[发明专利]一种光纤纤芯三维空间温度的准分布式测量方法

说明书

本发明提出了一种光纤纤芯三维空间温度的准分布式测量方法，其特征在于，在待测光纤的纤芯上刻写光纤布拉格光栅阵列，包括在多个纤芯横向平面上并行刻写的光纤布拉格光栅阵列以及沿光纤轴向串行刻写的光纤布拉格光栅阵列，光纤布拉格光栅阵列中的各光纤布拉格光栅的谐振波长互不相同；利用各光纤布拉格光栅的光谱对温度的响应特性实现对纤芯区域各光纤布拉格光栅所在位置的温度传感，根据纤芯区域中所有的光纤布拉格光栅的光谱变化，实现纤芯区域内三维温度场测量。本发明适用于高功率光纤激光器纤芯横向平面温度梯度的测量以及纤芯内部热分布情况的分析。

技术领域

本发明涉及光纤纤芯温度测量技术领域，具体涉及一种光纤纤芯三维空间温度的准分布式测量方法。

背景技术

在大功率光纤激光器中，热一直是限制其发展的重要因素，有研究表明大功率光纤激光器中增益光纤可以视作承载热负荷的桶子，而光纤中的量子缺陷以及光子暗化效应都可能导致热负荷的生成，光热效应造成的纤芯内部折射率发生周期性调制是大功率光纤激光器模式不稳发生的根本原因，散热时间是诱发模式不稳发生的直接原因，对大功率激光器中进行纤芯温度分布式或准分布式实时测量是当前十分必要的工作。

目前对大功率激光器温度测量最有效的方法是通过光频域反射系统来实现的，这一方法可实时反应激光器纤芯内部温度的变化情况，可在较长范围内实现温度分布式测量，对局部温度过高可起到有效的预警作用，但该方法同样也存在一些问题，光频域反射系统通常造价十分昂贵，且需要添加大量硬件系统，增加了系统的复杂程度，为系统维护造成了一定的困难。此外光频域反射系统只能测量一维温度变化，温度在纤芯横向端面的分布被平均化，无法体现出光纤“散热”的特性，测量的空间精度仅在～1cm量级，且需要多次测量，光热效应所形成的长周期光栅的效果无法通过该方法来测量。还有利用光纤布拉格光栅来测温度的技术，但目前利用普通光纤布拉格光栅基本只能实现单点测试，而且绝大多数光纤布拉格光栅都是通过紫外曝光法刻写的，光栅的折射率调制区主要集中于纤芯的边沿位置，无法进行空间维度的温度测试。

目前，几乎没有文献报道纤芯内部温度场测量的技术，光频域反射系统和紫外刻写的光纤布拉格光栅都只能进行一维温度的测试，无法进行三维空间的温度测试。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种光纤纤芯三维空间温度的准分布式测量方法。

为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：

一种光纤纤芯三维空间温度的准分布式测量方法，在待测光纤的纤芯上刻写光纤布拉格光栅阵列，包括在多个纤芯横向平面上并行刻写的光纤布拉格光栅阵列以及沿光纤轴向串行刻写的光纤布拉格光栅阵列，光纤布拉格光栅阵列中的各光纤布拉格光栅的谐振波长互不相同；利用各光纤布拉格光栅的光谱对温度的响应特性实现对纤芯区域各光纤布拉格光栅所在位置的温度传感，根据纤芯区域中所有的光纤布拉格光栅的光谱变化，实现纤芯区域内三维温度场测量。本发明温度传感单元为光纤布拉格光栅，各谐振波长不同的光纤布拉格光栅分布于纤芯的不同位置，实现准分布式温度测量。本发明兼具并行与串行分布的光纤布拉格光栅阵列，可以满足纤芯内部温度的多点测量，特别对于某一特定光纤横截面的温度测量。

作为本发明的优选技术方案，本发明中的各光纤布拉格光栅通过飞秒激光逐点刻写方式刻写而成，光纤无需做载氢处理。利用飞秒激光逐点刻写技术可以刻写局域性非常高的光纤布拉格光栅，如果用逐点刻写的光纤布拉格光栅测温度基本可以体现纤芯区域某一特定点的温度。

作为本发明的优选技术方案，本发明中的各光纤布拉格光栅不同的谐振波长通过改变各光纤布拉格光栅的周期来实现。整个刻写的全过程只需调整刻写平台的位移速度以及飞秒激光聚焦点的位置。

作为本发明的优选技术方案，本发明中的各光纤布拉格光栅的空间上相互间隔一定距离，且各光纤布拉格光栅的光谱互不重叠。本发明各光纤布拉格光栅在光谱上严格分离开，避免因温度梯度变化而造成多个光纤布拉格光栅在同一波长处发谐振。