基于級聯少模光纖的多物理量有源光纖傳感器及傳感方法技術

本發明專利技術公開了一種基于級聯少模光纖的多物理量有源光纖傳感器，包括泵浦源、波分復用器、增益光纖、隔離器、級聯少模光纖單元、偏振控制器和耦合器，所述級聯少模光纖單元包括第一單模光纖、少模光纖、第二單模光纖、光環形器和刻有光柵的少模光纖；上述各個器件通過光纖耦合的方式首尾相連閉合形成有源光纖諧振腔。級聯少模光纖單元同時作為激光器的傳感和選模單元。本發明專利技術還公開了基于級聯少模光纖的多物理量有源光纖傳感器的傳感方法。本發明專利技術器件均采用全光纖耦合方式，結構緊湊，具有較高的重復性；諧振腔內激光振蕩功率較強，提高了傳感信號的信噪比；靈敏度高、多物理量測量交叉不敏感；具有較高的重復性。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及光纖傳感
，特別是基于級聯少模光纖的多物理量有源光纖傳感器及傳感方法。
技術介紹
光纖傳感器以光波為載體，光纖為媒質實現被測信號的傳輸與感知，具有信息容量大、抗電磁干擾、抗腐蝕、結構簡單、體積小等特點，成為現代傳感領域的重點研究對象。光纖傳感器的應用范圍已滲透至國防軍事、土木工程、能源環保、醫學健康等各個領域，能夠實現對溫度、應力、振動、電磁場等眾多物理量的測量。目前，FBG傳感器和分布式光纖傳感器是當前光纖傳感器研究和應用的兩個重要分支，而高靈敏度、多個物理量同時測量是光纖傳感技術追求的目標。對于普通無源FBG傳感器，FBG波長對溫度和應變同時敏感，當二者共同作用時將產生交叉敏感效應，降低了傳感器的測量精度和穩定性。為此，研究人員提出了采用雙波長矩陣法、雙參量矩陣法和補償封裝法等實現對兩個物理參量的區分測量。這些方法需對FBG的結構和封裝進行特殊設計，否則容易產生測量誤差，并且易受光源波動等因素的影響。對于無源分布式光纖傳感器，已有方案主要通過增強光源或者增加探測器靈敏度來改善傳感系統的探測靈敏度，而實現多物理量測量則需要結合復雜的解調系統和算法來實現，一定程度上增加了光源和探測端的成本。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是克服現有技術的不足而提供基于級聯少模光纖的多物理量有源光纖傳感器及傳感方法，本專利技術的所有器件均采用全光纖耦合方式，結構緊湊，具有較高的重復性；通過在有源光纖諧振腔內引入級聯少模光纖單元作為傳感單元，結合諧振腔內激光增益特性和傳感單元的多物理量感知能力，提高了傳感信號的信噪比，增加了傳感系統的靈敏度、多物理量測量交叉敏感免疫力強。本專利技術為解決上述技術問題采用以下技術方案：根據本專利技術提出的一種基于級聯少模光纖的多物理量有源光纖傳感器，包括泵浦源、波分復用器、增益光纖、隔離器、級聯少模光纖單元、偏振控制器和耦合器，所述級聯少模光纖單元包括第一單模光纖、少模光纖、第二單模光纖、光環形器和刻有光柵的少模光纖；其中，泵浦源的輸出端與波分復用器的短波長輸入端相連，波分復用器的輸出端依次通過增益光纖、隔離器與光環形器的第一端口相連，光環形器的第二端口與刻有光柵的少模光纖相連，光環形器的第三端口與第一單模光纖相連，第一單模光纖與少模光纖的一端錯位熔接，少模光纖的另一端與第二單模光纖錯位熔接，第二單模光纖與偏振控制器的輸入端相連，偏振控制器的輸出端與耦合器的輸入端相連，耦合器的輸出反饋端與波分復用器的長波長輸入端相連。