一种基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光传感器

摘要

本发明涉及一种光纤激光传感器，具体是一种基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光传感器，包括可调谐单频激光器、掺铒光纤放大器、偏振控制器、光耦合器、单模光纤、温度/应变控制系统、偏振合束器、光电二极管、频谱仪、光谱仪；温度/应变控制系统由光纤固定夹具和加热器组成。本发明设计合理，使用前向受激类拉曼布里渊光纤激光器，通过探测受激类拉曼散射类R0m布里渊模式频移量，实现灵敏度可调的温度应变传感。

权利要求

1.一种基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光传感器，其特征在于，包括：可调谐单频激光器（1）、掺铒光纤放大器（2）、偏振控制器（3）、第一光耦合器（4）、第二光耦合器（5）、单模光纤（6）、温度/应变控制系统（7）、偏振合束器（8）、第三光耦合器（9）、光电二极管（10）、频谱仪（11）和光谱仪（12）；其中温度/应变控制系统（7）包括第一光纤固定夹具（7a）、第二光纤固定夹具（7b）、加热器（7c）；

可调谐单频激光器（1）产生的泵浦光，经掺铒光纤放大器（2）放大，通过偏振控制器（3）在第一光耦合器（4）的端口a输入，经过第一光耦合器（4）后输出光被分为两束反向传输的相干光，从第一光耦合器（4）的端口b、端口c输入第二光耦合器（5），从端口e输入第二光耦合器（5）的光分成两束反向传播光束从端口h和端口g输出，从端口h输入第二光耦合器（5）的光分成两束反向传播光束从端口e和端口f输出，从端口f、端口g输入的光经过置于温度/应变控制系统（7）的单模光纤（6）组成的光纤环，发生谐振后返回到第二光耦合器（5）中，再从端口e和端口h返回到第一光耦合器（4）中发生解调，当第二光耦合器（5）和单模光纤（6）形成的谐振腔的布里渊增益高于损耗时，形成前向受激类拉曼激光信号从第一光耦合器（4）的端口b和端口c输入，满足相位条件的激光从d端口输出，不满足相位条件的光从a端口输出，经端口d输出的激光经偏振合束器（8）调整偏振状态后，进入第三光耦合器（9）中分为两束激光，一束由光电二极管（10）和频谱仪（11）记录光谱，另一束直接由光谱仪（12）记录光谱，通过改变温度/应变控制系统（7）内单模光纤（6）所受的温度或应变环境，探测不同受激类拉曼散射类R0m布里渊模式频移量，实现灵敏度可调的温度应变传感；所述相位条件是：从第二光耦合器（5）的端口e和端口h输出至第一光耦合器（4）的端口b和端口c的激光，在第一光耦合器（4）作用下均分为两束激光，分别从第一光耦合器（4）的端口a和端口d输出，若从第一光耦合器（4）的端口b和端口c输入的激光分出至端口d的激光同相位，则满足相位条件，否则不满足相位条件。

2.如权利要求1所述的基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光传感器，其特征在于，所述可调谐单频激光器（1）采用中心波长为1550nm，光谱线宽为400 GHz，边模抑制比>45 dB，相对噪声为‑145 dB/Hz，最大输出功率为10dBm，波长可调范围为1520‑1630 nm的连续运行激光器。

3.如权利要求1所述的基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光传感器，其特征在于，所述掺铒光纤放大器（2）增益为15 dB，波长范围为1528 nm 1565 nm。

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4.如权利要求1所述的基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光传感器，其特征在于，所述第一光耦合器（4）、第二光耦合器（5）、第三光耦合器（9）的分光比为50:50，用来将泵浦光分成两束相干光束。

5.如权利要求1所述的基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光传感器，其特征在于，所述单模光纤（6）是长度为10 km的SM‑28单模光纤，提供非线性布里渊增益。

6.如权利要求1所述的基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光传感器，其特征在于，所述光电二极管（10）的响应带宽为0 12 GHz，响应波长范围为400 nm 1650 nm。

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7.如权利要求1所述的基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光传感器，其特征在于，频谱仪（11）带宽是0 26.5 GHz，最小分辨率是1 Hz，用以分析由光电探测器转化的电信号。

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8.如权利要求1所述的基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光传感器，其特征在于，所述光谱仪（12）分辨率为0.02 nm，用来观测激光输出。

