基于光纖光柵激光器的磁場傳感器靈敏度調(diào)諧方法
【專利摘要】本發(fā)明為基于光纖光柵激光器的磁場傳感器靈敏度調(diào)諧方法；激光腔內(nèi)產(chǎn)生的線性雙折射與待測磁場引起的圓雙折射相結(jié)合后形成橢圓雙折射；光纖光柵激光器工作在單縱模雙正交偏振態(tài)，產(chǎn)生兩個激光輸出；兩個激光輸出經(jīng)起偏器后輸入光電探測器中混合并產(chǎn)生拍頻信號；通過檢測所述拍頻信號的頻率變化，推算出所述橢圓雙折射的變化，再計算出待測磁場的磁場強度；通過施加側(cè)向壓力擠壓光纖或者采用激光器側(cè)向照射對光纖進行熱處理等工藝手段，改變光纖光柵激光器激光腔內(nèi)的線性雙折射大小就可以實現(xiàn)對磁場測量靈敏度的調(diào)諧。本發(fā)明具有簡單、適應(yīng)性廣的特點，可暫時或者永久性的改變靈敏度，個性化的滿足不同應(yīng)用的實際需求。
【專利說明】基于光纖光柵激光器的磁場傳感器靈敏度調(diào)諧方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及磁場的光纖光學(xué)測量，具體涉及基于光纖光柵激光器的磁場傳感器靈敏度調(diào)諧方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖光柵是利用摻雜光纖的光敏性制作的，通過特殊的光線照射使光纖折射率發(fā)生永久性改變。光纖光柵能對滿足布拉格反射條件的入射光產(chǎn)生反射，也就相當(dāng)于在光纖內(nèi)部直接寫入一個具有波長選擇性的反射鏡。利用光纖光柵制作的傳感器具有體積小、重量輕、信噪比高等優(yōu)點。然而這種傳感器大多采用波長位移檢測，技術(shù)復(fù)雜且價格昂貴，檢測分辨率和檢測動態(tài)范圍均受到檢測器件的限制。
[0003]在對磁場的光纖光學(xué)測量方面，分為直接測量和間接測量兩類方法。直接測量即是對磁場這一物理量進行直接的、無轉(zhuǎn)換的測量。由于無需經(jīng)過其他物理量的轉(zhuǎn)換，不涉及中間環(huán)節(jié)，因此往往性能更加穩(wěn)定、測量更加可靠、適應(yīng)性更強。在直接測量方法中，普遍采用的是基于磁場的法拉第效應(yīng)的原理。如1999年奧特馬?貝耶爾，托馬斯?博塞爾曼在“借助法拉第效應(yīng)測量磁場的方法和裝置”發(fā)明專利(申請?zhí)朇N99802899.1、
【公開日】2001年4月4日)中提出利用在介質(zhì)中傳輸?shù)木€性偏振光的偏振面在磁場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)的角度與沿著光線經(jīng)過路徑的磁場積分成比例的關(guān)系來測量磁場的方法。間接測量則是先將磁場轉(zhuǎn)化為電、熱、力等其他中間物理量，通過對這些中間物理量的測量來實現(xiàn)對磁場的測量。如2009年詹亞歌，邱夷平在“一種全光纖型磁場強度在線傳感測量儀”中國發(fā)明專利(申請?zhí)朇N200920209227.1、
【公開日】2010年5月19日)中提出利用固化在磁致伸縮材料上的長周期光纖光柵峰值波長隨被測磁場的變化關(guān)系來測量磁場的方法。
[0004]由于光纖的法拉第效應(yīng)很微弱，因此現(xiàn)有技術(shù)中多數(shù)技術(shù)方案均需要數(shù)十甚至上百米的光纖才能實現(xiàn)對磁場的有效測量，這使得這些方案設(shè)計的傳感器較大、不夠靈活，且難以適用于需要點測量的應(yīng)用場合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供基于法拉第效應(yīng)和光纖光柵激光器的磁場傳感器靈敏度調(diào)諧方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中傳感器不夠靈活，難以應(yīng)用于點測量場合的技術(shù)問題。