作為本專利技術所述的一種基于級聯少模光纖的多物理量有源光纖傳感器進一步優化方案，所述少模光纖為最多能容納兩個或者四個模式穩定傳輸的光纖。作為本專利技術所述的一種基于級聯少模光纖的多物理量有源光纖傳感器進一步優化方案，刻有光柵的少模光纖的實現方式是通過紫外曝光或飛秒激光刻寫的方法向少模光纖纖芯內引入周期性折射率調制形成。作為本專利技術所述的一種基于級聯少模光纖的多物理量有源光纖傳感器進一步優化方案，所述泵浦源為半導體激光泵浦源。一種基于級聯少模光纖的多物理量有源光纖傳感器的傳感方法，通過外加不同物理場可同時或者單獨作用于級聯少模光纖單元中的第一單模光纖、少模光纖和第二單模光纖上經偏振控制器后，傳遞到耦合器的輸出端，通過激光特性參數的變化，體現傳感物理信號的變化。本專利技術采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：（1）本專利技術采用單模光纖-少模光纖-單模光纖和少模布拉格光纖光柵的級聯單元作為傳感單元，利用不同模式間的耦合效應可實現多參量（包括溫度、應力、彎曲等）同時測量且無交叉敏感效應；（2）本專利技術的單模光纖-少模光纖-單模光纖和少模光纖布拉格光柵的級聯單元同時作為光纖激光諧振腔的選模單元和傳感單元，腔內激光增益較大，有利于提高傳感系統信噪比，提高傳感系統靈敏度；（3）本專利技術采用全光纖結構，結構緊湊穩定，重復性高。附圖說明圖1為基于級聯少模光纖的多物理量有源光纖傳感器結構示意圖。圖2為基于錯位熔接的單模光纖-少模光纖-單模光纖單元結構示意圖。圖3為當輸入和輸出端錯位量為別為6μm和3.3μm時，實驗測得的單模-少模-單模光纖透射譜隨拉力變化的關系，其中，F1<F2<F3。圖4為當輸入端和輸出端錯位為別為6μm和3.3μm時單模光纖-少模光纖-單模光纖單元的透射譜隨溫度變化的關系。圖5為階躍四模光纖布拉格光柵的反射譜。圖6為階躍四模光纖布拉格光柵的反射譜隨加載于光柵尾纖上的彎曲效應（光纖彎曲半徑，其中，R1<R2<R3<R4<R5<R6）變化的關系。圖7為腔內置入單模光纖-少模光纖-單模光纖單元，光纖激光器輸出光譜隨拉力變化的關系，其中，F1<F2<F3。圖8為腔內置入少模光纖布拉格光柵，光纖激光器的輸出光譜，激光光譜3dB帶寬約為0.02nm。圖9為腔內單模光纖-少模光纖-單模光纖單元和少模光纖光柵的級聯單元，光纖激光器輸出光譜隨施加在單模光纖-少模光纖-單模光纖單元上的拉力的變化關系，其中，F1<F2<F3，且輸出光譜強度隨拉力的增大而減小。圖10為腔內置入單模光纖-少模光纖-單模光纖單元和少模光纖光柵，光纖激光器輸出光譜隨施加在少模光纖布拉格光柵上的壓力的變化關系，其中，N1<N2<N3，且輸出光譜的中心波長隨壓力的增大而紅移。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術的技術方案做進一步的詳細說明：本專利技術是利用單模光纖-少模光纖-單模光纖和少模光纖光柵的級聯單元作為光纖激光器的窄帶選模方法，并利用單模光纖-少模光纖-單模光纖和少模光纖光柵內光場耦合過程對外界物理場的敏感效應實現有源光纖傳感器。當外界物理場發生變化時，輸出的激光光譜將發生強度或中心波長的改變，并且輸出激光有很高的邊模抑制比，因此這一有源光纖傳感器有高靈敏度優勢。