一种非线性静态工作点调整装置的制作方法

1.本实用新型涉及非线性光学和光学传感技术领域，更具体的说，涉及一种非线性静态工作点调整装置。


背景技术：

2.光纤干涉型传感器凭借其灵敏度较高、动态测量范围大、抗电磁干扰能力等特点被广泛应用于工业、生产等领域中。但是，不确定的外界环境因素如温度、机械抖动等，会造成传感器的干涉信号发生线性漂移。因此，光纤干涉型传感器的整体波形会呈现出余弦信号的形态并不断振荡。当工作点接近或处于信号余弦包络的波峰或波谷时，对应的干涉信号强度则分别达到了最大值和最小值，干涉信号的相位分别为π和0，信号会出现削顶或削顶的现象；此时，信号的工作点处于灵敏度较低的非线性工作区域。这种信号不能完整地反应外界被测量的完整信息，测量出的结果通常也不准确。为了提高信号的可用性，需要将处于低灵敏度的非线性工作区域的工作点调整至高灵敏度的线性工作区域中，或者将外界被测量的相位信息完整地解调出来。


技术实现要素：

3.针对上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种解决了光纤传感器的工作点处于低灵敏度的非线性工作区域时信号不可用的问题的非线性静态工作点调整装置。
4.本本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
5.一种非线性静态工作点调整装置，包括：第一激光器，与所述第一激光器相连的1xn光纤耦合器，与所述1xn光纤耦合器相连的nx1光纤耦合器，设置于所述1xn光纤耦合器其中一个端口和所述nx1光纤耦合器其中一个端口之间的第二光纤，设置于所述1xn光纤耦合器另一个端口和所述nx1光纤耦合器另一个端口之间的隔离器、偏振控制器及光纤波分复用器，与所述nx1光纤耦合器相连的光电探测器，与所述光电探测器相连的第一微处理器和第二微处理器，以及与所述第一微处理器相连的泵浦激光器；所述泵浦激光器和所述光纤波分复用器相连；其中n为≥2的整数。
6.可选地，所述隔离器和所述偏振控制器之间设置有第五光纤，所述第五光纤为特种光纤。
7.可选地，所述特种光纤包括掺饵光纤、掺镱光纤、可灌注二维材料或非线性材料的多孔光纤中的任意一种。
8.可选地，所述特种光纤的非线性效应包括光克尔效应或者热光效应，实现该非线性静态工作点调整装置的静态工作点的调节和干涉相位差调制。
9.可选地，所述第二光纤为传感臂，所述1xn光纤耦合器其中一个端口和所述nx1光纤耦合器其中一个端口之间的光路为参考臂，当外接被测参数作用于该非线性静态工作点调整装置时，所述传感臂和所述参考臂之间的相位改变。
10.可选地，所述隔离器和所述第五光纤之间通过第四光纤相连。
11.可选地，所述1xn光纤耦合器另一个端口和所述隔离器之间通过第三光纤相连，所述偏振控制器和所述光纤波分复用器之间通过第六光纤相连。
12.可选地，所述第一激光器是单波长激光器，所述第一激光器的光源的波长涵盖所有波段。
13.可选地，所述泵浦激光器的中心波长小于所述第一激光器发出的入射光的工作波长，且所述泵浦激光器的功率可调节。
14.可选地，所述泵浦激光器为是中心波长小于1550nm的半导体激光器。
15.本实用新型的非线性静态工作点调整装置是基于马赫
‑
曾德干涉仪实现的，当外界被测量作用于该非线性静态工作点调整装置上时，参考臂与传感臂之间的相位差会发生改变，从而导致干涉信号输出光强的变化。当光电探测器检测到的输出光强满足调节条件时，泵浦激光器的光功率会发生变化，射向光纤波分复用器的光与第一激光器发出的光混合后一起传输至nx1光纤耦合器，导致参考臂上传输的光的折射率的变化，进而改变参考臂与传感臂之间的相位差，最终改变输出光强的大小，具有较高的灵敏度以及抗电磁干扰能力，且结构紧凑，有利于大规模生；且可以用于应力、曲率等参数的测量。
16.本实用新型实现了基于特种光纤非线性效应的静态工作点调整和光纤干涉相位差的高频调制；采用比例积分微分控制对泵浦激光器的光功率进行调整，将位于低灵敏度工作区域的工作点调整至高灵敏度的线性工作区域，保证了调整的实时性，且效率较高、易于实现；还可以实现其他类型的光纤干涉仪，例如光纤迈克尔逊干涉仪、模间干涉仪的相位差的调制和静态工作点的调节。
17.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的和解释性的，并不能限制本实用新型。
附图说明
18.图1是本实用新型实施例的非线性静态工作点调整装置的结构示意图；
