專利名稱：：光纖布拉格光柵激光器的傳感方法
技術領域：
：本發明屬于光電子
技術領域：
，涉及光纖傳感等方面，與光纖傳感器、分布反饋光纖激光器、光纖布拉格光柵、光強度調制器等有關，涉及復雜分布反饋光纖激光器的設計與制作，光纖光柵傳感器的應用，廣泛適用于對應變、溫度、壓力等各類物理量的測量，是雙波長/多波長光纖激光傳感器測量應變、溫度等物理信息的一種傳感測量方法，為一種光纖布拉格光柵激光器的傳感方法。
背景技術：
：光纖光柵傳感器由于具有體積小、重量輕、抗干擾能力強，波長編碼、易于復用組網等優點，使得光纖光柵傳感器近年來得到的迅速發展，特別是大型建筑物和工業領域的應力、溫度測量等領域得到了廣泛應用，例如中國專利CN1316227C公開的一種光纖位移傳感器，中國專利CN1384341A公開的壓力與溫度同時檢測的光纖光柵傳感器和中國專利CN1632488公開的光纖光柵測力計錨索應力傳感器等應用方案。無源光纖光柵傳感器是通過檢測光纖光柵反射波長的變化來確定被檢測信號的信息。但是普通無源光纖光柵的檢測精度受到光纖光柵帶寬和信噪比等因素限制很難達到更高的精度，在一些需要超高分辨率的場合，如水下微弱信號探測，用于地震勘探的地震檢波器等，普通光纖光柵很難滿足要求。為了得到高信噪比的光纖光柵傳感信號，中國專利CN101398440A公開了"光纖激光加速度傳感器"，通過在有源摻鉺光纖上刻寫短腔的布拉格光柵結構作出有源光纖光柵激光器，利用外界被檢測物理量作用在激光器上來引起激光頻率的變化從而檢測該物理量的變化。但是所有無源和有源的傳感器常常通過非平衡干涉儀這種解調儀器，將光信號轉換成相位信息，來解調被測物理量，在這種情況下，干涉儀容易受到外界環境的干擾，穩定性不好，為了解決這一問題，0.Hadeler，E，R0nnekleiv，M.Ibsen，andR.I.Laming,"Polarizationdistributedfeedbackfiberlasersensorforsimultaneousstrainandtemperaturemeasurements,，，Appl.Opt.，1999，38(10):1953-1958)禾口(B.Guan，H.Tam，S丄au，andH丄W.Chan，"UltrasonichydrophonebasedondistributedBraggreflectorfiberlaser，"IEEEPhoton.Technol.Lett.，2005，16(1):169-171利用鉺鐿共摻光纖光柵激光器同時產生的兩個偏振光的拍頻信號來解調被檢測的物理量。該方法能有效地解決環境干擾的問題，但是鉺鐿共摻光纖的吸收系數很大，很難實現多個傳感器在一根光纖上復用。另一方面由于技術的發展和通信方面應用的推動，近年來，雙波長光纖激光器和多波長光纖激光器的研究開始起步，如中國專利申請號200710176169公開了"線型腔單偏振雙波長光纖光柵激光器的實現方法"，在有源光纖上接入保偏光纖光柵及兩個寬帶光纖光柵，適當選擇兩個寬帶光柵的反射譜互相隔并且兩個反射峰分別對準保偏光纖光柵兩個偏振方向反射峰，每個光柵只與保偏光纖光柵的一個偏振態的反射峰構成諧振腔，每個腔是獨立的，在線型腔輸出端會輸出穩定的單偏振的雙波長激光。王利，陳柏，陳嘉琳，常麗萍，李國揚，孫安，林尊琪，"一種制作摻Yb相移光纖光柵激光器的實驗方案"，中國激光，2007,34(12):1617-1620報道了利用遮擋法在有源摻Yb光纖上寫入相移光纖光柵，制作了一只單縱模運轉的光纖光柵激光器。葛春風，趙東暉，楊秀峰，劉志國，呂可誠，董孝義，"可調諧環形腔光纖光柵激光器"，光學學報，1999，19(6):762-765報道了采用光纖光柵作為環形腔的反射器，通過懸臂梁利用雙螺紋差動調節器進行細微調諧實現穩定的可調諧的、窄帶寬激光輸出。這些光纖光柵激光器目前的應用主要在通信領域，如波分復用系統(W匿)，或者微波光子學中的微波光子產生等。本專利的主要思想是把利用光纖光柵激光器的設計思想，研制出雙波長/多波長光纖激光器并且和拍頻技術結合，將其應用到光纖傳感上。利用雙波長/多波長激光相互之間的拍頻來解調被檢測的物理量，屬于一種新穎的光纖傳感器。
發明內容本發明要解決的問題是光纖光柵傳感信號易受干擾，測量精度不高，傳感系統不夠穩定，改進的利用鉺鐿共摻光纖光柵激光器同時產生的兩個偏振光的拍頻信號的檢測方法不能實現多個傳感器在一根光纖上復用。本發明的技術方案為光纖布拉格光柵激光器的傳感方法，包括傳感探頭，傳輸光纖、波分復用器、泵浦光源、光電探測器和頻率檢測與處理部分，傳感探頭由光纖布拉格光柵激光器封裝組成，光纖布拉格光柵激光器包括多波長分布反射式光纖布拉格光柵激光器和雙波長光纖布拉格光柵激光器，光纖布拉格光柵激光器產生至少一個可探測的拍頻信號，光纖布拉格光柵激光器發出多種波長激光ApA2，...，AN，N>2，N是光纖激光傳感頭激射的總激光波長數，泵浦光源發出的光經過波分復用器進入傳感探頭，激射出雙/多波長的激光經過傳輸光纖和波分復用器送入到光電探測器轉化成電信號，再輸入頻率檢測與處理部分，所述電信號是各種波長激光之間的拍頻，檢測任何兩個波長之間的拍頻頻率《)=力'入i，Aj是傳感器的第i，j個激光波長，i，j《N，Ai，Aj隨著被測物理量的:的變化信息，頻率檢測與處理部分還原出被變化而變化，所以拍頻Sfij也包含被測物理』測物理量的變化信息。