下面就對本專利技術的具體技術方案進行簡要說明。如圖1所示為本專利技術的結構示意圖，一種基于級聯少模光纖的多物理量有源光纖傳感器，包括泵浦源、波分復用器、增益光纖、隔離器、級聯少模光纖單元、偏振控制器和耦合器，所述級聯少模光纖單元包括第一單模光纖、少模光纖、第二單模光纖、光環形器和刻有光柵的少模光纖；其中，泵浦源作為激光諧振腔的激勵源，其輸出端與波分復用器的短波長輸入端相連，波分復用器將具有波長不同的泵浦光和信號光反饋復用至環形諧振腔中，其輸出端依次通過增益光纖（提供光放大）、隔離器（確保腔內激光單向運行）與光環形器（實現級聯少模光纖單元耦合入腔）的第一端口相連，光環形器的第二端口與刻有光柵的少模光纖相連，光環形器的第三端口與第一單模光纖相連，第一單模光纖與少模光纖的一端錯位熔接，少模光纖的另一端與第二單模光纖錯位熔接，第二單模光纖與偏振控制器（控制腔內激光偏振態）的輸入端相連，偏振控制器的輸出端與耦合器的輸入端相連，耦合器的輸出反饋端與波分復用器的長波長輸入端相連。所述少模光纖為最多能容納兩個或者四個模式穩定傳輸的光纖。刻有光柵的少模光纖的實現方式是通過紫外曝光或飛秒激光刻寫的方法向少模光纖纖芯內引入周期性折射率調制。所述泵浦源可為半導體激光泵浦源。外加不同物理場可同時或者單獨作用于級聯少模光纖單元中的第一單模光纖、少模光纖和第二單模光纖上經偏振控制器后，傳遞到耦合器的輸出端，通本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于級聯少模光纖的多物理量有源光纖傳感器，其特征在于，包括泵浦源、波分復用器、增益光纖、隔離器、級聯少模光纖單元、偏振控制器和耦合器，所述級聯少模光纖單元包括第一單模光纖、少模光纖、第二單模光纖、光環形器和刻有光柵的少模光纖；其中，泵浦源的輸出端與波分復用器的短波長輸入端相連，波分復用器的輸出端依次通過增益光纖、隔離器與光環形器的第一端口相連，光環形器的第二端口與刻有光柵的少模光纖相連，光環形器的第三端口與第一單模光纖相連，第一單模光纖與少模光纖的一端錯位熔接，少模光纖的另一端與第二單模光纖錯位熔接，第二單模光纖與偏振控制器的輸入端相連，偏振控制器的輸出端與耦合器的輸入端相連，耦合器的輸出反饋端與波分復用器的長波長輸入端相連。

【技術特征摘要】
1.一種基于級聯少模光纖的多物理量有源光纖傳感器，其特征在于，包括泵浦源、波分復用器、增益光纖、隔離器、級聯少模光纖單元、偏振控制器和耦合器，所述級聯少模光纖單元包括第一單模光纖、少模光纖、第二單模光纖、光環形器和刻有光柵的少模光纖；其中，泵浦源的輸出端與波分復用器的短波長輸入端相連，波分復用器的輸出端依次通過增益光纖、隔離器與光環形器的第一端口相連，光環形器的第二端口與刻有光柵的少模光纖相連，光環形器的第三端口與第一單模光纖相連，第一單模光纖與少模光纖的一端錯位熔接，少模光纖的另一端與第二單模光纖錯位熔接，第二單模光纖與偏振控制器的輸入端相連，偏振控制器的輸出端與耦合器的輸入端相連，耦合器的輸出反饋端與波分復用器的長波長輸入端相連。2.根據權利要求1所述的一種基于級...

【專利技術屬性】
技術研發人員：萬洪丹，李宏業，張祖興，王杜毅，孫兵，張琳，
申請(專利權)人：南京郵電大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32