19.图2是本实用新型实施例的非线性静态工作点调整装置基于特种光纤非线性效应的静态工作点调整的实现过程的流程图；
20.图3是本实用新型实施例的非线性静态工作点调整装置光纤干涉相位差的高频调制的实现过程的流程图；
21.图中标记为：
22.第一激光器1，隔离器10，第一光纤11，第二光纤12，第三光纤13，第四光纤14，第五光纤15，第六光纤16，第七光纤17，第八光纤18，
23.1x2光纤耦合器2，第一入口端端口21，第一上出口端端口22，第一下出口端端口23，
24.偏振控制器3，
25.光纤波分复用器4，第二主入口端端口41，第二副入口端端口42，第二出口端端口43，，
26.2x1光纤耦合器5，第三上入口端端口51，第三下入口端端口52，第三出口端端口53，
27.光电探测器6，第四入口端端口61，第四上出口端端口62，第四下出口端端口63，
28.第一微处理器7，
29.第二微处理器8，
30.泵浦激光器9，第五入口端端口91，第五出口端端口92。
具体实施方式
31.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本实用新型相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本实用新型的一些方面相一致的装置和方法的例子。
32.下面将结合附图1
‑
3和示例性实施例对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
33.本实施例提供一种非线性静态工作点调整装置，实施例的结构参考图1。该非线性静态工作点调整装置，包括：第一激光器1，与所述第一激光器1相连的1xn光纤耦合器，与所述1xn光纤耦合器相连的nx1光纤耦合器，设置于所述1xn光纤耦合器其中一个端口和所述nx1光纤耦合器其中一个端口之间的第二光纤12，设置于所述1xn光纤耦合器另一个端口和所述nx1光纤耦合器另一个端口之间的隔离器2、偏振控制器3及光纤波分复用器4，与所述nx1光纤耦合器相连的光电探测器6，与所述光电探测器6相连的第一微处理器7和第二微处理器8，以及与所述第一微处理器7相连的泵浦激光器9；所述泵浦激光器9和所述光纤波分复用器4相连。
34.所述隔离器10和所述偏振控制器3之间设置有第五光纤15，所述第五光纤15为特种光纤。可选地，所述特种光纤包括掺饵光纤、掺镱光纤、可灌注二维材料或非线性材料的多孔光纤中的任意一种。所述第一光纤11、第二光纤12，第三光纤13、第四光纤14、第六光纤16、第七光纤17、第八光纤18的类型不受限制，可以为任意类型的光纤。具体的，所述特种光纤的非线性效应包括光克尔效应或者热光效应，实现该非线性静态工作点调整装置的静态工作点的调节和干涉相位差调制。
35.所述1xn光纤耦合器或nx1光纤耦合器，其中n为≥2的整数，具体的，作为本实用新型的优选实施例，所述1xn光纤耦合器为1x2光纤耦合器10，所述nx1光纤耦合器为2x1光纤耦合器5，在本实用新型的其他实施方式中，示例性地，所述1xn光纤耦合器还可以为1x3、1x4、1x5等光纤耦合器，所述nx1光纤耦合器还可以为3x1、4x1、5x1等光纤耦合器。本实施例以1xn光纤耦合器为1x2光纤耦合器10，所述nx1光纤耦合器为2x1光纤耦合器5为例做进一步详细说明。
36.所述第一激光器1通过第一光纤11与所述1x2光纤耦合器2的第一入口端端口21相连接，所述1x2光纤耦合器2的出口端包括第一上出口端端口22和第一下出口端端口23，其中第一上出口端端口22通过第二光纤12与所述2x1光纤耦合器5的第三上入口端端口51相连接，所述1x2光纤耦合器2的第一下出口端端口23通过第三光纤13与所述隔离器10的输入端相连接；所述隔离器10的输出端通过第四光纤14与第五光纤15的输入端相连接，第五光纤15的输出端通过所述偏振控制器3与第六光纤16的输入端相连接，第六光纤16的输出端与光纤波分复用器4的第二主入口端端口41相连接，所述光纤波分复用器4的第二出口端端
口43通过第七光纤17与所述2x1光纤耦合器5的第三下入口端端口52相连接；所述2x1光纤耦合器5的第三出口端端口53通过第八光纤18与所述光电探测器6的第四入口端端口61相连接，所述光电探测器6的第四上出口端端口62与所述第二微处理器8相连接，所述光电探测器6的第四下出口端端口63与所述第一微处理器7的输入端相连接，所述第一微处理器7的输出端与所述泵浦激光器9的第五入口端端口91相连接，所述泵浦激光器的第五出口端端口92与所述光纤波分复用器4的第二副入口端端口42相连。
