专利名称：光纤纤芯温度的测量方法
技术领域：
本发明与高功率光纤激光器及放大器有关，特别是一种用于高功率光纤激光器及
放大器的光纤纤芯温度的测量方法。
背景技术：
当高功率光纤激光器及光纤放大器系统长时间运行时，有源光纤内的激光介质由 于受到泵浦光等作用所产生的热效应，将引起有源光纤温度的上升，特别是纤芯部分，由于 集中了大部分的热量且横截面积较小，需要对其温度进行实时监控，以便采取相应冷却措 施，否则有可能导致各种非线性效应的发生并使系统出射的激光光束质量及斜效率等下 降，严重时烧坏光纤或相关元器件。 目前，在大量的研究技术中均只是在理论上对高功率光纤激光器及放大器中光 纤的温度进行估计(参见Nathan A. Brilliant and KalliroiLagonik发表的"Thermal effects in a dual-clad ytterbium fiberlaser"， OPTICS LETTERS, Vol. 26(21)，2001， 1669-1671)，还没有一种精确测量纤芯温度的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于高功率光纤激光器及光纤放大器中光纤纤芯温度 的测量方法，以精确测量高功率光纤激光器及光纤放大器中光纤纤芯的温度，实施对高功 率光纤激光器及放大器的热管理。即对激光器系统的温度进行实时监控，从而采取相应的 温控冷却方案，尽量避免各种热致非线性效应及出射激光光束质量及斜效率等的下降。
本发明的技术解决方案如下 —种用于高功率光纤激光器或光纤放大器中光纤纤芯温度的测量方法，其特点在 于包括下列步骤在待测光纤纤芯制作布拉格光栅；布拉格光栅温度与布拉格光栅中心波 长定标；在所述的高功率光纤激光器或光纤放大器的两端的光路中分别设置导入双色耦 合器和导出双色耦合器，设置监测信号光源和监测信号光监测装置；测量；根据所述的温 度_波长定标关系，确定光纤中刻有布拉格光栅部位的纤芯的温度。 —种用于高功率光纤激光器或光纤放大器中光纤纤芯温度的测量方法，其特点在 于具体包括下列步骤 ①在待测高功率光纤激光器或光纤放大器的光纤纤芯的温度待监测处制作布拉 格光栅(以下简称为FBG); ②布拉格光栅温度与布拉格光栅中心波长定标将包含所述的布拉格光栅的中心
波长的监测信号光注入所述的光纤的一端，从该光纤的另一端输出并导入监测信号光监测
装置，对所述的光纤的布拉格光栅处施加热量的同时并监测其温度，利用所述的监测信号
光监测装置记录所述的监测信号光中布拉格光栅的中心波长，获得所述的布拉格光栅中心
波长的变化与所述的光纤的布拉格光栅所处的温度关系，即温度_波长定标关系； ③将所述的制作有布拉格光栅的光纤重新装入所述的高功率光纤激光器或光纤放大器； ④在所述的高功率光纤激光器或光纤放大器的两端的光路中分别设置导入双色 耦合器和导出双色耦合器，所述的导入双色耦合器和导出双色耦合器是对所述的监测信号 光高反和对光纤激光器或光纤放大器的工作激光高透的器件，在所述的导入双色耦合器外 设置监测信号光源，在所述的导出双色耦合器的反射输出方向设置所述的监测信号光监测 装置； ⑤在所述的高功率光纤激光器或光纤放大器工作的同时，开启所述的监测信号光 源，通过所述的导入双色耦合器注入所述的监测信号光，该监测信号光经过所述的光纤的 布拉格光栅，经所述的导出双色耦合器反射后，由所述的监测信号光监测装置进行监测，通 过测量输出的监测信号光中心波长的变化，根据所述的温度_波长定标关系，确定光纤中 刻有布拉格光栅部位的纤芯的温度。 在所述的光纤纤芯不同位置多处刻写具有不同的中心波长的布拉格光栅，并在所 述的高功率光纤激光器或光纤放大器的光路中设置监测信号光导入双色耦合器及导出双 色耦合器，并利用监测信号光的监测装置进行监测，以实现对相应纤芯位置处的温度进行 所述的双色耦合器为双色镜或波分复用器。
所述的监测信号光监测装置为光谱分析仪。 布拉格光栅FBG长度为L， n代表折射率，A B为布拉格中心波长，A T为温度改变
量，A入e为布拉格中心波长改变量，则FBG在只受温度变化影响时，布拉格光栅中心波长的
变化满足下列关系式
7 A/lg 一( 1 + 1 (i" )△『 利用这个公式即可通过FBG中心波长的变化并利用温度-波长定标关系推出温度 的变化。这也是本发明将FBG作为温度传感器的基本原理。 本发明还包含这种情况，即全光纤化的高功率激光器和放大器，此时不再需要各 种双色镜，而是借助光波分复用(W匿)技术，利用相应波长的光纤波分复用器(将不同波长 的光信号组合起来)和光纤解复用器(将组合波长的光信号分开)代替相应的双色镜，将 相应的监测光导入及导出系统即可。在利用FBG作为全光纤高功率激光器的激光谐振腔 时，只需将激射激光波长与用作温度探测的FBG中心波长分开即可。
本发明具有很多优点 本发明测量方法简单，测试结果精确，重复性好，系统装置不复杂，便于光路调节， 抗干扰能力强，本发明尤其可以实现对高功率光纤激光器及放大器中光纤不同位置处纤芯 温度的实时在线监测，仅仅在相应光纤测量点处增加刻写FBG并相应增加用于导入及导出 监测信号光的双色镜即可。
图1是本发明一个实施例用于高功率光纤激光器光纤纤芯温度的测量方法的结 构示意图。
具体实施例方式
以下结合附图与实施例对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护 范围。 先请参阅图1，图1是本发明一个实施例用于高功率光纤激光器光纤纤芯温度的 测量方法的结构示意图。 图中高功率光纤激光器的构成包括泵浦光ll，沿该泵浦光11输出方向依次是双 色镜21、聚焦耦合透镜31、有源光纤4、准直透镜32，所述的双色镜21对泵浦光11高透并 对工作激光高反，激光谐振腔由全反镜51和有源光纤4的右端面构成，经准直透镜32输出 的是激射激光束52。 面对这样一台高功率光纤激光器进行光纤纤芯温度的测量方法包括下列步骤
①在待测高功率光纤激光器或光纤放大器的光纤4纤芯的温度待监测处制作中 心波长为1550nm的布拉格光栅41 ; ②布拉格光栅温度与布拉格光栅中心波长定标将包含所述的布拉格光栅41的 中心波长的监测信号光注入所述的光纤4的一端，从该光纤4的另一端输出并导入监测信 号光监测装置，对所述的光纤4的布拉格光栅41处施加热量的同时并监测其温度，利用 所述的监测信号光监测装置62记录所述的监测信号光中布拉格光栅的中心波长，获得所 述的布拉格光栅中心波长的变化与所述的光纤4的布拉格光栅41所处的温度关系，即温 度_波长定标关系； ③将所述的制作有布拉格光栅41的光纤4重新装入所述的高功率光纤激光器或 光纤放大器； ④在所述的高功率光纤激光器或光纤放大器的两端的光路中，如图1所示，在所 述的双色镜21、聚焦耦合透镜31之间设置导入双色耦合器22，在所述的准直透镜32的光 路中设置导出双色耦合器23，所述的导入双色耦合器22和导出双色耦合器23是对所述的 监测信号光高反和对光纤激光器或光纤放大器的工作激光高透的器件，在所述的导入双色 耦合器22外设置监测信号光源61，在所述的导出双色耦合器23的反射输出方向设置所述 的监测信号光监测装置62 ; ⑤在所述的高功率光纤激光器或光纤放大器工作的同时，开启所述的监测信号光 源61，通过所述的导入双色耦合器22注入所述的监测信号光，该监测信号光经过所述的光 纤4的布拉格光栅41，经所述的导出双色耦合器23反射后，由所述的监测信号光监测装置 62进行监测，通过测量输出的监测信号光中心波长的变化，根据所述的温度-波长定标关 系，确定光纤4中刻有布拉格光栅41部位的纤芯的温度。
下面是该实施例的具体参数 泵浦光11是中心波长为975nm的半导体激光二极管(LD); 15m的掺镱双包层光纤4作为增益介质构成高功率光纤激光器，该激光器的工作 波长为1080nm ; 监测信号光源61的中心波长为1550nm ;
