专利名称：长周期光纤光栅传感器及遥测解调系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤遥测技术，尤其涉及一种长周期光纤光栅传感器及其遥测技术。
背景技术：
长周期光纤光栅(LPre)可以将纤芯基模耦合至包层模，它对外界物理量(如折射率、应变、弯曲以及扭曲等)比光纤布拉格光栅(FBG)具有更高的灵敏度。因此，LPre在生化检测与结构健康状况监测领域中具有重要的应用价值。到目前为止，对LPre传感的解调手段主要包括两类，即波长漂移法和边缘滤波法；这两种解调手段在实际应用中存在如下问题采用波长漂移法进行解调时，光谱仪是必需的仪器，这不仅会使测量装置的结构复杂化，测量速度慢，而且增加了测量系统的成本，同时，也限制了 LPre的现场应用。
采用边缘滤波法进行解调时，主要利用了 LPre传输阻带的线性区，其负面效果是使得LPre对外界物理量测量的范围受到限制。
另外，LPFG本身是一种传输型的器件，当利用LPre直接对物理量进行测量时，用于解调的仪器与输入光源分别位于整个系统的两端，不便于后续处理，特别对长距离传感系统而言这个问题更加严重。发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种低成本带通型长周期光纤光栅传感器，其结构为它由普通单模光纤和空芯光纤组成；普通单模光纤的一端与空芯光纤的一端熔接，普通单模光纤的长度大于空芯光纤长度；空芯光纤的内径大于普通单模光纤的模场直径，普通单模光纤上写入有长周期光纤光栅。
空芯光纤的裸露端端面上的实心部分设置有反射膜；反射膜材料可根据器件工作时的温度环境从银Ag、金Au或者Ti2O3中进行选择。
空芯光纤的轴向长度大于0小于3mm。
普通单模光纤的模场直径为10.4μπι，空芯光纤的内径为1广13μπι。
在前述结构的长周期光纤光栅传感器基础上，本发明还提出了一种遥测解调系统，其结构为它由长周期光纤光栅传感器、泵浦源、波分复用器、掺铒光纤、隔离器、三端口环行器、耦合器、解调系统和偏振控制器组成；泵浦源的输出端和偏振控制器的输出端都与波分复用器的输入端光路连接，波分复用器的输出端通过掺铒光纤与隔离器的输入端光路连接；隔离器的输出端与三端口环行器的输入端光路连接，三端口环行器的收发复用端与长周期光纤光栅传感器的普通单模光纤光路连接；三端口环行器的输出端与耦合器的输入端光路连接，耦合器的输出端分别与解调系统和偏振控制器光路连接。
所述解调系统采用最常用的可调谐F-P解调系统进一步解调。
本发明的有益技术效果是本发明的长周期光纤光栅传感器结构，使具备传输型带阻特性的LPre具备带通功能；得益于长周期光纤光栅传感器结构，本发明的遥测解调系统，可使光源与解调系统在同一端，便于后续处理，而且解调系统可采用可调谐F-P解调法进行解调处理，避免了在系统中使用光谱仪，降低了遥测系统的成本。
图1、本发明的长周期光纤光栅传感器结构示意图； 图2、普通LPre传输谱；图3、本发明的长周期光纤光栅传感器传输谱； 图4、本发明的遥测解调系统结构示意图； 图5、本发明的遥测解调系统的输出谱线。
具体实施方式
一种长周期光纤光栅传感器，其结构为它由普通单模光纤1和空芯光纤2组成； 普通单模光纤1的一端与空芯光纤2 (下文简称HCF)的一端熔接，普通单模光纤1的长度大于空芯光纤2长度；空芯光纤2的内径大于普通单模光纤1的模场直径，普通单模光纤1 上全长写入有长周期光纤光栅(下文简称LPR；)。
