基于混沌布里渊动态光栅的液体折射率测量装置

1.本发明属于光纤化学传感技术领域，具体是一种基于混沌布里渊动态光栅的液体折射率测量装置。


背景技术：

2.光纤化学传感，即对光纤边界外化学液体物质进行分析识别，几十年来一直是光纤传感界面临的一个重大挑战，因为标准单模光纤被设计为纤芯内引导激光并尽量减少泄漏，而被测试的物质通常位于光纤包层的边界之外，甚至位于保护涂层之外。
3.光纤化学传感最广泛使用的原理依赖于光在包层模式下的传播，通过分析包层模式来测量包层外物质的折射率以确定光纤外化学物质的种类，这些模式横向轮廓的特征为与包层外介质重叠的倏逝尾。利用分析包层模式进行液体折射率测量的主要困难在于光与包层模式的耦合，一个最常见的解决方案依赖于光纤光栅：长周期光纤光栅可以在纤芯模式和包层模式之间耦合光(中国发明专利，cn 103175793a)，而短周期光纤布拉格光栅可以对反向传播的包层模式进行同样的耦合，并且可以通过改变光栅倾斜的角度来提高耦合效率(optics&laser technology,2016,78:19-33.)。但是这两种方案都有一个根本的缺点：它们需要在光纤中永久刻写。因此，基于包层模式分析的液体折射率测量装置几乎完全限于点测量，其扩展到空间分布分析仍然很困难。
4.基于此，有必要发明一种全新的分布式液体折射率测量装置，以解决现有无法进行分布式液体折射率测量以及传统光栅进行液体折射率测量时必须在光纤内永久刻写的难题。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中无法进行分布式液体折射率测量以及传统光栅进行液体折射率测量时必须在光纤内永久刻写的难题，本发明提出一种基于混沌布里渊动态光栅的液体折射率测量装置，以实现液体折射率的分布式测量。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于混沌布里渊动态光栅的液体折射率测量装置，包括：混沌光源、第一分光器、电光调制器、第一光放大器、可调谐光滤波器、第一环形器、传感光纤、可变光延迟线、第二光放大器、合光器、可调谐激光器、声光调制器、第三光放大器、光电探测器、带通滤波器；传感光纤设置在待测液体中；
7.所述混沌光源发出的混沌激光经第一分光器后分为两束泵浦光，其中第一路泵浦光经电光调制器进行频移、第一光放大器进行放大、光滤波器滤波，经第一环形器进入传感光纤的一端；第二路泵浦光经可变光延迟线、第二光放大器后入射至合光器；
8.可调谐激光器输出的扫频激光经声光调制器调制为脉冲探测光后，经第三光放大器放大后入射至合光器，经合光器与另一束泵浦光进入传感光纤的另一端；两束泵浦光在传感光纤中相遇处发生干涉效应，形成混沌布里渊动态光栅；
9.从传感光纤的一端输出的脉冲探测光经第一环形器、带通滤波器后，被光电探测
器探测，所述光电探测器用于探测所述探测光的光强信号，所述光强信号用于计算得到传感光纤沿线外侧的液体折射率。
10.所述的一种基于混沌布里渊动态光栅的液体折射率测量装置，还包括计算机、锁相放大器，
11.所述锁相放大器与光电探测器的输出端连接，所述计算机与锁相放大器连接；计算机用于控制锁相放大器的采集时间间隔，锁相放大器用于采集不同探测光频率下的透射光强后发送给所述计算机，计算机对采样信号进行数据处理，得到相位匹配条件下探测光与第二路泵浦光的频率差，并根据频率差信号，计算得到传感光纤沿线外侧的液体折射率。
12.液体折射率的计算方法为：
13.计算传感光纤包层有效折射率，计算公式为：
[0014][0015]
其中，δω
(m)
表示探测光耦合到m阶包层模式时，相位匹配条件下探测光与第二路泵浦光的频率差，为m阶包层模式下包层的有效折射率，n
core
为纤芯的有效折射率，ω
pump2
为第二路泵浦光的频率；
[0016]
然后根据包层折射率计算得到包层外液体物质的折射率。
[0017]
