[发明专利]窄带分布反馈激光器波长扫描光纤光栅传感装置

说明书

技术领域

本发明涉及在光纤传感领域利用光纤光栅实现温度或压力传感的技术。

背景技术

光纤光栅(或称光纤布喇格光栅，Fiber Bragg Grating-FBG)是目前光纤传感领域研究和应用的一大热点。与常规传感技术相比，光纤传感具有抗电磁干扰和原子辐射、重量轻、体积小、绝缘、耐高温、耐腐蚀等众多优异的性能，越来越受到特殊场合或恶劣环境应用的青睐。光纤光栅传感器已经广泛应用在土木工程(桥梁、矿井、隧道、大坝和建筑物等)、航空航天、海洋、医学、电力、石油化工等领域，相关技术越来越成熟。

图1表示了光纤光栅传感器的基本原理。Bragg光纤光栅是指利用单模掺锗光纤(本身芯层折射率为n₁，包层折射率为n₂)经紫外光照射成栅技术形成的全新光纤型Bragg光栅(图1a)。成栅后的光纤纤芯折射率(感光折射率为n)呈现周期性分布(周期为Λ)，因此，这种光栅的基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波，也就是说，通常情况下大部分波长都可以通过(λ2.....λn)，而满足特定条件的波长λ1则将反射回。Bragg光栅的反射谱主要由其带宽和峰值反射率决定，而这些参数又是光栅长度、折射率调制系数和Bragg波长等参数的函数。利用这种原理，当我们采用宽带光源输入到光纤光栅中时(图1b)，由于共振波长λ1将被反射，其透射光谱中将出现一个低谷，而发射谱将是以共振波长λ1为中心的窄带峰。当光纤光栅紧密相关的外界参量改变(如温度变化、压力等)时，其共振波长将发生漂移，例如从λ1变为λ2，这样反射谱的峰值(或透射谷值)将直接反映这些外界参量的变化。因此，通过测量中心波长的漂移量就可以实现对相关参数的传感监测。图2表示了一种典型的光纤光栅传感装置，采用宽带光源输入到传感光纤中，传感光纤包括了一系列光纤光栅(FBG)探头，每个光栅中心波长的漂移情况可以通过光谱仪或所谓的解调仪实现监测，这样就可以完成分布式的多点(温度或压力)监测。

对于光纤光栅传感装置来讲，目前最核心的技术是波长解调技术，同时也占据了整个装置成本的绝大分量，因此，研究低成本的解调技术具有极其重要的实际应用价值。现有的几种实用化解调技术包括：(1)光谱仪或波长计法--光谱仪分辨率高，但极其昂贵；波长计相对简单，但动态范围一般很有限；(2)滤波器法-如采用边缘滤波器法(S.M.Melle，K.Liu，R.M.Measures，“A passive wavelength demodulation system for guided-wave Bragg grating sensor，”IEEEPhotonics Technology Letters，vol.4，no.5，516-518，1992；M.A.Davis，A.D.Kersey，“All-fibre Bragg Grating strain-sensor demodulation technique using a wavelength division coupler，”Electronics Lettes，vol.30，no.1，75-77，1994)、Fabry-Perot可调谐滤波器法(A.D.Kersey，T.A.Berkoff，W.W.Morey，“Multiplexed fiber Bragg grating strain-sensor system with a fiber Fabry-Perot wavelength filter，”Optics Letters，vol.18，no.16，1370-1372，1993)、可调谐光纤光栅滤波器法(G.P.Brady，S.Hope，A.B.L.Riberio，“Demultiplexing of fiber Bragg grating temperature and strain sensors，”Optics Communications，vol.111，51-54，1994；M.A.Davis，A.D.Kersey，“Matched-filter interrogation technique for fibre Bragg grating arrays，”Electronics Letters，vol.31，no.10，822-823，1995)、声光可调谐滤波器法(M.G.Xu，H.Geiger，J.L.Archambault，et al，“Novel inteerogating system for fiber Bragg gating sensors using an acousto-optic tunable filter，”Electronics Letters，vol.29，1510-1511，1993)、半导体滤波器法(T.Coroy，R.M.Measures，“Active wavelength demodulation of a Bragg grating fibre optic strain sensor using a quantum well electroabsorption filtering detector，”Electronics Letters，vol.32，no.19，1811-1812，1996)等；其中采用FP滤波器法目前已经商用推广，但成本仍然较高(一个FP滤波器本身3-4万，整套设备达到十几万或更高)；(3)干涉法：利用干涉仪将波长的漂移量转化成相位变化量进行测量(K.P.Koo，A.D.Kersy，“Bragg grating based laser sensor system with interferometric interrogation and wavelength division multiplexing，”Journal of Lightwave Technology，vol.13，no.7，1243-1249，1995；R.Ashoori，Y.M.Gebremichael，S.Xiao，et al，“Time domain multiplexing for Bragg grating strain measurement sensor network，”Proc.of SPIE，vol.3746，308-311，1998；D.Zhao，X.Shu，L.Y.Zhang，“Fiber Bragg grating sensor interrogation using chirped fiber grating based Sagnac loop，”IEEE Sensors Journal，vol.3，no.6，734-738，2003)，但由于结构的复杂性和可靠性在实际应用中比较困难；(4)波长可调谐光源法：采用压电陶瓷(PZT)调制DBR激光器(G.A.Ball，W.W.Morey，P.K.Cheo，“Fiber laser source/analyzer for Bragg grating sensor array interrogation，”Journal of Lightwave Technology，vol.12，no.4，700-703，1994)、锁模调制解调法(A.D.Kersey，W.W.Morey，“Multiplexed Bragg grating fibre-laser strain-sensor system with mode-locked interrogation，”Electronics Letters，vol.29，no.1，112-114，1993)、环形腔光纤激光器法(S.H.Yun，D.J.Richardson，B.Y.Kim，“Interrogation of fiber grating sensor arrays with a wavelength swept fiber laser，”Optics Letters，vol.23，no.11，843-845，1998)等等。