9.如权利要求1所述的基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光传感器，其特征在于，温度/应变控制系统（7）的第一光纤固定夹具（7a）和第二光纤固定夹具（7b）用于固定夹持所述单模光纤（6），以改变单模光纤环所处的应变环境；所述加热器（7c）与单模光纤（6）连接，以改变单模光纤环所处的温度环境。

说明书

一种基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光传感器

技术领域

[0001] 本发明属于激光器研究领域，具体涉及一种基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光传感器。

背景技术

[0002] 继1964年首次观察到受激布里渊散射(stimulated Brillouin scatting)以来，SBS作为光纤中一种典型的非线性光学效应，有着广泛的应用领域。利用布里渊光纤激光做
传感由于严格的Brillouin频移、窄线宽，以及易兼容其他光纤元件等特点，可以实现远距
离的实时测量和监控、无辐射干扰，电绝缘和抗电磁干扰性好，测量范围宽，具有高空间分
辨率和高精度，主要应用在对温度或者应变的传感上。

[0003] 在现有文献中搜索发现，国内外学者(Bao等发表的Opt.Lett.19,p.141,1994；Parker等发表的Opt.Lett.22,p.787,1997；Lee等发表的Tech.Lett.13,p.1094,2001；Zou
等发表的Opt.lett.29,p.1485,2004；)在设计中均是利用后向受激布里渊散射效应实现对
温度和应变的传感，但在温度应变灵敏度可调方面仍受限制，从而影响传感精度和应用范
围。

发明内容

[0004] 本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光传感器，利用受激类拉曼效应产生多个对温度应变灵敏度不同的类R0m模式，
通过探测多个类R0m模式随温度应变变化的布里渊频移量从而实现灵敏度可调的温度应变
的传感。

[0005] 为实现上述目的，提出一种基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光传感器，包括：可调谐单频激光器、掺铒光纤放大器、偏振控制器、第一光耦合器、第二光耦合器、单模光
纤、温度/应变控制系统、偏振合束器、第三光耦合器、光电二极管、频谱仪和光谱仪；其中温
度/应变控制系统包括第一光纤固定夹具、第二光纤固定夹具、加热器；

[0006] 可调谐单频激光器产生的的泵浦光，经掺铒光纤放大器放大，通过偏振控制器在第一光耦合器的端口a输入，经过第一光耦合器后输出光被分为两束反向传输的相干光，从
第一光耦合器的端口b、端口c输入第二光耦合器，从端口e输入第二光耦合器的光分成两束
反向传播光束从端口h和端口g输出，从端口h输入第二光耦合器的光分成两束反向传播光
束从端口e和端口f输出，从端口f、端口g输入的光经过置于温度/应变控制系统中的单模光
纤组成的光纤环，发生谐振后返回到第二光耦合器中，再从端口e和端口h返回到第一光耦
合器中发生解调，当第二光耦合器和单模光纤形成的谐振腔的布里渊增益高于损耗时，形
成前向受激类拉曼激光信号从第一光耦合器的端口b和端口c输入，满足相位条件的激光从
d端口输出，不满足相位条件的光从a端口输出，经端口d输出的激光经偏振合束器调整偏振
状态后，进入第三光耦合器中分为两束激光，一束由光电二极管和频谱仪记录光谱，另一束
直接由光谱仪记录光谱，通过改变温度/应变控制系统内单模光纤所受的温度或应变环境，
探测不同受激类拉曼散射类R0m布里渊模式频移量，实现灵敏度可调的温度应变传感。

[0007] 其中，可调谐光纤激光器采用中心波长为1550nm，光谱线宽为400GHz，边模抑制比>45dB，相对噪声为‑145dB/Hz，最大输出功率为10dBm，波长可调范围为1520‑1630nm的连续
运行激光器。

[0008] 其中，掺铒光纤放大器增益为15dB，波长范围为1528nm～1565nm。

[0009] 其中，第一光耦合器、第二光耦合器、第三光耦合器的分光比为50:50，用来将泵浦光分成两束相干光束。

[0010] 其中，相位条件是：从第二光耦合器的端口e和端口h输出至第一光耦合器的端口b和端口c的激光，在第一光耦合器作用下均分为两束激光，分别从第一光耦合器的端口a和
端口d输出，若从第一光耦合器的端口b和端口c输入的激光分出至端口d的激光同相位，则
满足相位条件，否则不满足相位条件。

