CN111338020A - 一种可引入可调相移的均匀光纤光栅装置和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可引入可调相移的均匀光纤光栅装置和应用。该装置包括三部分连续的普通均匀光栅，中间部分的普通均匀光栅配置有大小可调节的拉伸应力而使光栅周期因拉伸而变长，两端部分的普通均匀光栅没有被施加应力而光栅周期保持不变，沿整个光纤光栅为一个啁啾周期光栅并在其中引入了一个大小可以调节的分布相移。本发明装置可消除双模简并，形成一个透射峰可调的光纤光栅单波长滤波器，可用来制作激射波长可调的单纵模光纤光栅激光器，其激射波长的改变反映了其中间部分光纤光栅所受应力或应变的大小和变化，也可反映光纤光栅所处环境温度的大小和变化，因而这种光纤光栅激光器特别适用于制造探测应力或应变和环境温度变化的传感器。
Description
技术领域
本发明属于光电子技术领域，涉及一种光纤光栅、光纤光栅激光器和传感器。
背景技术
在对于选频光栅为普通均匀光栅的光纤光栅激光器，要使激光器工作在稳定的单纵模工作状态，就必须在均匀光栅中引入一个真实相移。由于光纤光栅的光栅周期一般是亚微米量级，因此要制作真实相移光栅，通常需要用到高精度的电子束刻写设备。这就带来了真实相移光纤光栅制作成本高，刻写效率低下的问题。
南京大学陈向飞课题组提出重构－等效啁啾技术，用取样光栅来代替普通光栅，用等效相移来代替真实相移，以获得与真实相移光栅相同透射(反射)特性的等效相移光栅。在这种取样光栅光纤激光器中，通常在其选作激射信道的±1级之一的子光栅中，通过引入等效相移的方式，来降低其激射阈值。但由于零级子光栅中折射率调制强度要比±1级子光栅中大得多，因而通常其简并的两个零级主模仍然可能先于±1级子光栅主模发生激射。
此外，无论是真实相移均匀光栅还是等效相移取样光栅光纤激光器，它们即使事先引入相移或等效相移，其引入相移大小也是固定的值。因而这样的光纤光栅激光器激射时，无法通过调节其中引入相移大小的方法来控制其激射波长。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明提出一种在均匀光栅或均匀取样光栅的光纤光栅中引入可调分布相移的装置和应用。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种可引入可调相移的均匀光纤光栅装置，包括三部分连续的普通均匀光栅，其中，中间部分的普通均匀光栅配置有大小可调节的拉伸应力而使光栅周期因拉伸而变长，两端部分的普通均匀光栅没有被施加应力而光栅周期保持不变，沿整个光纤光栅为一个啁啾周期光栅并在其中引入了一个大小可以调节的分布相移。
更进一步的，所述均匀光纤光栅为激射信道可引入可调相移的均匀取样光纤光栅，包括三部分连续的普通均匀取样光栅，其中，中间部分的普通均匀取样光栅除可在选择作激射信道的±1级子光栅中事先设置任何大小的等效相移外，还被加上大小可调的拉伸应力而使激射信道的光栅周期因拉伸而变长，两端部分普通均匀取样光栅没有被施加应力而使其激射信道的光栅周期保持不变，沿整个光纤光栅的激射信道就成为一个啁啾周期光栅并在其中引入了一个大小可以调节的分布相移。
更进一步的，组成所述光纤光栅的三部分长度相同。
更进一步的，该光纤光栅的中间部分被事先施加拉伸应力后固着在可被拉伸或压缩的装置上，可被拉伸或压缩的装置受应力作用被拉伸或压缩时，整个啁啾周期光栅中引入分布相移大小发生改变。
本发明还提供一种光纤光栅激光器，其选频光栅由所述的均匀光纤光栅装置制成，固着中间部分的可被拉伸或压缩的装置在应力作用下发生拉伸或压缩应变时，整个啁啾周期光栅中引入分布相移大小改变而引起激光器激射波长相应发生改变；激射波长的改变可反映激光器中间部分所固着的可被拉伸或压缩的装置所受应力或应变的大小。
本发明还提供一种光纤光栅应力传感器，包括两个相同结构的所述光纤光栅激光器，其中第一个激光器的中间部分光栅在固定拉伸应力作用下长度保持不变，第二个激光器中间部分光栅被固着在受可变应力的可被拉伸或压缩的装置上面；两个激光器发射激光的拍频大小及变化情况，反映第二个激光器中间部分固着的可被拉伸或压缩的装置所受应力大小及变化的情况。