普通的LPre对光的作用原理是当在传输光纤的纤芯内传输的光通过LPre后， LPre根据相位匹配条件将输入的宽带光源中某一特定波长的能量耦合至光纤的包层模中，于是在LPre的透射谱中会形成一个以λ_为中心波长的阻带(其传输谱如图2所示)；本发明的长周期光纤光栅传感器的工作原理是当在传输光纤的纤芯内传输的光接触到设置有LPre的普通单模光纤1后，符合相位匹配条件的那部分光(该部分光记为A部分) 被LPre耦合至普通单模光纤1的包层中并形成包层模，A部分以包层模的形式继续向前传输，不符合相位匹配条件的那部分光(该部分光记为B部分)继续在纤芯中向前传输，当A部分和B部分传输至LPre和HCF的交界处时，A部分就传输到HCF的包层中并在HCF的包层中激发出包层模(此包层模记为c包层模)，B部分也透射进HCF的空芯中；进入HCF的空芯中的那部分光，要么散射进入包层中最后射入空气中损耗掉，要么继续在HCF的空芯中向前传输并最终消耗掉，总之B部分最终被消耗掉；前述的由A部分在HCF中激发出的c包层模在传输到HCF的端面后，被HCF的端面反射回来并重新透射进普通单模光纤1中，重新透射进普通单模光纤1中的光由于是符合相位匹配条件的，于是这部分光又被LPre重新耦合回纤芯中形成通带输出(I。ut)(其传输谱如图3所示)；故本发明的长周期光纤光栅传感器又可称为反射式LPre (Re-LPFG)0
当外界被测物理量(比如温度、应变、弯曲、折射率等)发生变化时，LPFG包层模的有效折射率和光栅周期也随之发生变化，最终导致LPre谐振波长的漂移，Re-LPre通带的中心波长也随之漂移，因此，激光器的输出波长也会发生漂移，从而实现测量的目的。
为了提高HCF的端面对光的反射效率，本发明还作了如下改进空芯光纤2的裸露端端面上的实心部分设置有反射膜2-1 ；反射膜2-1材料根据工作的温度环境可选择银Ag、 金Au或者Ti203。
空芯光纤2的轴向长度可在大于0小于3mm的范围内调整；空芯光纤2的长度越短，器件的能量损耗就越�。导什僮髦校招竟庀�2越短切割时的精度要求就越高，当空芯光纤2的轴向长度在3mm左右时，既可以保证器件的能量损耗在合理范围内，又可以使普通的切割设备就能满足加工要求；如果要使空芯光纤2的轴向长度更短甚至达到Imm以下，则必然需要高精度的切割设备，这就提高了器件的加工成本。
发明人提出的一种优选参数选择为普通单模光纤1的模场直径为10. 4 μ m，空芯光纤2的内径为1广13μπι。
在前述的长周期光纤光栅传感器的结构基础上，本发明还提出了一种采用前述的长周期光纤光栅传感器的遥测解调系统，其结构为它由长周期光纤光栅传感器、泵浦源 3、波分复用器4、掺铒光纤5、隔离器6、三端口环行器7、耦合器8、解调系统9和偏振控制器 10组成；上述多个器件的具体连接结构为泵浦源3的输出端和偏振控制器10的输出端都与波分复用器4的输入端光路连接，波分复用器4的输出端通过掺铒光纤5与隔离器6的输入端光路连接；隔离器6的输出端与三端口环行器7的输入端光路连接，三端口环行器7的收发复用端与长周期光纤光栅传感器的普通单模光纤1光路连接(采用传输光纤连接，传输光纤的长度可延长至几十千米)；三端口环行器7的输出端与耦合器8的输入端光路连接， 耦合器8的输出端分别与解调系统9和偏振控制器10光路连接。
遥测解调系统的工作原理是泵浦源3的输出经过980/1550nm波分复用器4的一端(980nm)耦合进入掺铒光纤5，掺铒光纤5经过泵浦源3泵浦后形成粒子数反转，并出现放大的自发辐射(ASE)。ASE相当于输入的宽带光源，经过隔离器6进入三端口环行器7的 1 口，隔离器6可以保证光在环形腔中单向传输，形成行波�。佣苊饬丝占渖湛仔в�。然后，光从三端口环行器7的1 口进入2 口，经过Re-LPre的滤波后得到带通信号，通带的中心波长即为长周期光纤光栅的谐振波长。带通信号经三端口环行器7的2 口进入3 口后经过一个99 1的耦合器8，耦合器8的99%输出端提供反�。�1%输出端提供激光输出至解调系统9。带通信号再经波分复用器4的另一端(1550nm)进入环形腔，完成一次循环。每次循环过程光波的能量均得到放大，而通带的中心波长率先形成激光输出。在整个过程中，可以通过调节偏振控制器10控制光的偏振态，从而达到抑制边模、优化激光性能的目的。当外界被测物理量引起长周期光纤光栅的周期或者包层模的有效折射率变化时，传感器的通带中心波长发生漂移，从而导致激光器的波长随之漂移。