多波長分布反射式光纖布拉格光柵激光器兩端各有一個光纖布拉格光柵，光纖布拉格光柵可以刻在有源光纖上，也可以刻在無源光纖上，且光柵之間的光纖部分至少一部分是有源光纖，有源光纖包括摻鉺光纖、鉺釔共摻光纖；雙波長光纖布拉格光柵激光器的光纖布拉格光柵寫在摻鉺光纖上，形成有源雙波長光纖激光器，用紫外曝光法在摻鉺光纖上寫入三段等長度結構光纖光柵，每兩段間引入等效n相移。本發明在波分復用器與光電探測器之間設有摻鉺光纖放大器。進一步的，在波分復用器與摻鉺光纖放大器之間設有光纖隔離器，摻鉺光纖放大器至光電探測器的連接上依次設有偏振控制器和LiNb03電光調制器，LiNb03電光調制器連接偏置電壓源和射頻信號發生器。本發明可以實現一根光纖上多個傳感器的復用，將具有不同拍頻頻率的雙波長光纖布拉格光柵激光器串接在一根光纖上，形成雙波長傳感器復用網絡，所有雙波長光纖布拉格光柵激光器的拍頻信號一起通過摻鉺光纖放大器后，經過光電探測器后轉化為電子信號，把這些帶有傳感信息的電子信號分成k路，k為雙波長光纖布拉格光柵激光器個數，利用帶通濾波器根據各個雙波長光纖布拉格光柵激光器的拍頻頻率范圍，將所述電子信號進行一級寬帶選頻，每個帶通濾波器對應一個雙波長光纖布拉格光柵激光器，濾除其他激光器拍頻信號，然后分別由頻率檢測與處理部分還原出各雙波長光纖布拉格光柵激光器對應的被測物理量的變化信息，實現多個雙波長光纖布拉格光柵激光器的多傳感頻分復用。在摻鉺光纖放大器至光電探測器的連接上依次設有偏振控制器和LiNb03電光調制器的情況下，將具有不同拍頻頻率的雙波長光纖布拉格光柵激光器串接在一根光纖上，形成雙波長傳感器復用網絡，所有雙波長光纖布拉格光柵激光器的拍頻信號一起通過摻鉺光纖放大器后，經過LiNb03光電調制器降低拍頻傳感信號頻率，再經過光電探測器后轉化為電子信號，把這些帶有傳感信息的信號分成k路，k為雙波長光纖布拉格光柵激光器個數，利用帶通濾波器根據各個雙波長光纖布拉格光柵激光器的拍頻頻率范圍，將所述電子信號進行一級寬帶選頻，每個帶通濾波器對應一個雙波長光纖布拉格光柵激光器，濾除其他激光器拍頻信號，然后分別由頻率檢測與處理部分還原出各雙波長光纖布拉格光柵激光器對應的被測物理量變化信息，實現多個雙波長光纖布拉格光柵激光器降頻調制和多傳感頻分復用。本發明被測物理量包括溫度、應變、振動、電壓、磁場，直接測量溫度、應變物理量，其它被測物理量轉化為溫度、應變來測量采用雙波長光纖布拉格光柵激光器時，當被測應力作用于傳感探頭，兩激光輸出波長漂移量為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>附這里e是施加在傳感探頭光纖的縱向應變，Pe為光柵間光纖的有效彈光系數，a為光柵間光纖的熱膨脹系數，l為光柵間光纖的熱光系數，Am，m=1，2是雙波長光纖布拉格光柵激光器的輸出波長，AAm，m=1，2是雙波長光纖布拉格光柵激光器的波長改變量，AT是測量的溫度變化，雙波長光纖布拉格光柵激光器輸出的兩個波長光干涉后產生傳感拍頻信號，拍頻信號頻率與應力變化關系可以表示如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>拍頻信號頻率與溫度變化關系可以表示如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>這里Sf。是沒有任何物理量傳感信息作用于傳感探頭上時，雙波長光纖布拉格光柵激光器的拍頻頻率，通過測量拍頻信號的偏移量就可以準確知道計算施加的應變或溫度大小；采用多波長分布反射式光纖布拉格光柵激光器時，激光在兩端光纖布拉格光柵形成的諧振腔內振蕩，形成的多波長激光傳感器的相鄰兩波長頻率間隔為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>這里n是兩光柵間光纖的折射率，L是兩光纖布拉格光柵之間的諧振腔的長度，多波長之間的頻率間隔為7C"=;2Z這里n=1，2，......q，q《P為多波長的間隔數目，P表示在光纖光柵諧振腔軸向形成的駐波的節點數目，即光纖光柵激光器激射的多波長激光的數目，光纖布拉格光柵中間諧振腔處的光纖受到應力、溫度或者其他可以引起應力、或者溫度變化的物理量變化時，多波長分布反射式光纖布拉格光柵激光器的頻率間隔會發生變化，即拍頻頻率發生變化，頻率間隔與應力變化關系可以表示如下Av=~^--+--=i/(—+—)=v(l—O2丄w2w丄ZwZ這里e是施加在傳感探頭(3)的縱向應變，^為兩光柵間光纖有效彈光系數。頻率間隔與溫度變化關系可以表示如下Av-^--+--=K(—+—)=K(a+《)AT2"Zw2"丄￡w丄a為兩光柵間光纖的熱膨脹系數，l為兩光柵間光纖的熱光系數，AT是測量的溫度變化。對于雙波長傳感器復用網絡，根據采用多波長分布反射式光纖布拉格光柵激光器的檢測方法，檢測應變或溫度大小，進一步得到振動、電壓、磁場等物理量。