本发明还提供一种光纤光栅激光器，其选频光栅由所述的均匀光纤光栅装置制成，中间部分固着在基座上且受恒定的拉伸应力作用；当外界温度变化时激光器的激射波长相应发生改变，激射波长的改变可反映激光器所处环境的温度变化。
本发明还提供一种光纤光栅温度传感器，包括两个相同结构的光纤光栅激光器，两个光纤光栅激光器均固着在相同基座上且受相同的拉伸应力作用；其中第一个激光器处在恒温环境中，第二个激光器处在待测环境中；两个激光器发射激光的拍频大小及变化情况，反映第二个激光器所处环境温度大小和变化情况。
本发明的有益效果是：
由于采用了把连续光栅中间部分施加拉伸应力改变光栅周期的方法，不需要昂贵的电子束曝光技术，就可以方便地在任何均匀光栅或均匀取样光栅中引入任何大小的分布相移。由于可通过调节施加的拉伸应力大小来任意调节引入分布相移的大小，在光纤光栅禁带范围内连续调节激射波长，因而这种光纤光栅激光器特别适合于制作应力(应变)传感器。此外，引入了固定分布相移后这种激光器激射波长只随温度发生变化的特点，使得这种光纤光栅激光器也非常适合于制作温度传感器。
附图说明
图1是本发明可引入可调相移的均匀光纤光栅装置的结构示意图；
图2是一种本发明所述光纤光栅激光器或传感器结构示意图；
图3是一种本发明所述改进后的光纤光栅应力或温度传感器结构示意图。
图中标记：1、泵浦半导体激光器；2、光隔离器1；3、本发明所述光纤光栅装置；4、掺饵光纤；5、光隔离器2；6、光衰减器；7、光谱仪；8、光耦合器；9、光探测器；10、频谱仪。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步详细说明。
1、一种普通均匀光栅或均匀取样光栅中引入可调分布相移的光纤光栅
构造如图1所示，沿整个光纤的光栅为连续均匀光栅或均匀取样光栅，整个光纤光栅被分成三段，中间部分(如图1所示A、B两点间)由于拉伸引力作用而光栅长度和光栅周期稍有伸长，两端部分光栅长度和光栅周期保持不变。图中，A和B点之间是被拉伸的中间部分光栅，Λ1是中间部分光栅被拉伸后的光栅周期，Λ0是没有拉伸的两端部分光栅的光栅周期。图1中的光栅是连续的均匀光栅或均匀取样光栅(选作激射信道的±1级子光栅仍然是均匀光栅)且被分成三部分，中间部分事先被固着在位移台、梁、柱或缆绳等上面，且被加上大小可调节的拉伸应力而使光栅周期因被拉伸而变长，两端部分则没有被施加应力而光栅周期保持不变，因此沿整个光纤光栅就成为一个啁啾周期光栅且在其中引入了一个大小可以调节的分布相移。本发明所述光纤光栅可以是事先在中间部分设置有真实相移的均匀光栅或等效相移的均匀取样光栅。作为本发明的优选结构，所述光纤光栅激光器(传感器)中间部分光栅和两端部分光栅长度相同。
为简要说明本发明所述光纤光栅中引入可调分布相移的原理，假设有效折射率为neff、光栅周期为Λ0的普通连续均匀光纤光栅被分成长度相同的三段，中间部分光栅(如图1所示A、B两点间那段)由于被施加了拉伸引力作用后长度稍有伸长变为L，相应地中间部分光栅周期稍有伸长变为Λ1。那么在整个光栅上就引入了一个分布相移，分布相移大小可简化表示为
改变中间部分施加拉伸引力的大小，就能调节引入分布相移的大小，任意调控光纤光栅的透射峰在禁带范围内移动。
当选用均匀取样光栅作本发明所述引入可调分布相移的光纤光栅时，通常我们选择其±1级子光栅之一为选频信道，这时选频信道就是一个均匀光栅，它引入和调节分布相移机理与普通均匀光栅相同。
即使在本发明所述的均匀光栅或均匀取样光栅中事先设置一个真实相移或等效相移，依靠改变中间部分施加拉伸引力的大小，也能调节所引入分布相移和真实相移或等效相移的共同作用效果，任意调控光纤光栅的透射峰在禁带范围内移动。
2、用本发明可调分布相移光纤光栅制作的光纤激光器、应力(应变)或温度传感器
这类光纤激光器的核心部分是用本发明所述光纤光栅作为选频光栅。
