基于双洛伦兹型光纤光栅快慢光的超高灵敏度传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于双洛伦兹型光纤光栅快慢光的超高灵敏度传感器，包括激光器、与激光器连接的耦合器以及与耦合器连接的两个迈克尔逊干涉臂，其中一个干涉臂为慢光臂，另一个为快光臂；慢光臂与快光臂分别熔接一根双洛伦兹型光纤光栅，且两根光纤光栅反射谱的中心波长不同；入射激光中心波长λc分别对应慢光臂光栅反射峰以及快光臂光栅的中心波长处，从而使激光在慢光臂反射时群速度减慢，快光臂反射时群速度加快，形成推挽式结构以提高传感器的灵敏度。双洛伦兹型光纤光栅具有较宽的带宽，将其应用于干涉型传感器，可以结合相位生成载波技术实现时变信号的保真拾取。此外，通过引入有源光纤光栅，可以获得更高的传感器灵敏度。

Ultra high sensitivity sensor based on fast and slow light of double Lorenz type fiber grating

The invention discloses an ultra high sensitivity sensor double Lorenz type fiber grating based on slow and fast light, including laser, coupler is connected with the laser and two Michelson connected with the coupler interferometer arm, one arm of the interferometer arm for slow light, a fast light arm; slow light and fast light arm arm a pair of Lorenz respectively fused fiber grating, and two fiber grating reflection spectrum of different center wavelengths; the incident laser center wavelength lambda C correspond to the slow light arm grating reflection peak and center wavelength of the grating light fast arm, so that the laser in the slow light arm reflected the slow group velocity and the fast light reflection arm group speed, formation of push-pull structure to improve the sensitivity of the sensor. Dual Lorenz type fiber grating has wide bandwidth. It can be used in interferometric sensors, which can be combined with phase generated carrier technology to realize the fidelity picking of time-varying signals. In addition, higher sensitivity of the sensor can be obtained by introducing an active fiber grating.

