布拉格光纖光柵溫度傳感器及其靈敏度增強(qiáng)方法
【專利摘要】一種光學(xué)檢測(cè)裝置【技術(shù)領(lǐng)域】的布拉格光纖光柵溫度傳感器及其溫度靈敏度增強(qiáng)方法，包括：采用布拉格光纖光柵作為窄帶濾波單元的光纖激光系統(tǒng)以及全光信號(hào)處理的四波混頻頻率啁啾放大系統(tǒng)，其中：光纖激光系統(tǒng)包括：布拉格光纖光柵、光放大器和光纖諧振腔，頻率啁啾放大系統(tǒng)包括：單頻激光器、摻餌光放大器、非線性原件和濾波器。本發(fā)明通過采用全光信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)頻率啁啾的高效放大，在普通單模布拉格光纖光柵上面得到超高溫度靈敏度的溫度傳感器，能夠?qū)⑵胀ú祭窆饫w光柵的溫度靈敏度倍幅地增強(qiáng)。
【專利說明】布拉格光纖光柵溫度傳感器及其靈敏度增強(qiáng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種光學(xué)檢測(cè)裝置【技術(shù)領(lǐng)域】的裝置及方法，具體是一種高靈敏度的布拉格光纖光柵(FBG)溫度傳感器以及溫度靈敏度增強(qiáng)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，光纖傳感由于其抗輻射、抗干擾、抗腐蝕、低成本、超小型、無污染、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，在廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用。特別的，采用布拉格光纖光柵(FBG)的光纖傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度的溫度、應(yīng)變測(cè)量，從而可以用于高溫監(jiān)控、建筑健康監(jiān)控、消防安全監(jiān)測(cè)、大壩橋梁的形變檢測(cè)等。
[0003]一般來說，采用傳統(tǒng)單模光纖的布拉格光纖光柵能夠得到13pm/°C的溫度靈敏度[K.T.V.Grattan and T.Sun, “Fiber optic sensor technology: an overview,，’Sens.Actuators 82，40 - 60 (2000)]。布拉格光纖光柵的溫度響應(yīng)來自于光柵的折射率調(diào)制的改變和光纖中柵格周期的改變。因此，通過改變光纖的材料，或者光纖結(jié)構(gòu)，甚至光纖光柵的寫制方法，在一定程度上能夠提高光纖廣廈你的溫度靈敏度。比如在文獻(xiàn)[J.Kou, S.Qiu, F.Xu, and Y.Lu, “Demonstrat1n of a compact temperature sensor based on first - orderBragg grating in a tapered fiber probe,，，0pt.Expressl9, 18452 -18457 (2011)]中，J.Kou等人采用拉錐的光纖上寫制光纖光柵的方法，可以得到20pm/°C的溫度靈敏度，比普通單模光纖光柵的溫度靈敏度有所提高。注意到，類似的預(yù)處理的方法對(duì)光纖光柵的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)帶來較大的破壞，往往會(huì)使得傳感器的可靠性、穩(wěn)定性變差，制作復(fù)雜，因此成本也提高。所以，我們更希望是通過后處理來提高傳感器的靈敏度，從而無需對(duì)光纖頭進(jìn)行預(yù)處理。
[0004]在文獻(xiàn)[B.P.- P.Kuo and Stojan Radic, “Fast wide band source tuning byextra - cavity parametric process, ” Opt.Expressl8, 19930 - 19940 (2010)]中，B.KUO 等人采用全光信號(hào)處理的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了頻率啁啾的放大，通過頻率啁啾的放大能夠有助于提高布拉格光纖光柵的諧振波長漂移的溫度響應(yīng)。
