一種高靈敏度復合環形腔結構的光纖激光拍頻位移傳感方案*

田晶 侯美江 江陽 張紅旭 白光富 馮豪

(貴州大學物理學院, 貴陽 550025)

提出并驗證了一種高靈敏度復合環形腔結構的激光拍頻位移傳感技術方案. 該方案采用環形腔復合直腔的諧振腔結構, 利用激光拍頻傳感原理實現傳感系統信號的解調. 該結構通過摻餌光纖放大器提供增益,采用光纖布拉格光柵作為傳感頭兼直腔反射鏡, 利用π 相移光柵進行窄帶濾波. 理論分析結果表明激光拍頻頻率隨傳感頭應變的增加線性減小; 實驗結果顯示, 當監測頻率為1.7483 GHz 時, 傳感器的靈敏度達到了86.19 kHz/mm, 線性擬合度為0.9973, 最小可分辨位移為10 μm 左右, 該系統同時具有空間位置分辨的潛力.結果表明所提出的新型位移傳感方案是可行的, 結構緊湊、簡單實用、靈敏度高, 為將來實現高精度、微型化以及分布式傳感系統打下基礎.

1 引 言

光纖傳感因具有檢測靈敏度高、耐腐蝕、抗電磁干擾、成本低廉等特性, 在近幾十年中不斷完善發展, 被廣泛應用于工業自動化和系統監測中[1?5].光信號在光纖中傳輸時可能受到外界諸如溫度、應變、壓力、電流、位移、振動等因素的影響, 從而對光波的特征參量如光強、頻率、波長、相位、偏振態產生調制作用. 光纖傳感就是根據這些參量隨外界因素的變化關系來檢測各相應物理量的變化[6?12].近年來基于光纖激光器構成的有源拍頻傳感系統因頻率響應靈敏、信噪比高、線寬窄、結構簡單緊湊, 在超聲傳感和大型結構監測等領域[13?18]受到了廣泛關注. 光學諧振腔作為該傳感系統的重要組成部分, 具有高分辨率的頻率響應特性和腔內光場增強效應[19], 是提升光纖激光傳感靈敏度和測量精度的關鍵, 若要提高激光傳感器的性能, 就需要對光學諧振腔結構以及整個傳感系統進行優化和設計.

結合近期的研究成果, 本文提出一種基于高靈敏度復合環形腔結構的光纖激光拍頻位移傳感技術方案. 該傳感器結構使用了摻餌光纖放大器(erbium doped fiber amplifier, EDFA)為光纖激光諧振腔提供增益, 光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating, FBG)作為復合腔傳感元件兼直腔反射鏡, 并利用π 相移光柵(π phase shifted fiber Bragg grating, π-FBG) 進行窄帶濾波以提高拍頻信號質量. 相比于以往的激光傳感器結構[11,12], 該結構采用了環形腔中嵌套直腔的復合環形腔結構, 既便于對位移變化量進行準確監測, 還具有空間位置分辨的潛力, 結構簡單緊湊, 靈敏度高. 同時該結構采用的EDFA 集成了傳統的抽運激光和摻餌光纖功能, 簡化了傳感系統結構, 可為系統提供穩定增益.

2 系統結構與原理

位移傳感系統方案如圖1 所示, 該系統由激光復合環形腔和觀測系統兩大部分構成, 其中激光復合環形腔由環形諧振腔和直腔嵌套組成, 觀測系統主要由光譜儀(optical spectrum analyzer, OSA)和電頻譜儀 (electrical spectrum analyzer, ESA)等組成. EDFA 為系統提供穩定增益, 光在腔內順時針傳播并相互干涉, 得到不同模式的縱模激光.當諧振腔內增益大于損耗時, 在濾波器 (Filter)和π-FBG 的選模作用下, 激光器會輸出多個離散的激光拍頻模式. 這些激光模式經耦合器后, 70%的光場在復合諧振腔環路中振蕩, 另外30%接入觀測系統. 該傳感器結構中, 偏振片 (polarization controller, PC) 用于調節光信號的偏振態, 光隔離器 isolator, ISO) 用于保持光的單向傳輸, 檢偏器(polarizer, POL) 使得光路保持線偏振. 光場由環形器 (circulator, Cir) 1 端口進入傳輸到2 端口,2 端口接傳感頭和π-FBG, 其中FBG 與π-FBG構成直腔, 最后經FBG 與π-FBG 反射的信號光經由環形器3 端口輸出, Filter 對反射的光波進行帶寬限制和雜波濾除. 利用微位移平臺對傳感頭進行水平拉伸使光纖產生水平軸向位移變化, 從而改變復合諧振腔的腔長, 導致拍頻信號發生漂移. 激光拍頻模式經光電探測器 (photodetector, PD)光電轉換后通過ESA 進行頻譜監測, 根據監測頻率的漂移量與位移的變化關系即可實現位移變化監測和預警.