【技术实现步骤摘要】
基于双洛伦兹型光纤光栅快慢光的超高灵敏度传感器
本专利技术属于光电子
，具体涉及一种基于双洛伦兹型光纤光栅快慢光的超高灵敏度传感器。
技术介绍
在光纤传感器的诸多类别中，相位调制型光纤传感器是利用光的干涉来实现传感信号的拾取，因而又被称为干涉型光纤传感器。常用的干涉型传感器结构有马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)、迈克尔逊(Michelson)、法布里-珀罗(Fabry-Perot)以及赛格纳克(Sagnac)等。由于这一类光纤传感器的探测灵敏度相较其他种类的更高，其常被用于结构安全、角度、振动以及引力波等需要高探测灵敏度的传感领域。因此，如何进一步提高此类传感器的灵敏度始终是光纤传感研究领域的重点方向。所谓快慢光是指，在介质中，光传播的群速度加快或者减慢的现象。随着快慢光研究的迅速发展，对快慢光研究的重心已经逐渐转移到快慢光的应用中来。光纤传感是快慢光的一个重要应用方向，尤其是对于干涉型光纤传感器，通过快慢光效应可以极大的提高其灵敏度。早在2002年，麻省理工学院的M.等人就报道了基于光子晶体慢光的非线性相位灵敏度增强效应，2005年左右，美国西北大学的M.Shahriar以及加州理工大学的A.Yariv等人报道了快慢光对光纤陀螺仪的灵敏度增强效应的研究进展，罗彻斯特大学的R.W.Boyd小组也报道了干涉型传感器灵敏度的慢光增强现象。近年，斯坦福大学的范汕洄(ShanhuiFan)等人和意大利光学研究所的G.Gagliardi等人对慢光灵敏度增强的无源应变传感器展开研究，利用光纤光栅以及光纤光栅构成F-P腔的方案，获得了极高的传感灵敏度，其探测分辨率分别达到了惊人的和但这类结构对光纤光栅的要求较为苛刻，需要大折射率调制深度的切趾光栅；此外，其工作带宽也较窄且尚未实现时变信号的保真拾取。而在国内方面，哈尔滨工业大学的掌蕴东(YundongZhang)小组、北京大学的彭超(ChaoPeng)小组以及国防科技大学的曲天良(TianliangQu)小组等也对基于快慢光的陀螺仪以及M-Z干涉仪的灵敏度增强效应展开了研究工作，但对基于光纤光栅快慢光的传感器灵敏度增强效应的研究，尚未发现有公开发表的文献报道。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于双洛伦兹型光纤光栅快慢光的超高灵敏度传感器。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的，基于双洛伦兹型光纤光栅快慢光的超高灵敏度传感器，包括激光器、与激光器连接的耦合器和与耦合器连接的两个迈克尔逊干涉臂，其中一个干涉臂为慢光臂，另一个为快光臂；慢光臂与快光臂分别熔接双洛伦兹型光纤光栅，两个光纤光栅反射谱的中心波长不同；入射激光中心波长λc分别对应慢光臂光栅反射峰以及快光臂光栅的中心波长处，从而使激光在快光臂反射时群速度加快，慢光臂反射时群速度减慢。进一步，所述激光器为调频窄线宽激光器。进一步，该传感器还包括差分调解电路，用以实现对微振动信号的保真拾取。进一步，所述慢光臂的光纤光栅为有源双洛伦兹型光纤光栅；通过外加泵浦的方法改变快光臂的布拉格中心波长和群延迟。有益技术效果：(1)在相同延迟量下利用快慢光推挽式结构可以获得更高的灵敏度。(2)可以结合相位生成载波技术，实现时变信号的保真拾取。(3)利用有源光纤光栅，可以获得更高的传感灵敏度。附图说明图1为双洛伦兹型光纤光栅快慢光传感器实验结构；图2为相位生成载波的光栅快慢光传感实验结构；图3为有源光纤光栅快慢光传感实验结构；图4为双洛伦兹型光纤光栅的反射谱和群延迟谱。具体实施方式以下将结合附图，对本专利技术的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本专利技术，而不是为了限制本专利技术的保护范围。双洛伦兹型光纤光栅的反射谱和群延迟谱如图4所示，在光栅反射峰附近，群延迟为正最大值，对应慢光；在光栅中心波长附近，群延迟为负最大值，对应快光。在基于快慢光灵敏度增强的迈克尔逊或马赫-曾德尔光纤传感器中，干涉仪的输出功率可以表示为其中，P0为入射功率，η为耦合器耦合系数，T1和T2分别代表两个臂的损耗，Δφ为两个臂的相位差。传感器对于外界信号所引起的光纤微小应变的传感灵敏度为对于基于双洛伦兹快慢光的灵敏度增强结构，其中其中L为光栅长度，ng1和ng2分别对应慢光臂和快光臂的光栅群折射率，在光纤结构中，将公式(3)代入公式(2)可得可见，当改变干涉仪两个臂的群折射率差，以及提高反射率T1以及T2时，均可以提高传感器灵敏度。如图1所示，基于双洛伦兹型光纤光栅快慢光的超高灵敏度传感器，包括激光器、与激光器连接的耦合器和与耦合器连接的两个迈克尔逊干涉臂，分别在迈克尔逊的两个臂中加入中心波长不同的双洛伦兹型光纤光栅，结构如图1所示。入射激光中心波长λc分别对应慢光臂光栅反射峰以及快光臂光栅的中心波长处，使其构成一个臂工作在慢光状态(对应ng1增大)，而另一个臂工作在快光状态(对应ng2减小)的推挽式结构，可以增加(4)式中的ng1-ng2，从而在相同延迟量下获得更高的传感灵敏度。为了实现时变信号的保真拾取，采用相位生成载波技术来实现信号的实时解调。由于采用快慢光推挽式结构，利用较小的群延迟即可实现较大的灵敏度，因此可以优化设计光纤光栅的群延迟和带宽。本专利技术中，双洛伦兹型光栅快慢光的工作带宽可以达到4GHz，而利用相位生成载波技术实现声频信号保真拾取的调频窄线宽激光器的扫频范围约为7.5MHz。因此该激光器可以被用作载波光源，并在系统后端通过差分解调电路进行信号解调，以实现对微振动信号的高灵敏度保真拾取。结构如图2所示。在上述实施例中，扫频激光器的扫频范围约为7.5MHz，但可以根据需求对扫频范围进行设置。在快光臂上采用双洛伦兹型有源光纤光栅，通过外加泵浦的方法改变其布拉格中心波长和群延迟，一方面可以使其从慢光到快光转换，从而实现探测的灵敏度可调；另一方面还可以获得更高的反射功率，通过增加可进一步题高传感器灵敏度。在本专利技术中，推挽式探头结构可以提高传感器两个臂的延迟量之差，而有源光纤光栅可以提高反射率。因而，结合上述两种机制，本专利技术可以实现超高灵敏度(有望突破)的微振动信号保真拾取。结构如图3所示。双洛伦兹型光纤光栅具有较宽的带宽、可以实现从慢光到快光的转换且光栅刻写相对易于实现，将其应用于干涉型传感器，可以结合相位生成载波技术实现时变信号的保真拾取；此外，通过引入有源光纤光栅，可以获得更高的传感器灵敏度。本方案结构新颖，有望在微振动信号的保真拾取、引力波探测等领域获得极大的应用前景。以上所述仅为本专利技术的优选实施例，并不用于限制本专利技术，显然，本领域的技术人员可以对本专利技术进行各种改动和变型而不脱离本专利技术的精神和范围。这样，倘若本专利技术的这些修改和变型属于本专利技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本专利技术也意图包含这些改动和变型在内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于双洛伦兹型光纤光栅快慢光的超高灵敏度传感器，其特征在于：包括激光器、与激光器连接的耦合器和与耦合器连接的两个迈克尔逊干涉臂，其中一个干涉臂为慢光臂，另一个为快光臂；慢光臂与快光臂分别熔接一根双洛伦兹型光纤光栅，两个光纤光栅反射谱的中心波长不同；入射激光中心波长λc分别对应慢光臂光栅反射峰以及快光臂光栅的中心波长处，从而使激光在快光臂反射时群速度加快，慢光臂反射时群速度减慢，形成快慢光推挽式结构。

【技术特征摘要】
1.基于双洛伦兹型光纤光栅快慢光的超高灵敏度传感器，其特征在于：包括激光器、与激光器连接的耦合器和与耦合器连接的两个迈克尔逊干涉臂，其中一个干涉臂为慢光臂，另一个为快光臂；慢光臂与快光臂分别熔接一根双洛伦兹型光纤光栅，两个光纤光栅反射谱的中心波长不同；入射激光中心波长λc分别对应慢光臂光栅反射峰以及快光臂光栅的中心波长处，从而使激光在快光臂反射时群速度加快，慢光臂反射时群速度减慢，形成快慢光推挽式结构。2.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱楷，邱达，董效杰，喻伟闯，孙先波，廖红华，谭建军，
申请(专利权)人：湖北民族学院，
类型：发明
国别省市：湖北,42