本申請(qǐng)要求2015年10月13日提交的，申請(qǐng)?zhí)朇N201510670316.6的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)的優(yōu)選權(quán)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光纖干涉儀領(lǐng)域，特別的涉及一種基于細(xì)芯光纖馬赫-曾德干涉儀的溫度測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

通常，全光纖化的傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長(zhǎng)、對(duì)測(cè)試量敏感、傳輸信道多等優(yōu)勢(shì)廣泛地應(yīng)用于光纖傳感、光纖通信、光學(xué)加工等領(lǐng)域。通過(guò)光纖端面微加工技術(shù)或搭建具有干涉結(jié)構(gòu)的全光纖傳感器，在泵浦源作用下，輸出具有梳狀譜圖樣的干涉譜曲線?，F(xiàn)有技術(shù)中一種基于雙芯光纖的馬赫-曾德干涉儀，干涉條紋襯幅比約為10dBm，條紋間隔約為2nm。將兩支3dB耦合器制成馬赫-曾德干涉系統(tǒng)，結(jié)合雙芯光纖，構(gòu)成雙級(jí)結(jié)構(gòu)的馬赫-曾德干涉儀，條紋襯幅比約為30dBm。

細(xì)芯光纖馬赫-曾德光纖傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)由一段細(xì)芯光纖熔接在兩段芯徑相對(duì)較粗的摻雜稀土光纖光纖中，能夠有效準(zhǔn)確的獲取梳狀譜圖樣的干涉譜曲線，因此，需要借助一種基于細(xì)芯光纖馬赫-曾德干涉儀對(duì)溫度進(jìn)行精確、高效的測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明提供了一種基于細(xì)芯光纖馬赫-曾德干涉儀的溫度測(cè)量方法，所述測(cè)量方法包括以下步驟：

b)搭建所述細(xì)芯光纖馬赫-曾德干涉儀，所述細(xì)芯光纖馬赫-曾德干涉儀通過(guò)光柵光纖依次連接泵浦源、一支波分復(fù)用器以及細(xì)芯光纖馬赫-曾德結(jié)構(gòu)；所述細(xì)芯光纖馬赫-曾德結(jié)構(gòu)包括一段細(xì)芯光纖、第一摻雜稀土光纖和第二摻雜稀土光纖，所述細(xì)芯光纖熔接在第一摻雜稀土光纖和第二摻雜稀土光纖之間，所述第一摻雜稀土光纖和第二摻雜稀土光纖作為光纖激光器的增益介質(zhì)；

b)將所述細(xì)芯光纖馬赫-曾德結(jié)構(gòu)與基體材料固定，置于溫度變化可

控的環(huán)境中；

c)逐漸改變溫度大小，記錄梳狀譜移動(dòng)的長(zhǎng)度，繪制梳狀譜移動(dòng)長(zhǎng)度與溫度大小的變化曲線；

d)通過(guò)所述梳狀譜移動(dòng)長(zhǎng)度與溫度大小的變化曲線對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量。

優(yōu)選地，所述的泵浦源通過(guò)一支激光二極管作為光纖激光器。

優(yōu)選地，所述第一摻雜稀土光纖和第二摻雜稀土光纖為摻雜稀土元素的摻雜光纖，用于光纖激光器的增益。

優(yōu)選地，所述的波分復(fù)用器用于將泵浦光耦合進(jìn)入第一摻雜稀土光纖。

優(yōu)選地，步驟b)中所述的固定的方法是將所述細(xì)芯光纖、第一摻雜稀土光纖和第二摻雜稀土光纖與基體材料組合為一體，置于可控溫度變化的環(huán)境進(jìn)行溫度標(biāo)定，所述標(biāo)定過(guò)程采用控制溫度的連續(xù)升高或連續(xù)降低中的一種。

優(yōu)選地，所述梳狀譜移動(dòng)長(zhǎng)度與溫度大小的變化曲線通過(guò)線性擬合或者最小二乘法進(jìn)行擬合。

優(yōu)選地，所述第一摻雜稀土光纖和第二摻雜稀土元素光纖選自摻鉺光纖、摻鐿光纖或者鉺鐿共摻光纖的一種。本發(fā)明所提供的一種基于細(xì)芯光纖馬赫-曾德干涉儀的溫度測(cè)量方法測(cè)量準(zhǔn)確高效，易于操作，能夠適合在多種場(chǎng)合應(yīng)用。

應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說(shuō)明和解釋，并不應(yīng)當(dāng)用作對(duì)本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。

附圖說(shuō)明

參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)本發(fā)明實(shí)施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1示意性示出了本發(fā)明細(xì)芯光纖馬赫-曾德干涉儀的溫度測(cè)量結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示出了本發(fā)明細(xì)芯光纖與光柵光纖的熔接示意圖；