图2是一种典型的这种光纤激光器结构示意图，它由半导体泵浦激光器、光隔离器1、所述可调分布相移光纤光栅、掺铒光纤、光隔离器2和光衰减器组成。光隔离器1的作用是单向通过泵浦激光而阻隔新产生激光通过，光隔离器2的作用是让新产生激光单向通过而阻隔泵浦激光通过。
图2可以是一种光纤光栅激光器或应力(应变)传感器，包括半导体泵浦激光器、光隔离器1、所述可引入可调分布相移的光纤光栅、掺铒光纤、光隔离器2和光衰减器。图2中光谱仪用来测定激光器的激射波长，激射波长大小变化可用来测定中间部分光栅上所受拉伸应力(应变)大小和变化情况。
图2也可以是一种光纤光栅温度传感器，包括半导体泵浦激光器、光隔离器1、所述的在不变拉伸应力作用下引入了固定分布相移的光纤光栅、掺铒光纤、光隔离器2和光衰减器。用图2中光谱仪测定光纤光栅激光器激射波长，就可根据激射波长随环境温度变化的关系，推算出环境温度。
这类激光器的激射波长可以用光谱仪来测定，激射波长大小变化反映了中间部分光栅上所受拉伸应力(应变)大小和变化情况，因此这种激光器可作应力(应变)传感器使用。
当这类激光器中间部分光栅上受到大小保持恒定的拉伸应力时，整个选频光栅上引入的分布相移就保持不变，此时激光器激射波长会随着外界环境温度的改变而变化。激射波长的大小变化反映了外界环境温度及变化情况，因而此时这种激光器就可以作为温度传感器使用。
3、用本发明光纤光栅激光器改进制作的应力(应变)或温度传感器
由于光纤光栅的禁带范围通常只有数个亚纳米量级或更小，直接测量本发明光纤光栅激光器激射波长改变需要灵敏度很高的光谱仪，高灵敏度光谱仪的制造成本较高，价格比较昂贵。
为改进这种状况，本发明提出了图3结构的应力(应变)或温度传感器。这种传感器核心部分是两个结构完全相同的可调分布相移光纤光栅激光器，这两个激光器发出激光通过一个光耦合器送到光探测器，用频谱仪可测出光探测器得到的拍频信号频率。拍频信号的频率反映了测量得到的传感信息情况。
图3可以是一种改进的光纤光栅应力(应变)传感器，这种传感器由两个相同结构的所述光纤光栅激光器组成，其中第一个激光器的中间部分光栅在固定拉伸应力作用下长度保持不变，第二个激光器中间部分光栅被固着在受可变应力(应变)的位移台、梁、柱或缆绳等上面；两个激光器发射激光的拍频大小及变化情况，反映了第二个激光器中间部分固着的位移台、梁、柱或缆绳等所受应力(应变)大小及变化的情况。
图3也可以是一种改进的光纤光栅温度传感器，这种传感器由两个相同结构的所述光纤光栅激光器组成，两个激光器的中间部分光栅在相同拉伸应力作用下引入相同的分布相移；第一个激光器被设置在恒温装置中，第二个激光器被放置在待测环境中；两个激光器发射激光的拍频大小及变化情况，反映了第二个激光器所处环境温度变化情况。
当用这种改进的结构作应力(应变)传感器时，一个光纤光栅中间部分被加上大小恒定的拉伸应力，另一个光纤光栅中间部分被固着在受可变应力(应变)的位移台、梁、柱或缆绳等上面。两个激光器发射激光的拍频大小及变化情况，反映了第二个激光器中间部分固着的位移台、梁、柱或缆绳等所受应力(应变)大小及变化的情况。
当用这种改进的结构作温度传感器时，两个激光器的光纤光栅中间部分在相同拉伸应力作用下引入相同的分布相移；第一个激光器被设置在恒温装置中，第二个激光器被放置在待测环境中；两个激光器发射激光的拍频大小及变化情况，反映了第二个激光器所处环境的温度变化情况。
本发明是一种在普通均匀光栅或均匀取样光栅的光纤光栅中，通过外加应力引入和调节分布相移大小，从而改变光纤光栅透射峰的方法。用这种光纤光栅制成光纤光栅激光器时，激光器的激射波长大小和变化，可以反映外加应力或温度的大小和变化情况。本发明的光纤光栅由三部分连续的普通均匀光栅组成，中间部分被加上大小可调节的拉伸应力而使光栅周期因拉伸而变长，两侧部分光纤光栅则没有被施加应力而光栅周期保持不变，因此整个光纤光栅就成为一个啁啾周期光栅并在其中引入了一个大小可以调节的分布相移。也就是说本发明装置可在均匀光纤光栅中引入一个可调分布相移来消除双模简并，形成一个透射峰可调的光纤光栅单波长滤波器。