一种空域有源光纤腔衰荡传感装置及传感方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种空域有源光纤腔衰荡传感装置及传感方法。该装置包括连续波激光器、光隔离器、光环形器、第一光纤耦合器、第一偏振控制器、有源光纤衰荡腔、声光调制器、平衡探测器、数据采集卡和计算机。本发明专利技术将有源光纤腔衰荡和频移干涉技术融合在一起，在空域内实现了对外界参量的高灵敏度测量。与传统的时域有源光纤腔衰荡传感技术相比，本发明专利技术不仅采用连续波激光器克服了脉冲激光器造成的掺铒光纤放大器的增益波动较大的问题，而且分别利用带通滤波和差分探测降低了掺铒光纤放大器的自发辐射噪声和直流噪声的影响，大大提高了传感系统的灵敏度和稳定度。系统的灵敏度和稳定度。系统的灵敏度和稳定度。

【技术实现步骤摘要】
一种空域有源光纤腔衰荡传感装置及传感方法


[0001]本专利技术涉及光纤腔衰荡传感技术，具体涉及一种基于空域有源光纤腔衰荡传感技术的传感装置和外界参量(气体浓度、磁场强度、应力、温度、压力等多种物理、化学以及生物参量)的传感方法，属于光纤传感领域。本专利技术的装置是基于光纤腔衰荡传感技术、频移干涉技术与低增益低噪声的增益钳制双向掺铒光纤放大器相结合的传感装置和方法。

