光纤布拉格光栅激光器的传感方法技术

光纤布拉格光栅激光器的传感方法，利用光纤布拉格光栅作为谐振腔的反射镜，中间加上能够产生足够增益的有源光纤，在泵浦光源的作用下形成双波长／多波长光纤布拉格光栅激光器作为传感器。当外界的应变、温度等物理量作用于传感系统时，双波长或者多波长激光之间的拍频信号频率将发生漂移，通过检测拍频信号频率信息，可以对应力、温度等物理参量进行高精度测量。本发明专利技术制作简单，工作稳定可靠，不受光强、偏振等光信息量的干扰，测量结果稳定、精度高；通过频分复用的方式可以实现多点分布式传感测量；在频谱分析仪检测前加上电光调制器，可以实现任意调整拍频信号频率，可以大大降低频谱分析仪频谱范围，降低检测成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光电子
，涉及光纤传感等方面，与光纤传感器、分布反馈光纤激光器、光纤布拉格光栅、光强度调制器等有关，涉及复杂分布反馈光纤激光器的设计与制 作，光纤光栅传感器的应用，广泛适用于对应变、温度、压力等各类物理量的测量，是双波长 /多波长光纤激光传感器测量应变、温度等物理信息的一种传感测量方法，为一种光纤布拉 格光栅激光器的传感方法。
技术介绍
光纤光栅传感器由于具有体积小、重量轻、抗干扰能力强，波长编码、易于复用组 网等优点，使得光纤光栅传感器近年来得到的迅速发展，特别是大型建筑物和工业领域的 应力、温度测量等领域得到了广泛应用，例如中国专利CN1316227C公开的一种光纤位移 传感器，中国专利CN1384341A公开的压力与温度同时检测的光纤光栅传感器和中国专利 CN1632488公开的光纤光栅测力计锚索应力传感器等应用方案。无源光纤光栅传感器是通 过检测光纤光栅反射波长的变化来确定被检测信号的信息。但是普通无源光纤光栅的检 测精度受到光纤光栅带宽和信噪比等因素限制很难达到更高的精度，在一些需要超高分辨 率的场合，如水下微弱信号探测，用于地震勘探的地震检波器等，普通光纤光栅很难满足要 求。 为了得到高信噪比的光纤光栅传感信号，中国专利CN101398440A公开了 "光纤 激光加速度传感器"，通过在有源掺铒光纤上刻写短腔的布拉格光栅结构作出有源光纤光 栅激光器，利用外界被检测物理量作用在激光器上来引起激光频率的变化从而检测该物理 量的变化。但是所有无源和有源的传感器常常通过非平衡干涉仪这种解调仪器，将光信 号转换成相位信息，来解调被测物理量，在这种情况下，干涉仪容易受到外界环境的干扰， 稳定性不好，为了解决这一 问题，0. Hadeler， E， R0nnekleiv， M. Ibsen， and R. I. Laming, "Polarization distributed feedback fiber laser sensor for simultaneous strain andtemperature measurements, ，， Appl. Opt. ， 1999， 38 (10) :1953-1958) 禾口 (B. Guan， H. Tam， S丄au， and H丄W. Chan， "Ultrasonic hydrophone based on distributed Bragg reflector fiberlaser， "IEEE Photon. Technol. Lett. ， 2005， 16 (1) :169-171利用铒镱共 掺光纤光栅激光器同时产生的两个偏振光的拍频信号来解调被检测的物理量。该方法能有 效地解决环境干扰的问题，但是铒镱共掺光纤的吸收系数很大，很难实现多个传感器在一 根光纤上复用。 另一方面由于技术的发展和通信方面应用的推动，近年来，双波长光纤激光器和 多波长光纤激光器的研究开始起步，如中国专利申请号200710176169公开了"线型腔单 偏振双波长光纤光栅激光器的实现方法"，在有源光纤上接入保偏光纤光栅及两个宽带光 纤光栅，适当选择两个宽带光栅的反射谱互相隔并且两个反射峰分别对准保偏光纤光栅两 个偏振方向反射峰，每个光栅只与保偏光纤光栅的一个偏振态的反射峰构成谐振腔，每个 腔是独立的，在线型腔输出端会输出稳定的单偏振的双波长激光。王利，陈柏，陈嘉琳，常丽萍，李国扬，孙安，林尊琪，"一种制作掺Yb相移光纤光栅激光器的实验方案"，中国激光， 2007,34(12) :1617-1620报道了利用遮挡法在有源掺Yb光纤上写入相移光纤光栅，制作 了一只单纵模运转的光纤光栅激光器。葛春风，赵东晖，杨秀峰，刘志国，吕可诚，董孝义， "可调谐环形腔光纤光栅激光器"，光学学报，1999，19(6) :762-765报道了采用光纤光栅 作为环形腔的反射器，通过悬臂梁利用双螺纹差动调节器进行细微调谐实现稳定的可调谐 的、窄带宽激光输出。