多維應(yīng)力光子晶體光纖測試裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及光子晶體光纖傳感領(lǐng)域，為實現(xiàn)能夠在室溫條件下多維應(yīng)力傳感，結(jié)構(gòu)簡化，減小體積，提高靈敏度，本實用新型采取的技術(shù)方案是，多維應(yīng)力光子晶體光纖測試裝置，包括：依次相連的激光泵浦源、泵浦耦合系統(tǒng)、雙色鏡、激光增益介質(zhì)、光子晶體光纖端面作為輸出鏡；激光增益介質(zhì)為雙包層摻鐿多芯光子晶體光纖，雙包層摻鐿多芯光子晶體光纖的中部一段兩端由高精度調(diào)整架固定形成應(yīng)力傳感部分；多芯光子晶體光纖的一個端面作為輸出鏡，依靠4％的菲涅爾反射，與雙色鏡構(gòu)成激光諧振腔；增益光子晶體光纖的輸出依次通過顯微物鏡、光衰減片、CMOS探頭輸出到計算機處理系統(tǒng)。本實用新型主要應(yīng)用于多維應(yīng)力測量。
【專利說明】多維應(yīng)力光子晶體光纖測試裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及光子晶體光纖傳感領(lǐng)域，具體講，涉及多維應(yīng)力光子晶體光纖測試裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的進步，人們對傳感器的要求越來越高，光纖傳感器以其本身優(yōu)點在科研和工業(yè)應(yīng)用中一直占有重要的地位。與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖應(yīng)力傳感器以其造價低廉、重量輕、不受電磁輻射等影響等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用，在國家安全、重大工程、生物醫(yī)藥等多個領(lǐng)域具有重大的社會需求和應(yīng)用前景。由于大多數(shù)光纖只用石英材料，通過特殊的微結(jié)構(gòu)實現(xiàn)導(dǎo)光，當給光纖施加應(yīng)力時，會改變光纖的微結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致諧振波長的變化，因此可以用來實現(xiàn)應(yīng)力傳感。
[0003]光纖受到應(yīng)力將引起彎曲傳感損耗，光纖中傳輸?shù)墓鈴娨蚬饫w彎曲損耗受到調(diào)制。光纖應(yīng)力傳感的主要機理是模式耦合，即纖芯中傳輸?shù)膶?dǎo)模耦合到輻射模中隨之輻射到光纖之外。目前光纖應(yīng)力傳感的成熟度和應(yīng)用情況相對不足，大部分的研究也是基于光纖光柵。該研究將兩個光纖光柵分別貼在待檢測機構(gòu)的兩個面上，當機構(gòu)發(fā)生彎曲變形時，通過檢測兩個光纖光柵特征波長變化量來實現(xiàn)應(yīng)力傳感。這種方法的缺點是在貼附光纖光柵時兩者的位置要精確對應(yīng)，而且還要考慮環(huán)境溫度對傳感的影響。為了克服光纖光柵的不足，又提出了基于光子晶體光纖的應(yīng)力傳感方法，如基于拉錐光子晶體光纖的馬赫-澤德干涉儀。將拉錐光子晶體光纖兩端的空氣孔塌陷，然后分別熔接標準單模光纖，以此來構(gòu)成應(yīng)力傳感器。然而，由于光纖不同彎曲方向的諧振波長彎曲靈敏度幾乎相同，因此上述的光纖應(yīng)力傳感器只能檢測到一維應(yīng)力，而不能夠進行多維應(yīng)力。在許多實際的工程測量應(yīng)用中，往往需要進行多維應(yīng)力的測量。目前，已報道的多維應(yīng)力傳感使用紫外光在氫載光纖中寫入的具有一定的應(yīng)力相關(guān)性的兩個長周期光纖光柵相互配合在一定程度上可以解決工程測量中的多維應(yīng)力傳感問題。但是這種方法需要使用多個傳感器組合測量，長周期光纖光柵受溫度影響較大，檢測精度不高，依據(jù)能量損耗實現(xiàn)應(yīng)力測量存在較大誤差。
