感器较之传统的弯曲传感器，具有抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、质量轻、体积 小和易于远程监测等优点，可用于监测桥梁的弯曲形变、道路的路基沉降和铁路轨道的弯曲变 形等，也可用于监测一些高精度的仪器设备和重要建筑结构的弯曲变形等，有着广泛的应用。

现有的光纤弯曲传感器主要包括两种：光强调制型和波长调制型。前者，对光源的光强 稳定性要求较高，通常需采用参考光路的方式来补偿光源不稳定因素的影响，而这必然增加 了系统的复杂性；后者通过检测特定输出光波长的变化解调待测物体的弯曲程度，降低了对 光源光强稳定性的要求，具有测量系统稳定、重复性好的优势。进一步，目前波长调制型光 纤弯曲传感器主要有光纤光栅型和光纤干涉仪型。光纤光栅传感器基于布拉格波长随被测物 体弯曲程度而发生漂移，具有较大的测量范围，广泛应用于结构的健康检测。但是，光纤光 栅的制备需使用紫外激光于载氢光纤刻写技术，其设备复杂而昂贵，且布拉格波长的漂移易 受环境温度的影响，从而给测量带来误差。光纤干涉仪型弯曲传感器，包括马赫-曾德干涉仪、 迈克逊干涉仪和法布里-珀罗干涉仪等，具有结构紧凑、制备简单、成本低的优点，成为近来 研究的热点。利用光的相长或相消干涉，通过测量输出光光谱中谐振峰中心波长的变化从而 确定被测物体的弯曲程度。由于它们通常使用宽带光源，因此探测信号，即输出光谱中特定 的谐振峰，对应的光强很弱。另一方面，干涉仪输出的干涉谱对比度较低，通常为3-20dB， 且谐振峰的3dB带宽(FWHM)较大，约几纳米到几十纳米，从而很难准确地确定谐振峰的中 心波长，导致被测物体弯曲程度测量误差较大。同时，这些光纤干涉仪往往对环境温度较为 敏感，这也一定程度上增大了弯曲测量的误差。

将一个单模-细芯-单模结构的光纤干涉仪连接于光纤环形激光器的谐振腔光路中，构成 一个基于光纤环形激光器的弯曲传感测量系统。该光纤干涉仪一方面起到弯曲传感的作用， 一方面作为光学滤波器，从而使得激光器输出激光的中心波长受弯曲的调制。通过测量激光 器输出激光的中心波长即可获得被测物体的弯曲程度。激光器输出激光具有光强大、超窄线 宽的特性，为其中心波长的准确确定提供了保证。另一方面，由于单模-细芯-单模结构的光 纤干涉仪长度远小于激光谐振腔的长度，因此该弯曲传感测量系统几乎不受光纤干涉仪温度 的影响，具有温度不敏感的优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光纤环形激光器的弯曲传感测量系统，克服现有光纤弯 曲传感器存在的探测信号弱、带宽较大，且易受环境温度影响的缺点，通过测量输出激光的 中心波长，从而准确地获得被测物体的弯曲程度。该系统具有探测信号强、信噪比高、线宽 窄、灵敏度高和温度不敏感的特点。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于光纤环形激光器的弯曲传感测量系统，其特征在于：该系统由泵浦激光器(1)、 波分复用器(2)、掺铒光纤(3)、光隔离器(4)、1*2型光纤耦合器(5)、细芯光纤(6)、光纤光谱 仪(7)、偏振控制器(8)和连接光纤(9)组成。其中，波分复用器(2)一边的两个端口分别经连接 光纤(9)与泵浦激光器(1)以及掺铒光纤(3)相连接，波分复用器(2)另一边的一个端口经连接光 纤(9)与偏振控制器(8)的一端相连接；掺铒光纤(3)的另一端与光隔离器(4)的一端相连接，光 隔离器(4)的另一端经连接光纤(9)与1*2型光纤耦合器(5)的独立端相连，而1*2型光纤分束器 (5)的另一边的两个端口分别经连接光纤(9)与细芯光纤(6)和光纤光谱仪(7)相连；细芯光纤(6) 的另一端经连接光纤(9)与偏振控制器(8)的另一端相连接。

所述的一种基于光纤环形激光器的弯曲传感测量系统，其特征在于：泵浦激光器(1)的输 出波长可为980nm和1480nm，对应波分复用器(2)可采用980/1550nm和1480/1550nm型光纤 波分复用器；掺铒光纤(3)的长度为1-10m。

所述的一种基于光纤环形激光器的弯曲传感测量系统，其特征在于：光隔离器(4)为 1550nm光纤光隔离器。

所述的一种基于光纤环形激光器的弯曲传感测量系统，其特征在于：1*2型光纤耦合器(5) 的分光比值较小的一端经连接光纤(9)与光纤光谱仪(7)相连，其分光比值大的一端经连接光纤 (9)与细芯光纤(6)相连。

所述的一种基于光纤环形激光器的弯曲传感测量系统，其特征在于：细芯光纤(6)的芯径 为2-4μm，长度为5-200mm；连接光纤(9)可采用G.652、G.653和G.655单模光纤。

