专利名称：波长扫描光纤激光装置及由其构成的光纤传感系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电子技术领域，特别涉及激光器技术领域，具体是指一种波长扫描光纤激 光装置及由其构成的光纤传感系统。
背景技术：
基于FBG (光纤布拉格光栅)技术的光纤传感系统是光纤传感中应用最广的技术，大 量使用在桥梁、隧道、大坝等建筑物的应力健康监控，以及石油、输变电缆管线的温度监 测等行业，其基本采用的原理结构如图l所示。
其中宽带光源一般采用超辐射发光二极管(SLED)光源或基于掺杂光纤的自发辐射 (ASE)光源，通过定向耦合器传到光纤传感器上， 一般光纤传感器由FBG制成，FBG的 反射波长会随着温度、应力等因素发生变化，带有温度、应力等信息的反射波长经过定向 耦合器入射到窄带的扫描滤波器上，选取出对应的波长，再经过比对定标等光语分析，就 可以通过FBG的反射波长而精确地实时测量出被测的应力、温度等参数。
其中的核心部件之一宽带光源，无论是SLED还是ASE光源，其输出功率通常都在 20mW量级，由于光源是宽带的，这样的功率通常分布在一个很宽的波长带上，比如覆盖 整个C波段(1525 1565nm),这样导致其功率谱密度通常都很低，以20mWC波段为例， 平均功率谱密度为0.05mW/0.1nm.而为了达到很高的监测灵敏度，通常需要将光纤传感器 的反射带宽做得非常窄，通常O.lnm.同时光在整个光路中传输，由于2次经过定向耦合器， 光纤传感器的反射率影响，扫描滤波器插损等等，还会带来10dB以上的衰减，如果是准分 布的多通道系统，该损耗甚至会大40dB，这样就会导致进入光谱分析的信号功率非常低， 通常在nW量级，对如此低功率的信号进行处理极大地增加了整个系统的难度，也很难保 证信号的信噪比。甚至更多通道，比如8通道以上的系统根本很难实现，除非再增加一套 系统。
总之，由于光纤传感本身的结构带来的损耗，以及宽带光源被FBG滤波后带来的损耗 使得现有的光纤传感系统(1 )光谱分析处理难度加大，成本很高；(2 )多通道级联无法 实现。发明内容本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种波长扫描光纤激光装置及由其 构成的光纤传感系统，该波长扫描光纤激光装置设计巧妙，极大地降低了光纤传感系统处理 难度和成本，且能实现多通道级联。为了实现上述目的，在本发明的第一方面，提供了一种波长扫描光纤激光装置，其特点 是，包括至少一光纤放大器、扫描滤波器、第一定向耦合器、第一光纤隔离器和第二光纤隔 离器，所述的扫描滤波器、第一光纤隔离器、光纤放大器和第二光纤隔离器依次闭环连接， 并形成一光波通行环路，所述的第一定向耦合器接入所迷的光波通行环路中，且该第一定向 耦合器还具有扫描激光输出端。较佳地，所述的第一定向耦合器接入所述的扫描滤波器和所迷的第一光纤隔离器的连接 端之间。较佳地，所述的第 一定向耦合器设置在所述的光纤放大器和第 一光纤隔离器的连接端之间。较佳地，所述的第一定向耦合器设置在两个所述的光纤放大器的连接端之间。 较佳地，所述的扫描滤波器是基于FP腔压电陶瓷驱动的扫描滤波器或基于微机电技术的 扫描滤波器。较佳地，所述的光纤放大器是掺稀土光纤放大器或者半导体光纤放大器。 更佳地，所述的掺稀土光纤放大器是掺铒光纤放大器、掺镱光纤放大器或者渗皤光纤放 大器。在本发明的第二方面，提供了一种光纤传感系统，其特点是，所述的光纤传感系统采用 上述的波长扫描光纤激光装置作为光源。较佳地，所述的光纤传感系统还包括第二定向耦合器、至少一光纤传感器和光谱分析装 置，所述的第一定向耦合器和至少一所述的光纤传感器分别通过所述的第二定向耦合器与所 述的光i普分析装置相连接。更佳地，所述的光纤传感器是光纤布拉格光栅。