从遥测解调系统的结构可以看出，光源和解调系统9均处于长周期光纤光栅传感器的同一端，而现有技术中，由于LPre具有带阻特性，光源和解调系统9必须处于LPre的两端，这给后期处理带了相当大的不便，而本发明正好解决了这一问题。
解调系统9可采用光谱仪，由其所得到的输出谱线参见图5，从图5中可以看出，本发明的输出谱线类似于FBG的反射谱线，因此在解调时，完全可以利用目前广泛采用的可调谐F-P解调法，即解调系统9采用可调谐F-P解调系统时，可避免使用光谱仪，明显降低测量系统的成本，同时提高了系统的灵活性。
权利要求
1.一种长周期光纤光栅传感器，其特征在于它由普通单模光纤(1)和空芯光纤(2)组成；普通单模光纤(1)的一端与空芯光纤(2)的一端熔接，普通单模光纤(1)的长度大于空芯光纤(2 )长度；空芯光纤(2 )的内径大于普通单模光纤(1)的模场直径，普通单模光纤(1) 上写入有长周期光纤光栅。
2.根据权利要求1所述的长周期光纤光栅传感器，其特征在于空芯光纤(2)的裸露端端面上的实心部分设置有反射膜(2-1)；反射膜(2-1)的材料采用银Ag、金Au或者Ti203。
3.根据权利要求1所述的长周期光纤光栅传感器，其特征在于空芯光纤(2)的轴向长度大于0小于3mm。
4.根据权利要求1所述的长周期光纤光栅传感器，其特征在于普通单模光纤(1)的模场直径为10. 4 μ m，空芯光纤(2)的内径为1广13μπι。
5.一种采用如权利要求1所述的长周期光纤光栅传感器的遥测解调系统，其特征在于它由长周期光纤光栅传感器、泵浦源(3)、波分复用器(4)、掺铒光纤(5)、隔离器(6)、三端口环行器(7)、耦合器(8)、解调系统(9)和偏振控制器(10)组成；泵浦源(3)的输出端和偏振控制器(10)的输出端都与波分复用器(4)的输入端光路连接，波分复用器(4)的输出端通过掺铒光纤(5)与隔离器(6)的输入端光路连接；隔离器 (6)的输出端与三端口环行器(7)的输入端光路连接，三端口环行器(7)的收发复用端与长周期光纤光栅传感器的普通单模光纤(1)光路连接；三端口环行器(7)的输出端与耦合器 (8)的输入端光路连接，耦合器(8)的输出端分别与解调系统(9)和偏振控制器(10)光路连接。
6.根据权利要求5所述的遥测解调系统，其特征在于所述解调系统(9)采用可调谐 F-P解调系统。
全文摘要
本发明公开了一种长周期光纤光栅传感器，其结构为它由普通单模光纤和空芯光纤组成；普通单模光纤的一端与空芯光纤的一端熔接，普通单模光纤的长度大于空芯光纤长度；空芯光纤的内径大于普通单模光纤的模场直径，普通单模光纤上写入有长周期光纤光栅。本发明还公开了基于前述传感器的遥测解调系统；本发明的有益技术效果是本发明的长周期光纤光栅传感器结构，使具备传输型带阻特性的LPFG具备带通功能；得益于长周期光纤光栅传感器结构，本发明的遥测解调系统，可使光源与解调系统在同一端，便于后续处理，而且解调系统可采用可调谐F-P解调法进行解调处理，避免了在系统中使用光谱仪，降低了遥测系统的成本。
文档编号G01D3/036GK102494702SQ201110398138
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月5日 优先权日2011年12月5日
发明者史磊磊, 朱涛 申请人:重庆大学
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