采用多波長分布反射式光纖布拉格光柵激光器時，利用順變體和頻率檢測裝置實現對振動信號的檢測，以及對溫度、交變電磁場物理量的變化檢測，將多波長分布反射式光纖布拉格光柵激光器兩端光纖布拉格光柵中間的光纖部分，包括產生激光的有源光纖，纏繞在一個順變柱體上，形成一個可探測振動信號光纖光柵傳感器，這里兩光纖布拉格光柵作為多波長分布反射式光纖布拉格光柵激光器的反射鏡，中間形成激射激光的諧振腔，當順變柱體感受到振動信號后，順變柱體上的光纖長度會發生變化，光纖長度的變化使得激光諧振腔的共振條件發生變化，使得不同頻率間隔的多模激光重新達到平衡，通過測量多模輸出激光的頻率間隔及它們之間的拍頻信號即可以還原施加到順變柱體上的振動常情況。本發明利用光纖光柵作為諧振腔的反射鏡，中間加上能夠產生足夠增益的有源光纖，在980nm或者1480nm泵浦光源的作用下形成雙波長/多波長光纖布拉格光柵激光器作為傳感器。當外界的應變、溫度等物理量作用于雙波長/多波長激光傳感器時，雙波長或者多波長激光之間的拍頻信號頻率將發生漂移。通過高速光電探測器接收雙波長/多波長激光相互之間拍頻信號，然后通過頻譜分析裝置來檢測雙光束/多光束干涉信號頻率信息，通過它可以對應力、溫度等物理參量進行高精度測量。本發明利用光纖光柵激光器頻率檢測技術，通過對拍頻激光波長之間的頻率間隔監測的方法得到傳感信息，所以它不受光強、偏振等光信息量的干擾，測量結果穩定、精度高；而且由于雙波長/多波長光纖布拉格光柵激光腔是通過紫外曝光寫在光纖或者有源光纖上，通過頻分復用的方式可以實現多點分布式傳感測量。在頻譜分析儀檢測前加上電光調制器，可以實現任意調整拍頻信號頻率，甚至降低到幾百兆甚至幾十兆或者更低的頻率，這樣就可以大大降低頻譜分析儀頻譜范圍，降低檢測成本。與已知的光纖光柵傳感檢測手段相比，該檢測方法易于實現，工作穩定可靠。圖l為本發明原理圖。9圖2為本發明雙波長光纖布拉格光柵激光器的結構示意圖。圖3為本發明雙波長激光理論模擬的透射譜圖。圖4為本發明的利用光譜分析儀測得的雙波長激光實際光譜圖。圖5為本發明雙波長光纖布拉格光柵激光器的傳感方法原理圖。圖6為圖5的實驗測得的拍頻頻率傳感結果。圖7為電光調制器作用下的雙波長光纖布拉格光柵激光器的傳感原理圖。圖8為本發明應力對應拍頻頻率信號的曲線圖。圖9為本發明的雙波長傳感器頻分復用網絡原理圖。圖10為本發明多波長光纖布拉格光柵激光器的傳感系統原理圖。本發明的目的在于公開一種雙波長/多波長光纖布拉格光柵激光傳感方法，它通過高速光電探測器接收雙波長/多波長激光相互之間拍頻信號，然后通過頻譜分析裝置來檢測雙波長/多波長干涉信號頻率信息，通過它可以對應力、溫度等物理參量進行高精度測量。本發明利用光纖光柵激光器頻率檢測技術，通過對拍頻激光波長之間的頻率間隔監測的方法得到傳感信息。所以它不受光強、偏振等光信息量的干擾，測量結果穩定、精度高。而且由于雙波長/多波長光纖布拉格光柵激光腔是通過紫外曝光寫在光纖或者有源光纖上，通過頻分復用的方式可以實現多點分布式傳感測量。具體實施例方式傳感的基本原理本發明的一種雙波長/多波長光纖布拉格光柵激光傳感方法包含兩大部分，如圖1所示，所需設備包含傳感探頭3，傳輸光纖4、波分復用器2、泵浦光源1、光電探測器5和頻率檢測與處理部分6這些部分。傳感探頭3由雙波長/多波長光纖布拉格光柵激光器及其封裝組成，雙波長/多波長光纖布拉格光柵激光器發出的多波長激光入pA2，.，.，An，N^2，N是光纖激光傳感頭3激射的總激光波長數。980/1480nm泵浦激光器發出的光經過波分復用器2進入光纖激光傳感頭，激射出多波長的激光經過傳輸光纖4和波分復用器2送入到光電探測器5轉化成電信號。這個電信號是各種波長激光之間的拍頻，任何兩個波長之間的拍頻頻率豕<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>入j是傳感探頭3的第i.如》激光波長，i，j《N，Ai，Aj隨著被測物理量的變化而變化，所以拍頻S也包含被測物理量的變化信息，通過測量S就可還原出被測物理量的變化信息，頻率檢測與處理部分6—般為頻譜分析儀。在這個傳感系統中，與傳感直接相關的就兩部分一個是傳感探頭部分，另一個是頻率頻譜檢測和處理部分，兩者是相互獨立，可以分開加以描述傳感探頭部分理論上，所有能夠產生拍頻信號的雙波長/多波長光纖布拉格光柵激光器都可用來做本發明的傳感探頭。對于雙波長激光器，J.S皿，Y.T.Dai，X.F.Chen，Y.J.Zhang，andS.Z.Xie，"Stabledual-wavelengthDFBfiberlaserwithseparateresonantcavitiesanditsapplicationintunablemicrowavegeneration，，IEEEPhoton.Technol.Lett.18,2587(2006)等一些文獻已經描述各種雙波長激光器的設計和制作方法，這樣的雙波長激光器能夠獲得拍頻信號，可以用來作為本發明的光纖傳感器及傳感探頭。實際上，本發明對用來作為傳感探頭的雙波長/多波長光纖布拉格光柵激光器要求比較寬松即能夠產生可探測拍頻信號的雙波長/多波長光纖布拉格光柵激光器都可以用作本發明傳感器的傳感探頭。