圖3示出了本發(fā)明基于細(xì)芯光纖馬赫-曾德干涉儀的溫度測(cè)量方法的流程圖；

圖4示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中梳狀譜隨溫度大小變化的曲線。

具體實(shí)施方式

通過(guò)參考示范性實(shí)施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實(shí)現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實(shí)施例；可以通過(guò)不同形式來(lái)對(duì)其加以實(shí)現(xiàn)。說(shuō)明書的實(shí)質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。

在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。

本實(shí)施例中詳細(xì)說(shuō)明一種基于細(xì)芯光纖馬赫-曾德干涉儀的溫度測(cè)量方法，如圖1所示本發(fā)明細(xì)芯光纖馬赫-曾德干涉儀的溫度測(cè)量結(jié)構(gòu)示意圖，所述細(xì)芯光纖馬赫-曾德干涉儀包括一支激光二極管作為光纖激光器的泵浦源101、一支波分復(fù)用器(WDM)102以及細(xì)芯光纖馬赫-曾德結(jié)構(gòu)，所述細(xì)芯光纖馬赫-曾德結(jié)構(gòu)包括一段細(xì)芯光纖104、第一稀土摻雜光纖103和第二稀土光纖105，所述細(xì)芯光纖104熔接在第一摻雜稀土光纖103和第二摻雜稀土光纖105之間。第一摻雜稀土光纖103和第二摻雜稀土光纖采用摻雜稀土元素的摻雜光纖作為光纖激光器的增益介質(zhì)，第一摻雜稀土光纖103和第二摻雜稀土元素光纖105選自摻鉺光纖、摻鐿光纖或者鉺鐿共摻光纖的一種，波分復(fù)用器102用于將泵浦光耦合進(jìn)入第一摻雜稀土光纖103。

細(xì)芯光纖馬赫-曾德結(jié)構(gòu)與基體材料107固定組合為一體，置于可控溫度變化的環(huán)境106中，在一些實(shí)施例中可以是對(duì)溫度的連續(xù)升高，在另一些實(shí)施例中可以是對(duì)溫度的連續(xù)降低。本實(shí)施例中通過(guò)溫度控制器108對(duì)溫度變化的環(huán)境106進(jìn)行控制，使溫度連續(xù)升高。

本實(shí)施例細(xì)芯光纖104、第一摻雜稀土光纖103和第二摻雜稀土光纖105通過(guò)光柵光纖串接在一起，如圖2所示本發(fā)明細(xì)芯光纖與光柵光纖的熔接示意圖，與細(xì)芯光纖202相互熔接的光柵光纖分為第一光柵光纖201和第二光柵光纖203，細(xì)芯光纖202、第一光柵光纖201和第二光柵光纖203均由光纖涂層、光纖包層和光纖芯組成，本實(shí)施例附圖2示例性的給出第二光柵光纖203的光纖涂層205、光纖包層206和光纖芯207。

應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，第一摻雜稀土光纖103、第二摻雜稀土光纖105以及第一光柵光纖201和第二光柵光纖203的纖芯直徑尺寸應(yīng)大于細(xì)芯光纖104(202)的纖芯直徑尺寸。

下面針對(duì)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中基于細(xì)芯光纖馬赫-曾德干涉儀的溫度測(cè)量方法過(guò)程中的光路以及梳狀譜長(zhǎng)度的變化給出具體說(shuō)明：

總光強(qiáng)I為

其中I₁、I₂和分別為細(xì)芯光纖中纖芯和包層的光強(qiáng)和相移差，且

其中，n₁和n₂分別為纖芯和包層的有效折射率，L₁和L₂分別為光束在纖芯和包層中傳輸?shù)拈L(zhǎng)度。由于干涉臂長(zhǎng)度相等，且存在折射率差Δn，則有

由公式1和公式3可知，傳輸譜中的峰值發(fā)生在滿足下式的波長(zhǎng)處，其中m為整數(shù)

2πLΔn/λ＝2mπ (4)

經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，公式4表示為

m＝LΔn/λ (5)

對(duì)公式5中λ進(jìn)行求導(dǎo)可得

Δm/Δλ＝-LΔn/λ² (6)

取Δm＝1，得到在波長(zhǎng)λ處傳輸譜中相鄰峰值的波長(zhǎng)間隔為

|Δλ|＝λ²/LΔn (7)

由公式7可知，本發(fā)明細(xì)芯光纖馬赫-曾德梳干涉儀的梳狀譜中，相鄰峰值的波長(zhǎng)間隔與中心波長(zhǎng)、細(xì)芯光纖長(zhǎng)度和纖芯與包層的折射率差有關(guān)。當(dāng)中心波長(zhǎng)一定時(shí)，相鄰峰值的波長(zhǎng)間隔是細(xì)芯光纖長(zhǎng)度和纖芯與包層間折射率差的函數(shù)。

應(yīng)用該梳狀譜進(jìn)行傳感測(cè)試，當(dāng)干涉儀受到溫度影響導(dǎo)致基體材料變形，從而引起兩臂光程差發(fā)生改變時(shí)，干涉梳狀譜發(fā)生變化，干涉條紋產(chǎn)生移動(dòng)。

