扭曲光纤段的制备方法、光纤扭曲传感器及其测试装置

摘要

本发明提供一种扭曲光纤段的制备方法，包括以下步骤：宽带光源与单模光纤的一端连接，光谱仪与单模光纤的另一端连接；单模光纤的两端分别固定于相隔一定距离的第一可旋转夹具和第二可旋转夹具；第二可旋转夹具沿顺时针或逆时针扭转一定角度；二氧化碳激光器对第一可旋转夹具和第二可旋转夹具之间所夹的一段单模光纤上的两个非端点依次进行重复地激光曝光；松开第一可旋转夹具和第二可旋转夹具，两个激光曝光点之间的单模光纤段形成扭曲光纤段。本发明还提供一种强度调制型光纤扭曲传感器及其测试装置。本发明提供的强度调制型光纤扭曲传感器具有单波长光强调制，扭转方向可识别，测量范围大，响应速度快，成本低等特点。

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种扭曲光纤段的制备方法、扭转方向可识别的强度调制型光纤扭曲传感器及其测试装置。

背景技术

光纤扭曲传感器引起了许多研究者的兴趣，主要用以监测许多智能工程应用中的一些基础设施的退化问题。目前光纤扭曲传感器主要有波长测量和强度测量两种方式。基于波长测量的光纤扭曲传感器主要包括特别设计的光纤光栅、基于双折射光纤的Sagnac干涉仪以及具有螺旋结构的光纤器件等。其中，大部分基于波长测量的光纤扭曲传感器都可以识别其扭转的方向，但波长测量需要利用光谱仪来监测光谱波长的漂移，设备比较昂贵，响应时间慢。基于强度测量的光纤扭曲传感器主要包括Solc滤波器、Lyot滤波器和偏振保持光纤(PMF)-标准单模光纤(SMF)-PMF结构等。基于强度测量的光纤扭曲传感器通常采用光强的变化来表征扭曲大小，具有测量设备成本低和响应速度快等优势，但是已提出的强度测量型光纤扭曲传感器不能识别扭转方向。因此，一种能够识别扭转方向并且基于强度测量的光纤扭曲传感器显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种扭曲光纤段的制备方法、扭转方向可识别的强度调制型光纤扭曲传感器及其测试装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明提供一种扭曲光纤段的制备方法，包括以下步骤：

宽带光源与单模光纤的一端连接，光谱仪与单模光纤的另一端连接；

单模光纤的两端分别固定于相隔一定距离的第一可旋转夹具和第二可旋转夹具；第二可旋转夹具沿顺时针或逆时针扭转一定角度；

二氧化碳激光器对第一可旋转夹具和第二可旋转夹具之间所夹的一段单模光纤上的两个非端点依次进行重复地激光曝光；

松开第一可旋转夹具和第二可旋转夹具，两个激光曝光点之间的单模光纤段形成扭曲光纤段。

进一步，激光曝光时，观察光谱仪所测量的光谱，当光谱仪所测量的干涉光谱的对比度大于0.95时，停止二氧化碳激光曝光。

进一步，第一可旋转夹具和第二可旋转夹具的间距为10-30厘米。

进一步，第二可旋转夹具扭转的角度为360度至1800度，两个激光曝光点的间距为3至10厘米，二氧化碳激光器依次重复曝光的循环次数为3至20次。

本发明提供一种强度调制型光纤扭曲传感器，包括单波长光源、单模光纤、扭曲光纤段和光探测器，所述扭曲光纤段由所述方法制得，单波长光源通过单模光纤与扭曲光纤段的一端连接，光探测器通过单模光纤与扭曲光纤段的另一端连接。

进一步，单波长光源的波长等于二氧化碳激光器加工的扭曲光纤段所形成干涉光谱的波峰波长或者波谷波长。

本发明还提供一种强度调制型光纤扭曲传感器的测试装置，包括宽带光源、单波长光源、单模光纤、光谱仪和光探测器，单波长光源或宽带光源通过单模光纤与扭曲光纤段的一端连接，光谱仪或光探测器通过单模光纤与扭曲光纤段的另一端连接，所述扭曲光纤段由所述方法制得。

进一步，第一可旋转夹具和第二可旋转夹具的间距大于扭曲光纤段的长度。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明利用二氧化碳激光器在预先扭曲的单模光纤上相隔一定间距施加两处微扰即可制成扭曲光纤段，制备方法简单，成本低，且测试装置在单波长处测量其光强即可测得扭转角度。所述强度调制型光纤扭曲传感器具有可以识别扭转方向，只需要单波长测量光强即可实现扭转测量，测量范围大，响应速度快，成本低，体积小等特点。