[0011] 其中，单模光纤是长度为10km的SM‑28单模光纤，提供非线性布里渊增益。

[0012] 其中，光电二极管的响应带宽为0～12GHz，响应波长范围为400nm～1650nm。

[0013] 其中，频谱仪带宽是0～26.5GHz，最小分辨率是1Hz，用以分析由光电探测器转化的电信号。

[0014] 其中，光谱仪分辨率为0.02nm，用来观测激光输出。

[0015] 其中，温度/应变控制系统的第一光纤固定夹具和第二光纤固定夹具用于固定夹持所述单模光纤，以改变单模光纤环所处的应变环境；所述加热器与单模光纤连接，以改变
单模光纤环所处的温度环境。

[0016] 区别于现有技术，本发明的基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光传感器包括可调谐单频激光器、掺铒光纤放大器、偏振控制器、第一光耦合器、第二光耦合器、单模光纤、
温度/应变控制系统、偏振合束器、第三光耦合器、光电二极管、频谱仪和光谱仪。本发明利
用与Ranan散射同偏振特性只改变相位不改变偏振状态的前向受激类拉曼布里渊散射，在
单模光纤所构成的谐振腔产生前向布里渊激光的原理，利用受激类拉曼散射效应产生多个
与光纤芯径相关，与谐振腔腔长无关的等间隔类R0m模式，提高激光器的谐振腔设计灵活性，
实现腔长无关的激光自由光谱范围。

附图说明

[0017] 图1是本发明提供的一种基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光传感器的结构示意图。

[0018] 图2是本发明提供的一种基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光传感器中温度/应变控制系统的组成示意图。

[0019] 图中：1.可调谐光纤激光器；2.掺铒光纤放大器；3.偏振控制器；4.第一光耦合器；5.第二光耦合器；6.单模光纤；7.温度/应变控制系统；7a.光纤固定夹具；7b.光纤固定夹
具；7c.加热器；8.偏振合束器；9.第三光耦合器；10.光电二极管；11.频谱仪，12.光谱仪。

具体实施方式

[0020] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0021] 参阅图1，本发明提供了一种基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光传感器，包括：可调谐单频激光器1、掺铒光纤放大器2、偏振控制器3、第一光耦合器4、第二光耦合器5、
单模光纤6、温度/应变控制系统7、偏振合束器8、第三光耦合器9、光电二极管10、频谱仪11
和光谱仪12；其中温度/应变控制系统7包括第一光纤固定夹具7a、第二光纤固定夹具7b、加
热器7c；

[0022] 可调谐单频激光器1产生的的泵浦光，经掺铒光纤放大器2放大，通过偏振控制器3在第一光耦合器4的端口a输入，经过第一光耦合器4后输出光被分为两束反向传输的相干
光，从第一光耦合器4的端口b、端口c输入第二光耦合器5，从端口e输入第二光耦合器5的光
分成两束反向传播光束从端口h和端口g输出，从端口h输入第二光耦合器5的光分成两束反
向传播光束从端口e和端口f输出，从端口f、端口g输入的光经过置于温度/应变控制系统中
7的单模光纤6组成的光纤环，发生谐振后返回到第二光耦合器5中，再从端口e和端口h返回
到第一光耦合器4中发生解调，当第二光耦合器5和单模光纤6形成的谐振腔的布里渊增益
高于损耗时，形成前向受激类拉曼激光信号从第一光耦合器4的端口b和端口c输入，满足相
位条件的激光从d端口输出，不满足相位条件的光从a端口输出，经端口d输出的激光经偏振
合束器8调整偏振状态后，进入第三光耦合器9中分为两束激光，一束由光电二极管10和频
谱仪11记录光谱，另一束直接由光谱仪12记录光谱，通过改变温度/应变控制系统7内单模
光纤6所受的温度或应变环境，探测不同受激类拉曼散射类R0m布里渊模式频移量，实现灵敏
度可调的温度应变传感。

[0023] 其中，可调谐光纤激光器1采用中心波长为1550nm，光谱线宽为400GHz，边模抑制比>45dB，相对噪声为‑145dB/Hz，最大输出功率为10dBm，波长可调范围为1520‑1630nm的连
续运行激光器。

