本申請要求2015年10月13日提交的，申請?zhí)朇N201510670818.9的中國發(fā)明專利申請的優(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芯光纖馬赫-曾德干涉儀的磁場測量方法。

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、對測試量敏感、傳輸信道多等優(yōu)勢廣泛地應(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)成雙級結(jié)構(gòu)的馬赫-曾德干涉儀，條紋襯幅比約為30dBm。

按照物理學(xué)定義，磁場是電流、運動電荷、磁體或變化電場周圍空間里存在著的一種特殊形態(tài)的物質(zhì)。磁場測量就是用實驗手段感知這些物質(zhì)的存在并確定其各參量值。它不僅在磁性測量中是必不可少的，在其他領(lǐng)域中也有廣泛應(yīng)用。由于被測磁場的性質(zhì)和強度差別很大，測量方法也各式各樣。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，特別是固體物理領(lǐng)域中的新效應(yīng)、新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，使磁場測量方法，測量的靈敏度、準確度均有很大的進步。隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，磁場測量在實現(xiàn)自動化、數(shù)字化方面也發(fā)生了很大的變化。通常使用的磁場測量方法可分為:利用產(chǎn)生磁場的電流與磁場的嚴格關(guān)系，通過測量電流來確定磁場(簡稱電流法)；利用法拉第電磁感應(yīng)定律測量磁場(簡稱電磁感應(yīng)法)；借助于一些物質(zhì)的磁效應(yīng)(如霍耳效應(yīng))測量磁場。常用的磁場測量儀器有電磁感應(yīng)測場儀、霍耳效應(yīng)測場儀、磁阻效應(yīng)測場儀、磁共振測場儀和磁光效應(yīng)測場儀。

細芯光纖馬赫-曾德光纖傳感器結(jié)構(gòu)簡單且易于實現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)由一段細芯光纖熔接在兩段芯徑相對較粗的摻雜稀土光纖光纖中，能夠有效準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芯光纖馬赫-曾德干涉儀對磁場強度進行精確、高效的測量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明提供了一種基于細芯光纖馬赫-曾德干涉儀的磁場測量方法，所述測量方法包括以下步驟：

b)搭建所述細芯光纖馬赫-曾德干涉儀，所述細芯光纖馬赫-曾德干涉儀通過光柵光纖依次連接泵浦源、一支波分復(fù)用器以及細芯光纖馬赫-曾德結(jié)構(gòu)；所述細芯光纖馬赫-曾德結(jié)構(gòu)包括一段細芯光纖、第一摻雜稀土光纖和第二摻雜稀土光纖，所述細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)將所述細芯光纖馬赫-曾德結(jié)構(gòu)與磁致伸縮材料固定；

c)逐漸改變磁場強度，記錄梳狀譜移動的長度，繪制梳狀譜移動長度與磁場強度的變化曲線；

d)通過所述梳狀譜移動長度與磁場強度的變化曲線對外加磁場進行測量。

優(yōu)選地，所述的泵浦源通過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芯光纖、第一摻雜稀土光纖和第二摻雜稀土光纖與磁致伸縮材料組合為一體，置于磁場變化的環(huán)境進行磁場標定，所述標定過程采用磁場的連續(xù)增強或連續(xù)減弱中的一種。

優(yōu)選地，所述梳狀譜移動長度與磁場強度的變化曲線通過線性擬合或者最小二乘法進行擬合。

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芯光纖馬赫-曾德干涉儀的磁場測量方法測量準確高效，易于操作，能夠適合在多種場合應(yīng)用。

應(yīng)當理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應(yīng)當用作對本發(fā)明所要求保護內(nèi)容的限制。

附圖說明

參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點將通過本發(fā)明實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)明細芯光纖馬赫-曾德干涉儀的磁場測量結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示出了本發(fā)明細芯光纖與光柵光纖的熔接示意圖；

圖3示出了本發(fā)明基于細芯光纖馬赫-曾德干涉儀的磁場測量方法的流程圖；

圖4示出了本發(fā)明一個實施例中梳狀譜隨磁場強度變化的曲線。

具體實施方式

通過參考示范性實施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實現(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施例；可以通過不同形式來對其加以實現(xiàn)。說明書的實質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細節(jié)。

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

本實施例中詳細說明一種基于細芯光纖馬赫-曾德干涉儀的磁場測量方法，如圖1所示本發(fā)明細芯光纖馬赫-曾德干涉儀的磁場測量結(jié)構(gòu)示意圖，所述細芯光纖馬赫-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以及細芯光纖馬赫-曾德結(jié)構(gòu)，所述細芯光纖馬赫-曾德結(jié)構(gòu)包括一段細芯光纖104、第一稀土摻雜光纖103和第二稀土光纖105，所述細芯光纖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入第一摻雜稀土光纖103。