这些光纤光栅激光器目前的应用主要在通信领域，如波分复用系统 (W匿)，或者微波光子学中的微波光子产生等。本专利的主要思想是把利用光纤光栅激光器 的设计思想，研制出双波长/多波长光纤激光器并且和拍频技术结合，将其应用到光纤传 感上。利用双波长/多波长激光相互之间的拍频来解调被检测的物理量，属于一种新颖的 光纤传感器。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是光纤光栅传感信号易受干扰，测量精度不高，传感系统不 够稳定，改进的利用铒镱共掺光纤光栅激光器同时产生的两个偏振光的拍频信号的检测方 法不能实现多个传感器在一根光纤上复用。 本专利技术的技术方案为，包括传感探头，传输 光纤、波分复用器、泵浦光源、光电探测器和频率检测与处理部分，传感探头由光纤布拉格 光栅激光器封装组成，光纤布拉格光栅激光器包括多波长分布反射式光纤布拉格光栅激光 器和双波长光纤布拉格光栅激光器，光纤布拉格光栅激光器产生至少一个可探测的拍频信 号，光纤布拉格光栅激光器发出多种波长激光A p A2， . . . ， AN， N > 2， N是光纤激光传感 头激射的总激光波长数，泵浦光源发出的光经过波分复用器进入传感探头，激射出双/多 波长的激光经过传输光纤和波分复用器送入到光电探测器转化成电信号，再输入频率检测 与处理部分，所述电信号是各种波长激光之间的拍频，检测任何两个波长之间的拍频频率《)=力'入i， A j是传感器的第i， j个激光波长，i， j《N， A i， A j随着被测物理量的:的变化信息，频率检测与处理部分还原出被变化而变化，所以拍频Sfij也包含被测物理』 测物理量的变化信息。 多波长分布反射式光纤布拉格光栅激光器两端各有一个光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅可以刻在有源光纤上，也可以刻在无源光纤上，且光栅之间的光纤部分至少一部分是有源光纤，有源光纤包括掺铒光纤、铒釔共掺光纤；双波长光纤布拉格光栅激光器的光纤布拉格光栅写在掺铒光纤上，形成有源双波长光纤激光器，用紫外曝光法在掺铒光纤上写入三段等长度结构光纤光栅，每两段间引入等效n相移。 本专利技术在波分复用器与光电探测器之间设有掺铒光纤放大器。 进一步的，在波分复用器与掺铒光纤放大器之间设有光纤隔离器，掺铒光纤放大器至光电探测器的连接上依次设有偏振控制器和LiNb03电光调制器，LiNb03电光调制器连接偏置电压源和射频信号发生器。 本专利技术可以实现一根光纤上多个传感器的复用，将具有不同拍频频率的双波长光 纤布拉格光栅激光器串接在一根光纤上，形成双波长传感器复用网络，所有双波长光纤布 拉格光栅激光器的拍频信号一起通过掺铒光纤放大器后，经过光电探测器后转化为电子信号，把这些带有传感信息的电子信号分成k路，k为双波长光纤布拉格光栅激光器个数，利 用带通滤波器根据各个双波长光纤布拉格光栅激光器的拍频频率范围，将所述电子信号进 行一级宽带选频，每个带通滤波器对应一个双波长光纤布拉格光栅激光器，滤除其他激光 器拍频信号，然后分别由频率检测与处理部分还原出各双波长光纤布拉格光栅激光器对应 的被测物理量的变化信息，实现多个双波长光纤布拉格光栅激光器的多传感频分复用。 在掺铒光纤放大器至光电探测器的连接上依次设有偏本文档来自技高网...

【技术保护点】
光纤布拉格光栅激光器的传感方法，其特征是包括传感探头（３），传输光纤（４）、波分复用器（２）、泵浦光源（１）、光电探测器（５）和频率检测与处理部分（６），传感探头（３）由光纤布拉格光栅激光器封装组成，光纤布拉格光栅激光器包括多波长分布反射式光纤布拉格光栅激光器和双波长光纤布拉格光栅激光器，光纤布拉格光栅激光器产生至少一个可探测的拍频信号，光纤布拉格光栅激光器发出多种波长激光λ↓［１］，λ↓［２］，．．．，λ↓［Ｎ］，Ｎ≥２，Ｎ是光纤激光传感头（３）激射的总激光波长数，泵浦光源（１）发出的光经过波分复用器（２）进入传感探头（３），激射出双／多波长的激光经过传输光纤（４）和波分复用器（２）送入到光电探测器（５）转化成电信号，再输入频率检测与处理部分（６），所述电信号是各种波长激光之间的拍频，检测任何两个波长之间的拍频频率δｆ↓［ｉｊ］＝｜ｃ／λｉ－ｃ／λｊ｜，λ↓［ｉ］，λ↓［ｊ］是传感器的第ｉ，ｊ个激光波长，ｉ，ｊ≤Ｎ，λ↓［ｉ］，λ↓［ｊ］随着被测物理量的变化而变化，所以拍频δｆ↓［ｉｊ］也包含被测物理量的变化信息，频率检测与处理部分（６）还原出被测物理量的变化信息。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈向飞，刘盛春，殷作为，张亮，高亮，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]