[0024] 其中，掺铒光纤放大器2增益为15dB，波长范围为1528nm～1565nm。偏振控制器3用来调节泵浦光偏振状态，偏振合束器7用以调整输出光偏振状态。

[0025] 其中，第一光耦合器4、第二光耦合器5、第三光耦合器8的分光比为50:50，用来将泵浦光分成两束相干光束。

[0026] 其中，相位条件是：从第二光耦合器5的端口e和端口h输出至第一光耦合器4的端口b和端口c的激光，在第一光耦合器4作用下均分为两束激光，分别从第一光耦合器4的端
口a和端口d输出，若从第一光耦合器4的端口b和端口c输入的激光分出至端口d的激光同相
位，则满足相位条件，否则不满足相位条件。

[0027] 其中，单模光纤6是长度为10km的SM‑28单模光纤，提供非线性布里渊增益。

[0028] 其中，光电二极管9的响应带宽为0～12GHz，响应波长范围为400nm～1650nm。

[0029] 其中，频谱仪10带宽是0～26.5GHz，最小分辨率是1Hz，用以分析由光电探测器转化的电信号。

[0030] 其中，光谱仪11分辨率为0.02nm，用来观测激光输出。

[0031] 如图2所示，温度/应变控制系统7的第一光纤固定夹具7a和第二光纤固定夹具7b用于固定夹持所述单模光纤6，以改变单模光纤环所处的应变环境；所述加热器7c与单模光
纤6连接，以改变单模光纤环所处的温度环境。

[0032] 本发明的激光器产生前向布里渊激光的原理如下：

[0033] 连续泵浦光进入单模光纤后被分成两束光，一束光沿着原光路向前传输，另一束光沿着环路逆时针传输一周后回到环路，回到环路后再次分成两束，重复上述的过程，满足
环长条件的相干光发生干涉叠加，此时由第二光耦合器分成的另一束反向传输的光进入单
模光纤环中也是同样的过程，两束反向光在环路中发生谐振，当谐振腔内产生的布里渊增
益大于损耗时，输出前向受激类拉曼激光。

[0034] 泵浦光在由单模光纤组成的光纤环中不断谐振产生前向受激类拉曼激光，激光由于受激类拉曼效应产生了多个类R0m模式，输入到光谱仪后显示出多峰特性，根据各个类R0m
模式对于温度和应变响应的灵敏度不同，从而求出单模光纤所处环境的温度和应变值，实
现灵敏度可调的温度应变传感。

[0035] 对于纵向类R0m模式，自由光纤表面对应的边界条件可以写成：

[0036] (1‑α2)J0(y)‑a2J2(y)＝0  (1‑1)

[0037] ym为式(1‑1)第m阶的零解，α＝vtvl，vl为横波声速，求出：

[0038]

[0039] 其中fm为声模特征频率，对应布里渊频移，vl纵波声速，a为光纤半径。

[0040] 当光纤受到温度和应变的影响时会引起热弹性力学和弹性力学特性的变化，从而影响光纤中弹性声波的速度，由(1‑2)可知，布里渊频移大小也会受到影响。通过对光纤声
速的研究可知，光纤中的声速vl可以表示为：

[0041]

[0042] 其中，κ、E、p分别为光纤的泊松比、杨氏模量、密度。在光纤中，依据单模光纤有效折射率、介质密度、杨氏弹性模量、泊松比和温度、应变的关系，联立(1‑2)式和(1‑3)式，求
出温度T和应变ε材料的影响为：

[0043]

[0044] 联立(1‑2)、(1‑3)式和(1‑4)式我们发现，不同阶类R0m模式的温度和应变的灵敏度是不一样的，阶数越高，灵敏度越大。通过探测出不同阶类R0m模式随温度应变变化后的布里
渊频移量，就可以实现灵敏度可调的温度应变传感。

[0045] 相比于现有的布里渊光纤激光传感器，本发明利用单模光纤构成谐振腔，由受激类拉曼效应产生多个灵敏度不同的不同类R0m模式，通过实验探测多个类R0m模式对温度和
应变变化的布里渊频移量就能灵敏度可调的温度应变传感。

[0046] 上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员
在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多
形式，这些均属于本发明的保护之内。