細芯光纖馬赫-曾德結(jié)構(gòu)與磁致伸縮材料107固定組合為一體，置于磁場變化的環(huán)境106中，在一些實施例中可以是對磁場的連續(xù)增強，在另一些實施例中可以是對磁場的連續(xù)減弱。本實施例中通過磁場控制器108對磁場變化的環(huán)境106進行控制，使磁場連續(xù)增強。

本實施例細芯光纖104、第一摻雜稀土光纖103和第二摻雜稀土光纖105通過光柵光纖串接在一起，如圖2所示本發(fā)明細芯光纖與光柵光纖的熔接示意圖，與細芯光纖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)當說明的是，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)大于細芯光纖104(202)的纖芯直徑尺寸。

下面針對本發(fā)明一個實施例中基于細芯光纖馬赫-曾德干涉儀的磁場測量方法過程中的光路以及梳狀譜長度的變化給出具體說明：

總光強I為

其中I₁、I₂和分別為細芯光纖中纖芯和包層的光強和相移差，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度。由于干涉臂長度相等，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處，其中m為整數(shù)

2πLΔn/λ＝2mπ (4)

經(jīng)過簡化，公式4表示為

m＝LΔn/λ (5)

對公式5中λ進行求導(dǎo)可得

Δm/Δλ＝-LΔn/λ² (6)

取Δm＝1，得到在波長λ處傳輸譜中相鄰峰值的波長間隔為

|Δλ|＝λ²/LΔn (7)

由公式7可知，本發(fā)明細芯光纖馬赫-曾德梳干涉儀的梳狀譜中，相鄰峰值的波長間隔與中心波長、細芯光纖長度和纖芯與包層的折射率差有關(guān)。當中心波長一定時，相鄰峰值的波長間隔是細芯光纖長度和纖芯與包層間折射率差的函數(shù)。

應(yīng)用該梳狀譜進行傳感測試，當干涉儀受到磁場影響導(dǎo)致磁伸縮材料變形，從而引起兩臂光程差發(fā)生改變時，干涉梳狀譜發(fā)生變化，干涉條紋產(chǎn)生移動。

為了更加清楚的說明本發(fā)明基于細芯光纖馬赫-曾德干涉儀的磁場測量方法，本實施例結(jié)合具體磁場測量方法的流程進行說明，如圖3所示本發(fā)明基于細芯光纖馬赫-曾德干涉儀的磁場測量方法的流程圖；基于細芯光纖馬赫-曾德干涉儀的磁場測量方法包括如下步驟：

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

步驟302、將細芯馬赫-曾德結(jié)構(gòu)與磁致伸縮材料固定；

步驟303、通過磁場控制器對磁場進行控制，逐漸改變磁場強度，記錄梳狀譜移動的長度，繪制梳狀譜移動長度與磁場強度的變化曲線；其中梳狀譜移動長度與磁場強度的變化曲線通過線性擬合或者最小二乘法進行擬合，本實施例中曲線的擬合過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、通過梳狀譜移動長度與磁場強度的變化曲線對外加磁場進行測量，如圖4所示本發(fā)明一個實施例中梳狀譜隨磁場強度變化的曲線。

根據(jù)本發(fā)明需要對相關(guān)光纖進行參數(shù)匹配，具體參數(shù)包括但不限于泵浦波長、波分復(fù)用器、激光器出射波長以及光纖參數(shù)的匹配。本實施例中參數(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可采用980nm或1480nm，摻鐿光纖的泵浦波長可采用976nm或915nm，鉺鐿共摻光纖的泵浦波長可采用976nm，根據(jù)波長和芯徑參數(shù)進一步確定FLM、WDM的參數(shù)。最終出射的激光波長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確定。摻鐿光纖的典型出射波長為1535nm，摻鉺光纖的典型出射波長為1064nm，鉺鐿共摻光纖的典型出射波長為1550nm。

例如，在本實施例中，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需選取同樣型號芯徑。LD輸出波長976nm，WDM工作波長976/1550nm，F(xiàn)LM工作波長1550nm，F(xiàn)BG選取范圍為1530nm-1560nm，可在該范圍內(nèi)獲得激光輸出。實驗中若選用芯徑為10/125μm摻鐿光纖作為增益介質(zhì)，LD尾纖、WDM和FLM需選取同樣型號芯徑。LD為915nm單模輸出，WDM工作波長915/1064nm，F(xiàn)LM工作波長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)明的一種基于細芯光纖馬赫-曾德干涉儀的磁場測量方法測量準確高效，易于操作，能夠適合在多種場合應(yīng)用。

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