[0005]經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻(xiàn)號(hào)CN103759855A公開(公告)日2014.04.30,公開了一種帶有光纖布拉格光柵的溫度傳感系統(tǒng),其包括:光源、光纖環(huán)形器、一個(gè)或多個(gè)光纖FBG傳感器、稱合器、光纖、準(zhǔn)直透鏡、光折變?nèi)⒐鈻?、聚焦成像透鏡、成像裝置、處理器。該技術(shù)將光纖布拉格光柵傳感器引入溫度測(cè)量領(lǐng)域，基于光信號(hào)來傳送信息，具有抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫、耐高壓使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)，且穩(wěn)定性好、靈敏度高、分辨率高，并能同時(shí)獲得來自同一通道上的所有光譜。但該傳感器系統(tǒng)的溫度靈敏度是由FBG本征性質(zhì)決定的，導(dǎo)致其靈敏度難以滿足現(xiàn)有工業(yè)需要。
[0006]中國專利文獻(xiàn)號(hào)CN102589439A公開(公告)日2012.07.18，公開了一種基于光纖布拉格光柵的接觸式溫度無感三維探測(cè)傳感器屬于精密儀器制造和精密測(cè)試計(jì)量【技術(shù)領(lǐng)域】；該傳感器包括由泵浦激光器、WDM耦合器、摻鉺光纖和分束器組成的寬頻光源系統(tǒng)、由EDFA、第一環(huán)形器、導(dǎo)管、參考FBG和光纖阻隔器組成的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)、探針和由光譜分析儀、光纖耦合器和折射率匹配液組成的信號(hào)接收系統(tǒng)裝配構(gòu)成，溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的參考FBG放置在探針空間距離30cm內(nèi)，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了三維傳感，大幅度提高了傳感器對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，具有結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)時(shí)性好、易于實(shí)際應(yīng)用的特點(diǎn)，在對(duì)微小內(nèi)腔尺寸實(shí)施快速、超精密的測(cè)量與校準(zhǔn)中具有顯著優(yōu)勢(shì)。但該技術(shù)其本征受限的溫度靈敏度傳感特性，其溫度靈敏度依然是由FBG本征性質(zhì)決定，所以會(huì)被限制在?15pm/°C左右。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有布拉格光纖光柵溫度傳感器的溫度響應(yīng)能力不足，提出一種布拉格光纖光柵(FBG)溫度傳感器及其溫度靈敏度增強(qiáng)方法，通過采用全光信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)頻率啁啾的高效放大，在普通單模布拉格光纖光柵上面得到超高溫度靈敏度的溫度傳感器，可以在1550nm波長附近得到54pm/°C的溫度靈敏度，并且在普通FBG的基礎(chǔ)上，可以通過光信號(hào)的后處理過程實(shí)現(xiàn)溫度靈敏度的增強(qiáng)，在不改變FBG傳感頭的基礎(chǔ)上大幅提高系統(tǒng)的溫度傳感靈敏度至5倍。
[0008]
[0009]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0010]本發(fā)明涉及一種高靈敏度的布拉格光纖光柵溫度傳感器，包括:采用布拉格光纖光柵作為窄帶濾波單元的光纖激光系統(tǒng)以及全光信號(hào)處理的四波混頻頻率啁啾放大系統(tǒng)，其中:光纖激光系統(tǒng)包括:布拉格光纖光柵、光放大器和光纖諧振腔，頻率啁啾放大系統(tǒng)包括:單頻激光器、摻餌光放大器、非線性原件和濾波器。
[0011]所述的布拉格光纖光柵、光放大器和光纖諧振腔構(gòu)成環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，其中:布拉格光纖光柵的波長為1550±lnm的C波段范圍，反射率不低于50光放大器為摻館光纖放大器。