37.该非线性静态工作点调整装置用于光纤传感器中，用于将处于低灵敏度的非线性工作区域的工作点调整至高灵敏度的线性工作区域中。具体的所述第二光纤12为光纤传感器的传感臂，所述1x2光纤耦合器2另一个端口和所述2x1光纤耦合器5另一个端口之间的光路为参考臂，当外接被测参数作用于该非线性静态工作点调整装置时，所述传感臂和所述参考臂之间的相位改变，从而导致干涉信号光强的变化。
38.进一步的，所述第一激光器1是单波长激光器，示例性地，例如第一激光器1为dfb激光器或者vcsel激光器，所述第一激光器1的光源的波长涵盖所有波段。
39.所述泵浦激光器9的中心波长小于所述第一激光器1发出的入射光的工作波长，且所述泵浦激光器9的功率可调节，优选地，泵浦激光器9采用半导体激光器。
40.作为本发明的优选实施例，所述泵浦激光器9为是中心波长小于1550nm的半导体激光器。例如可以为1480nm、975nm或者532nm的半导体激光器。
41.所述第一激光器1发出的输入光信号沿着第一光纤11传输至所述1x2光纤耦合器2处时被分成强度相等的两部分，其中一部分从第一上出口端端口22沿着第二光纤12传输至所述2x1光纤耦合器5的第三上入口端端口51，另一部分从第一下出口端端口23沿着第三光纤13传输至所述隔离器10的输出端；光在所述隔离器10中正向传输，随后，依次沿着第四光纤14、第五光纤15、偏振控制器3、第六光纤16传输直到进入光纤波分复用器4的第二主入口端端口41。泵浦激光器9的光通过光纤波分复用器4的第二副入口端端口42沿着第六光纤16进入第五光纤15中，由于隔离器10通过第四光纤14连接在第五光纤15的输入端，使得激光在腔内只能沿着一个方向传播。随后，偏振控制器3使得第一激光器1发出的一部分输入光信号和泵浦激光器9发出的光信号按照同一个方向偏振，随后两部分混合起来一起沿着第七光纤17传输至2x1光纤耦合器5的第三下入口端端口52。从第三上入口端端口51和第三下入口端端口52分别传输至2x1光纤耦合器5的两部分光发生干涉并耦合，干涉信号的输出光强由光电探测器6检测并转换成电信号；随后，电信号分别被送入第一微处理器7和第二微处理器8中，实现对泵浦激光器9光源的波长进行反馈控制以及对光纤干涉相位的高频调制。
42.如图2所示，图2是本装置基于特种光纤非线性效应的静态工作点调整的实现过程，具体步骤如下：
43.a、标定干涉信号输出光强的最大值和最小值，分别记为i
max
、i
min
；
44.b、将检测到的输出光强在一定时间内的平均值io的大小与阈值αi
max
和βi
min
进行比较；
45.优选地，α＝0.8，β＝0.2；
46.c、若i
o
＞αi
max
或者i
o
＜βi
min
，此时，干涉信号的输出光强接近最大值和最小值，需要对光纤传感器的静态工作点进行调节，调节方法是采用经典的比例积分微分控制(pid控
制)对泵浦激光器9光源的光功率进行调节，实现对干涉信号的相位差叠加此时干涉信号的光强不再接近最大值或者最小值，那么，干涉信号就脱离了信号质量衰落区域。
47.如图3所示，图3是光纤干涉相位差的高频调制的实现过程，具体步骤如下：
48.a、假设光电探测器6检测到的干涉信号的光强为：
49.i＝a+bcosθ(t)(1)
50.其中，θ(t)为传感臂与参考臂之间的相位差；a、b为常数，与第一激光器1的输出光功率成正比，且b＝κa，κ为干涉条纹的可见度且κ＜1。
51.b、用频率为ω0、振幅为c的载波对干涉信号进行调制，那么干涉信号的输出光强则为：
[0052][0053]
其中，为外界待测信号和环境噪声共同引起的相位差；其中，外界待测信号的频率为ω
s
、幅度为d，由环境噪声引起的随机相位漂移为ψ(t)，且ψ(t)一般为变化相对缓慢的量。那么的表达式为：
[0054][0055]
c、将式(2)用贝塞尔函数展开则有：
[0056][0057]
将式(3)用贝塞尔函数展开有：
[0058][0059]
d、分别用gcosω0t和hcos2ω0t与式(4)相乘，再经过低通滤波器将高频项滤除，就得到了的正、余弦分离项：
[0060][0061][0062]
e、分别对式(6)和式(7)进行微分并交叉相乘再相减，输出则有：
[0063][0064]
f、对式(8)求积分：
[0065][0066]
即解调得到干涉相位差。
[0067]
以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。