一種基于多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器的分布式超聲傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超聲探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種分布式超聲傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲探測(cè)技術(shù)是無(wú)損探測(cè)領(lǐng)域里的一種有力的測(cè)量和診斷工具，廣泛的應(yīng)用于醫(yī)療診斷、材料特性分析、結(jié)構(gòu)健康診斷等領(lǐng)域。目前主流的超聲傳感器為壓電陶瓷超聲傳感器。但因其體積大、易受電磁干擾、每個(gè)傳感器至少需要兩根電源線等缺點(diǎn)，不適合永久嵌入型的分布式的超聲探測(cè)需求。
[0003]近年來(lái)，因具有體積小、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、抗電磁干擾能力強(qiáng)以及結(jié)構(gòu)兼容性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，基于光纖布拉格光柵(FBG)的光纖超聲探測(cè)技術(shù)引起了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，并被廣泛應(yīng)用于超聲探測(cè)系統(tǒng)中來(lái)，尤其是永久型、嵌入型的超聲探測(cè)。該探測(cè)技術(shù)主要依據(jù)超聲信號(hào)在光纖中傳播過(guò)程中，會(huì)引起光柵周期和折射率的動(dòng)態(tài)變化，最終導(dǎo)致FBG反射光譜漂移而實(shí)現(xiàn)的。
[0004]根據(jù)探測(cè)系統(tǒng)所使用的光源的不同，光纖布拉格光柵超聲探測(cè)方法主要可以分成三大類。
[0005]第一類探測(cè)方法是以寬帶光源為光源信號(hào)，F(xiàn)BG作為超聲的探測(cè)單元，并結(jié)合利用匹配光柵濾波器技術(shù)，將超聲信息轉(zhuǎn)化為光的強(qiáng)度變化。但是這種方法，所得探測(cè)信號(hào)的信噪比不高，導(dǎo)致探測(cè)靈敏度不高。
[0006]為解決這一問(wèn)題，研宄者提出了第二類探測(cè)方法。這類方法中，采用波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器作為外部的輸入光源。測(cè)量過(guò)程中，激光器的工作波長(zhǎng)需要調(diào)諧到FBG反射光譜的線性工作區(qū)，并將超聲信息轉(zhuǎn)換為激光強(qiáng)度的相關(guān)調(diào)制。這種方法的靈敏度較第一類方法有所提高，但仍受限于FBG本身的反射線寬。利用窄線寬的相移FBG可進(jìn)一步提高靈敏度。但需要更窄線寬的波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器作為光源，成本較高。此外這類方法在測(cè)量過(guò)程中，由于激光器波長(zhǎng)的不穩(wěn)定或者環(huán)境的擾動(dòng)(溫度的變化，被測(cè)物的形變)往往FBG或相移FBG的工作光譜的漂移，造成激光波長(zhǎng)漂移出FBG或相移FBG的線性工作區(qū)，導(dǎo)致探測(cè)器失效。因此需要操作復(fù)雜且昂貴的伺服反饋系統(tǒng)來(lái)保證激光器的工作波長(zhǎng)始終處于π相移 FBG 的線性工作區(qū)。(D.Gatti et al.0pt.Express 16 (3)，1954-1950，2008)。
[0007]為了解決此問(wèn)題，研宄者提出了第三類基于自適應(yīng)的激光腔損調(diào)制-增益放大的超聲主動(dòng)探測(cè)機(jī)制。與第一、二類方法不同的是，在這類方法里，激光器不再僅僅作為提供輸入光束的外部的輸入光源，而是本身即作為超聲傳感器(T.Q.Liu et al.Adaptiveultrasonic sensor using a fiber ring laser with tandem fiber Bragg gratings.0pt.Letters, 2014, 39(15):4462-4465)。激光器系統(tǒng)采用2只柵區(qū)長(zhǎng)度不同、波長(zhǎng)匹配的FBG作為超聲探測(cè)單元，同時(shí)進(jìn)行匹配濾波。其中柵區(qū)長(zhǎng)、線寬窄的FBG作為匹配濾波器，決定了激光器的工作波長(zhǎng)；柵區(qū)短、線寬稍寬的FBG作為超聲探測(cè)單元。且兩光柵的波長(zhǎng)匹配，即窄線寬的FBG的工作波長(zhǎng)處于寬線寬FBG的工作波長(zhǎng)的線性區(qū)。一方面而由于柵區(qū)長(zhǎng)度不同，這2只FBG光柵對(duì)超聲的靈敏度不同，柵區(qū)短的光柵對(duì)超聲響應(yīng)的靈敏度高，用來(lái)作為超聲探測(cè)單元；而柵區(qū)長(zhǎng)的光柵對(duì)超聲不敏感，用來(lái)作為匹配濾波器，并確定激光器的工作波長(zhǎng)。另一方面由于制作材料相同，這2只FBG光柵工作波長(zhǎng)對(duì)溫度和應(yīng)變引起光柵光譜移動(dòng)的響應(yīng)相同。因此始終能夠保證在不同工作環(huán)境下(溫度變化，被測(cè)物應(yīng)變)的波長(zhǎng)匹配，消除激光工作波長(zhǎng)線性工作區(qū)的漂移問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)了一種操作簡(jiǎn)單、靈敏度高的超聲探測(cè)技術(shù)。