本发明的工作原理是：参见附图1，波分复用器(2)、掺铒光纤(3)、光隔离器(4)、1*2型 光纤耦合器(5)、细芯光纤(6)、偏振控制器(8)和若干连接光纤(9)构成光纤环形激光器的谐振 腔。腔内掺铒光纤(3)充当激光工作物质，隔离器(4)只允许腔内光朝一个方向传输，1*2型光 纤耦合器的分光比较小的一端作为激光器的输出端。泵浦激光器(1)输出的激光经波分复用器 (2)耦合进激光谐振腔，泵浦激光工作物质(3)，产生C波段激光。细芯光纤(6)与两端相连的连 接光纤(9)构成单模-细芯-单模结构的光纤干涉仪。从而使得光纤环形激光器输出激光的中心 波长受弯曲的调制。通过测量激光器输出激光的中心波长即可获得被测物体的弯曲程度。

本发明的有益效果是：将一个单模-细芯-单模结构的光纤干涉仪连接于光纤环形激光器 的谐振腔光路中，构成一个基于光纤环形激光器的弯曲传感测量系统。该光纤干涉仪一方面 起到弯曲传感的作用，一方面作为光学滤波器，从而使得激光器输出激光的中心波长受弯曲 的调制。通过测量激光器输出激光的中心波长即可获得被测物体的弯曲程度。激光器输出激 光具有光强大和超窄线宽的特性，有利于其中心波长的准确测定，即为准确测量被测物体的 弯曲程度提供了保证。另一方面，由于单模-细芯-单模结构的光纤干涉仪长度远小于激光谐 振腔的长度，因此该弯曲传感测量系统几乎不受光纤干涉仪温度的影响，即该弯曲传感测量 系统具有温度不敏感的优点。

附图说明

图1是本发明的基于光纤环形激光器的弯曲传感测量系统示意图；

图2是本发明的典型输出激光光谱图；

图3是本发明的不同弯曲程度的输出激光光谱图；

图4是本发明的不同弯曲程度的输出激光中心波长图。

图5是本发明的不同温度的输出激光光谱图。

图6是本发明的不同温度的输出激光中心波长图。

具体实施方式

下面结合附图及实施实例对本发明作进一步描述：

参见附图1，一种基于光纤环形激光器的弯曲传感测量系统，由泵浦激光器(1)、波分复 用器(2)、掺铒光纤(3)、光隔离器(4)、1*2型光纤耦合器(5)、细芯光纤(6)、光纤光谱仪(7)、 偏振控制器(8)和连接光纤(9)组成。其中，波分复用器(2)一边的两个端口分别经连接光纤(9) 与泵浦激光器(1)以及掺铒光纤(3)相连接，波分复用器(2)另一边的一个端口经连接光纤(9)与 偏振控制器(8)的一端相连接；掺铒光纤(3)的另一端与光隔离器(4)的一端相连接，光隔离器(4) 的另一端经连接光纤(9)与1*2型光纤耦合器(5)的独立端相连，而1*2型光纤分束器(5)的另一 边的两个端口分别经连接光纤(9)与细芯光纤(6)和光纤光谱仪(7)相连；细芯光纤(6)的另一端 经连接光纤(9)与偏振控制器(8)的另一端相连接。

泵浦激光器(1)的输出波长可为980nm和1480nm，对应波分复用器(2)可采用980/1550nm 和1480/1550nm型光纤波分复用器。掺铒光纤(3)的长度为1-10m。光隔离器(4)为1550nm光 纤光隔离器，保证光沿一个方向传播。1*2型光纤耦合器的分光比值较小的一端经连接光纤(9) 与光纤光谱仪(7)相连，其分光比值大的一端经连接光纤(9)与细芯光纤(6)相连。细芯光纤(6) 的芯径为2-4μm，长度为5-200mm。所有的连接光纤(9)均可采用G.652、G.653和G.655单模 光纤。

使用时，将细芯光纤(6)粘贴于被测物体表面，光纤光谱仪(7)测量输出激光的光谱。图2 是长度为20mm的细芯光纤粘贴于测试钢尺表面获得的典型输出激光光谱图。从图中可以看 出，输出激光的中心波长处光强约为0.61dBm，其光学信噪比约63dB，对应3dB线宽(FWHM) 约为0.01nm。较之传统的光纤干涉仪弯曲传感器具有探测信号强，信噪比高，线宽窄的优势。

图3和图4分别是细芯光纤(6)处于不同弯曲程度时系统输出激光光谱图和输出激光中心 波长图。图3中c对应于图4中横轴curvature，定义为弯曲半径的倒数，单位为m^-1。可以看 出，随着被测物体弯曲程度的增大，输出激光的中心波长向短波长方向发生明显漂移，即输 出激光中心波长对弯曲非常敏感。通过测定该系统输出激光的中心波长即可确定被测物体的 弯曲程度。

图5和图6是细芯光纤(6)处于不同温度时系统输出激光光谱图和输出激光中心波长图。 可知，细芯光纤(6)的温度从25℃变化到100℃过程中，该系统输出激光的中心波长为1563.120 ±0.015nm，即输出激光中心波长具有温度不敏感特性。

根据图2-6的实验结果可知，本发明基于光纤环形激光器的弯曲传感测量系统，具有探测 信号强、信噪比高、线宽窄、灵敏度高和温度不敏感的特点，通过测定系统输出激光的中心 波长即可确定被测物体的弯曲程度。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不 以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明进行了详细的说明， 但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，总之，一切不 脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范 围之内。