[0004]近年來，多芯光子晶體光纖的概念被提出。多芯光子晶體光纖各個纖芯之間的光場相互耦合可以形成所謂“超?！?，其中的同相超模具有類高斯型的遠場強度分布，有效模場分布面積較大。多芯光子晶體光纖激光器，就是米用有源多芯光子晶體光纖作為激光增益介質(zhì)的激光器。有源多維應(yīng)力光子晶體光纖傳感裝置不僅具有常規(guī)光子晶體光纖傳感裝置的眾多優(yōu)良特性，并且由于有源傳感裝置將光源與傳感器及其傳輸介質(zhì)集合到一起，進一步增強了結(jié)構(gòu)的緊湊性，并有很高的穩(wěn)定性和靈敏度，可以實現(xiàn)多維應(yīng)力傳感。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實用新型的目的在于提供一種基于光子晶體光纖激光器的新型多維應(yīng)力傳感裝置。將雙包層摻鐿多芯光子晶體光纖作為激光增益物質(zhì)的同時，還可以將其作為多維應(yīng)力傳感器，以此來實現(xiàn)多維應(yīng)力傳感。采用該傳感器裝置，可以對空間多維應(yīng)力進行檢測，能夠檢測到從空間多方向施加的應(yīng)力。同時，相比較于以往的應(yīng)力傳感器，能夠簡化傳感器裝置，減小裝置的體積，提高應(yīng)力測量的靈敏度。并且省去了傳統(tǒng)光纖應(yīng)力傳感器使用的昂貴的光譜分析儀和寬帶光源，節(jié)約了成本。由于硅基光子晶體光纖的超低溫度靈敏性，該多維應(yīng)力傳感器能夠在室溫條件下穩(wěn)定運行。為此，本實用新型采取的技術(shù)方案是，多維應(yīng)力光子晶體光纖測試裝置，包括:依次相連的激光泵浦源、泵浦耦合系統(tǒng)、雙色鏡、激光增益介質(zhì)、光子晶體光纖端面作為輸出鏡；激光增益介質(zhì)為雙包層摻鐿多芯光子晶體光纖，雙包層摻鐿多芯光子晶體光纖的中部一段兩端由高精度調(diào)整架固定形成應(yīng)力傳感部分；多芯光子晶體光纖的一個端面作為輸出鏡，依靠4%的菲涅爾反射，與雙色鏡構(gòu)成激光諧振腔；增益光子晶體光纖的輸出依次通過顯微物鏡、光衰減片、CMOS探頭輸出到計算機處理系統(tǒng)。
[0006]半導(dǎo)體激光器作為激光泵浦源，通過尾纖和耦合器連接，對有源多心光子晶體光纖進行泵浦，其固定輸出波長為978nm，由尾纖輸出。尾纖通過快速接頭PMA與耦合器相接。
[0007]光纖輸出聚焦鏡作為泵浦耦合系統(tǒng)，倍率為1:0.5，978nm波長泵浦光透過率>95%，工作距離為30mm，數(shù)值孔徑為0.22。
[0008]雙包層摻鐿多芯光子晶體光纖作為產(chǎn)生激光的增益介質(zhì)，得到1036nm附近的激光輸出；泵浦端面鏡采用雙色鏡緊貼有源光子晶體光纖的端面，它在978nm波長高透，1036nm高反；多芯光子晶體光纖的另一個端面作為激光出射鏡。
[0009]雙色鏡，978nm波長高透，1036nm波長高反。
[0010]與已有技術(shù)相比，本實用新型的技術(shù)特點與效果:
[0011]本實用新型的優(yōu)點在于，基于光子晶體光纖激光器，首次將摻鐿多芯光子晶體增益介質(zhì)光纖本身作為多維應(yīng)力傳感器，利用激光器設(shè)計原理，多芯光子晶體光纖在作為激光增益介質(zhì)的同時，還用于應(yīng)力傳感。相對于目前報道的外腔應(yīng)力傳感器，有源內(nèi)腔傳感可以實現(xiàn)多維應(yīng)力傳感，能夠提高傳感靈敏度，并且可以有效的減小整套裝置的體積，省去了昂貴的光譜分析儀和寬帶光源，節(jié)約成本。同時，采用雙色鏡和光纖端面構(gòu)成諧振腔，可以避免將光子晶體光纖和單模光纖進行熔接所造成的損耗。采用CMOS的近場檢測裝置，可以避免使用專門的解調(diào)裝置。由于硅基摻鐿光子晶體光纖的超低溫度靈敏性，該傳感裝置幾乎不受溫度影響。該傳感裝置更加緊湊，易于實現(xiàn)小型化、全固化，并能夠?qū)崿F(xiàn)在多種溫度條件下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，最終可實現(xiàn)多維應(yīng)力傳感。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本實用新型使用的端面腔鏡結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖激光器。