如本發明中所使用的雙波長光纖布拉格光柵激光器，如圖2所示，用紫外曝光法在摻鉺光纖21上寫入三段等長度結構光纖布拉格光柵31，每兩段間引入等效n相移。這種結構，在每兩個光纖布拉格光柵31間形成一個獨立的諧振腔，兩個光纖光柵激光諧振腔之間是相互隔離的。利用這種結構，激光的模式競爭被有效地抑制并且產生的激光穩定，能夠產生可探測的拍頻信號，然后通過傳輸光纖4傳輸到光電探測器5轉換為電信號，通過頻率分析裝置來檢測拍頻信號的漂移確定待測物理量的變化。目前報道的其他雙波長光纖布拉格光柵激光器都可以用來作為本發明的傳感探頭。另一種可以用來作為本發明傳感探頭的激光器就更為簡單，是一種多波長分布反射式(DBR)光纖激光器結構，此種光纖激光器的兩端各有一個光纖布拉格光柵31，這兩個光纖布拉格光柵可以是刻在有源光纖上，也可以是刻在無源光纖上，兩光纖布拉格光柵31之間的光纖部分至少一部分是有源光纖32，如摻鉺光纖、鉺釔共摻光纖等，保證在泵浦光的激勵下，產生足夠的增益產生激光激射；兩光纖布拉格光柵31之間的光纖總長度可以從數厘米到數十米，甚至到數百米，根據應用的實際情況來決定，但必須產生至少一個可探測的拍頻信號。頻率頻譜檢測和處理部分這部分是對于所探測的攜帶傳感信息的拍頻信號的頻率進行檢測，即測出多個波長激光A"A2，...，A,相互之間的拍頻頻率，《力'々.j《N)，Ai，Aj是傳感器的第i，j個激光波長，i，j《N。使用頻譜分析裝置進行信號頻譜還原，獲得的頻譜信息經過簡單處理就可以獲得被測物理量的傳感信息。采用雙波長光纖布拉格光柵激光器時，當被測應力作用于傳感探頭，兩激光輸出波長漂移量為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>這里e是施加在傳感探頭光纖的縱向應變，^為有源光纖有效彈光系數，a為有源光纖的熱膨脹系數，l為有源光纖的熱光系數，Am，m=1，2是雙波長光纖布拉格光柵激光器的輸出波長，AAm，m=1，2是雙波長光纖布拉格光柵激光器的波長改變量，AT是測量的溫度變化，雙波長光纖布拉格光柵激光器輸出的兩個波長光干涉后產生傳感拍頻信號，拍頻信號與應力變化關系可以表示如下=<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>拍頻信號與溫度變化關系可以表示如下^++=，，、^,1_+這里Sf。是沒有任何物理量傳感信息作用于傳感探頭上時，雙波長光纖布拉格光柵激光器的拍頻頻率，通過測量拍頻信號的偏移量就可以準確知道計算施加的應變或溫度大小；其他引起溫度、應變變化的其他待測物理量的變化情況也可以通過此方法來確定。利用上述雙波長激光傳感器的紫外曝光方法，在一根光纖上寫入多個光纖光柵對，形成多個雙波長激光器。通過適當選取這些激光器的參數，使得這些雙波長激光器具有不同的波長間隔，即有不同的拍頻頻率。通過測量這些激光器的不同拍頻頻率，來確定這些激光器的所檢測的待測物理量的變化情況，利用一根光纖串接多個雙波長激光器，通過頻分復用來實現多個傳感器網絡復用技術，形成雙波長傳感器復用網絡，所有雙波長光纖布拉格光柵激光器的拍頻信號經過光電探測器后轉化為電子信號，把這些帶有傳感信息的電子信號分成k路，k為雙波長光纖布拉格光柵激光器個數，利用帶通濾波器根據各個雙波長光纖布拉格光柵激光器的拍頻頻率范圍，將所述電子信號進行一級寬帶選頻，每個帶通濾波器對應一個雙波長光纖布拉格光柵激光器，濾除其他激光器拍頻信號，然后分別頻率檢測與處理部分還原出各雙波長光纖布拉格光柵激光器對應的被測物理量的變化信息，實現多個雙波長光纖布拉格光柵激光器的多傳感頻分復用。采用多波長分布反射式光纖布拉格光柵激光器時，激光在兩端光纖布拉格光柵形成的諧振腔內振蕩，形成的多波長激光傳感器的相鄰兩波長頻率間隔為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>這里n是兩光柵間光纖的折射率，L是兩光纖布拉格光柵之間的諧振腔的長度，多波長之間的頻率間隔為77c<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>這里n=1，2，......q，q《P為多波長的間隔數目，P表示在光纖光柵諧振腔軸向形成的駐波的節點數目，即光纖光柵激光器激射的多波長激光的數目，光纖布拉格光柵中間諧振腔處的光纖受到應力、溫度或者其他可以引起應力、或者溫度變化的物理量變化時，多波長分布反射式光纖布拉格光柵激光器的頻率間隔會發生變化，頻率間隔與應力變化關系可以表示如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>這里e是施加在傳感探頭(3)的縱向應變，Pe為兩光柵間光纖有效彈光系數。頻率間隔與溫度變化關系可以表示如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>a為兩光柵間光纖的熱膨脹系數，l為兩光柵間光纖的熱光系數，AT是測量的溫度變化。