為了更加清楚的說(shuō)明本發(fā)明基于細(xì)芯光纖馬赫-曾德干涉儀的溫度測(cè)量方法，本實(shí)施例結(jié)合具體溫度測(cè)量方法的流程進(jìn)行說(shuō)明，如圖3所示本發(fā)明基于細(xì)芯光纖馬赫-曾德干涉儀的溫度測(cè)量方法的流程圖；基于細(xì)芯光纖馬赫-曾德干涉儀的溫度測(cè)量方法包括如下步驟：

步驟301、搭建細(xì)芯光纖馬赫-曾德干涉儀，熔接馬赫-曾德結(jié)構(gòu)；

步驟302、將細(xì)芯馬赫-曾德結(jié)構(gòu)與基體材料固定，置于可控溫度變化的環(huán)境中；

步驟303、通過(guò)溫度控制器對(duì)溫度進(jìn)行控制，逐漸升高溫度，記錄梳狀譜移動(dòng)的長(zhǎng)度，繪制梳狀譜移動(dòng)長(zhǎng)度與溫度大小的變化曲線；其中梳狀譜移動(dòng)長(zhǎng)度與溫度大小的變化曲線通過(guò)線性擬合或者最小二乘法進(jìn)行擬合，本實(shí)施例中曲線的擬合過(guò)程采用最小二乘擬合，由等式

$\frac{\∂S}{\∂a_0}=\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}(y_i-a_0-a_1{x}_i)=0---\left(8\right)$

$\frac{\∂S}{\∂a_1}=\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}(y_i-a_0-a_1{x}_i)x_i=0---\left(9\right)$

聯(lián)合式(8)和式(9)求解求出a₀和a₁，構(gòu)造出滿足平方逼近條件的逼近函數(shù)。

f(x)＝a₀+a₁x (10)

步驟304、通過(guò)梳狀譜移動(dòng)長(zhǎng)度與溫度大小的變化曲線對(duì)外加溫度進(jìn)行測(cè)量，如圖4所示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中梳狀譜隨溫度大小變化的曲線。

根據(jù)本發(fā)明需要對(duì)相關(guān)光纖進(jìn)行參數(shù)匹配，具體參數(shù)包括但不限于泵浦波長(zhǎng)、波分復(fù)用器、激光器出射波長(zhǎng)以及光纖參數(shù)的匹配。本實(shí)施例中參數(shù)如表1所示：

表1根據(jù)本發(fā)明的種基于細(xì)芯光纖馬赫-曾德干涉儀的光纖參數(shù)

根據(jù)本發(fā)明，摻雜稀土光纖的芯徑由所采用的有源光纖決定，包層芯徑優(yōu)選為125μm，光纖纖芯的芯徑可以選用4μm、8μm或10μm，優(yōu)選為10/125μm。根據(jù)所選定的芯徑選取匹配的FLM、WDM、LD尾纖芯徑。摻鉺光纖所匹配的泵浦波長(zhǎng)可采用980nm或1480nm，摻鐿光纖的泵浦波長(zhǎng)可采用976nm或915nm，鉺鐿共摻光纖的泵浦波長(zhǎng)可采用976nm，根據(jù)波長(zhǎng)和芯徑參數(shù)進(jìn)一步確定FLM、WDM的參數(shù)。最終出射的激光波長(zhǎng)在有源光纖一定增益范圍內(nèi)(如1530-1560nm)由布拉格光纖光柵的反射波長(zhǎng)確定。摻鐿光纖的典型出射波長(zhǎng)為1535nm，摻鉺光纖的典型出射波長(zhǎng)為1064nm，鉺鐿共摻光纖的典型出射波長(zhǎng)為1550nm。

例如，在本實(shí)施例中，若選用芯徑為10/125μm摻鉺光纖作為增益介質(zhì)，LD尾纖、WDM和FLM需選取同樣型號(hào)芯徑。LD輸出波長(zhǎng)976nm，WDM工作波長(zhǎng)976/1550nm，F(xiàn)LM工作波長(zhǎng)1550nm，F(xiàn)BG選取范圍為1530nm-1560nm，可在該范圍內(nèi)獲得激光輸出。實(shí)驗(yàn)中若選用芯徑為10/125μm摻鐿光纖作為增益介質(zhì)，LD尾纖、WDM和FLM需選取同樣型號(hào)芯徑。LD為915nm單模輸出，WDM工作波長(zhǎng)915/1064nm，F(xiàn)LM工作波長(zhǎng)1064nm，F(xiàn)BG選取1064nm附近，可在該范圍內(nèi)獲得激光輸出。

根據(jù)本發(fā)明的一種基于細(xì)芯光纖馬赫-曾德干涉儀的溫度測(cè)量方法測(cè)量準(zhǔn)確高效，易于操作，能夠適合在多種場(chǎng)合應(yīng)用。

結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說(shuō)明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說(shuō)明和實(shí)施例僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權(quán)利要求所限定。