[0006]本發(fā)明的目的米用下述技術(shù)方案來實現(xiàn):基于光纖光柵激光器的磁場傳感器靈敏度調(diào)諧方法，所述磁場傳感器包括依次連接的光纖光柵激光器、起偏器及光電探測器，所述光纖光柵激光器的激光腔內(nèi)產(chǎn)生的線性雙折射與待測磁場引起的圓雙折射相結(jié)合后形成橢圓雙折射；光纖光柵激光器工作在單縱模雙正交偏振態(tài)，產(chǎn)生兩個同屬于一個縱模的、具有頻率差別的、偏振態(tài)正交的激光輸出；所述兩個激光輸出經(jīng)起偏器后輸入光電探測器，在光電探測器中混合產(chǎn)生一個頻率等于兩個激光器輸出的頻率之差的拍頻信號；通過檢測所述拍頻信號的頻率變化，推算出所述橢圓雙折射的變化，再計算出待測磁場的磁場強度；對所述光纖光柵激光器的激光腔施加壓力或進行激光照射，改變光纖光柵激光器激光腔內(nèi)的線性雙折射大小，調(diào)節(jié)拍頻信號頻率隨待測磁場磁場強度的變化大小。
[0007]在一個優(yōu)選的實施例中，對所述光纖光柵激光器的激光器施加壓力的方式為:
[0008]將所述光纖光柵激光器夾在上下兩塊板材之間，再通過所述板材向光纖光柵激光器施加垂直于光纖光柵激光器的壓力，以改變光纖光柵激光器的外形，從而改變光纖光柵激光器激光腔中的線性雙折射。
[0009]優(yōu)選地，通過在所述光纖光柵激光器上方的玻璃板上放置重物，以向光纖光柵激光器施加垂直于光纖光柵激光器的壓力。
[0010]優(yōu)選地，所述兩塊板材之間，還夾有與所述光纖光柵激光器平行放置的條狀物；所述條狀物的橫截面為圓形，且與所述光纖光柵激光器的橫截面等大。其中，所述條狀物可以為一空閑光纖；所述板材可以為玻璃板。
[0011]在一個優(yōu)選的實施例中，，對所述光纖光柵激光器的激光器進行激光照射的方式為:
[0012]將所述光纖光柵激光器放置在二氧化碳激光器的掃描激光束的聚焦平面處；所述二氧化碳激光器發(fā)射出3kHz重復(fù)頻率的激光脈沖，并通過ZnSe的透鏡被聚焦在所述光纖光柵激光器照射區(qū)域處的一個光斑；通過優(yōu)化掃描速度和功率以及照射的重復(fù)次數(shù)，調(diào)整二氧化碳激光照射弓I起的折射率梯度和雙折射的變化。
[0013]本發(fā)明的原理如下:首先在稀土元素?fù)诫s的光纖上制作具有兩個正交偏振態(tài)輸出且相互間具有一定頻率差別的短腔光纖光柵激光器。然后通過對此光纖光柵激光器的激光腔施加壓力或者激光照射等方式，改變此光纖光柵激光器的激光腔中的線性雙折射大小。再將經(jīng)過上述處理的光纖光柵激光器置于待測量的磁場中。利用磁場的法拉第效應(yīng)在光纖光柵激光器中引入一個圓雙折射，從而使得光纖光柵激光器的兩個正交偏振態(tài)輸出間的頻率差別隨磁場強度發(fā)生變化。最后將光纖光柵激光器的輸出經(jīng)過一個起偏器之后送入光電探測器進行探測，從而將光纖光柵激光器的兩個正交偏振態(tài)輸出間的頻率差別轉(zhuǎn)變?yōu)樯漕l拍頻信號的頻率變化。通過檢測該頻率變化可進而求得磁場強度的大小，實現(xiàn)對磁場的測量。由于上述射頻拍頻信號的頻率隨待測磁場磁場強度的變化大小與光纖光柵激光器的激光腔中的線性雙折射大小有關(guān)，因此上述對光纖光柵激光器激光腔的處理方法實現(xiàn)了對磁場測量靈敏度的調(diào)諧。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下:
[0015]本發(fā)明方法為調(diào)節(jié)光纖光柵激光器激光腔內(nèi)的線性雙折射大小，由于磁場傳感的靈敏度反比于線性雙折射的大小，從而達(dá)到對靈敏度進行調(diào)諧的目的。通過施加側(cè)向壓力擠壓光纖或者采用激光器側(cè)向照射對光纖進行熱處理等工藝手段，改變光纖光柵激光器激光腔內(nèi)的線性雙折射大小就可以實現(xiàn)對磁場測量靈敏度的調(diào)諧。當(dāng)將光纖光柵激光器的激光腔內(nèi)的線性雙折射調(diào)小，可有效的提高對磁場測量的靈敏度；反之則削弱磁場傳感器的靈敏度。本發(fā)明具有簡單、適應(yīng)性廣的特點，可根據(jù)實際應(yīng)用要求暫時或者永久性的改變靈敏度，個性化的滿足不同應(yīng)用的實際需求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是通過施加側(cè)向壓力擠壓光纖以實現(xiàn)本發(fā)明調(diào)諧方法的方案；
[0017]圖2是通過二氧化碳激光器側(cè)面照射光纖進行熱處理以實現(xiàn)本發(fā)明調(diào)諧方法的方案；
[0018]圖3是一個4500G的磁場中磁場變化與無磁場時拍頻頻率關(guān)系的曲線圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0020]本發(fā)明基于光纖光柵激光器的磁場傳感器靈敏度調(diào)諧方法中，所述磁場傳感器包括依次連接的光纖光柵激光器、起偏器及光電探測器；所述光纖光柵激光器的激光腔內(nèi)產(chǎn)生的線性雙折射與待測磁場引起的圓雙折射相結(jié)合后形成橢圓雙折射；光纖光柵激光器工作在單縱模雙正交偏振態(tài)，產(chǎn)生兩個同屬于一個縱模的、具有頻率差別的、偏振態(tài)正交的激光輸出；所述兩個激光輸出經(jīng)起偏器后輸入光電探測器，在光電探測器中混合產(chǎn)生一個頻率等于兩個激光器輸出的頻率之差的拍頻信號；通過檢測所述拍頻信號的頻率變化，推算出所述橢圓雙折射的變化，再計算出待測磁場的磁場強度。
[0021]本發(fā)明對所述光纖光柵激光器的激光腔，通過施加壓力、激光照射等方式，改變光纖光柵激光器激光腔內(nèi)的線性雙折射大小，可以調(diào)節(jié)拍頻信號頻率隨待測磁場磁場強度的變化大小，實現(xiàn)對所述磁場傳感器的磁場測量靈敏度的調(diào)諧。下面將根據(jù)線性雙折射大小的不同改變方式，舉兩個實施例，對本發(fā)明作更為詳細(xì)的描述。
[0022]實施例1
[0023]本實施例如圖1所示，可暫時的改變線性雙折射的大小來調(diào)諧靈敏度。在該方案中，光纖光柵激光器101與一根空閑光纖102 (空閑光纖102具有與光纖光柵激光器同樣外徑)平行放置并共同被夾在兩塊玻璃板103之間。平行放置的空閑光纖102起到支撐作用，并保證玻璃板103施加給光纖光柵激光器的力垂直于光纖光柵激光器。光纖光柵激光器上方的玻璃板上放置一定重量的重物104，通過重力來對光纖光柵激光器施加側(cè)向壓力，以改變光纖光柵激光器的外形，從而改變激光腔中的線性雙折射。通過改變重物的重量，即可調(diào)節(jié)激光腔中的線性雙折射大小。在本實施例中，采用上述線性雙折射調(diào)諧方案，對一個發(fā)射波長為1529.79nm的雙正交偏振雙頻光纖光柵激光器調(diào)諧其線性雙折射。當(dāng)沒有外周磁場時，拍頻頻率在約395MHz。調(diào)諧激光器激光腔內(nèi)線性雙折射以減小無外周磁場時的拍頻頻率。然后沿激光器軸向施加4500G的磁場并檢測磁場的變化大小，測量結(jié)果如圖3所示。根據(jù)反比關(guān)系計算的理論曲線也示于圖3。可以看到在同樣為4500G的磁場中，拍頻頻率變化從395MHz時的約0.25MHz提高到19MHz時的約5MHz，敏感度提高了約20倍。并且，實驗測量結(jié)果與理論計算曲線非常吻合。