本发明装置用可用来制作激射波长可调的单纵模光纤光栅激光器，其激射波长的改变反映了其中间部分光纤光栅所受应力(或应变)的大小和变化，也可反映光纤光栅所处环境温度的大小和变化，因而这种光纤光栅激光器特别适用于制造探测应力(或应变)和环境温度变化的传感器。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种可引入可调相移的均匀光纤光栅装置，其特征在于：包括三部分连续的普通均匀光栅，其中，中间部分的普通均匀光栅配置有大小可调节的拉伸应力而使光栅周期因拉伸而变长，两端部分的普通均匀光栅没有被施加应力而光栅周期保持不变，沿整个光纤光栅为一个啁啾周期光栅并在其中引入了一个大小可以调节的分布相移。
2.根据权利要求1所述的可引入可调相移的均匀光纤光栅装置，其特征在于：所述均匀光纤光栅为激射信道可引入可调相移的均匀取样光纤光栅，包括三部分连续的普通均匀取样光栅，其中，中间部分的普通均匀取样光栅除可在选择作激射信道的±1级子光栅中事先设置任何大小的等效相移外，还被加上大小可调的拉伸应力而使激射信道的光栅周期因拉伸而变长，两端部分普通均匀取样光栅没有被施加应力而使其激射信道的光栅周期保持不变，沿整个光纤光栅的激射信道就成为一个啁啾周期光栅并在其中引入了一个大小可以调节的分布相移。
3.根据权利要求1或2所述的可引入可调相移的均匀光纤光栅装置，其特征在于：组成所述光纤光栅的三部分长度相同。
4.根据权利要求1或2所述的可引入可调相移的均匀光纤光栅装置，其特征在于：该光纤光栅的中间部分被事先施加拉伸应力后固着在可被拉伸或压缩的装置上，可被拉伸或压缩的装置受应力作用被拉伸或压缩时，整个啁啾周期光栅中引入分布相移大小发生改变。
5.一种光纤光栅激光器，其特征在于：其选频光栅由权利要求4所述的均匀光纤光栅装置制成，固着中间部分的可被拉伸或压缩的装置在应力作用下发生拉伸或压缩应变时，整个啁啾周期光栅中引入分布相移大小改变而引起激光器激射波长相应发生改变；激射波长的改变可反映激光器中间部分所固着的可被拉伸或压缩的装置所受应力或应变的大小。
6.一种光纤光栅应力传感器，其特征在于：包括两个相同结构的如权利要求5所述的光纤光栅激光器，其中第一个激光器的中间部分光栅在固定拉伸应力作用下长度保持不变，第二个激光器中间部分光栅被固着在受可变应力的可被拉伸或压缩的装置上面；两个激光器发射激光的拍频大小及变化情况，反映第二个激光器中间部分固着的可被拉伸或压缩的装置所受应力大小及变化的情况。
7.一种光纤光栅激光器，其特征在于：其选频光栅由权利要求4所述的均匀光纤光栅装置制成，中间部分固着在基座上且受恒定的拉伸应力作用；当外界温度变化时激光器的激射波长相应发生改变，激射波长的改变可反映激光器所处环境的温度变化。
8.一种光纤光栅温度传感器，其特征在于：包括两个相同结构的权利要求7所述的光纤光栅激光器，两个光纤光栅激光器均固着在相同基座上且受相同的拉伸应力作用；其中第一个激光器处在恒温环境中，第二个激光器处在待测环境中；两个激光器发射激光的拍频大小及变化情况，反映第二个激光器所处环境温度大小和变化情况。
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|---|---|---|---|---|
| CN114284845A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-04-05 | 上海频准激光科技有限公司 | 一种单频分布反馈光纤单元激光装置及其波长调谐方法 |
| CN114552357A (zh) * | 2022-02-23 | 2022-05-27 | 常州工学院 | 一种双波长光纤激光器及应用 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20200626 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |