一种单模光纤双折射测量的装置及方法与流程

文档序号:11911607阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种单模光纤双折射测量的装置,其特征在于,它包括泵浦光源(101)、光隔离器(102)、波分复用器(103)、环形腔光纤激光器、光电探测器(110)、频谱采集模块(111)和数据处理模块(112);环形腔光纤激光器包括光纤光栅(104)、掺铒光纤(105)、光纤耦合器(106)、光纤环形结构(107)、固定平台(108)和可变微位移平台(109);

泵浦光源(101)的光信号通过光纤经光隔离器(102)进行反射光消除后经光纤传输至波分复用器(103)的光信号输入端,波分复用器(103)的光信号输出端连接光纤光栅(104)的一端,光栅光纤(104)的另一端连接掺铒光纤(105)的一端,掺铒光纤(105)的另一端连接光纤耦合器(106)的一个信号端,光纤耦合器(106)的另外两个信号端分别连接光纤环形结构(107)的两个信号端,所述光纤环形结构(107)对两端输入的光信号进行反射,经光纤环形结构(107)后的反射光经光纤耦合器(106)通过掺铒光纤(105)放大后发射至光纤光栅(104),光纤光栅(104)对满足自身中心波长的光信号进行反射,经光纤光栅(104)反射后的光信号通过掺铒光纤(105)放大后经光纤耦合器(106)发射至光纤环形结构(107),光纤环形结构(107)再次对射入的光信号进行反射,直至环形腔光纤激光器谐振腔内的光信号的增益大于损耗时,环形腔光纤激光器的谐振腔内会产生工作波长等于光纤光栅(104)中心波长的激光信号,光纤光栅(104)输出该激光信号至波分复用器(103),波分复用器(103)的传感信号输出端输出激光信号至光电探测器(110)的光感面,电探测器(110)对激光信号进行采集转换输出电信号至频谱采集模块(111)的信号输入端,频谱采集模块(111)的信号输出端连接数据处理模块(112)的频谱信号输入端;

固定平台(108)和可变微位移平台(109)分别固定在掺铒光纤(105)的两端,用于轴向拉伸掺铒光纤(105)。

2.一种单模光纤双折射测量方法,其特征在于,该方法的具体步骤为:

步骤一、采用泵浦光源(101)通过光纤向波分复用器(103)发送泵浦光信号,光信号经光纤光栅(104)、掺铒光纤(105)后通过光纤耦合器(106)输入至光纤环形结构(107);

步骤二、将固定平台(108)用于固定掺铒光纤(105)的一端,采用可变微位移平台(109)实现对掺铒光纤(105)的轴向拉伸,使掺铒光纤(105)的长度、激光模式的有效折射率和光纤双折射产生变化;获得双折射产生变化的激光信号;

步骤三、采用光纤环形结构(107)对通过掺铒光纤(105)后传入的光信号进行反射,反射光信号再经掺铒光纤(105)后入射至光纤光栅(104),光纤光栅(104)对满足自身中心波长的光信号进行反射,经光纤光栅(104)反射后的光信号再次经过掺铒光纤(105)入射至光纤环形结构(107),光纤环形结构(107)再次对入射光进行反射,直至环形腔光纤激光谐振腔内传输的光信号的增益大于损耗时,环形腔光纤激光器产生工作波长等于光纤光栅(104)中心波长激光信号,光纤光栅(104)将该激光信号传输至波分复用器(103);

步骤四、波分复用器(103)将工作波长等于光纤光栅(104)中心波长的激光信号传输至光电探测器(110),光电探测器(110)对产生双折射变化的激光信号进行拍频解调,获得产生频率漂移的偏振模和多纵模拍频信号;

步骤五、采用频谱采集模块(111)对产生频率漂移的偏振模和多纵模拍频信号进行频谱采集,并经数据处理模块(112)对产生频率漂移的偏振模和多纵模拍频信号进行分析处理,获得偏振模和多纵模拍频信号的频率-应变响应特性,获得由轴向应变导致的光纤双折射变化信息。

3.根据权利要求2所述的一种单模光纤双折射测量方法,其特征在于,步骤五所

述的获得由轴向应变导致的光纤双折射信息的具体方法为:

步骤五一、根据激光模式理论,获得环形腔光纤激光器中第q阶纵模信号的频率;

环形腔光纤激光器中第q阶纵模信号的频率表示为:

f=qc/(nL) (1)

其中,q是激光纵模的阶数,c是光在真空中传播的速率,n是激光模式的有效折射率,L是环形腔光纤激光器的有效腔长;

步骤五二、环形腔光纤激光器输出的多纵模激光信号经过光电探测器探测并转换成电子拍频信号后,利用频谱采集模块进行观测;获得环形腔光纤激光器谐振腔输出的两个纵模激光之间的拍频信号和环形腔光纤激光器的偏振模拍频信号的频率;

环形腔光纤激光器谐振腔输出的两个纵模式激光之间拍频信号表示为:

fN=(p-q)c/(nL)=Nc/(nL) (2)

其中,p是激光纵模的阶数,N是拍频信号的阶数,且N=p-q;

根据(2)式,fN由第p和第q个纵模激光之间的拍频产生、由第p+/-1和第q+/-1的纵模之间的拍频生成或者由第p+/-2和第q+/-2的纵模之间的拍频生成;

由于光纤具有本征的双折射效应,第q阶纵模的两个正交模式将会发生模式分裂,因此,两个正交模式的频率表示为:

fqx=qc/(nxL),fqy=qc/(nyL) (3)

其中,nx和ny分别是x和y方向的第q阶两个正交模式的有效折射率;

环形腔光纤激光器的偏振模拍频信号的频率表示为:

fP={Bf/n,fN±Bf/n}={fB,fN±fB} (4)

其中,B=ny-nx代表光纤双折射,ny和nx分别是y和x两个正交模式的有效折射率;fB是由相同阶数的两个正交偏振模形成的偏振模拍频信号的频率,fN±fB是由两个不同阶数纵模的两个正交偏振模形成拍频信号的频率;

步骤五三、当应力作用于环形腔光纤激光器谐振腔的部分光纤时,谐振腔长度、光纤模式的有效折射率以及光纤的双折射将会发生变化,环形腔光纤激光器中的两种拍频信号的频率发生漂移;获得多纵模拍频信号随施加的轴向应变的变化和偏振模拍频信号随着应变的变化;获得由轴向应变变化导致的光纤双折射变化信息;

光纤多纵模拍频信号随施加的轴向应变的变化表示为:

ΔfN=-(1-Pe)fNΔεl/L (5)

其中,Pe是有效弾光系数,l是施加应变光纤即传感光纤的有效长度;Δε为环形腔光纤激光器谐振腔轴向应变的变化;

偏振模拍频信号fB随施加的轴向应变的变化表示为:

ΔfB=[ΔB/(BΔε)-(1-2Pe)]fBΔεl/L (6)

其中,ΔB是轴向应变变化导致的光纤双折射的变化;

结合公式(5)和(6),得到偏振模拍频信号fN±fB随着应变的变化:

Δ(fN±fB)=ΔfN±ΔfB={[-(1-Pe)fN]±[ΔB/(BΔε)-(1-2Pe)]fB}Δεl/L (7)

由于偏振模和多纵模拍频信号具有不同的应变-频率响应,结合公式(5)和公式(6),得到由应变导致的光纤双折射的变化:

ΔB=[ΔfB/(fBΔε)-l/L-2ΔfN/(fNΔε)]ΔεBL/l (8)

根据公式(2),相邻两个拍频信号之间的频率间隔表示为Δf=c/(nL);激光纵模的阶数表示为q=nL/λ,其中,λ是环形腔光纤激光器的工作波长;

结合公式(4),当未施加轴向应变时,光纤中的初始双折射的数值表示为:

B=λfB/ΔfL (9)

把公式(9)代入公式(8)得:

ΔB=[ΔfB/(fBΔε)-l/L-2ΔfN/(fNΔε)]ΔελfB/(lΔf) (10)

由公式(10)得出,通过测量光纤激光器的偏振模和多纵模的频率—应变响应ΔfB/Δε以及ΔfN/Δε,即得到应变所致的光纤双折射的变化ΔB。

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