附图说明

图1是本发明实例提供的扭曲光纤段的制备方法和光纤扭曲传感器的测试装置的原理结构示意图；

图2是本发明实例提供的扭曲光纤段结构示意图；

图3是本发明实例提供的二氧化碳激光器加工预先扭曲720°的单模光纤样品所制成的扭曲光纤段的扭转光谱图；

图4是本发明实例提供的二氧化碳激光器加工预先扭曲720°的单模光纤样品所制成的扭曲光纤段扭转时的光强变化图；

图5是本发明实例提供的二氧化碳激光器加工预先扭曲720°的单模光纤样品的加工过程光谱图；

图6是本发明实例提供的二氧化碳激光器加工预先扭曲760°的单模光纤样品所制成的扭曲光纤段扭转时的光强变化图；

图中，1-宽带光源，2-单波长光源，3-单模光纤，4-扭曲光纤段，5-光谱仪，6-光探测器，71-第一可旋转夹具，72-第二可旋转夹具，91-第一加工点的折射率变化量Δn分布方向，92-第二加工点的折射率变化量Δn分布方向，10-折射率变化量Δn分布。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

实施例1

本发明实施例提供了一种可识别扭转方向的强度调制型光纤扭曲传感器，该器件结构可通过二氧化碳激光器加工普通单模光纤3获得，通过两处微扰的有效折射率分布面的夹角的变化来改变其模式间干涉的光强大小而形成的一种干涉仪。基于该结构的扭曲传感器，与其他传感器相比，具有扭转方向可识别，只需要单波长测量光强即可实现扭转测量，测量范围大，成本低廉等特点，在工程监测方面有着广泛应用前景。

如图2所示，本发明实施例提供了一种可识别扭转方向的强度调制型光纤扭曲传感器的结构和传感原理，阐述了基于标准单模光纤(SMF)3中的在线Mach-Zehnder干涉仪提出一种可识别扭转方向的强度调制型光纤扭曲传感器的理论机制。光在二氧化碳激光器加工的扭曲光纤段4中传播时，在纤芯部分只以基模LP₀₁传输。在二氧化碳激光器第一个加工点处，激发产生LP₁₇包层模并在预先扭转的扭曲光纤段4的包层中传输。在二氧化碳激光器第二个加工点处，LP₁₇包层模又会耦合进纤芯，与LP₀₁基模发生干涉。根据光纤对二氧化碳激光器的热吸收原理，假定二氧化碳激光器加工点处的折射率变化只发生在光纤的上半部分，并且在激光照射方向上从上到下都呈线性下降，所述折射率变化量Δn分布10如图2所示。这种非圆对称的折射率变化量Δn分布10激发一种非圆对称性高阶模且存在一定的方向性。二氧化碳激光器加工的预先扭转的扭曲光纤段4第一处加工点所激发的高阶模的分布方向与第一加工点的折射率变化量Δn分布方向91相同，且高阶模的分布方向在传输过程中不发生改变，由于基模是圆对称分布的，故不考虑扭转对基模传输的影响。

如图2所示结构，旋转第二可旋转夹具72使二氧化碳激光器加工的预先扭转的扭曲光纤段4发生旋转时，第二加工点的折射率变化量Δn分布方向92相对于第一加工点的折射率变化量Δn分布方向91旋转了一个角度θ＝θ₀-γL₁，其中，L₁是扭曲光纤段4的长度，θ₀是扭曲光纤段4预先扭曲时产生的两个折射率微扰面分布方向的初始夹角，γ是扭转率，γ＝β/L₂，β是第一可旋转夹具71和第二可旋转夹具72之间的夹角，L₂是第一可旋转夹具71和第二可旋转夹具72之间的间距，在本发明实施例中β＝720°，L₂＝0.18m。