[0013]圖2為本實用新型的光纖近場檢測裝置。
[0014]圖3為多維應(yīng)力傳感器工作示意圖。
[0015]附圖中，各標號所代表的部件例表如下:
[0016]1-激光泵浦源(帶尾纖輸出的半導(dǎo)體激光器，固定輸出波長為978nm，電流控制輸出功率，輸出功率最大值為100W) ;2_泵浦耦合系統(tǒng)(用光纖輸出聚焦鏡作為耦合器，聚焦鏡倍率為1: 0.5，978nm波長泵浦光透過率>95 %，工作距離為30mm，數(shù)值孔徑為0.22，PMA905接口)；3_雙色鏡，978nm波長高透，1036nm波長高反；4_激光增益介質(zhì)(雙包層摻鐿多芯光子晶體光纖，空氣圓孔的直徑為5 μ m,基底材料純娃,摻鐿纖芯直徑為7 μ m);5-應(yīng)力傳感部分；6_高精度調(diào)整架；7_輸出鏡(多芯光子晶體光纖的一個端面作為輸出鏡，依靠4%的菲涅爾反射，與3構(gòu)成激光諧振腔)；8_顯微物鏡；9_光衰減片；1-CMOS探頭；11-計算機處理系統(tǒng)。

【具體實施方式】
[0017]本實用新型中，首次實現(xiàn)有源內(nèi)腔應(yīng)力傳感，雙包層摻鐿多芯光子晶體光纖在作為激光介質(zhì)的同時還可作為應(yīng)力傳感器，當外界對多芯光子晶體光纖施加應(yīng)力，能夠影響激光器的輸出同相位超模分布，通過檢測同相位超模的分布變化，能夠?qū)崿F(xiàn)施加應(yīng)力方向的檢測；根據(jù)光纖輸出有效模場的變化，能夠計算出應(yīng)力大小。通過檢測有效模場和同相位超模分布，可以實現(xiàn)多維應(yīng)力傳感。有源內(nèi)腔傳感比腔外傳感具有更高的靈敏度，并且可以有效的減小裝置體積。
[0018]本實用新型公開了一種基于光子晶體光纖激光器的新型多維應(yīng)力傳感裝置，其技術(shù)方案如下:
[0019]主要包括半導(dǎo)體激光泵浦源、稱合系統(tǒng)、腔鏡、雙包層摻鐿多芯光子晶體光纖、光衰減片和圖像傳感器。
[0020]本傳感裝置結(jié)構(gòu)簡單。泵浦光源978nm激光出射經(jīng)光纖輸出聚焦鏡整形后作為泵浦光，由空間耦合進入雙包層摻Y(jié)b3+多芯光子晶體光纖泵浦長生1036nm激光，而光子晶體光纖端面和1036nm反射鏡構(gòu)成了激光諧振腔。產(chǎn)生的1036nm激光經(jīng)光子晶體端面輸出，由圖像傳感系統(tǒng)采集有效模場面積和同相位超模分布，并將其量化后進行運算處理。當對摻Y(jié)b3+多芯光子晶體光纖施加應(yīng)力會使得激光輸出的有效模場面積和同相位超模分布發(fā)生明顯變化，實現(xiàn)多維應(yīng)力傳感。
[0021]半導(dǎo)體激光器作為激光泵浦源，通過尾纖和耦合器連接，對有源多心光子晶體光纖進行泵浦。其固定輸出波長為978nm，由尾纖輸出。尾纖通過快速接頭PMA與耦合器相接。
[0022]光纖輸出聚焦鏡作為耦合器，倍率為1:0.5，978nm波長泵浦光透過率>95%，工作距離為30mm，數(shù)值孔徑為0.22。光子晶體光纖激光器對泵浦耦合效率要求較高，使用光纖輸出聚焦鏡對尾纖輸出的泵浦光進行聚焦、擴束，然后將泵浦光耦合入光纖，可以實現(xiàn)高效耦合。經(jīng)過光纖輸出聚焦鏡整形后的光束空間耦合進入增益介質(zhì)。
[0023]雙包層摻鐿多芯光子晶體光纖作為產(chǎn)生激光的增益介質(zhì)，在產(chǎn)生激光的同時，能夠形成穩(wěn)定的同相位超模。同相位超模是各個纖芯相位一致的超模。在應(yīng)力傳感中，將部分光纖固定在調(diào)整架上作為傳感器。當對傳感器(多芯光子晶體光纖)施加應(yīng)力時，會使得纖芯材料的折射率發(fā)生變化，從而會影響多芯光子晶體光纖的輸出模式。根據(jù)有效模場面積和輸出同相位超模分布的變化，可以實現(xiàn)多維應(yīng)力傳感。用978nm的激光泵浦該光子晶體光纖，得到1036nm附近的激光輸出。泵浦端面鏡采用雙色鏡緊貼有源光子晶體光纖的端面，它在978nm波長高透，1036nm高反；多芯光子晶體光纖的另一個端面作為激光出射鏡。
[0024]基于COMS的近場檢測裝置，主要由顯微物鏡、光衰減片和CMOS圖像傳感器三部分構(gòu)成，可以對光子晶體光纖輸出有效模場面積和同相位超模分布進行采集。顯微物鏡可以獲得微米量級光子晶體光纖端面的輸出，光衰減片對光強進行衰減，CMOS圖像傳感器可以將采集的超模信息量化，上傳到計算機處理系統(tǒng)。
[0025]使用VC++程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進行分析，處理系統(tǒng)與CMOS圖像傳感器連接，通過米集、處理光子晶體光纖激光器輸出的同相位超模分布的變化和有效模場面積的變化，可以實現(xiàn)多維應(yīng)力傳感。
[0026]本實用新型的原理:利用多芯光子晶體光纖的空氣孔和纖芯交錯排列的特殊結(jié)構(gòu)，對多芯光子晶體光纖施加應(yīng)力，與受力方向同側(cè)的材料受到壓縮，另一側(cè)的材料受到延展，這將導(dǎo)致一側(cè)光纖材料的折射率降低，另一側(cè)光纖材料的折射率增加，從而影響多芯光子晶體光纖激光器的有效模場面積以及同相位超模的分布。有效模場面積的變化呈近似線性光系，根據(jù)光子晶體光纖受力大小與有限模場面積的線性關(guān)系反演對應(yīng)有限模場面積的應(yīng)力大小。同時，可以通過觀察光子晶體光纖輸出同相位超模分布的變化得到施加應(yīng)力的方向。這樣，通過檢測有效模場面積和同相位超模分布，就可以實現(xiàn)應(yīng)力傳感。由于多芯光子晶體光纖具有多個纖芯，當受到不同方向的應(yīng)力時，每個纖芯的輸出模式有所不同，最終合成同相位超模的的分布會有所不同，從而能夠?qū)崿F(xiàn)多維應(yīng)力傳感。
[0027]下面結(jié)合附圖和實施例進一步詳細說明本實用新型。
[0028]圖1所示為光子晶體光纖激光器以及腔內(nèi)應(yīng)力傳感裝置示意圖。半導(dǎo)體泵浦源I由電流控制輸出，溫度控制在25°C時，輸出波長為978nm的泵浦光。泵浦耦合是光纖激光器的重要一環(huán)，它是使泵浦光能夠被高效率的注入增益光子晶體光纖的保證。為了簡單起見，在本實用新型中采用了光纖輸出聚焦鏡2作為耦合器，泵浦源I的尾纖輸出通過PMA接口和光纖輸出聚焦鏡2相連，微調(diào)聚焦鏡，可以使得978nm激光透過最大，然后再將其耦合進入雙包層多芯摻鐿光子晶體光纖4的內(nèi)包層區(qū)域,在雙色鏡3和光子晶體光纖端面7構(gòu)成的諧振腔內(nèi)振蕩，產(chǎn)生波長在1036nm附近的激光，通過端面7輸出。雙色鏡3對于978nm的光高透，對于1036nm的光高反。微調(diào)雙色鏡3,可以優(yōu)化輸出有效模場面積和同相位超模分布。將光纖的一段5作為多維應(yīng)力傳感器，并將其固定在高精度調(diào)整架6上。