所述混沌光源包括分布式反馈激光器，第二环形器，第二分光器，偏振控制器，可变光衰减器，所述分布式反馈激光器输出的激光经第二环形器后输出到第二分光器，经第二分光器分为两束，其中一束经可变光衰减器、偏振控制器、第二环形器后反馈回激光腔中，使其另一束输出混沌激光。
[0018]
所述的一种基于混沌布里渊动态光栅的液体折射率测量装置，还包括光隔离器，所述光隔离器设置在第一分光器的输入端。
[0019]
所述传感光纤为单模光纤，其外部涂覆层擦去，包层与被测物质直接接触。
[0020]
所述的一种基于混沌布里渊动态光栅的液体折射率测量装置，还包括微波信号源和波形发生器，所述微波信号源用于驱动所述电光调制器，使其将第一束泵浦光调制为与中心频率的频差为布里渊频移的双边带光信号；
[0021]
所述波形发生器用于发出脉冲信号驱动所述声光调制器，使其将可调谐激光器输出的激光调制为脉冲探测光；所述波形发生器发出的脉冲参考信号与所述锁相放大器连接。
[0022]
所述混沌光源的中心波长为1550nm，所述电光调制器的调制频率等于传感光纤内的声波频率。
[0023]
第一分光器为1
×
2光纤耦合器，合光器为2
×
1光纤耦合器。
[0024]
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
[0025]
1、本发明提出一种基于混沌布里渊动态光栅的液体折射率测量装置，利用两束相差布里渊频移的对向混沌激光在单模光纤中发生受激布里渊散射产生布里渊动态光栅，并利用布里渊动态光栅可以将部分探测光散射到反向传播的包层模式这一特性，通过局部耦合光谱的变化确定包层外液体折射率，进而为识别包层外浸入的液体种类识别提供参考。由于混沌布里渊动态光栅的产生基于两束泵浦光的受激布里渊散射作用，所以可做到即开
即用，克服了传统光纤光栅液体折射率测量装置需在光纤中永久刻写光栅的缺点。
[0026]
2、与传统光纤光栅液体折射率测量装置几乎完全限于点测量相比，本发明中对两束泵浦光的调制可将混沌布里渊动态光栅限制在离散和狭窄的光纤截面上，并通过调节可变光延迟线沿光纤扫描它们的位置，实现分布式的液体折射率测量，克服了传统光纤光栅液体折射率测量装置几乎完全限于点测量的缺点。
[0027]
3、本发明提供的液体折射率测量装置，其光源采用混沌激光，混沌激光具有的“图钉”自相关特性使其相比于普通激光具有更加集中的能量，对光纤折射率的调制强度更大，局部包层反射光耦合光谱的变化更加明显，测量的折射率精确度更高。同时，基于混沌布里渊动态光栅进行液体折射率测量，其空间分辨率仅由混沌激光信号的相干长度决定，可达到厘米级空间分辨率。
附图说明
[0028]
图1为本发明实施例一提供的一种基于混沌布里渊动态光栅的液体折射率测量装置的结构示意图；
[0029]
图2为探测光与第二路泵浦光间的频率偏移随包层外液体折射率变化示意图；
[0030]
图3为本发明实施例二提供的一种基于混沌布里渊动态光栅的液体折射率测量装置的结构示意图；
[0031]
图中：1-分布式反馈激光器，2-第二环形器，3-第二分光器，4-偏振控制器，5-可变光衰减器，6-光隔离器，7-第一分光器，8-微波信号源，9-电光调制器，10-第一光放大器，11-可调谐光滤波器，12-第一环形器，13-传感光纤，14-可变光延迟线，15-第二光放大器，16-合光器，17-可调谐激光器，18-波形发生器，19-声光调制器，20-第三光放大器，21-计算机，22-锁相放大器，23-光电探测器，24-带通滤波器。
具体实施方式
[0032]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0033]
实施例一
[0034]
