[发明专利]一种含错位光纤利用光纤光栅滤波结构拍频测温的方法

摘要

本发明公开了一种含错位光纤利用光纤光栅滤波结构拍频测温的方法，其中光纤光栅、掺饵光纤、错位光纤和环形器组成光纤谐振腔，980nm泵浦光源经过980/1550nm波分复用器进入光纤谐振腔，光纤谐振腔中设有非线性增益的掺铒光纤，当泵浦频率达到阈值，光在光纤谐振腔中被激发出正交模式的偏振光，在光纤光栅处进行混频，在频谱分析仪上看到激光拍频信号，最终得到拍频信号与环境温度的对应关系并依据该拍频信号与环境温度的对应关系实现待测环境温度的测量。本发明测量过程简化，方便迅速，有效克服了传统温度测量方法中存在的繁琐流程。

主权项

1.一种含错位光纤利用光纤光栅滤波结构拍频测温的方法，主要由980nm泵浦光源、980/1550nm波分复用器、光纤光栅、掺铒光纤、错位光纤、环形器、光电探测器和频谱分析仪构成错位光纤测温系统，其中沿光线传输方向依次设有通过光纤相连的980nm泵浦光源、980/1550nm波分复用器、光纤光栅、掺铒光纤、错位光纤和环形器，频谱分析仪和光电探测器依次通过光纤与980/1550nm波分复用器相连，具体测温过程为：光纤光栅、掺铒光纤、错位光纤和环形器组成光纤谐振腔，980nm泵浦光源经过980/1550nm波分复用器进入光纤谐振腔，光纤谐振腔中设有非线性增益的掺铒光纤，当泵浦频率达到阈值，光在光纤谐振腔中被激发出正交模式的偏振光，在光纤光栅处进行混频，在频谱分析仪上看到激光拍频信号，首先错位光纤在室温环境中，980nm泵浦光源经过光纤谐振腔输出拍频信号，记录、存储此时的实验数据，经数字信号处理器进行处理，并通过理论计算值进行校正，作为参考值，然后让错位光纤处于不同于室温的环境中，经频谱分析仪观察拍频信号的变化，并记录、存储不同温度环境下的拍频信号，最终得到拍频信号与环境温度的对应关系并依据该拍频信号与环境温度的对应关系实现待测环境温度的测量，其特征在于：更为具体的，光通过光纤光栅、掺铒光纤、错位光纤和环形器组成一个光纤激光谐振腔，光在其中包含两个正交的偏振态，假设为x‑偏振模和y‑偏振模，两个偏振态都将满足谐振条件，激光谐振腔激发出来的正交模式偏振光拍频可以写为：其中，B是正交偏振模式的折射率差，v表示光在光纤谐振腔中的传播速度，n0为光纤的有效模式折射率，λ为光纤谐振腔激发出来的光的波长；保持激光谐振腔中其他元器件周围温度不变，改变错位光纤周围温度，由于错位光纤干涉信号波长发生改变，因此谐振腔激发出来的激光波长也发生相应改变，即从频谱仪上观察到拍频信号的间隔发生改变；光束未通过错位光纤时沿着纤芯传输，当光信号通过错位熔接处时开始分解，其一部分光信号进入包层形成包层模，另一部分光信号进入纤芯形成纤芯模，光信号在光纤中传输一段距离后，包层模和纤芯模再次耦合进入同一根光纤中，两种模式光束在纤芯发生干涉；假设I1和I2为单模中纤芯模的光强和包层主要模的光强，则干涉信号强度表示为：其中是光纤的相差，Δn_eff是有效折射率差，L是错位光纤有效干涉区域长度，λ是工作波长，当相差满足干涉条件时，m是整数，相应的波长变化表示为：根据公式(6)可知，在两个干涉最小值之间的自由光谱范围可以近似表示为：公式(7)表明，自由光谱范围与有效折射率和错位光纤有效长度有关，波长最低点的变化可以表示为：其中α为热膨胀系数，ε为热光系数；当温度变化作用于错位光纤时，拍频信号的变化量表示为：其中，ΔT是错位光纤周围的温度变化量。