监测信号光监测装置62为光谱分析仪； 所述的导入双色耦合器22和导出双色耦合器23为导入双色镜和导出双色镜，所 述的导入双色镜和导出双色镜是对所述的监测信号光1550nm高反和对光纤激光器工作激光1080nm高透的双色镜； 提前对刻写于有源光纤中的FBG进行温度_波长的标定。用中心波长为975nm的 半导体激光二极管LD泵浦，泵浦光经过一面对975nm波长光高透并对1080nm波长附近激 射激光高反的双色镜21、一面对波长为1550nm的监测光高反并对975nm和1080nm光高透 的导入双色镜和一个用于聚焦的焦距为48mm的平凸镜31后，耦合进入一段刻有对1550nm 监测光灵敏、对波长975nm和1080nm附近激光无作用的FBG41的有源光纤4中。输出的光 先经焦距为48mm的平凸镜32准直，然后经一面对1550nm监测光高反、对1080nm波长附近 激射激光高透的导出双色镜分光。通过观测光谱分析仪中监测光光谱中心波长的变化，通 过波长_温度定标光纤精确确定光纤4中刻有FBG部位41的纤芯温度。
权利要求
一种用于高功率光纤激光器或光纤放大器中光纤纤芯温度的测量方法，其特征在于包括下列步骤在待测光纤纤芯制作布拉格光栅；布拉格光栅温度与布拉格光栅中心波长定标；在所述的高功率光纤激光器或光纤放大器的两端的光路中分别设置导入双色耦合器和导出双色耦合器，设置监测信号光源和监测信号光监测装置；测量；根据所述的温度-波长定标关系，确定光纤中刻有布拉格光栅部位的纤芯的温度。
2. 根据权利要求1所述的光纤纤芯温度的测量方法，其特征在于具体包括下列步骤① 在待测高功率光纤激光器或光纤放大器的光纤(4)纤芯的温度待监测处制作布拉 格光栅(41);② 布拉格光栅温度与布拉格光栅中心波长定标将包含所述的布拉格光栅(41)的中 心波长的监测信号光注入所述的光纤(4)的一端，从该光纤(4)的另一端输出并导入监测 信号光监测装置(62)，对所述的光纤(4)的布拉格光栅(41)处施加热量的同时并监测其温 度，利用所述的监测信号光监测装置(62)记录所述的监测信号光中布拉格光栅的中心波 长，获得所述的布拉格光栅中心波长的变化与所述的光纤(4)的布拉格光栅(41)所处的温 度关系，简称为温度-波长定标关系；③ 将所述的制作有布拉格光栅(41)的光纤(4)重新装入所述的高功率光纤激光器或 光纤放大器；④ 在所述的高功率光纤激光器或光纤放大器的两端的光路中分别设置导入双色耦合 器(22)和导出双色耦合器(23)，所述的导入双色耦合器(22)和导出双色耦合器(23)是对 所述的监测信号光(61)高反和对光纤激光器或光纤放大器的工作激光高透的器件，在所 述的导入双色耦合器(22)外设置监测信号光源(61)，在所述的导出双色耦合器(23)的反 射输出方向设置所述的监测信号光监测装置(62);⑤ 在所述的高功率光纤激光器或光纤放大器工作的同时，开启所述的监测信号光源 (61)，通过所述的导入双色耦合器(22)注入所述的监测信号光，该监测信号光经过所述的 光纤(4)的布拉格光栅(41)，经所述的导出双色耦合器(23)反射后，由所述的监测信号 光监测装置(62)进行监测，通过测量输出的监测信号光中心波长的变化，根据所述的温 度-波长定标关系，确定光纤(4)中刻有布拉格光栅(41)部位的纤芯的温度。
3. 根据权利要求2所述的光纤纤芯温度的测量方法，其特征在于在所述的光纤纤芯不 同位置多处刻写具有不同的中心波长的布拉格光栅(41)，并在所述的高功率光纤激光器或 光纤放大器的光路中设置将监测信号光导入及导出光路的双色耦合器，并利用相应波长的 监测信号光进行监测，以实现对相应纤芯位置处的温度进行监测。
4. 根据权利要求2所述的光纤纤芯温度的测量方法，其特征在于所述的双色耦合器为 双色镜或波分复用器。
5. 根据权利要求2或3或4所述的光纤纤芯温度的测量方法，其特征在于所述的监测 信号光监测装置(62)为光谱分析仪。
全文摘要
一种用于高功率光纤激光器或光纤放大器中光纤纤芯温度的测量方法，包括在待测光纤纤芯制作布拉格光栅；布拉格光栅温度与布拉格光栅中心波长定标；在所述的高功率光纤激光器或光纤放大器的两端的光路中分别设置导入双色耦合器和导出双色耦合器，设置监测信号光源和监测信号光监测装置；测量；根据所述的温度-波长定标关系，确定光纤中刻有布拉格光栅部位的纤芯的温度。
文档编号G01K11/00GK101762343SQ201010101770
公开日2010年6月30日 申请日期2010年1月27日 优先权日2010年1月27日
发明者何兵, 周军, 范元媛 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所