[0024]如圖1所示，光纖光柵激光器101為在稀土元素?fù)诫s的光纖上使用常規(guī)技術(shù)手段制作的短腔光纖光柵激光器，由于光纖的非理想圓形等因素引起的線性雙折射，該短腔光纖光柵激光器本身會產(chǎn)生同屬于一個縱模的兩個偏振態(tài)正交的激光輸出，并且這兩個激光輸出的頻率存在一定差別。在短腔光纖光柵激光器周圍沒有磁場時，該頻率差別正比于雙折射的大小。當(dāng)雙頻光纖光柵激光器的輸出激光經(jīng)起偏器后，送入光電探測器進行檢測時，光纖光柵激光器的兩個正交偏振態(tài)輸出間的頻率差別就轉(zhuǎn)變?yōu)樯漕l拍頻信號的頻率變化，拍頻頻率由下式給出:[0025]
【權(quán)利要求】
1.基于光纖光柵激光器的磁場傳感器靈敏度調(diào)諧方法，所述磁場傳感器包括依次連接的光纖光柵激光器、起偏器及光電探測器，其特征在于， 所述光纖光柵激光器的激光腔內(nèi)產(chǎn)生的線性雙折射與待測磁場引起的圓雙折射相結(jié)合后形成橢圓雙折射；光纖光柵激光器工作在單縱模雙正交偏振態(tài)，產(chǎn)生兩個同屬于一個縱模的、具有頻率差別的、偏振態(tài)正交的激光輸出；所述兩個激光輸出經(jīng)起偏器后輸入光電探測器，在光電探測器中混合產(chǎn)生一個頻率等于兩個激光器輸出的頻率之差的拍頻信號；通過檢測所述拍頻信號的頻率變化，推算出所述橢圓雙折射的變化，再計算出待測磁場的磁場強度； 對所述光纖光柵激光器的激光腔施加壓力或進行激光照射，改變光纖光柵激光器激光腔內(nèi)的線性雙折射大小，調(diào)節(jié)拍頻信號頻率隨待測磁場磁場強度的變化大小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靈敏度調(diào)諧方法，其特征在于，對所述光纖光柵激光器的激光器施加壓力的方式為: 將所述光纖光柵激光器夾在上下兩塊板材之間，再通過所述板材向光纖光柵激光器施加垂直于光纖光柵激光器的壓力，以改變光纖光柵激光器的外形，從而改變光纖光柵激光器激光腔中的線性雙折射。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的靈敏度調(diào)諧方法，其特征在于，通過在所述光纖光柵激光器上方的玻璃板上放置重物，以向光纖光柵激光器施加垂直于光纖光柵激光器的壓力。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的靈敏度調(diào)諧方法，其特征在于，所述兩塊板材之間，還夾有與所述光纖光柵激光器平行放置的條狀物；所述條狀物的橫截面為圓形，且與所述光纖光柵激光器的橫截面等大。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的靈敏度調(diào)諧方法，其特征在于，所述條狀物為一空閑光纖。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的靈敏度調(diào)諧方法，其特征在于，所述板材為玻璃板。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靈敏度調(diào)諧方法，其特征在于，對所述光纖光柵激光器的激光器進行激光照射的方式為: 將所述光纖光柵激光器放置在二氧化碳激光器的掃描激光束的聚焦平面處；所述二氧化碳激光器發(fā)射出3kHz重復(fù)頻率的激光脈沖，并通過ZnSe的透鏡被聚焦在所述光纖光柵激光器照射區(qū)域處的一個光斑；通過優(yōu)化掃描速度和功率以及照射的重復(fù)次數(shù)，調(diào)整二氧化碳激光照射弓I起的折射率梯度和雙折射的變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的靈敏度調(diào)諧方法，其特征在于，所述二氧化碳激光照射的區(qū)域為4mm，輸出的功率為5W，掃描的速度為150mm/s。
【文檔編號】G01R33/032GK103616649SQ201310637283
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月2日
【發(fā)明者】程凌浩, 金龍, 關(guān)柏鷗, 韓建磊, 郭貞貞 申請人:暨南大學(xué)