[0008]隨著超聲探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步和其應(yīng)用范圍的日益加深和廣泛，多點(diǎn)的、分布式的超聲探測(cè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。然而，上述的光纖超聲探測(cè)技術(shù)均是基于單點(diǎn)探測(cè)實(shí)現(xiàn)的。如若進(jìn)行多點(diǎn)的分布式超聲探測(cè)，利用現(xiàn)有的方法，要么每增加一個(gè)探測(cè)點(diǎn)，就要求增加一個(gè)昂貴的可調(diào)激光源(第二類方法)，顯然不利于成本的控制和系統(tǒng)的簡(jiǎn)化。要么通過(guò)疊加多個(gè)單點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)融合到一條光路中(第三類方法)，實(shí)現(xiàn)一種多點(diǎn)的超聲探測(cè)(T.Q.Liuet al.Multiplexed fiber-ring laser sensors for ultrasonic detect1n.0pt.Express, 2013，21(25):30474-30480)。然而該方法中雖然系統(tǒng)共用一條光路，但是并不是嚴(yán)格意義上的單激光諧振腔系統(tǒng)，也未能解決單一諧振腔內(nèi)摻鉺光纖的中的模式競(jìng)爭(zhēng)引起的激光功率不穩(wěn)定的問(wèn)題，仍然每個(gè)探測(cè)點(diǎn)都需要單獨(dú)的激光諧振腔(泵浦源、增益放大介質(zhì))和匹配濾波單元。并且隨著探測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)增加，系統(tǒng)會(huì)更加復(fù)雜、成本更加昂貴。同時(shí)，由于存在多個(gè)激光諧振腔，該探測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性不能得到保障。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對(duì)以上問(wèn)題，本申請(qǐng)?zhí)岢鲆环N基于多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器的分布式超聲探測(cè)器。能在單激光諧振腔系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)超聲探測(cè)，不僅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化而且成本也大大降低。同時(shí)又能自適應(yīng)的環(huán)境的擾動(dòng)，消除工作點(diǎn)線性區(qū)漂移，保證了傳感的可靠性和靈敏度。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)將更有助于分布式、嵌入式超聲探測(cè)技術(shù)的發(fā)展。
[0010]本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。
[0011]—種基于多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器的分布式超聲傳感器，其特征在于:所述分布式傳感器包括:泵浦光源、波分復(fù)用器、摻鉺光纖、環(huán)行器、波長(zhǎng)解復(fù)用器件、π相移光纖布拉格光柵陣列、定向耦合器陣列、波長(zhǎng)復(fù)用器件以及光隔離器，上述器件依次順時(shí)針連接構(gòu)成了環(huán)形腔結(jié)構(gòu)；所述分布式傳感器還包括由不同布拉格諧振波長(zhǎng)的光纖布拉格光柵依次連接構(gòu)成的光纖布拉格光柵串，所述光纖布拉格光柵串作為所述分布式傳感器的分布式超聲探測(cè)單元，能夠?qū)⑻綔y(cè)的超聲轉(zhuǎn)化為其反射光譜的移動(dòng)；所述環(huán)行器將所述光纖布拉格光柵串的反射光譜信號(hào)接入所述環(huán)形腔結(jié)構(gòu)中。
[0012]進(jìn)一步地，通過(guò)擠壓或者纏繞所述摻鉺光纖，在所述摻鉺光纖中引入偏振燒孔效應(yīng)，以克服所述摻鉺光纖中的模式競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的多波長(zhǎng)激光輸出，為分布式的光柵布拉格光柵超聲探測(cè)點(diǎn)提供相應(yīng)的激光工作波長(zhǎng)，保證分布式的超聲探測(cè)的實(shí)現(xiàn)。
[0013]進(jìn)一步地，所述環(huán)行器具有單向傳輸特性，即光路傳輸方向僅限于摻鉺光纖與環(huán)形器的連接端(I)到光纖布拉格光柵串與環(huán)形器的連接端(2)，再到波長(zhǎng)解復(fù)用器件與環(huán)形器的連接端(3)。