圖1 位移傳感方案原理圖Fig. 1. Schematic diagram of the proposed fiber laser displacement sensor.

該激光拍頻傳感系統產生的激光以多縱模形式輸出(圖2), 多縱模激光信號在光路中兩兩拍頻,不同的拍頻頻率ν,2ν,3ν,4ν, ··· ,(n ?1)ν, ··· ,Nν可由激光的任意j模式或i模式拍頻產生, 只要分別滿足j ?i=1,2,3,4, ··· ,(n ?1),··· ,N即可. 由于光電探測器不能響應高頻信號, 只響應低頻信號, 因此探測后信號強度可以表示為[20]

圖2 π-FBG 反射譜與激光器縱模關系Fig. 2. Fiber laser cavity’s excited longitudinal modes controlled by π-FBG’s bandwidth.

其 中,αi,αj是頻率為νi,νj的激光 模 式的振幅;φi,φj是兩激光模式的原始相位;νi?νj(i,j=1,2,3,4, ···;N=j ?i), 是兩個縱模模式光的差頻, 稱為拍頻, 可用νN表示,

由(2)式推導得到相鄰縱模頻率間隔

這里,ν1, ν2, ··· , νi, νj都是激光的縱模模式,當j?i=1 ,ν=c/nL稱為基頻, 是所有相鄰模式的兩兩拍頻, 除此之外都是基頻的高倍頻.c是真空中的光速,n是光纖的折射率,L是光在諧振腔內完成一次循環走過的幾何路程, 對于復合環形腔系統L=L1+2L2(圖1). 對于直腔而言, 光完成一次循環走過的幾何路程是直腔腔長的2 倍. 可見對于一個確定的激光器, 只要腔長L不變, 其拍頻間隔n恒定. 當諧振腔中放入π-FBG 或FBG 時,由于它們的帶寬限制, 只有在帶寬范圍內的激光模式才能振蕩, 因此系統中使用π-FBG 濾波將會大大提高拍頻模式的強度.

利用微位移平臺對傳感頭進行水平拉伸使光纖產生水平軸向位移變化, 從而影響復合諧振腔腔長的變化, 拍頻信號變化量νN與軸向位移變化的關系為

式中,Pe是光纖的有效彈光系數, ?L是軸向位移.從(4)式可見, 拍頻信號 ?νN與 ?L軸向位移呈線性關系.

3 實驗結果與分析

實驗使用了3 d B 帶寬為50 pm 的π-FBG, 其反射率為99%, 中心波長為1550.452 nm; 采用的FBG 的反射率為85%, 中心波長為1550.4 nm.實驗過程中調節濾波器的中心波長, 三者光譜如圖3(a)所示. 實驗使用OSA 測量出射激光的光譜, 如圖3(b)所示, 其出射的峰值波長與π-FBG的反射中心基本一致, 該復合環形腔產生的激光線寬比較窄, 激光強度為–10 dB 左右. 將此激光導入PD, 經光電轉換后被ESA 觀測.

圖3 (a) Filter, FBG 與π-FBG 的光譜; (b) 激光復合諧振腔光譜Fig. 3. (a) Optical spectra of Filter, FBG and π-FBG;(b) optical spectrum of the compound ring laser sensor cavity.

圖4 電頻譜儀輸出的拍頻信號Fig. 4. Beat frequency spectra of BFS.