[0012]所述的單頻激光器的輸出波長與所述布拉格光纖光柵的波長不同，其中:單頻激光器的輸出線寬為20MHz?1GHz，輸出功率為20mW。
[0013]所述的非線性元件采用但不限于鍺摻雜的高非線性光纖、鉍摻雜的軟玻璃光纖或硫化物光纖，在1550nm波段的非線性系數(shù)不低于10/W/km，長度不低于200m。
[0014]本發(fā)明涉及上述傳感器的溫度靈敏度增強(qiáng)方法，以光纖激光系統(tǒng)的輸出激光作為泵浦波長，以另一固定波長的單品激光為信號(hào)波長，經(jīng)摻餌光纖放大器耦合放大并濾波后，輸出至高非線性光纖，實(shí)現(xiàn)高階四波混頻。
技術(shù)效果
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)效果包括:
[0016]I)基于光纖光柵和特殊的非線性光信號(hào)處理，得到超高溫度靈敏度的光纖光柵傳感，可以得到54pm/°C的溫度靈敏度；
[0017]2)采用非線性全光信號(hào)處理可以在輸出端對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行后處理，不涉及傳感頭，從而更加容易；
[0018]3)采用高階四波混頻實(shí)現(xiàn)的頻率啁啾放大對(duì)靈敏度的增強(qiáng)效果是極為高效的，可以輕松實(shí)現(xiàn)5倍的靈敏度增強(qiáng)；
[0019]4)采用頻率啁啾放大在增強(qiáng)溫度靈敏度的同時(shí)，可以提高系統(tǒng)的溫度分辨率，便于在有限的解調(diào)精度的情況下，得到更高精度的溫度測(cè)量?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2為光纖激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖中:FBG:布拉格光纖光柵；EDFA:摻鉺光纖放大器；CIR:環(huán)形器；PC:偏振控制器；IS0:隔離器；oc:率禹合器。
[0023]圖3為頻率啁啾放大結(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖中:LD:單頻激光器；HNLF:高非線性光纖；BPF:光濾波器；EDFA:摻鉺光纖放大器；PC:偏振控制器。
[0025]圖4為實(shí)施例溫度傳感實(shí)驗(yàn)光譜圖；
[0026]圖中所示:伴隨1.17攝氏度的溫度變化，測(cè)得的波長漂移在閑頻光位置相比泵浦光明顯變大，從而得到更高靈敏度；
[0027]圖5為實(shí)施例的溫度傳感寬帶光譜圖；
[0028]圖中所示:基于頻率啁啾的放大，波長漂移在不同的閑頻光位置，得到不同的溫度靈敏度增強(qiáng)。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例1
[0030]如圖1所示，本實(shí)施例包括:采用布拉格光纖光柵FBG作為窄帶濾波單元的光纖激光系統(tǒng)以及全光信號(hào)處理的四波混頻頻率啁啾放大系統(tǒng)，其中:光纖激光系統(tǒng)包括:布拉格光纖光柵FBG、光放大器EDFA和光纖諧振腔，頻率啁啾放大系統(tǒng)包括:單頻激光器LD、摻餌光放大器EDFA、非線性原件和濾波器BFP ；
[0031]所述的布拉格光纖光柵FBG、光放大器EDFA和光纖諧振腔構(gòu)成環(huán)形腔結(jié)構(gòu)。
[0032]如圖2所示，所述的光纖激光系統(tǒng)包括:依次連接構(gòu)成環(huán)路的摻鉺光纖放大器EDFA、環(huán)形器CIR、偏振控制器PC、隔離器ISO、耦合器0C、光濾波器BPF以及與環(huán)形器CIR相連的布拉格光纖光柵FBG,其中:摻館光纖放大器EDFA輸出的自發(fā)福射光通過環(huán)形器CIR輸出到布拉格光纖光柵FBG,光纖光柵反射特定波長的光回到環(huán)形器CIR,通過環(huán)形器CIR的另一端口連接到偏振控制器PC和耦合器0C，耦合器OC采用30/70的耦合比，其中:70%的一端輸出光到隔離器IS0，然后連接到摻餌光纖放大器EDFA的入射端，從而整體構(gòu)成環(huán)形腔的光纖激光器LD結(jié)構(gòu),從稱合器OC的30% —端輸出激光?；谠摷す馄鱈D結(jié)構(gòu),得到激光的波長跟光纖光柵相同，輸出波長在室溫下處于1550 ± lnm。