為了進一步說明本發明的技術特征和傳感效果，下面結合附圖和實施方案來對本方案做進一步說明。具體實施方式一如圖2所示，將兩個具有等效相移間隔，長度為6.8cm的三段光纖布拉格光柵31寫入摻鉺光纖21中，纖芯的有效折射率為1.447，通過理論模擬，我們可以得到該光纖光柵理論透射譜，如圖3所示。在這里我們可以看到，零級和偶數級沒有透射峰，所以不能形成激光。每個奇數透射譜中都有兩個峰，并且在±1級的深度最深，即能量最高，它們可能形成激光。由于光纖的短波損耗，因此-1級相對于+1級更容易產生激光。通過這樣的分析，我們可以得知，我們的三段式光纖光柵結構只能在+1級產生穩定的兩個波長的激光。得到兩個激光波長分別為1556.454nmandl556.537nm，實際檢測到的光譜圖如圖4所示，兩波長的間隔為83.2pm，頻率間隔為10.125GHz。具體實施方式二如圖5所示，本具體實施方式是針對雙波長光纖布拉格光柵激光器傳感方法的解調裝置示例。裝置由980或1480nm泵浦光源1，980nm/1550nm波分復用器2，傳感探頭3為雙波長光纖布拉格光柵激光器，微動平臺固定端4-l，微動平臺可調端4-2，摻鉺光纖放大器7，高頻光電探測器5，頻譜分析儀6組成。980nm泵浦激光器l的光通過波分復用器2入射到雙波長光纖布拉格光柵激光器上，產生雙波長激光。兩激光的干涉拍頻信號通過光纖放大器7放大，通過高頻光電探測器5轉換成電信號，然后通過頻譜分析儀6檢測。將光纖光柵激光傳感器固定在微動平臺，微動平臺固定端4-l固定，微動平臺可調端4-2可調節激光器固定兩端點的長度。當調節微動平臺可調諧端4-2時，就會有應變施加到雙波長光纖布拉格光柵激光器上，這樣就改變了兩激光的輸出波長，同樣改變了兩激光的拍頻傳感信號，然后通過分析頻譜分析儀6測量的拍頻信號的漂移就可以得到施加到雙波長光纖布拉格光柵激光器3的應變大小。圖6展示了當在雙波長光纖布拉格光柵激光器兩端分別施加Oiie，300iie和600iie時，頻譜分析儀得到的拍頻信號，當應變增加時，拍頻信號向頻率減小方向移動。具體實施方式三為了避免模式競爭，雙波長激光器的波長間距不能小于40pm，這樣傳感的拍頻信號不能低于5GHz，在實施方式二中，雙波長激光的拍頻頻率為10.125GHz，這需要高速的光電探測器和頻譜儀，它們需要很高的價格和體積，不便于提高性價比和使用推廣。我們可以利用電光調制器把拍頻信號從高頻降到低頻段，這樣可以利用低頻的光電探測器和頻譜分析儀對傳感拍頻信號進行探測。如圖7示，本具體實施方式的裝置由980泵浦光源1，980nm/1550nm波分復用器2，傳感探頭3為雙波長光纖布拉格光柵激光器，微動平臺固定端4-1，微動平臺可調端4-2，光纖隔離器8，摻鉺光纖放大器7，偏振控制器9，偏置電壓源ll，射頻信號發生器12，LiNb03電光調制器10，高頻光電探測器5，頻譜分析儀6組成。980nm泵浦激光器1的光通過波分復用器2入射到雙波長光纖布拉格光柵激光器上，產生兩個波長激光。光纖隔離器8用來隔離從其它器件返回的光進入雙波長光纖布拉格光柵激光器，避免產生信號噪聲。兩激光的干涉拍頻信號通過摻鉺光纖放大器7放大，LiNb03電光調制器10被放置在摻鉺光纖放大器7和光電探測器5中間，用來將高頻的拍頻傳感信號調制到低頻段，利用低頻的頻譜分析儀6來檢測傳感信號。這里偏振控制器9用來控制入射到LiNb03電光調制器10的光信號的偏振方向，使其與LiNb03電光調制器10的偏振方向一致，獲得最大的檢測信號。偏置電壓源11和射頻信號發生器12分別用來為LiNb03電光調制器10提供偏置電壓和射頻調制信號。光信號進入調制器后，被電光調制器調制這里Vx是調制器的偏置電壓，a乙是調制信號的幅值，"是調制信號的頻率，"fl,2是雙波長光纖布拉格光柵激光器的輸出頻率，將上式通過貝塞爾函數展開，從LiNb03電光調制器10輸出的傳感信號被表示為當調制信號的頻率為f時，被電光調制器調制的雙波長激光的一級邊帶為4±f和&士f，光電探測器5得到的拍頻傳感信號被調制為If「fJ士2f，由于If「f」+2f有著更高的頻率，只考慮使用低頻探測器測量|f「f」-2f。通過合適的選取調制頻率f，可以將傳J(0=5>/。(>"j)cos[.-J2O》os[S^]ccos(ft),,2t)—,(aJ)sin[y,]cos(w,2t±戰)兀「cos(""2t±2^yt)+/3("—)sin[--cos(^;力2t±3^)13感拍頻信號調制到幾十MHz至幾百MHz的低頻段，利用低頻探測器和廉價的低頻段的頻譜分析儀來測量傳感信號。然后用光電探測器5將拍頻光信號轉換成電信號，利用頻譜分析儀6測量拍頻信號的漂移就可以得到施加到雙波長光纖布拉格光柵激光器的應變大小。下面通過實例來說明如利用波長分別為1556.454nmand1556.537nm的雙波長光纖布拉格光柵激光器做傳感實驗，他們的波長的間隔為83.2pm，頻率間隔為10.4GHz.旋動微動平臺可調端4-2將應力施加到雙波長光纖光柵激光傳感器上，圖6的曲線a展示了傳感器應變從0-540ye時，未加電光調制器時拍頻信號的漂移情況，測得拍頻信號頻率隨應變漂移精度為-8.29kHz/iie。