基于相移光栅光纤激光器的加速度测定探测头及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于相移光栅光纤激光器的加速度测定探测头及装置。该探测头由两个带有真实相移或等效相移的光纤光栅通过增益光纤串联而成，两个光纤光栅在加载预应变的情况下，被固定在一个热膨胀系数为零或可忽略不计的支架上；第一个光纤光栅所在平面和光纤走向，与第二个光纤光栅所在平面相垂直。该装置包括泵浦半导体激光器、泵浦光隔离器、可调光衰减器、光探测器、频谱仪以及所述探测头。本发明专利技术可消除因温度变化而导致光栅周期波动对测量结果的影响；增大了测量结果的灵敏度；降低了光纤光栅的加工难度和制造成本；若使一个光纤光栅的激射频率始终小于另一个，则得到的两个激光拍频信号的频率大小能同时反映测定的加速度大小和方向。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光电子
，涉及光纤通信、光电传感及光电信息处理。本专利技术是一种基于相移光栅双波长光纤激光器的加速度测定装置，其中一个激射波长固定不变，另一个激射波长可根据加速度大小和方向发生变化，因而两个波长激光的拍频能反映加速度大小和方向。
技术介绍
用双波长光纤激光器制成的传感器，在光电传感、微波信号产生和光电信息处理等方面有着十分重要的应用。用光纤光栅激光器制成的传感器，由于其结构简单紧凑，测量精度高，能与现有光纤网络互联成网，因而在现代生产技术中受到了广泛的关注。光纤光栅激光器中，如果要形成稳定而功率均衡的双波长激光输出，一种可行的做法是用两个长度相同，中间位置各有一相移，且透射谱中心波长都处在增益光纤增益中心区域的光纤光栅，用增益光纤串联成一个光纤光栅激光器光路。在实际的光纤光栅激光器中，通常用掺铒光纤或掺镱铒光纤作为增益光纤。由于光纤光栅的光栅周期一般是亚微米量级，因此要制作真实相移光栅，通常需要用到高精度的电子束刻写设备。这就带来了真实相移光栅制作成本高，刻写效率低下的问题。为此，南京大学陈向飞课题组提出重构－等效啁啾技术，用取样光栅来代替普通光栅，用等效相移来代替真实相移，以获得与真实相移光栅相同透射(反射)特性的等效相移光栅。在光纤光栅激光器中，由于其光纤光栅的长度和折射率，都会随温度的改变而改变，因而其激射波长会随着温度的增加而红移。为消除因环境温度的变化而导致光纤光栅激光器激射波长漂移问题，通常要用温度调节装置来保持环境温度不变，或采取特殊设计对温度变化进行脱敏处理。在振动监测、石油勘探、航天航空、军事装备等领域，精确测定加速度大小和方向往往十分重要。目前有很多的基于光纤激光器的加速度测定装置设计，但它们有的结构比较复杂，有的没有温度脱敏装置或采取的温度脱敏装置对温度的脱敏效果不够理想。例如，文献“RuiMa,et.al,Two-axisslimfiberlaservectorhydrophone,IEEEPhotonicsTechnologyLetters,23(6):335-337,2011”中提出的设计方案结构比较复杂，且没有温度脱敏装置，不能消除温度漂移对测量结果的影响。文献“唐才杰等，一种差动式双光栅结构的光纤加速度计，中国专利技术专利，ZL：201310712441.X”中的设计，虽然在很大程度上减轻了温度变化对测量结果的影响，但其固定光纤光栅的装置，还是会因温度变化而长度发生变化，这将导致光栅长度改变，给测量结果带来误差。特别是当两个光栅的光栅周期相差较大时，这个影响带来的误差更大。
技术实现思路
针对现有技术中相移光纤光栅双波长激光加速度测定装置存在的上述不足，本专利技术提出了一种基于相移光栅双波长光纤激光器的加速度测定装置。本专利技术为了能够减轻相移光栅中相移制造的难度和成本，采用等效相移取样光栅来代替真实相移光栅；同时采用对两个相移光纤光栅预施加了拉伸应力，并固定于热膨胀系数为零(或可忽略不计)材料制成的底座上的方法，来消除温度改变对测量结果的影响。本专利技术的技术方案是：本专利技术提供一种基于相移光栅光纤激光器的加速度测定探测头，所述加速度测定探测头是一个由两个带有真实相移或等效相移的光纤光栅通过增益光纤串联而成的双波长光纤激光器，两个光纤光栅在加载预应变的情况下，被固定在一个热膨胀系数为零或可忽略不计的支架上；第一个光纤光栅所在平面和光纤走向，与第二个光纤光栅所在平面相垂直。作为本专利技术的进一步改进，两个光纤光栅表面涂敷有50～100微米的增强拉伸能力的涂敷层。作为本专利技术的进一步改进，所述支架包括底盘部分和与垂直于底盘设置的悬挂梁部分，所述悬挂梁部分采用悬挂梁式结构，能放大因加速度而使第一个光纤光栅产生的额外应变，与此同时，另一个光纤光栅则不因加速度而产生额外应变。作为本专利技术的进一步改进，所述两个光纤光栅带有真实相移。作为本专利技术的进一步改进，所述两个光纤光栅带有等效相移。作为本专利技术的进一步改进，两个相移光纤光栅设计有相近的激射波长。