本发明的有益效果在于1、本发明的波长扫描光纤激光装置采用扫描滤波器、第一光纤隔离器、光纤放大器和第 二光纤隔离器依次闭环连接，并形成一光波通行环路，从而扫描滤波器和光纤放大器 形成环形腔，第一定向耦合器接入所述的光波通行环路中，且该第一定向耦合器还具 有扫描激光输出端；这样由光纤放大器产生的ASE宽带光被扫描滤波器滤波后通过定向耦合器再次进入光纤放大器放大，这样形成光学谐振，抑制掉在滤波器以外的波 长，同时在滤波器带宽内还通过竟争选模，输出比滤波器线宽更窄的激光，输出光通 过定向耦合器的扫描激光输出端输出，设计巧妙，由于所有的输出功率都集中于一个 窄的波长(<0.1nm),就C波段(共40nm带宽)为例，与ASE宽带光源同样的总输 出功率，可以使光谱分析处理单元处功率增加400倍(26dB)，极大地降低了光纤传 感系统处理难度；2、 本发明的波长扫描光纤激光装置不具有宽带光源所必须的增益平坦滤波器(GFF), 只是将光谙分析单元前同样的可调滤波器移植到光源内，与ASE宽带光源同样总输 出功率下成本可以降低10%;通常，在实际工程应用中，可以采用相当于普通宽带光 源l/4的输出总功率，光镨分析单元处理功率比普通宽带光源高100倍(20dB),这 样整个系统成本会降低30%以上；极大地降低了光纤传感系统成本；3、 本发明的波长扫描光纤激光装置可以非常容易实现多通道方案。可以实现比常规ASE 宽带光源方案多数十倍的通道连接；4、 本发明的波长扫描光纤激光装置的扫描频率可以任意设定，与滤波器相关，通常压电 陶瓷驱动的滤波器可以在1 ~ 1000Hz,微机电(MEMS)技术滤波器可以实现百KHz 量级的扫描频率，使用灵活方便；5、 本发明的波长扫描光纤激光装置的输出波长线宽，与滤波器相关，通常在〈0.1nm,也 可以窄至〈0.01nm,从而提高监测灵敏度，极大地降低了光纤传感系统处理难度。
图1是传统光纤传感系统的结构关系示意图。图2是本发明的波长扫描光纤激光装置的一具体实施例的结构关系示意图。 图3是本发明的波长扫描光纤激光装置的另一具体实施例的结构关系示意图。 图4是本发明的波长扫描光纤激光装置的又一具体实施例的结构关系示意图。 图5是本发明的光纤传感系统的一具体实施例的结构关系示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。 请参阅图2-4所示，本发明的波长扫描光纤激光装置包括至少一光纤放大器、扫描滤波 器、第一定向耦合器、第一光纤隔离器和第二光纤隔离器，所述的扫描滤波器、第一光纤隔 离器、光纤放大器和第二光纤隔离器依次闭环连接，并形成一光波通行环路，所述的第一定向耦合器接入所述的光波通行环路中，且该第一定向耦合器还具有扫描激光输出端。第一光 纤隔离器和第二光纤隔离器分别联接在放大器的输入输出端，以保证环形腔内激光的单向传 输、谐振；第一定向耦合器的分光比可以根据具体工程需要的输出功率指标选择。
在本发明的一具体实施例中，所述的第一定向耦合器接入所述的扫描滤波器和所述的第 一光纤隔离器的连接端之间，如图2所示。
在本发明的一具体实施例中，所述的第一定向耦合器设置在所述的光纤放大器和第一光 纤隔离器的连接端之间，如图3所示。
在本发明的一具体实施例中，所述的第 一定向耦合器设置在两个所述的光纤放大器的连 接端之间，如图4所示。
较佳地，所述的扫描滤波器是基于FP腔压电陶瓷驱动的扫描滤波器或基于微机电 (MEMS ):忮术的扫描滤波器。当然，还可以采用其他扫描滤波器。
较佳地，所述的光纤放大器是掺稀土光纤放大器或者半导体光纤放大器。更佳地，所述 的掺稀土光纤放大器是掺铒光纤放大器、掺镱光纤放大器或者掺镨光纤放大器。当然，还可 以釆用掺杂气体稀土元素的光纤放大器。
在本发明的一具体实施例中，扫描滤波器选用MOI公司的FFP-2,扫描频率为50Hz,第 一定向耦合器分光比选用80: 20,光纤放大器为一个饱和输出功率为17dBm的掺铒光纤放 大器，可以实现整个C波IS:内，扫描频率为50Hz,输出功率为10mW的扫描激光器。
采用上述的波长扫描光纤激光装置作为光源的光纤传感系统请参见图5所示，所述的光 纤传感系统还包括第二定向耦合器、至少一光纤传感器和光谱分析装置，所述的第一定向耦 合器和至少 一所述的光纤传感器分别通过所述的第二定向耦合器与所述的光谱分析装置相连 接。