如图1所示，本发明实施例一提供了一种基于混沌布里渊动态光栅的液体折射率测量装置，包括：混沌光源、第一分光器7、电光调制器9、第一光放大器10、可调谐光滤波器11、第一环形器12、传感光纤13、可变光延迟线14、第二光放大器15、合光器16、可调谐激光器17、声光调制器19、第三光放大器20、计算机21、锁相放大器22、光电探测器23、带通滤波器24；传感光纤13设置在待测液体中。
[0035]
所述混沌光源发出的混沌激光经第一分光器7后分为两束泵浦光，其中第一路泵浦光经电光调制器9进行频移、第一光放大器10进行放大、光滤波器11滤波，经第一环形器12进入传感光纤13的一端；第二路泵浦光经可变光延迟线14、第二光放大器15后入射至合光器16。
[0036]
可调谐激光器17输出的扫频激光经声光调制器19调制为脉冲探测光后，经第三光
放大器20放大后入射至合光器16，经合光器16与另一束泵浦光进入传感光纤13的另一端。两束泵浦光在传感光纤13中相遇处发生干涉效应，形成混沌布里渊动态光栅；可变光延迟线14的作用是调节第二路泵浦光的光程，以改变混沌布里渊动态光栅的位置，实现分布式的液体折射率测量。
[0037]
从传感光纤13的一端输出的脉冲探测光经第一环形器12、带通滤波器24后，被光电探测器23探测，所述光电探测器23用于探测所述探测光的透射光强信号，所述光强信号用于计算得到传感光纤13沿线外侧的液体折射率。
[0038]
进一步地，如图1所示，本实施例的一种基于混沌布里渊动态光栅的液体折射率测量装置，还包括计算机21、锁相放大器22；锁相放大器22与光电探测器23的输出端连接，锁相放大器22还与计算机21连接。其中，计算机21用于控制锁相放大器22的采集时间间隔，锁相放大器22用于采集不同探测光频率下的透射光强后发送给所述计算机21，计算机21根据采样信号进行数据处理，得到相位匹配条件下探测光与第二路泵浦光的频率差，并根据频率差信号，计算得到传感光纤13沿线外侧的液体折射率。具体地，计算机21对采样信号进行数据处理的方法具体为：对采样信号进行洛伦兹拟合，峰值处对应的频率差即为相位匹配条件下探测光与第二路泵浦光的频率差。
[0039]
进一步地，如图1所示，本实施例的一种基于混沌布里渊动态光栅的液体折射率测量装置，还包括微波信号源8和波形发生器18，所述微波信号源8用于驱动所述电光调制器9，使其将第一束泵浦光调制为与中心频率的频差为布里渊频移的双边带光信号；所述波形发生器18用于发出脉冲信号驱动所述声光调制器19，使其将可调谐激光器17输出的激光调制为脉冲探测光；所述波形发生器18发出的脉冲参考信号与所述锁相放大器22连接。
[0040]
本实施例中，波形发生器18为任意波形发生器，其外触发输出端与锁相放大器22的外触发输入端连接，锁相放大器22的输出端与计算机21连接，此外，锁相放大器的采样频率与所述可调谐激光器17的扫频频率一致。
[0041]
具体地，本实施例中，所述混沌光源的中心波长为1550nm，所述电光调制器9的调制频率等于传感光纤13内的声波频率，接近光纤的布里渊频移。所述第一分光器7为耦合比90:10的1
×
2光纤耦合器，其中90％输出端输出的光作为第一路泵浦光进入电光调制器9。合光器16为2
×
1光纤耦合器。
[0042]
本实施例中，混沌光源发出的混沌激光经分光器7分为两路泵浦光，第一路混沌泵浦光经过电光调制器9后，被微波信号源8输出的信号调制为与中心频率的频差为布里渊频移的双边带光信号，经第一光放大器10进行放大后，由可调谐光滤波器11滤除上边带，经第二环形器12输入传感光纤13。第二路泵浦光经过可变光延迟线14、第二光放大器15、合光器16后输入传感光纤13的另一端。两路混沌泵浦光在传感光纤13中相遇处发生干涉效应，使传感光纤13受电致伸缩作用产生声波场，声波场周期性调制传感光纤13折射率，形成混沌布里渊动态光栅。
[0043]
两路混沌泵浦光的中心频率满足下式：
[0044]
ω
pump1
＝ω
pump2-ω； (1)
[0045]
ω
pump1
为第一路泵浦光的中心频率；ω
pump2
