一种基于Loyt-Sagnac干涉仪的灵敏度增强型传感器

摘要

本发明公开了一种基于Loyt?Sagnac干涉仪的灵敏度增强型传感器，其特性在于,宽带光源1发射出激光光束经过光隔离器2进入耦合器3；耦合器将光波分成两束沿相反方向传输的波，其中顺时针方向传输的光分别通过环路中的第一偏振控制器4、参考光纤5、单模光纤6、第二偏振控制器7和传感光纤8；而逆时针方向传输的光分别经过传感光纤8、第二偏振控制器7、单模光纤6、参考光纤5和第一偏振控制器4；参考光纤与传感光纤的长度相差10％；两束光经过环路后再次到达耦合器3相干输出，输出光经光谱分析仪9接收后进行后续分析。本发明的新型干涉仪结构利用两段长度不同的高双折射光纤(参考光纤5和传感光纤8)产生游标效应，能够有效提高测量精度；其结构简单，易于制作，成本低，在高精度的物理量传感方面有着潜在应用。

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于Loyt-Sagnac干涉仪结构的灵 敏度增强型传感器。

背景技术

随着光纤技术的发展，光纤Sagnac干涉仪在光纤通信和光纤传感领域的作用越来 越重要。光纤Sagnac干涉仪具有结构简单，可靠性强，抗电磁干扰，精度高等优点，近年来在 光纤传感领域有着广泛的应用。基于干涉技术的光纤传感器在各种物理量测量中有广泛的 应用，包括压力、应力、温度、电流和扭曲传感等。其主要结构包括MZ干涉仪、Michelson干涉 仪和Sagnac干涉仪。基于干涉技术的光纤传感器，传感结构更加灵活、灵敏度高，是传感器 的一个重要研究方向。

将一段高双折射光纤置于Sagnac环中构成基于高双折射光纤Sagnac干涉仪，该结 构能够进行传感应用。目前国内外也有很多关于基于高双折射光纤Sagnac环的光线传感器 的研究和报道。在1977年Starodumov等人将它用于温度传感、Delarosa在近红外光谱里将 它用于温度传感，同年Campbell等将它用于应力传感。2004年出现了基于保偏光子晶体光 纤Sagnac干涉仪传感器，这种结构的传感器对温度不敏感；2008年Da-PengZhou等人提出 了用光纤布拉格和高双折射光纤连接后加入Sagnac环中来同时区分温度和应变。以上的基 于Sagnac环的传感器灵敏度受结构的影响不能再大幅提升。

发明内容

鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的是提供一种基于Loyt-Sagnac干涉仪灵 敏度增强型传感器结构，使之能大幅提高传感物理量的灵敏度，它是通过以下的技术方案 实现的：

基于Loyt-Sagnac干涉仪的灵敏度增强型传感器：宽带光源1发射出激光光束经过 光隔离器2进入耦合器3；耦合器将光波分成两束沿相反方向传输的波，其中顺时针方向传 输的光分别通过环路中的第一偏振控制器4、参考光纤5、单模光纤6、第二偏振控制器7和传 感光纤8；而逆时针方向传输的光分别经过传感光纤8、第二偏振控制器7、单模光纤6、参考 光纤5和第一偏振控制器4；参考光纤与传感光纤的长度相差10％；两束光经过环路后再次 到达耦合器3相干输出，输出光经光谱分析仪9接收后进行后续分析。

本发明的关键部分为Loyt-Sagnac环，是一个由耦合器、两个PC和两段长度相差 10％的高双折射光纤组成。宽带光源发出的光经光隔离器进入耦合器，耦合器将光波分成 两束沿相反方向传输的波，分别通过环路中的偏振控制器和高双折射光纤再次到达耦合 器，相干输出。对于普通单段高双折射光纤Sagnac环，其输出光谱的自由频谱范围(fsr)为：

fsr＝λ²/BL

其中B和L分别为高双折射光纤的双折射和长度，λ为工作波长。Loyt-Sagnac环的 输出光谱的包络周期为：

$\frac{{\mathrm{fsr}}_{sensor}\times {\mathrm{fsr}}_{reference}}{\left|{\mathrm{fsr}}_{sensor}-{\mathrm{fsr}}_{reference}\right|}$

