[发明专利]一种利用短腔光纤激光器的输出纵模测量应变的方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤激光器领域，特别涉及一种基于短腔光纤激光器的输出纵模对应变进行测量的方法。

背景技术

光纤激光器作为一种具有广阔应用前景的激光光源，具有宽带可调谐、较高的信噪比、较窄的输出激光线宽等优势，可广泛地应用于光纤传感、光纤通信、光学加工等领域。光纤激光器由泵浦源、谐振腔和增益介质三部分构成。光纤激光器的腔长越长，光纤的非线性效应就越明显，因此有必要缩短光纤的长度，同时短腔也是光纤激光器实现单纵模运作的重要条件。短腔式光纤激光器结构简单且易于实现，该结构通常由一对光纤光栅和连接在中间的增益介质组成，该结构被称作分布式布拉格反射型光纤激光器（Distribute Bragg Reflection，DBR）。短腔式光纤激光器通常用于产生窄线宽激光输出，美国NP Photonics公司利用2cm长掺铒磷酸盐玻璃光纤DBR激光器获得了功率为100mW，线宽2kHz的激光输出；1992年Ball等人首次在50cm长的掺Er³⁺光纤两端,加上1.25cm长、具有相同布拉格波长、反射比分别为72%和80%两个布拉格光栅，用980nm LD泵浦得到与布拉格波长一致的1548nm单频输出，线宽为47kHz；2007年光库通讯面向市场推出了一款腔体长度小于5cm，线宽小于3kHz,输出功率达150mW的光纤激光器。短腔式光纤激光器具有输出纵模个数少且输出稳定无跳模现象等优势，常被用于光纤传感领域，因此设计一种基于短腔式光纤激光器的纵模传感系统具有重要的理论意义和应用价值。

按照物理学定义，物体由于受力的变化而发生变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外力的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。应力会随着外力的增加而增长，对于某一种材料，应力的增长是有限度的，超过这一限度，材料就要破坏。对某种材料来说，应力可能达到的这个限度称为该种材料的极限应力。材料要想安全使用，在使用时其内的应力应低于它的极限应力，否则材料就会在使用时发生破坏。因此在工程上，测量材料的应力是一项非常重要的物理指标。应变测量常见的方法是应变电测法，是通过电阻应变片测出构件表面的应变后，根据应力、应变的关系来确定构件表面应力状态的一种实验应力的分析方法。然而，此种方法测量应变的精度并不是很高，不能满足一些高精度场合的需求。

因此，需要一种利用光纤激光器的输出纵模作为一种传感系统来测量物体的形变，从而利用短腔式光纤激光器的特性来精确测量应变的方法和系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用短腔式光纤激光器的输出纵模特性来精确测量应变的方法和系统。

根据本发明的一个方面，提供了一种利用短腔光纤激光器测量应变的方法，所述方法包括如下步骤：a）搭建所述短腔光纤激光器，所述短腔光纤激光器包括依次连接的激光二极管泵浦源、波分复用器、布拉格光纤光栅、有源光纤和环形镜；b）将所述短腔光纤激光器固定于待测量应变的材料上，使所述短腔光纤激光器的光纤拉伸方向与待测材料产生应变的应变方向相一致；c）测量所述短腔光纤激光器的输出纵模漂移量；d）计算得到待测材料的应变。

优选地，所述步骤d）中的计算是根据已标定的所述短腔光纤激光器的输出纵模漂移与应变之间的关系曲线，读取步骤c）所测量的输出纵模漂移所对应的应变。

优选地，通过将所述短腔光纤激光器固定于应变已知且可变化的应变标定材料上，通过改变所述应变标定材料所产生的应变来标定得到所述短腔光纤激光器的输出纵模漂移与材料应变之间的关系曲线。

优选地，所述关系曲线通过线性拟合或最小二乘拟合得到。

优选地，所述短腔光纤激光器的有源光纤选自掺铒光纤、掺镱光纤或铒镱共掺光纤。

优选地，所述应变标定材料为板状，通过外加重物改变所述应变标定材料的应变。

优选地，所述应变标定材料为板状，通过外加马达的震动来改变所述应变标定材料的应变。

优选地，所述固定件为环氧树脂或丙烯酸酯。

优选地，所述应变标定材料的材质为金属。

优选地，所述环形镜包括耦合器，所述耦合器的分光比为0.50。

根据本发明利用短腔式光纤激光器的特性可以精确测量物体的应变，所搭建的光纤激光器结构小巧简单，测量精度高，便携性好，易于在多种场合应用。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明