圖8的曲線b展示了傳感器應變從0-540iie時，在5.02GHz電光調制信號的調制下，從電光調制器輸出的傳感拍頻信號的漂移情況，測得拍頻信號頻率隨應變漂移精度為-8.38kHz/e。兩者的實驗響應基本一致。具體實施方式四利用本發明雙波長激光傳感器的制作技術，制作不同拍頻頻率的雙波長激光器，然后將具有不同拍頻頻率的雙波長激光傳感器串接在一根光纖上，形成雙波長傳感器復用網絡，如圖9所示。將不同拍頻信號激光器放置到需要測量物理量變化的地點，980泵浦激光器1的出射的980nm激光通過980/1550波分復用器2入射到傳感探頭3的傳感陣列中的各個雙波長激光傳感器3-l、3-2…3-k上，產生雙波長激光，雙波長激光干涉產生拍頻信號。通過合理設計各個雙波長傳感器的波長間隔，使其產生不同的拍頻信號。這些雙長波激光器干涉后產生拍頻信號，不同雙波長傳感器產生的激光由于不具有穩定的相位關系，所以不同雙波長激光器相互之間不會產生拍頻信號，這樣消除了各個激光傳感器之間的信息干擾。所有雙波長激光器的拍頻信號通過光纖放大器7放大后，經過光電探測器5后轉化為電子信號，該信號中包含了各個激光器的拍頻傳感信息。我們把這些信號分成k路，k為雙波長激光傳感器個數，利用帶通濾波器13將不同雙波長傳感器3-l，3-2…3-k各個不同拍頻頻率范圍的傳感信號進行一級寬帶選頻，濾除其他激光器拍頻信號，然后通過頻率檢測與處理部分6檢測各激光器拍頻信號變化情況，從而判斷各激光器對應的監測物理量的變化情況。利用這種辦法實現了多個雙波長激光傳感器的多傳感頻分復用。在摻鉺光纖放大器至光電探測器的連接上依次設有偏振控制器和LiNb03電光調制器的情況下，在所有雙波長光纖布拉格光柵激光器的拍頻信號一起通過摻鉺光纖放大器后，經過LiNb03光電調制器降低拍頻傳感信號頻率，再經過光電探測器后轉化為電子信號，把這些帶有傳感信息的信號分成k路，k為雙波長光纖布拉格光柵激光器個數，利用帶通濾波器根據各個雙波長光纖布拉格光柵激光器的拍頻頻率范圍，將所述電子信號進行一級寬帶選頻，每個帶通濾波器對應一個雙波長光纖布拉格光柵激光器，濾除其他激光器拍頻信號，然后分別由頻率檢測與處理部分還原出各雙波長光纖布拉格光柵激光器對應的被測物理量變化信息，實現多個雙波長光纖布拉格光柵激光器降頻調制和多傳感頻分復用。具體實施方式五根據本發明利用光纖光柵產生多波長激光傳感器的原理，制作如圖10所示的光纖多波長激光傳感系統。將激光器上一對光纖布拉格光柵31中間的光纖部分，包括產生激光的有源光纖32，纏繞在一個順變柱體14上，形成一個可探測振動信號光纖光柵傳感器。這里兩光纖布拉格光柵31作為多波長激光器的反射鏡，中間形成激射激光的諧振腔，當順變柱體14感受到振動信號后，順變柱體14上的光纖長度會發生變化，光纖長度的變化使得激光諧振腔的共振條件發生變化，使得不同頻率間隔的多模激光重新達到平衡。通過測量多模輸出激光的頻率間隔及他們之間的差頻信號即可以還原施加到順變柱體14上的振動常情況。泵浦光源1發出980nm或者1480nm的激光經過隔離器15通過波分復用器2進入多波長光纖激光傳感器，產生的多模激光發射回波分復用器2進入光電探測器5轉變成電信號，通過頻率檢測與處理部分6分析傳感器頻率間隔的變化情況，從而還原振動信號。利用此傳感器置于溫度場中，也可以檢測該順變柱體14監測點的溫度變化情況。權利要求光纖布拉格光柵激光器的傳感方法，其特征是包括傳感探頭(3)，傳輸光纖(4)、波分復用器(2)、泵浦光源(1)、光電探測器(5)和頻率檢測與處理部分(6)，傳感探頭(3)由光纖布拉格光柵激光器封裝組成，光纖布拉格光柵激光器包括多波長分布反射式光纖布拉格光柵激光器和雙波長光纖布拉格光柵激光器，光纖布拉格光柵激光器產生至少一個可探測的拍頻信號，光纖布拉格光柵激光器發出多種波長激光λ1，λ2，...，λN，N≥2，N是光纖激光傳感頭(3)激射的總激光波長數，泵浦光源(1)發出的光經過波分復用器(2)進入傳感探頭(3)，激射出雙/多波長的激光經過傳輸光纖(4)和波分復用器(2)送入到光電探測器(5)轉化成電信號，再輸入頻率檢測與處理部分(6)，所述電信號是各種波長激光之間的拍頻，檢測任何兩個波長之間的拍頻頻率<mrow><msub><mi>δf</mi><mi>ij</mi></msub><mo>=</mo><mo>|</mo><mfrac><mi>c</mi><mi>λi</mi></mfrac><mo>-</mo><mfrac><mi>c</mi><mi>λj</mi></mfrac><mo>|</mo><mo>,</mo></mrow>λi，λj是傳感器的第i，j個激光波長，i，j≤N，λi，λj隨著被測物理量的變化而變化，所以拍頻δfij也包含被測物理量的變化信息，頻率檢測與處理部分(6)還原出被測物理量的變化信息。2.根據權利要求1所述的光纖布拉格光柵激光器的傳感方法，其特征是多波長分布反射式光纖布拉格光柵激光器兩端各有一個光纖布拉格光柵(31)，光纖布拉格光柵(31)可以刻在有源光纖上，也可以刻在無源光纖上，且光柵之間的光纖部分至少一部分是有源光纖，有源光纖包括摻鉺光纖、鉺釔共摻光纖；雙波長光纖布拉格光柵激光器的光纖布拉格光柵(31)寫在摻鉺光纖上，形成有源雙波長光纖激光器，用紫外曝光法在摻鉺光纖上寫入三段等長度結構光纖光柵，每兩段間引入等效n相移。