由ESA 輸出的拍頻信號如圖4 所示, 可以看出拍頻范圍達到了4 GHz, 由(4)式可知, 選取的拍頻監測頻率越高, 得到的拍頻頻率變化量越大.圖5(a)和圖5(b)所示是兩套頻率不同的拍頻觀測信號, 顯示有兩套諧振腔, 其中圖5(a)的拍頻間距為27 MHz, 根據(3)式能計算出對應的光纖激光諧振腔長度為3.7 m, 與實測該傳感結構中直腔的腔長一致; 圖5(b)的拍頻間距為3 MHz, 同理計算得到腔長大致為67.7 m, 結合實際情況, 該拍頻間距可對應為圖1 中復合環形腔的拍頻間距. 由于直腔與環形腔腔長不同, 對應的拍頻間距不同, 如果其中一個腔長發生拉伸位移, 與其相應腔的拍頻間距就會發生變化, 根據不同腔長拍頻間隔的變化情況, 就可以對位移發生的空間位置進行分辨, 因此該傳感器系統具有空間位置分辨的潛力. 若系統中多加幾個相同中心波長的FBG, 并形成不同長度的直腔, 就能更有效地分辨傳感的空間位置, 進而實現傳感器的大范圍分布式監測.

圖5 (a) 直腔拍頻頻譜圖; (b) 復合環形腔拍頻頻譜圖Fig. 5. (a) Beat frequency spectrum of straight cavity;(b) beat frequency spectrum of compound ring laser cavity.

實驗選擇1.7483 GHz 作為觀測頻率, 如圖6所 示, 頻 率 范 圍 從1.74824 GHz 到1.74834 GHz(即100 kHz). 為驗證傳感器的線性擬合度和靈敏度, 傳感器兩端分別固定在兩個微位移平臺上, 當對平臺進行微調移動時, 應變就加載在傳感頭上,位移變化可由平臺自帶的千分尺讀出. 由于實驗所用傳感光纖較短, 根據傳感光纖的拉伸極限, 實驗中將位移測試范圍定在0—0.18 mm 范圍內. 為了驗證理論與實驗的一致性和實驗方案的可行性, 用微位移平臺對傳感頭在其可承受范圍內進行隨機位移長度拉伸, 如拉伸位移為0.01, 0.05, 0.09 和0.11 mm 等, 總共11 個位移變化量, 得到的位移與頻率的關系如圖7 所示, 隨著拉伸位移的增加,頻率線性減小, 其線性擬合斜率為–86.189, 線性擬合度高達0.9973, 靈敏度達到了86.19 kHz/mm,最小可分辨位移為10 μm 左右(圖6). 由數據分析可見實驗結果與理論推導基本一致. 實驗過程中,傳感器暴露在室溫環境下, 由于實驗耗時較短, 室內溫度變化不明顯, 所以溫度對傳感器腔長變化的影響可不予考慮, 實驗中光纖的雙折射、色散等效應都會對傳感系統具有一定的增敏作用. 如果想同時探測溫度的變化, 只需要在此結構基礎讓FBG處于自由狀態, 利用波長監測設備同時監測傳感器的波長變化信息即可.

圖6 位移與頻移關系圖Fig. 6. Beat signal spectra shifts as a function of displacement variations.

圖7 位移傳感實驗結果分析Fig. 7. Measured results analysis of the displacement sensor.

4 結 論

本文主要提出了一款新型高靈敏度復合環形腔結構的激光拍頻位移傳感方案, 采用了環形腔中嵌套直腔的復合環形腔結構, 便于對位移變化量進行準確監測, 具有對傳感的空間位置進行分辨的潛力, 結構簡單緊湊, 靈敏度高. 同時該結構使用EDFA 為光纖激光諧振腔提供增益, 替代了以往的利用抽運激光和摻餌光纖分別為激勵源和增益介質的光路焊接傳感系統, 簡化了傳感系統結構. 最終利用EDFA 結合FBG、π-FBG 的高反射率、窄帶濾波功能成功搭建了一款復合腔結構的激光縱模拍頻傳感器系統. 通過實驗驗證, 該款傳感器的線性擬合度達到了0.9973, 當監測頻率為1.7483 GHz 時靈敏度達到了86.19 kHz/mm, 最小可分辨位移為10 μm 左右. 結果表明所提出的新型位移傳感方案是可行的, 結構設計簡單、實用、靈敏度高, 為進一步實現高精度、微型化、分布式傳感器系統打下基礎.