DFB光纤激光弯曲传感器和光外差麦克风制造技术

公开了使用一个或多个分布式反馈(DFB)激光器来捕获激光环境中的变化的方法和系统，尤其是用于测量被测物理量，例如压力或温度，或被测物理量中的变化的传感器，包括具有至少一条纤芯的光纤，在纤芯中由单光纤光栅形成的至少一个光纤激光器腔，其中该激光器沿着其长度的至少一部分运行在至少两种模态下。该DFB激光器包括弯曲成非线性形状的一部分和连接到光纤激光器腔上的至少一个泵浦激光器。当DFB激光器经历改变了模态间隔的微扰或被测物理量的变化时，就会产生RF拍音的改变。这个拍音能够被测量并且关联到被测物理量的改变。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】DFB光纤激光弯曲传感器和光外差麦克风相关申请的交叉参考本专利技术要求在2010年12月2日申请的第61/419,247号美国临时专利申请的优先权，上述申请通过参考完整地包含在此。
技术介绍
光纤布拉格光栅通常被用作如压力和温度等被测物理量的传感器。这种传感器典型地使用机械排列将外部压力与光纤的压缩和拉伸应变关联起来。因此，光栅的布拉格波长可与外部压力建立联系。为了消除对温度的依赖，没有应变的第二光栅也典型地包含在内。该第二光栅对温度敏感，但对应变不敏感。对两个光栅波长的反卷积于是会产生压力和温度的测量值。检测温度、压力、应力和其他类似外部微扰的另一种已知方法是使用单频光纤激光器。单频光纤激光器由增益很小的光纤和一对充当分布式布拉格反射镜(DBR)的布拉格光栅，或刻在增益光纤上的相移分布式反馈(DFB)激光器组成。由于通过使用连在激光器上的合适的机械变换器，外部微扰可以使激光的振荡频率产生变化，因此通过精确测量波长的变化，就可以测出外部微扰的范围。这种传感器有两个影响性能的缺陷。首先，它们需要高性能的连接和机械固定装置，这样光纤可以在承受张力时以可靠的方式被放置。第二，它们需要光源和对波长敏感的读出模块以获得压力和温度的数据。现有技术的第二个缺陷是需要波长依赖型检测器和/或源来提取被测物理量。在要求高敏感度的例子中，或者检测器必须有高精确度，或者源必须有窄线宽。这种源和检测器价格高昂并在恶劣的环境下难以维护。其他的缺点还包括将压力等不同的被测物理量与光纤的弯曲联系在一起的装置，用一个光栅和RF检测以鲁棒的方式检测光纤弯曲的装置、以及测量例如由声音变动产生的很小的光纤弯曲的装置。因此，需要能克服现有技术中以上限制的新的改善的感应方法和装置。
技术实现思路
根据本专利技术的一方面，提供了感应被测物理量的传感器。特别地，用于测量温度和压力等被测物理量或被测物理量的变化的传感器包括含有至少一条纤芯的光纤、由该纤芯内的单光纤光栅形成的至少一个光纤激光器腔，其中激光器在沿着其长度的至少一部分以至少两种模态运行。DFB激光器包括弯曲成非线性形状的一部分和连接到光纤激光器腔上的至少一个泵浦激光器。当DFB激光器经历到改变了模态间隔的微扰或被测物理量的变化，RF拍音就会产生变化。这一拍音随后就可以被测出并且与被测物理量变化相关。传感器可能进一步包括连接到光纤上的结构，该结构将被测物理量的变化转换为光纤激光器腔的第一部分的非线性形状的变化。根据本专利技术的一个方面，被测物理量的变化会使光纤激光器腔的模态发生切换，从而导致RF拍音的变化。传感器可能进一步包含检测所生成的RF拍音的连接在光纤激光器腔上的RF检测器。单光纤光栅可以是分布式反馈激光器。根据本专利技术的其他方面，光纤激光器腔具有呈各向异性压力特性的光纤横截面，这种特性会使光纤的应变呈径向不对称，从而使光纤由于压力或声音振动等被测物理量改变而产生弯曲。用于光纤的一层或多层涂层或者光纤中适当的多孔结构会产生上述特性。传感器也可以包括与分布式反馈激光器相连接的光检测器。此外，传感器也可以包括与光检测器相连接的频率解调器。根据本专利技术的一个实施例，光纤激光器腔在其至少一段长度上具有双折射的慢轴和快轴。被测物理量可以是压力、温度、振动或化学反应。根据本专利技术的另一个实施例，传感器是光外差麦克风的一部分。相应的方法也在考虑之内。根据其中一种方法，利用泵浦激光器来激发光纤激光器腔。该方法包括将传感器暴露在微扰之下，该传感器包括具有至少一条纤芯的光纤，由在至少一条纤芯中的单光纤光栅形成的至少一个光纤激光器腔，光纤纤芯包括具有沿着其长度的至少一部分传播的至少两种模态的光纤激光器腔，至少一个光纤激光器腔包括弯曲成非线性形状的第一部分和连接在光纤激光器腔上的至少一个泵浦激光器。微扰可以施加在连接到传感器上的结构上。该方法同样包括利用连接到光纤激光器腔上的RF检测器来检测由微扰生成的RF拍音。在该方法中，光纤激光器腔具有呈各向异性压力特性的光纤横截面，这种特性使光纤的应变呈径向不对称，从而使光纤由于压力或振动的改变而产生弯曲。