3.根據權利要求1或2所述的光纖布拉格光柵激光器的傳感方法，其特征是在波分復用器(2)與光電探測器(5)之間設有摻鉺光纖放大器(7)。4.根據權利要求3所述的光纖布拉格光柵激光器的傳感方法，其特征是在波分復用器(2)與摻鉺光纖放大器(7)之間設有光纖隔離器(8)，摻鉺光纖放大器(7)至光電探測器(5)的連接上依次設有偏振控制器(9)和LiNb0s電光調制器(10)，LiNb03電光調制器(10)連接偏置電壓源(11)和射頻信號發生器(12)。5.根據權利要求3所述的光纖布拉格光柵激光器的傳感方法，其特征是將具有不同拍頻頻率的雙波長光纖布拉格光柵激光器串接在一根光纖上，形成雙波長傳感器復用網絡，所有雙波長光纖布拉格光柵激光器的拍頻信號一起通過摻鉺光纖放大器(7)后，經過光電探測器(5)后轉化為電子信號，把這些帶有傳感信息的電子信號分成k路，k為雙波長光纖布拉格光柵激光器個數，利用帶通濾波器(13)根據各個雙波長光纖布拉格光柵激光器的拍頻頻率范圍，將所述電子信號進行一級寬帶選頻，每個帶通濾波器(13)對應一個雙波長光纖布拉格光柵激光器，濾除其他激光器拍頻信號，然后分別由頻率檢測與處理部分(6)還原出各雙波長光纖布拉格光柵激光器對應的被測物理量的變化信息，實現多個雙波長光纖布拉格光柵激光器的多傳感頻分復用。6.根據權利要求4所述的光纖布拉格光柵激光器的傳感方法，其特征是將具有不同拍頻頻率的雙波長光纖布拉格光柵激光器串接在一根光纖上，形成雙波長傳感器復用網絡，所有雙波長光纖布拉格光柵激光器的拍頻信號一起通過摻鉺光纖放大器(7)后，經過LiNb(^光電調制器(10)降低拍頻傳感信號頻率，再經過光電探測器(5)后轉化為電子信號，把這些帶有傳感信息的信號分成k路，k為雙波長光纖布拉格光柵激光器個數，利用帶通濾波器(13)根據各個雙波長光纖布拉格光柵激光器的拍頻頻率范圍，將所述電子信號進行一級寬帶選頻，每個帶通濾波器(13)對應一個雙波長光纖布拉格光柵激光器，濾除其他激光器拍頻信號，然后分別由頻率檢測與處理部分(6)還原出各雙波長光纖布拉格光柵激光器對應的被測物理量變化信息，實現多個雙波長光纖布拉格光柵激光器降頻調制和多傳感頻分復用。7.根據權利要求1或2所述的光纖布拉格光柵激光器的傳感方法，其特征是被測物理量包括溫度、應變、振動、電壓、磁場，直接測量溫度、應變物理量，其它被測物理量轉化為溫度、應變來測量，采用雙波長光纖布拉格光柵激光器時，當被測應力作用于傳感探頭(3)，兩激光輸出波長漂移量為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>這里e是施加在傳感探頭(3)光纖的縱向應變，Pe為光柵間光纖的有效彈光系數，a為光柵間光纖的熱膨脹系數，l為光柵間光纖的熱光系數，Am，m=1，2是雙波長光纖布拉格光柵激光器的輸出波長，AAm，m=1，2是雙波長光纖布拉格光柵激光器的波長改變量，AT是測量的溫度變化，雙波長光纖布拉格光柵激光器輸出的兩個波長光干涉后產生傳感拍頻信號，拍頻信號頻率與應力變化關系可以表示如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>拍頻信號頻率與溫度變化關系可以表示如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>這里Sf。是沒有任何物理量傳感信息作用于傳感探頭(3)上時，雙波長光纖布拉格光柵激光器的拍頻頻率，通過測量拍頻信號的偏移量就可以準確知道計算施加的應變或溫度大小；采用多波長分布反射式光纖布拉格光柵激光器時，激光在兩端光纖布拉格光柵(31)形成的諧振腔內振蕩，形成的多波長激光傳感器的相鄰兩波長頻率間隔為c<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>這里n是兩光柵間光纖的折射率，L是兩光纖布拉格光柵(31)之間的諧振腔的長度，多波長之間的頻率間隔為這里n=1，2，......q，q《p為多波長的間隔數目，p表示在光纖光柵諧振腔軸向形成的駐波的節點數目，即光纖光柵激光器激射的多波長激光的數目，光纖布拉格光柵中間諧振腔處的光纖受到應力、溫度或者其他可以引起應力、或者溫度變化的物理量變化時，多波長分布反射式光纖布拉格光柵激光器的頻率間隔會發生變化，頻率間隔與應力變化關系可以表示如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>這里e是施加在傳感探頭(3)的縱向應變，Pe為兩光柵間光纖的有效彈光系數，頻率間隔與溫度變化關系可以表示如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>a為兩光柵間光纖的熱膨脹系數，l為兩光柵間光纖的熱光系數，AT是測量的溫度變化。8.