其中fsr_sensor和fsr_reference分别为传感光纤和参考光纤对应的自由频谱宽度。外界 物理量(温度、应力等)变化将引起Loyt-Sagnac干涉仪传感器的光谱包络的峰值波长漂移。 相同条件下，其波长漂移量相较于单段高双折射光纤Sagnac传感器增加了一个fsr_reference/ |fsr_sensor-fsr_reference|因子，即灵敏度提高了fsr_reference/|fsr_sensor-fsr_reference|倍。

两段长度相差10％的高双折射光纤(参考光纤和传感光纤)会产生游标效应，它们 对应游标效应的两个不同周期的刻度尺。其中参考光纤相当于游标卡尺里面的标尺，传感 光纤对应游标卡尺里面的游尺。利用游标效应能够实现对多种物理量(温度、应力、压强等) 的高精度测量

进一步地，在Loyt-Sagnac环内-的一段单模光纤6上施加一个扭曲角，可改变传感 器输出光谱的条纹可见度，由此可实现对扭曲的传感。

采用本发明的结构，在普通的Sagnac环的基础上在环内增加一段高双折射光纤设 计制作Loyt-Sagnac干涉仪结构，对光束入射角和高双折射光纤的长度进行优化，利用 Loyt-Sagnac干涉仪结构的游标效应，大幅提高传感物理量的灵敏度，可实现所测物理量的 高精度测量，结构简单、成本低、易于实现。

附图说明

图1为基于Loyt-Sagnac干涉仪灵敏度增强型传感器的结构示意图。

图2为Loyt-Sagnac干涉仪传感器在不同温度下输出的光谱图。

图3为Loyt-Sagnac干涉仪传感器与普通单段高双折射光纤Sagnac环传感器的温 度响应曲线对比。其中图3a为单段Sagnac环干涉仪温度传感器的响应曲线，图3b为本发明 使用Loyt-Sagnac干涉仪的温度传感器的响应曲线。

图4为Loyt-Sagnac干涉仪传感器在不同扭曲角下输出光谱FFT变换后的曲线。

图5为本发明传感器的扭曲响应。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

图1是基于Loyt-Sagnac干涉仪的灵敏度增强型传感器的装置图，宽带光源1发射 出激光光束，实验中所用的宽带光源带宽为60nm，光经过光隔离器2进入耦合器3，耦合器 将光波分成两束沿相反方向传输的波，其中顺时针方向传输的光分别通过环路中的第一偏 振控制器4、参考光纤5、单模光纤6、第二偏振控制器7和传感光纤8，而逆时针方向传输的光 分别经过传感光纤8、第二偏振控制器7、单模光纤6、参考光纤5和第一偏振控制器4，两束光 经过环路后再次到达耦合器3相干输出，输出光由光谱分析仪9接收后进行分析。

本发明主要创新点在于提出了一种Loyt-Sagnac干涉仪结构的传感器，对Loyt- Sagnac环中的两段高双折射光纤(参考光纤5和传感光纤8)的长度进行优化设计，提高了该 结构作为传感器运用时的灵敏度。该结构的传输函数为：

其中和为光通过两段不同长度的高双折射光纤引起的相位变化。θ₁、θ₂和θ₃为 入射光和出射光与偏振轴之间的等效夹角。

在实际操作中，2m的高双折射光纤为参考光纤，保持其所在环境的各个物理量不 变；2.2m的高双这折射光纤为传感光纤，当其所处环境的一些物理量(温度、应力、压强)变 化时，高双折射光纤的双折射会发生变化ΔB，此时传感光纤引起的相位差可表示为：

其中B是高双折射光纤的双折射，L是高双折射光纤的长度，λ为工作波长。的变 化将引起输出光谱峰值波长的漂移，根据波长的漂移量实现对变化物理量的传感。

图2所示为Solc-Sagnac环中的传感光纤所处环境温度变化时传感器输出光谱。实 验中可以发现随着温度的升高，输出光谱的峰值波长向短波长方向漂移。图3为温度响应曲 线，普通单段高双折射光纤Sagnac环干涉仪温度传感器灵敏度为-1.46nm/℃，而使用Loyt- Sagnac干涉仪的温度传感灵敏度提高到了-17.99nm/℃。

在Loyt-Sagnac环内参考光纤5和传感光纤8之间的一段长为32.5cm的单模光纤6 上施加一个扭曲角，将改变传感器输出表达式中的θ₂值，这个值的改变会影响整个输出光 谱的条纹可见度，如图4所示。其扭曲响应如图5所示。