[0033]如圖3所示，為頻率啁啾放大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明采用的技術(shù)方案，圖2輸出的激光和圖3中單頻激光器LD輸出的激光合并在一起，耦合到摻餌光纖放大器EDFA，通過濾波器BFP之后輸入到高非線性光纖HNLF。摻餌光纖放大器EDFA的輸出功率為500mW，高非線性光纖HNLF的長度為500nm，非線性系數(shù)為11/W/km，零色散波長處于1550nm。
[0034]基于圖2和圖3的溫度傳感器，得到四階的四波混頻，頻率啁啾放大倍數(shù)為5倍，從而將溫度靈敏度增強(qiáng)5倍。圖4為溫度變化1.17攝氏度，得到激光波長漂移從0.0llnm增大到0.061nm。圖5為不同溫度下，不同階次的四波混頻閑頻光的波長漂移光譜圖。
【權(quán)利要求】
1.一種布拉格光纖光柵溫度傳感器，其特征在于，包括:米用布拉格光纖光柵作為窄帶濾波單元的光纖激光系統(tǒng)以及全光信號(hào)處理的四波混頻頻率啁啾放大系統(tǒng)，其中:光纖激光系統(tǒng)包括:布拉格光纖光柵、光放大器和光纖諧振腔，頻率啁啾放大系統(tǒng)包括:單頻激光器、摻餌光放大器、非線性原件和濾波器； 所述的布拉格光纖光柵、光放大器和光纖諧振腔構(gòu)成環(huán)形腔結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的布拉格光纖光柵溫度傳感器，其特征是，所述的布拉格光纖光柵的波長為1550± Inm的C波段范圍，反射率不低于50%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的布拉格光纖光柵溫度傳感器，其特征是，所述的光放大器為摻館光纖放大器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的布拉格光纖光柵溫度傳感器，其特征是，所述的光纖激光系統(tǒng)包括:依次連接構(gòu)成環(huán)路的摻鉺光纖放大器、環(huán)形器、偏振控制器、隔離器、耦合器、光濾波器以及與環(huán)形器相連的布拉格光纖光柵，其中:摻館光纖放大器輸出的自發(fā)福射光通過環(huán)形器輸出到布拉格光纖光柵，光纖光柵反射特定波長的光回到環(huán)形器，通過環(huán)形器的另一端口連接到偏振控制器和耦合器，耦合器采用30/70的耦合比，其中:70%的一端輸出光到隔離器，然后連接到摻餌光纖放大器的入射端，從而整體構(gòu)成環(huán)形腔的光纖激光器結(jié)構(gòu)，從I禹合器的30% —端輸出激光。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的布拉格光纖光柵溫度傳感器，其特征是，所述的單頻激光器的輸出波長與所述布拉格光纖光柵的波長不同，其中:單頻激光器的輸出線寬為20MHz?IGHz，輸出功率為20mW。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的布拉格光纖光柵溫度傳感器，其特征是，所述的非線性元件采用:鍺摻雜的高非線性光纖、鉍摻雜的軟玻璃光纖或硫化物光纖，在1550nm波段的非線性系數(shù)不低于10/W/km，長度不低于200m。
7.一種根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述傳感器的溫度靈敏度增強(qiáng)方法，其特征在于，以光纖激光系統(tǒng)的輸出激光作為泵浦波長，以另一固定波長的單品激光為信號(hào)波長，經(jīng)摻餌光纖放大器耦合放大并濾波后，輸出至高非線性光纖，實(shí)現(xiàn)高階四波混頻。
【文檔編號(hào)】G01K11/32GK104034443SQ201410284111
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年6月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月23日
【發(fā)明者】何祖源, 杜江兵, 樊昕昱, 劉慶文 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)