本专利技术还提供一种基于相移光栅光纤激光器的加速度测定装置，包括泵浦半导体激光器、泵浦光隔离器、可调光衰减器、光探测器、频谱仪、所述的基于相移光栅双波长光纤激光器的加速度测定探测头；所述加速度测定探测头的光路的两个外侧，分别与泵浦光隔离器相连接，用泵浦半导体激光器作泵浦光源，使泵浦激光从一个泵浦光隔离器注入，则能从另一个泵浦光光隔离器得到双波长激光输出，输出激光通过可调光衰减器衰减后，进入光探测器，在光探测器后连接测量范围能覆盖两个波长激光拍频信号最高频率的频谱仪。本专利技术还提供一种基于相移光栅光纤激光器的加速度测定装置，由三组上述的加速度测定装置相互垂直安装在一起组成。本专利技术的有益效果是：(1)由于采用了热膨胀系数为零(或可忽略不计)的材料制成光纤光栅固定支架，且在安装固定光纤光栅时采取了预载一定量应变的措施，这种方法可消除因温度变化而导致光栅周期波动对测量结果的影响。(2)固定第一个光纤光栅(光纤光栅1)所用支架，由于采用了悬挂梁式结构，能放大因加速度而使光纤光栅1产生的额外应变，与此同时第二个光纤光栅(光纤光栅2)则不因加速度而产生额外应变。这种结构增大了测量结果的灵敏度。(3)由于可采用等效相移光栅来替代真实相移光栅，光纤光栅的加工难度和制造成本有很大降低。(4)由于可用结构相近的两个光纤光栅来制成双波长光纤激光器探测头，如果使一个光纤光栅产生激光的激射频率始终小于另一个光纤光栅产生激光的激射频率，则由光电探测器得到的两个激光拍频信号的频率大小，能同时反映测定的加速度大小和方向。附图说明图1是本专利技术基于相移光栅光纤激光器的加速度测定装置的结构示意图；图2是本专利技术基于相移光栅光纤激光器的加速度测定探测头的结构正视图及光路示意图；图3是沿图2探测头支架剖切线的右视图；图4是真实π相移光栅结构示意图；图5是等效π相移取样光栅结构示意图；图中：1、第一个光纤光栅；2、第二个光纤光栅；3、增益光纤；4、悬挂梁部分；5、底盘部分。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进行进一步详细说明。本专利技术所述的基于相移光栅光纤激光器的加速度测定装置，是在加速度环境下，相移光栅双波长光纤激光器激射的一个激光的频率(波长)将随加速度的大小而发生改变，另一个激光的频率(波长)则保持不变，因而这两个激光在光电探测器上产生的拍频信号的频率，能反映加速度的大小和方向。1、对环境温度变化导致测量结果误差的脱敏处理如附图1和附图2所示，首先选择铟钢或其他热膨胀系数为零(或可忽略不计)的材料，制成固定两个相移光栅(第一个光纤光栅1和第二个光纤光栅2)的底座(上有两个固定相移光栅的支架，包括悬挂梁部分4和底盘部分5)。其次，对两个相移光栅施加一定的预拉伸应力，在两个相移光栅保留一定的拉伸应变的情况下，用高强度固定粘接胶把第一个光纤光栅1和第二个光纤光栅2两端，分别固定到附图1和附图2所示的椭圆环形支架凹形槽(悬挂梁部分4)和圆轮形支架凹形轮缘槽(底盘部分5)内。沿图2探测头支架剖切线的右视图如图3所示。在外界温度发生变化时，由于固定两个相移光栅的支架的热膨胀系数为零(或可忽略不计)，因此两个相移光栅的热胀冷缩对两个激射波长的影响能被忽略。2、固定第一个光纤光栅1所用的悬挂梁式结构支架，对本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于相移光栅光纤激光器的加速度测定探测头，其特征在于：所述加速度测定探测头是一个由两个带有真实相移或等效相移的光纤光栅通过增益光纤串联而成的双波长光纤激光器，两个光纤光栅在加载预应变的情况下，被固定在一个热膨胀系数为零或可忽略不计的支架上；第一个光纤光栅所在平面和光纤走向，与第二个光纤光栅所在平面相垂直。

【技术特征摘要】
1.基于相移光栅光纤激光器的加速度测定探测头，其特征在于：所述加速度测定探测头是一个由两个带有真实相移或等效相移的光纤光栅通过增益光纤串联而成的双波长光纤激光器，两个光纤光栅在加载预应变的情况下，被固定在一个热膨胀系数为零或可忽略不计的支架上；第一个光纤光栅所在平面和光纤走向，与第二个光纤光栅所在平面相垂直。2.根据权利要求1所述的基于相移光栅光纤激光器的加速度测定探测头，其特征在于：所述支架包括底盘部分和与垂直于底盘设置的悬挂梁部分，所述悬挂梁部分采用悬挂梁式结构，能放大因加速度而使第一个光纤光栅产生的额外应变，与此同时，另一个光纤光栅则不因加速度而产生额外应变。3.根据权利要求1所述的基于相移光栅光纤激光器的加速度测定探测头，其特征在于：两个光纤光栅表面涂敷有50～100微米厚的增强抗拉伸能力的涂敷层。4.根据权利要求1或2或3所述的基于相移光栅光纤激光器的加速度测定探测头，其特征在于：所述两个光纤光栅带有等效相移。5.根据权利要求1或2或3所述的基于相移光栅光纤激光器的加速...

【专利技术属性】
技术研发人员：周亚亭，肖虹，茆锐，沈玉乔，
申请(专利权)人：常州工学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32