技术介绍

[0002]光纤腔衰荡(FCRD)传感技术具有稳定性好、易于实现准分布式传感、无需腔模式匹配等优点而受到了国内外学者的广泛关注，已逐渐发展成为痕量气体检测、原子、分子等吸收光谱的测量、医学诊断和结构健康监测等领域的重要检测手段，应用前景十分广泛。
[0003]传统时域FCRD传感系统通常采用两个高分光比的光纤耦合器取代传统腔镜构成光纤衰荡腔，这种光纤衰荡腔因无需腔模式匹配和准直而极大改善了传感系统的稳定性，使其得到了高度的重视。相比于由两个高反射率腔镜构成的传统腔，光纤衰荡腔存在因光纤耦合器的分光比不高而导致灵敏度较差的缺点。为突破这一短板，通常有两种方法：直接降低固有损耗和利用掺铒光纤放大器(EDFA)补偿衰荡腔内的固有损耗。对于直接降低固有损耗的方法，人们通常采用低插入损耗的光纤耦合器、锥形光纤、法布里珀罗腔、光子晶体微腔、长周期光纤光栅等方法来降低衰荡腔的固有损耗，但直接降低固有损耗的方法来提升灵敏度的方法仍然十分有限。如果采用EDFA来补偿衰荡腔的固有损耗，可以进一步降低腔内的损耗，所以这种在衰荡腔内加入EDFA这种光有源器件来补偿腔损耗的方法必然可以进一步提高灵敏度。因此，这种时域有源FCRD传感技术迅速引起了国内外学者的广泛关注，并成功地应用于微弱吸收光谱、磁场等参量的测量。然而，该技术也存在EDFA的增益波动大引起的传感系统稳定性差的问题和自发辐射(ASE)噪声而引起的衰荡曲线的基线漂移问题。这种基线漂移现象直接导致了衰荡曲线的拟合精度以及传感系统的稳定性变差。虽然人们通过环形腔增益钳制技术来稳定增益和采用自适应滤波等方法来抑制ASE噪声，但是效果不佳，仍然存在ASE噪声较大、因脉冲光无法保证衰荡腔的功率稳定性而导致的增益波动较大的问题和环形腔增益钳制回路难调而导致的稳定性较差的问题。此外，传统时域FCRD传感系统还存在因使用脉冲光、快速探测器、高速示波器而导致的成本较高的问题。因此，要想FCRD传感技术获得更为广泛的实际应用，还需发展新型光纤腔衰荡传感技术。
[0004]为了降低传感系统的成本，2008年，加拿大多伦多大学Li Qian教授课题组提出了频移干涉技术，该技术是在萨格纳克环中不对称的插入一个频移器，从而实现了顺时针和逆时针传输光的频移干涉。2011年，该课题组融合FCRD技术和频移干涉技术提出了频移干涉光纤腔衰荡传感技术，实现了在空间域观察衰荡现象，故该技术也称为空域无源光纤腔衰荡传感技术。该技术不但因使用连续波激光器、慢速探测器和慢速采集卡而降低了成本，而且因采用差分探测和共路干涉改善了传感系统的稳定性。然而，空域无源FCRD传感技术与传统时域无源FCRD传感技术同样存在着衰荡腔内固有损耗大而导致的灵敏度不够高的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于:针对时域有源FCRD传感技术因存在增益波动大，增益钳制回路难调和ASE噪声大而引起的稳定性差和测量精度较差的问题，本专利技术提供一种空域有源FCRD传感装置及方法。本专利技术采用连续光来维持衰荡腔的功率稳定性，从而削弱增益波动的影响；采用基于线性腔的低增益低噪声的增益钳制双向EDFA来补偿衰荡腔的固有损耗，不但可以提高传感系统的灵敏度，还可以有效抑制ASE噪声。本专利技术提出的传感系统还具有成本低、稳定性好和钳制光路易于调整等优点，在痕量气体检测、压力/应力监测、温度、折射率以及磁场传感等方面具有广泛的应用前景。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案如下：
[0007]1、一种空域有源光纤腔衰荡传感装置，其特征在于，包括依次连接的连续波激光器(1)、光隔离器(2)、光环形器(3)以及第一光纤耦合器(4)；第一偏振控制器(5)和声光调制器(7)一端同时与第一光纤耦合器(4)连接，第一偏振控制器(5)和声光调制器(7)的另一端同时接入有源光纤衰荡腔(6)内；平衡探测器(9)一端与光环形器(3)连接，另一端依次与数据采集卡(10)、声光调制器驱动模块(8)、声光调制器(7)连接；计算机(11)与数据采集卡(10)连接。
[0008]2、根据权利要求1所述的一种空域有源光纤腔衰荡传感装置，其特征在于，有源光纤衰荡腔(6)内设有闭环连接的第二光纤耦合器(6
‑
1)、光纤传感头(6
‑
2)、第三双向掺铒光纤放大器(6
‑
3)、光纤耦合器(6
‑
4)和第二偏振控制器(6
‑
5)。
[0009]3、根据权利要求1所述的一种空域有源光纤腔衰荡传感装置，其特征在于，连续波激光器(1)与光隔离器(2)相连，光隔离器(2)与光环形器(3)的第一端口(31)相连，环形器(3)的第二端口(32)与第一光纤耦合器(4)的第一端口(41)相连，环形器(3)的第三端口(33)与平衡探测器(9)相连，第一光纤耦合器(4)的第三端口(43)与第一偏振控制器(5)相连，第一偏振控制器(5)与第二光纤耦合器(6
‑
1)的第一端口(61)相连，第二光纤耦合器(6
‑
1)的第三端口(63)与光纤传感头(6
‑
2)相连，光纤传感头(6
‑
2)与双向掺铒光纤放大器(6
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3)相连，双向掺铒光纤放大器(6
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3)与第三光纤耦合器(6
‑
4)的第三端口(66)相连，第三光纤耦合器(6
‑
4)的第二端口(65)与第二偏振控制器(6
‑
5)相连，第三光纤耦合器(6
‑