在本发明的一具体实施例中，所述的光纤传感器是光纤布拉格光栅(FBG )。当然，也可 以采用其它合适的传感器。
本发明的波长扫描光纤激光装置采用扫描滤波器与光纤放大器结合通过环形光纤谐振腔 的方法来实现扫描激光输出，由光纤放大器产生的ASE宽带光被扫描滤波器滤波后通过定向 耦合器再次进入光纤放大器放大，这样形成光学谐振，抑制掉在滤波器以外的波长，同时在 滤波器带宽内还通过竟争选模，输出比滤波器线宽更窄的激光，输出光通过定向耦合器的扫 描激光输出端输出，而传统分摊在很宽的带宽上的光功率能量在经过FBG滤波后，在某一个 时刻点，实际上绝大部分的光功率都被滤除浪费掉了 ，本发明的波长扫描光纤激光装置将这 些功率都集中在一点，极大地提高了光谱密度，减少了浪费，但并未很大地提高总输出功率，而集中的功率在波长上不停扫描，同样实现判别FBG滤波波长的功能，而+及大地降^氐了系统 难度和成本。综上，本发明的波长扫描光纤激光装置设计巧妙，极大地降低了光纤传感系统处理难度 和成本，且能实现多通道级联。在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种 修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限 制性的。
权利要求
1.一种波长扫描光纤激光装置，其特征在于，包括至少一光纤放大器、扫描滤波器、第一定向耦合器、第一光纤隔离器和第二光纤隔离器，所述的扫描滤波器、第一光纤隔离器、光纤放大器和第二光纤隔离器依次闭环连接，并形成一光波通行环路，所述的第一定向耦合器接入所述的光波通行环路中，且该第一定向耦合器还具有扫描激光输出端。
2. 根据权利要求l所述的波长扫描光纤激光装置，其特征在于，所述的第一定向耦合器接入 所述的扫描滤波器和所述的第一光纤隔离器的连接端之间。
3. 根据权利要求l所述的波长扫描光纤激光装置，其特征在于，所述的第一定向耦合器设置 在所述的光纤放大器和第一光纤隔离器的连接端之间。
4. 根据权利要求l所述的波长扫描光纤激光装置，其特征在于，所述的第一定向耦合器设置 在两个所述的光纤放大器的连接端之间。
5. 根据权利要求l所述的波长扫描光纤激光装置，其特征在于，所述的扫描滤波器是基于FP 腔压电陶资驱动的扫描滤波器或基于《鼓^L电技术的扫描滤波器。
6. 根据权利要求l所述的波长扫描光纤激光装置，其特征在于，所述的光纤放大器是掺稀土 光纤放大器或者半导体光纤放大器。
7. 根据权利要求6所述的波长扫描光纤激光装置，其特征在于，所述的4参稀土光纤放大器是 摻铒光纤放大器、掺镱光纤放大器或者掺镨光纤放大器。
8. —种光纤传感系统，其特征在于，所述的光纤传感系统采用根据权利要求l所述的波长扫 描光纤激光装置作为光源。
9. 根据权利要求8所述的光纤传感系统，其特征在于，所述的光纤传感系统还包括第二定向 耦合器、至少一光纤传感器和光谱分析装置，所述的第一定向耦合器和至少一所述的光纤 传感器分别通过所述的第二定向耦合器与所述的光语分析装置相连接。
10. 根据权利要求9所述的光纤传感系统，其特征在于，所述的光纤传感器是光纤布拉格光栅。
全文摘要
本发明涉及一种波长扫描光纤激光装置，其中扫描滤波器、第一光纤隔离器、光纤放大器和第二光纤隔离器依次闭环连接，并形成一光波通行环路，第一定向耦合器接入光波通行环路中，且还具有扫描激光输出端，较佳地，第一定向耦合器接入扫描滤波器和第一光纤隔离器的连接端之间、第一光纤隔离器和光纤放大器的连接端之间或者两个光纤放大器的连接端之间，扫描滤波器是基于FP腔压电陶瓷驱动的扫描滤波器或基于微机电技术的扫描滤波器，光纤放大器是掺稀土光纤放大器或者半导体光纤放大器，还提供了采用上述波长扫描光纤激光装置作为光源的光纤传感系统，本发明设计巧妙，极大地降低了光纤传感系统处理难度和成本，且能实现多通道级联。
文档编号H01S3/10GK101593926SQ20091005129
公开日2009年12月2日 申请日期2009年5月15日 优先权日2009年5月15日
发明者涛 张 申请人:上海拜安信息科技有限公司