[0029]圖2為應(yīng)力傳感器近場檢測裝置。該近場檢測裝置由顯微物鏡8，光衰減片9，CMOS探頭10和計算機處理系統(tǒng)11構(gòu)成。本實用新型需要觀察光子晶體光纖激光器的輸出有效模場面積和同相位超模分布。由于被觀察的雙包層摻鐿多芯光子晶體光纖最小的空氣孔直徑為5 μ m，因此采用分辨能力為I μ m的16倍顯微物鏡就可以滿足要求；而CMOS圖像傳感器具有較寬的光譜響應(yīng)范圍可以滿足本實用新型的要求，根據(jù)顯微物鏡和CMOS芯片的尺寸就能夠確定光纖端面和CMOS間的物象距離；衰減片置于CMOS芯片之前，用于保護芯片過載。在進行測量時，先利用CMOS圖像傳感器采集多芯光子晶體光纖在未受應(yīng)力時的輸出有效模場面積和同相位超模分布，將他們進行量化，將量化后的數(shù)值信息上傳到計算機處理系統(tǒng)，作為參考數(shù)據(jù)保存下來。顯微物鏡置于增益介質(zhì)光纖端面7后，如圖2所示。將光子晶體光纖的末端切割為平整的端面，則在光子晶體光纖末端就會存在反射率為4%的菲涅爾發(fā)射。在激光諧振腔中，雙色鏡與另一端的光子晶體光纖端面7組成了諧振腔，泵浦光在雙色鏡3和光纖端面7之間的增益光纖4內(nèi)產(chǎn)生振蕩,形成的激光從端面7出射。
[0030]按照圖3所示的方向，對多芯光子晶體光纖施加應(yīng)力，會改變激光器的輸出模場面積和同相位超模分布，通過CMOS圖像傳感器采集受到應(yīng)力后的模場面積和同相位超模分布并進行量化，將量化后的數(shù)據(jù)上傳到計算進處理系統(tǒng)。計算機處理系統(tǒng)將獲得的數(shù)據(jù)信息和參考數(shù)據(jù)信息做差，根據(jù)差值可以反饋得出光子晶體光纖受到的應(yīng)力。處理系統(tǒng)由VC++編寫的程序控制。
[0031]本實用新型中，部分光子晶體光纖5被固定在兩個高精度調(diào)整架作為多維應(yīng)力傳感器，當沿某一方向?qū)庾泳w光纖施加應(yīng)力，光子晶體光纖的輸出有效模場面積和同相位超模分布將會發(fā)生變化，通過近場檢測系統(tǒng)，就可以實現(xiàn)多維應(yīng)力傳感。
【權(quán)利要求】
1.一種多維應(yīng)力光子晶體光纖測試裝置，其特征是，包括:依次相連的激光泵浦源、泵浦耦合系統(tǒng)、雙色鏡、激光增益介質(zhì)、光子晶體光纖端面作為輸出鏡；激光增益介質(zhì)為雙包層摻鐿多芯光子晶體光纖，雙包層摻鐿多芯光子晶體光纖的中部一段兩端由高精度調(diào)整架固定形成應(yīng)力傳感部分；多芯光子晶體光纖的一個端面作為輸出鏡，依靠4%的菲涅爾反射，與雙色鏡構(gòu)成激光諧振腔；增益光子晶體光纖的輸出依次通過顯微物鏡、光衰減片、CMOS探頭輸出到計算機處理系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述的多維應(yīng)力光子晶體光纖測試裝置，其特征是，激光泵浦源為半導(dǎo)體激光器，通過尾纖和耦合器連接，對有源多心光子晶體光纖進行泵浦，其固定輸出波長為978nm，由尾纖輸出，尾纖通過快速接頭PMA與耦合器相接。
3.如權(quán)利要求1所述的多維應(yīng)力光子晶體光纖測試裝置，其特征是，泵浦耦合系統(tǒng)為光纖輸出聚焦鏡，倍率為1:0.5，978nm波長泵浦光透過率>95%，工作距離為30mm，數(shù)值孔徑為0.22。
4.如權(quán)利要求1所述的多維應(yīng)力光子晶體光纖測試裝置，其特征是，雙包層摻鐿多芯光子晶體光纖作為產(chǎn)生激光的增益介質(zhì)，得到1036nm附近的激光輸出；泵浦端面鏡采用雙色鏡緊貼有源光子晶體光纖的端面，它在978nm波長高透，1036nm高反；多芯光子晶體光纖的另一個端面作為激光出射鏡。
5.如權(quán)利要求1所述的多維應(yīng)力光子晶體光纖測試裝置，其特征是，雙色鏡，978nm波長高透，1036nm波長高反。
【文檔編號】G01L1/24GK204115925SQ201420490754
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月28日
【發(fā)明者】徐德剛, 嚴德賢, 石嘉, 徐偉, 姚建銓, 陸穎 申請人:天津大學