4)的第一端口(64)与声光调制器(7)相连，声光调制器(7)与声光调制器驱动模块(8)相连，声光调制器(7)与第一光纤耦合器(4)的第四端口(44)连接，第一光纤耦合器(4)的第二端口(42)与平衡探测器(9)相连，平衡探测器(9)与数据采集卡(10)相连，数据采集卡(10)与计算机(11)相连。
[0010]4、根据权利要求1所述的空域有源光纤腔衰荡传感装置，其特征在于，使用低增益低噪声的增益钳制双向掺铒光纤放大器(6
‑
3)来补偿有源光纤衰荡腔(6)的固有损耗。
[0011]5、根据权利要求1
‑
4任一所述的装置实现一种空域有源光纤腔衰荡传感方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0012]步骤1：连续波激光器(1)发出频率为υ的连续光经过光隔离器(2)、光环形器(3)和第一光纤耦合器(4)后，分成顺时针、逆时针传播的两束光。顺时针传播的光束先经过第一偏振控制器(5)，随后进入有源光纤衰荡腔(6)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空域有源光纤腔衰荡传感装置，其特征在于，包括依次连接的连续波激光器(1)、光隔离器(2)、光环形器(3)以及第一光纤耦合器(4)；第一偏振控制器(5)和声光调制器(7)一端同时与第一光纤耦合器(4)连接，第一偏振控制器(5)和声光调制器(7)的另一端同时接入有源光纤衰荡腔(6)内；平衡探测器(9)一端与光环形器(3)连接，另一端依次与数据采集卡(10)、声光调制器驱动模块(8)、声光调制器(7)连接；计算机(11)与数据采集卡(10)连接。2.根据权利要求1所述的一种空域有源光纤腔衰荡传感装置，其特征在于，有源光纤衰荡腔(6)内设有闭环连接的第二光纤耦合器(6
‑
1)、光纤传感头(6
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2)、第三双向掺铒光纤放大器(6
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3)、光纤耦合器(6
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4)和第二偏振控制器(6
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5)。3.根据权利要求1所述的一种空域有源光纤腔衰荡传感装置，其特征在于，连续波激光器(1)与光隔离器(2)相连，光隔离器(2)与光环形器(3)的第一端口(31)相连，环形器(3)的第二端口(32)与第一光纤耦合器(4)的第一端口(41)相连，环形器(3)的第三端口(33)与平衡探测器(9)相连，第一光纤耦合器(4)的第三端口(43)与第一偏振控制器(5)相连，第一偏振控制器(5)与第二光纤耦合器(6
‑
1)的第一端口(61)相连，第二光纤耦合器(6
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1)的第三端口(63)与光纤传感头(6
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2)相连，光纤传感头(6
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2)与双向掺铒光纤放大器(6
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3)相连，双向掺铒光纤放大器(6
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3)与第三光纤耦合器(6
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4)的第三端口(66)相连，第三光纤耦合器(6
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4)的第二端口(65)与第二偏振控制器(6
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5)相连，第三光纤耦合器(6
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4)的第一端口(64)与声光调制器(7)相连，声光调制器(7)与声光调制器驱动模块(8)相连，声光调制器(7)与第一光纤耦合器(4)的第四端口(44)连接，第一光纤耦合器(4)的第二端口(42)与平衡探测器(9)相连，平衡探测器(9)与数据采集卡(10)相连，数据采集卡(10)与计算机(11)相连。4.根据权利要求1所述的空域有源光纤腔衰荡传感装置，其特征在于，使用低增益低噪声的增益钳制双向掺铒光纤放大器(6
‑
3)来补偿有源光纤衰荡腔(6)的固有损耗。5.根据权利要求1
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4任一所述的装置实现一种空域有源光纤腔衰荡传感方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：连续波激光器(1)发出频率为υ的连续光经过光隔离器(2)、光环形器(3)和第一光纤耦合器(4)后，分成顺时针、逆时针传播的两束光。顺时针传播的光束先经过第一偏振控制器(5)，随后进...

【专利技术属性】
技术研发人员：成纯富，陈文嘉，欧艺文，朱袁畅，肖雯，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：