所述二氧化碳激光器加工的预先扭转的扭曲光纤段4末端光强可由如下表示：

式中，I表示二氧化碳激光器加工的预先扭转的扭曲光纤段4末端光强，L₁是扭曲光纤段4的长度，α₀是扭曲光纤段4的插入损耗，α₀₁表示LP₀₁模在二氧化碳激光器的两个加工点的分光比，α₁₇和α′₁₇分别表示所激发的LP₁₇模在第一和第二加工点的分光比，Δ_neff表示两个模式之间的折射率差，且满足α′₁₇＝α₁₇cos²θ的关系，这表明在第二加工点处的分光比随着光纤扭转角度的变化而变化，其中θ是扭曲光纤段4两个加工点折射率变化量分布方向91、92之间的夹角。Δφ₀是一个附加相位，此附加相位取决于θ。当0°≤θ＜90°时，Δφ₀＝0；当90°≤θ≤180°时，Δφ₀＝180°。所以在θ＝90°处，会发生相位跃变，这将导致如图3所示的光谱中的峰和谷之间的反转。由上述干涉公式可知，θ发生改变时，相应的分光比发生改变，二氧化碳激光器加工的扭曲光纤段4末端光强也发生改变，通过光功率计可测得其光强的大小，进而可由其光强大小计算出扭转的角度大小和方向。

本发明实施例还提供了一种可识别扭转方向的强度调制型光纤扭曲传感器的测试装置，如图1所示，包括：宽带光源1、单波长光源2、单模光纤3、扭曲光纤段4、光谱仪5和光探测器6，其中将单波长光源2或宽带光源1通过单模光纤3连接到扭曲光纤段4，再将扭曲光纤段4置于第一可旋转夹具71和第二可旋转夹具72之间，再通过单模光纤3连接光谱仪5或光探测器6，即可进行测量。其测试范围为-520°至520°，每旋转20°测量一次，扭转率范围为-50至50rad/m，扭转率测量间隔为2rad/m，其通过宽带光源1和光谱仪5所测量得到的光谱图如图3所示，其通过单波长光源2和光探测器6在波长为1554.6nm处所测量得到的归一化光强如图4所示。在-30至30rad/m的范围内，有较好的线性度，其最大线性灵敏度为25.2％/(rad/cm)。用单波长光源2和光探测器6所组成的结构作为二氧化碳激光器加工的扭曲光纤段4的扭曲传感器测试装置，只需要测量某个波长处的光强即可，极大地减小了其装置成本，并使得结构更加优化。

本发明实施例还提供了扭曲光纤段4的制备方法，其制备装置如图1所示，包括：首先，将宽带光源1与单模光纤3的一端连接，单模光纤3中间部分固定在第一可旋转夹具71和第二可旋转夹具72之间，单模光纤3的另一端与光谱仪5连接；然后，第二可旋转夹具72预先沿顺时针扭转720°；接着，二氧化碳激光器对第一可旋转夹具71和第二可旋转夹具72之间单模光纤3上距离0.03m的两点进行依次地重复地激光曝光3次，并同时观察光谱仪5所测量的光谱，其光谱图如图5所示；最后，光谱仪5所测量的干涉光谱的对比度为0.955，大于0.95，则停止二氧化碳激光曝光，并松开第一旋转夹具71和第二可旋转夹具72，两个激光曝光点之间的部分则形成了扭曲光纤段4。

实施例2

本发明实施例中扭曲光纤段4的制备方法，其制备装置如图1所示，包括：首先，将宽带光源1与单模光纤3的一端连接，单模光纤3中间部分固定在第一可旋转夹具71和第二可旋转夹具72之间，单模光纤3的另一端与光谱仪5连接；然后，第二可旋转夹具72预先沿顺时针扭转760°；接着，二氧化碳激光器对第一可旋转夹具71和第二可旋转夹具72之间单模光纤3上距离0.03m的两点进行依次地重复地激光曝光13次，并同时观察光谱仪5所测量的光谱，此时光谱仪5所测量的干涉光谱的对比度为0.961，大于0.95，停止二氧化碳激光曝光，并松开第一可旋转夹具71和第二可旋转夹具72，两个激光曝光点之间的部分则形成了扭曲光纤段4。

本发明实施例还提供了一种可识别扭转方向的强度调制型光纤扭曲传感器的测试装置，如图1所示，包括：单波长光源2、单模光纤3、扭曲光纤段4和光探测器6，其中将单波长光源2通过单模光纤3连接到扭曲光纤段4，再将扭曲光纤段4置于第一可旋转夹具71和第二可旋转夹具72之间，再通过单模光纤3连接光探测器6，即可进行测量。其测试范围为-520°至520°，每旋转20°测量一次，扭转率范围为-50至50rad/m，扭转率测量间隔为2rad/m，所测得的二氧化碳激光器加工的扭曲光纤段4扭转时的光强变化图如图6所示。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。