同样，光纤激光器腔在沿着腔的至少一段长度上具有双折射的慢轴和快轴。根据本专利技术的另一个实施例，传感器可以包括具有超过一条纤芯的至少一个单光纤，例如有两条纤芯，每条纤芯上具有分布式反馈激光器。分布式反馈激光器易于受到微扰的影响，在这里纤芯可能以多个模态运行，每一个模态具有传播常数，因此每一个DFB产生自己的拍音，而微扰导致传播常数的切换，从而改变了纤芯内每一个DFB的RF拍音。(注意即使没有任何微扰也存在差拍噪音)。传感器也可以包括与分布式反馈激光器相连接的能检测所产生的RF拍音的RF检测器。根据本专利技术的又一个实施例，提供了多个分布式反馈激光器。根据再一个实施例，每一个分布式反馈激光器以单一模态运行，而激光器的传播常数的不同产生了可以被检测器检测到的拍频。附图说明图1阐明了根据本专利技术的一个方面的实验装置；图2阐明了有偏振双折射的快轴和慢轴的光纤，并显示了这些轴在光纤弯曲时的定向r。图3-图8的每一幅图都提供了依照本专利技术的一个方面的DFB光纤激光弯曲传感器的特性的图表；图9a和图9b阐明了依照本专利技术的一个方面的变换器；图10-图15阐明了依照本专利技术的一个或多个方面的光纤；图16阐明了依照本专利技术的一个方面的装置；图17阐明了依照本专利技术的一个方面的光纤；图18阐明了依照本专利技术的一个方面的系统；以及图19显示了光外差麦克风。具体实施方式光纤激光器包含，除了其他东西之外，光纤激光器腔和泵浦源或能使光纤激光器腔发射激光的泵浦激光器。光纤激光器腔的一个例子就是分布式反馈激光器(“DFB”)腔。在这种情况下，光纤激光器腔可能是由刻在纤芯上的单纤布拉格光栅形成的。光纤激光器腔的其他例子包括分布式布拉格反射器(DBR)腔，环形腔和由大量光学镜片配上光纤形成的腔。本专利技术的一个方面是用如DFB光纤激光器或DFB平面波导激光器这样沿腔的至少一部分产生双折射的波导激光器来形成用于测量压力和温度的激光器。通常来说，DFB激光器拥有在中心区域有离散相移(名为π)的周期性光栅的一部分，典型地从光栅中心偏移光栅长度的百分之几。可以通过适当的UV曝光将这一光栅刻在光纤DFB激光器上，且在DFB平面波导激光器的例子中通过光刻技术来达到。在光栅区域掺杂有适当的增益介质，例如稀土元素如铒、镱、铒/镱、铥，这样当使用具有适用于增益介质的波长的泵浦源来通电时，介质可以提供光放大(增益)。激光输出可以使用光循环器或合适的波分复用(WDM)耦合器在前方提取(泵浦波传播的方向)或在后方提取。当相移中的偏离方向远离泵浦时，输出主要在前方获得，反之亦然。在本专利技术的一个实施例中，这可以被配置为弯曲的DFB光纤激光器。将DFB光纤弯曲会引起双折射，这是传播光的两个偏振模态间传播常数差的度量。引发的双折射改变了激光器的激光特点，并且可以与改变双折射或DFB光纤支持的模态的传播常数的任意微扰或者包括压力、位移和声音干扰的很多被测物理量相关联。根据本专利技术的一个实施例，激光频率与被测物理量相关。根据本专利技术的另一个实施例，激光器在至少两种模态上运行，其可能是两种偏振模态，至少一种对被测物理量敏感。在更普遍的意义上，针对光纤或波导的改变了激光模态(空间或偏振本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于检测被测物理量的传感器，包括：具有至少一条纤芯的光纤；在至少一条纤芯中由单光纤光栅形成的至少一个光纤激光器腔，该光纤纤芯包括具有沿着纤芯长度的至少一部分的至少两种模态的光纤激光器腔，至少一个光纤腔包括弯曲成非线性形状的第一部分；和连接到该光纤激光器腔上的至少一个泵浦激光器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于检测被测物理量的传感器，所述传感器包括：包括光纤芯的光纤；在所述光纤芯中由单光纤光栅形成的光纤激光器腔，所述光纤激光器腔具有沿着其长度的至少一部分的至少两种模态，所述光纤激光器腔包括弯曲成非线性形状的第一部分，所述非线性形状具有曲率半径R，被测物理量的变化导致RF拍音的偏移Δν，并且Δν＝C1+C2(1/R)2，其中C1和C2都是常数；和连接到所述光纤激光器腔上的至少一个泵浦激光器。2.根据权利要求1所述的传感器，还包括连接到所述光纤上的结构，该结构用于将被测物理量的变化转换为光纤激光器腔的第一部分的非线性形状的变化。3.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述传感器包括连接到光纤激光器腔上用于检测所生成的RF拍音的RF检测器。4...

【专利技术属性】
技术研发人员：卡兹·S·阿布丁，保罗·S·韦斯布鲁克，
申请(专利权)人：OFS飞泰尔公司，
类型：
国别省市：