[0014]進(jìn)一步地，所述相移光纖布拉格光柵陣列由不同諧振透射波長(zhǎng)的相移光纖布拉格光柵構(gòu)成，其中每個(gè)π相移光纖布拉格光柵的透射線寬較窄，為皮米量級(jí)，小于所述光纖布拉格光柵的反射線寬；每個(gè)31相移光纖布拉格光柵的透射峰與所述光纖布拉格光柵串中的每個(gè)光柵的諧振反射波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)，且具體波長(zhǎng)位置滿足Π相移光纖布拉格光柵的透射峰波長(zhǎng)處于光纖布拉格光柵的反射波長(zhǎng)的線性工作區(qū)；所述光纖布拉格光柵串和π相移光纖布拉格光柵陣列按照波長(zhǎng)匹配關(guān)系，一一對(duì)應(yīng)平行布置于被測(cè)物體上。
[0015]進(jìn)一步地，所述波長(zhǎng)解復(fù)用器件將分布式超聲傳感器系統(tǒng)光路中的多波長(zhǎng)信號(hào)依據(jù)不同的波長(zhǎng)進(jìn)行分離，所獲得的不同波長(zhǎng)的激光信號(hào)與所述光纖布拉格光柵串上相應(yīng)的探測(cè)位置的光纖布拉格光柵對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)分布式的超聲探測(cè)。
[0016]—方面所述π相移光纖布拉格光柵陣列作為分布式超聲傳感器系統(tǒng)的梳狀濾波器，決定多波長(zhǎng)激光器的工作波長(zhǎng)；另一方面所述31相移光纖布拉格光柵陣列與光纖布拉格光柵串相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)匹配濾波功能，將超聲引起的布拉格光柵光譜的移動(dòng)轉(zhuǎn)化為激光諧振腔內(nèi)的損耗變化，并最終表現(xiàn)為激光信號(hào)輸出功率的變化。
[0017]本發(fā)明的分布式超聲傳感器所實(shí)現(xiàn)的功能為:(a)具有能產(chǎn)生多波長(zhǎng)的單一激光諧振腔；(b)可實(shí)現(xiàn)分布式的超聲探測(cè)。
[0018]本發(fā)明提出的基于多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器的分布式超聲傳感器。利用偏振燒孔效應(yīng)克服摻鉺光纖中的模式競(jìng)爭(zhēng)，在單一激光諧振腔產(chǎn)生功率穩(wěn)定的多波長(zhǎng)激光，為多點(diǎn)的超聲探測(cè)提供激光輸出信號(hào)。超聲的探測(cè)單元由多個(gè)FBG構(gòu)成。每個(gè)FBG對(duì)應(yīng)一個(gè)探測(cè)點(diǎn)，并采用π相移FBG與FBG相結(jié)合的自適應(yīng)匹配濾波技術(shù)，有效地將超聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為激光器的腔內(nèi)損耗調(diào)制，并經(jīng)過(guò)激光諧振腔的增益放大最終表現(xiàn)為激光信號(hào)輸出功率的調(diào)制，實(shí)現(xiàn)高靈敏的超聲探測(cè)。本發(fā)明具有以下優(yōu)勢(shì):
[0019](I)實(shí)現(xiàn)了光纖激光器-超聲探測(cè)器的一體化的設(shè)計(jì)下的單諧振腔多波長(zhǎng)激光激發(fā)。該系統(tǒng)可提供了多路的激光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)分布式超聲傳感。同時(shí)該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了超聲探測(cè)器就是光纖激光器本身；超聲探測(cè)的入射的激光波長(zhǎng)就是激光器本身的工作波長(zhǎng)。由此解決了光柵超聲探測(cè)中光源波長(zhǎng)漂移造成傳感靈敏度失效的問(wèn)題。
[0020](2)采用相移FBG與FBG相結(jié)合自適應(yīng)匹配濾波。其中，激光器的工作波長(zhǎng)由π相移FBG的諧振波長(zhǎng)決定，線寬僅為幾個(gè)皮米，提高了超聲傳感的靈敏度。FBG作為超聲的探測(cè)單元，并與π相移FBG波長(zhǎng)匹配，S卩相移FBG波長(zhǎng)匹配的工作波長(zhǎng)處于FBG的反射光譜的線性工作區(qū)。利用π相移FBG與FBG對(duì)環(huán)境擾動(dòng)(比如:氣溫變化，應(yīng)力應(yīng)變等)具有相同的波長(zhǎng)響應(yīng)的特性，從而保證在環(huán)境的擾動(dòng)下π相移FBG與FBG工作波長(zhǎng)匹配，避免了環(huán)境擾動(dòng)造成的超聲探測(cè)靈敏度失效。
[0021](3)同單純的匹配濾波器方法探測(cè)超聲信號(hào)相比較，本發(fā)明的激光器-探測(cè)器一體化的設(shè)計(jì)，能使超聲信號(hào)經(jīng)過(guò)FBG和相移FBG的匹配濾波轉(zhuǎn)化為激光強(qiáng)度變化后，再經(jīng)過(guò)激光諧振腔的增益放大，提高了信噪比。
[0022](4)波長(zhǎng)復(fù)用的FBG光柵串與波長(zhǎng)解復(fù)用的π相移FBG陣列相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)每個(gè)單波長(zhǎng)激光信號(hào)分別對(duì)應(yīng)一個(gè)探測(cè)點(diǎn)。單波長(zhǎng)信號(hào)與探測(cè)點(diǎn)的