为第二路泵浦光的中心频率；ω为传感光纤的声波频率，接近光纤的布里渊频移。因此，本实施例中，所述电光调制器9的调制频率等于传感光纤13内的声波频率。
[0046]
本实施例中，脉冲探测光经第三光放大器20进行放大后，经合光器16输入传感光纤13。在混沌布里渊动态光栅的耦合作用下，纤芯模式内的探测光遇到混沌布里渊动态光栅，将产生部分反射信号并进入包层模式。
[0047]
传感光纤包层模式的有效折射率随包层外物质折射率的变化而变化，从而使探测光与第二路泵浦光间的频率偏移发生变化，反射谱中包含探测光与第二路泵浦光间的频率偏移信息，因此对反射谱的测量可间接测量出光纤包层外物质的折射率以确定外部化学液体物质。但是，直接观察包层模式下的反射光是困难的，因此通过监测纤芯模式下探测光的传输损耗代替直接测量反射光。耦合到包层模式的反射光越强，就意味着纤芯模式下的透射光越弱，所以可以通过检测探测光的透射光谱来代替直接测量反射光谱。本实施例中，通过扫描探测光的频率，利用光电探测器23与锁相放大器22检测纤芯光强的变化，由于不同探测光频率下反射光光强不同，可以得到探测光与第二路泵浦光间不同频率偏移下光强变化的谱图，峰值处对应的频率频移即达到最佳相位匹配时的频率偏移，当外界液体折射率改变时，此频率偏移值随之改变。
[0048]
因此，本实施例中，探测光的频率处于扫描模式，通过扫描探测光的频率，当检测到的光强变化最大的时候，说明达到了最佳相位匹配，此时，探测光与第二路泵浦光间的频率差满足如下条件：
[0049][0050]
其中，δω
(m)
表示探测光耦合到m阶包层模式时，相位匹配条件下探测光与第二路泵浦光的频率差，为耦合进m阶包层的探测光的频率，为m阶包层模式下包层的有效折射率，n
core
为纤芯的有效折射率，ω
pump2
为第二路泵浦光的频率。因此，当测量到最佳相位匹配下的频率差δω
(m)
时，通过式(2)可以计算能得到包层的有效折射率然后，利用现有的折射率计算方法，可以根据包层有效折射率计算得到包层外液体物质的折射率。探测光与包层模式耦合阶数m的选取可以通过数值仿真或具体的测量进行确定。
[0051]
具体地，本实施例中，所述传感光纤13为单模光纤，其外部涂覆层擦去，包层与被测物质直接接触，以达到较好效果。
[0052]
此外，如图2所示，为探测光与第二路泵浦光间的频率偏移随包层外液体折射率变化示意图；因此，本实施例中，也可以提前校准频率偏移与包层外液体折射率的关系，然后，实际测量时，根据频率偏移，直接得到包层外液体的折射率。
[0053]
实施例二
[0054]
如图3所示，本发明实施例二一种基于混沌布里渊动态光栅的液体折射率测量装置，与实施例一相同的是，其包括混沌光源、第一分光器7、电光调制器9、第一光放大器10、可调谐光滤波器11、第一环形器12、传感光纤13、可变光延迟线14、第二光放大器15、合光器16、可调谐激光器17、声光调制器19、第三光放大器20、计算机21、锁相放大器22、光电探测器23、带通滤波器24；传感光纤13设置在待测液体中。
[0055]
与实施例一不同的是，本实施例中，混沌光源为分布式反馈激光器1进行光反馈得到，具体地，混沌光源包括分布式反馈激光器1，第二环形器2，第二分光器3，偏振控制器4，
可变光衰减器5，所述分布式反馈激光器1输出的激光经第二环形器2后输出到第二分光器3，经第二分光器3分为两束，其中一束经可变光衰减器5、偏振控制器4、第二环形器2后反馈回激光腔中，使其另一束输出混沌激光。
[0056]
进一步地，本实施例中，还包括光隔离器6，所述光隔离器6设置在第一分光器7的输入端。第二分光器3具体为耦合比为50:50的1
×
2光纤耦合器。
[0057]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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发明各实施例技术方案的范围。