根據權利要求5所述的光纖布拉格光柵激光器的傳感方法，其特征是被測物理量包括溫度、應變、振動、電壓、磁場，直接測量溫度、應變物理量，其它被測物理量轉化為溫度、應變來測量，當被測應力作用于傳感探頭(3)時，兩激光輸出波長漂移量為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>這里e是施加在傳感探頭(3)光纖的縱向應變，Pe為光柵間光纖的有效彈光系數，a為光柵間光纖的熱膨脹系數，l為光柵間光纖的熱光系數，Am，m=1，2是雙波長光纖布拉格光柵激光器的輸出波長，AAm，m=1，2是雙波長光纖布拉格光柵激光器的波長改變量，AT是測量的溫度變化，雙波長光纖布拉格光柵激光器輸出的兩個波長光干涉后產生傳感拍頻信號，拍頻信號頻率與應力變化關系可以表示如下拍頻信號頻率與溫度變化關系可以表示如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>這里Sf。是沒有任何物理量傳感信息作用于傳感探頭(3)上時，雙波長光纖布拉格光柵激光器的拍頻頻率，通過測量拍頻信號的偏移量就可以準確知道計算施加的應變或溫度大小。9.根據權利要求6所述的光纖布拉格光柵激光器的傳感方法，其特征是被測物理量包括溫度、應變、振動、電壓、磁場，直接測量溫度、應變物理量，其它被測物理量轉化為溫度、應變來測量，當被測應力作用于傳感探頭(3)時，兩激光輸出波長漂移量為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage0</formula>這里e是施加在傳感探頭3光纖的縱向應變，Pe為光柵間光纖的有效彈光系數，a為光柵間光纖的熱膨脹系數，l為光柵間光纖的熱光系數，Am，m=1，2是雙波長光纖布拉格光柵激光器的輸出波長，△Am，m=1，2是雙波長光纖布拉格光柵激光器的波長改變量，AT是測量的溫度變化，雙波長光纖布拉格光柵激光器輸出的兩個波長光干涉后產生傳感拍頻信號，拍頻信號頻率與應力變化關系可以表示如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>拍頻信號頻率與溫度變化關系可以表示如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>這里Sf。是沒有任何物理量傳感信息作用于傳感探頭(3)上時，雙波長光纖布拉格光柵激光器的拍頻頻率，通過測量拍頻信號的偏移量就可以準確知道計算施加的應變或溫度大小。10.根據權利要求1或2所述的光纖布拉格光柵激光器的傳感方法，其特征是采用多波長分布反射式光纖布拉格光柵激光器時，利用順變體和頻率檢測裝置實現對振動信號的檢測，以及對溫度、交變電磁場物理量的變化檢測，將多波長分布反射式光纖布拉格光柵激光器兩端光纖布拉格光柵(31)中間的光纖部分，包括產生激光的有源光纖，纏繞在一個順變柱體(14)上，形成一個可探測振動信號光纖光柵傳感器，這里兩光纖布拉格光柵(31)作為多波長分布反射式光纖布拉格光柵激光器的反射鏡，中間形成激射激光的諧振腔，當順變柱體(14)感受到振動信號后，順變柱體(14)上的光纖長度會發生變化，光纖長度的變化使得激光諧振腔的共振條件發生變化，使得不同頻率間隔的多模激光重新達到平衡，通過測量多模輸出激光的頻率間隔及它們之間的拍頻信號即可以還原施加到順變柱體(14)上的振動常情況。11.根據權利要求5所述的光纖布拉格光柵激光器的傳感方法，其特征是采用多波長分布反射式光纖布拉格光柵激光器時，利用順變體和頻率檢測裝置實現對振動信號的檢測，以及對溫度、交變電磁場物理量的變化檢測，將多波長分布反射式光纖布拉格光柵激光器兩端光纖布拉格光柵(31)中間的光纖部分，包括產生激光的有源光纖，纏繞在一個順變柱體(14)上，形成一個可探測振動信號光纖光柵傳感器，這里兩光纖布拉格光柵(31)作為多波長分布反射式光纖布拉格光柵激光器的反射鏡，中間形成激射激光的諧振腔，當順變柱體(14)感受到振動信號后，順變柱體(14)上的光纖長度會發生變化，光纖長度的變化使得激光諧振腔的共振條件發生變化，使得不同頻率間隔的多模激光重新達到平衡，通過測量多模輸出激光的頻率間隔及它們之間的拍頻信號即可以還原施加到順變柱體(14)上的振動常情況。全文摘要光纖布拉格光柵激光器的傳感方法，利用光纖布拉格光柵作為諧振腔的反射鏡，中間加上能夠產生足夠增益的有源光纖，在泵浦光源的作用下形成雙波長/多波長光纖布拉格光柵激光器作為傳感器。當外界的應變、溫度等物理量作用于傳感系統時，雙波長或者多波長激光之間的拍頻信號頻率將發生漂移，通過檢測拍頻信號頻率信息，可以對應力、溫度等物理參量進行高精度測量。本發明制作簡單，工作穩定可靠，不受光強、偏振等光信息量的干擾，測量結果穩定、精度高；通過頻分復用的方式可以實現多點分布式傳感測量；在頻譜分析儀檢測前加上電光調制器，可以實現任意調整拍頻信號頻率，可以大大降低頻譜分析儀頻譜范圍，降低檢測成本。文檔編號G01B11/16GK101793570SQ20091023391公開日2010年8月4日申請日期2009年10月21日優先權日2009年10月21日發明者劉盛春,張亮,殷作為,陳向飛,高亮申請人:南京大學