1 引言
光纤传感技术是伴随着光纤技术和光纤通信技术发展起来的一种传感技术,其已成为光电技术中发展最活跃的分支之一。光纤传感系统主要由激光器、传输光纤、传感元件或调制区、光检测等部分组成。描述光波特征的参量有光强、波长、相位、偏振态等,这些参量在光纤传输中都可能受外界影响而发生改变。如当温度、应变、压力、电流、位移、振动、转动、弯曲以及化学量等对光路产生影响时,这些参量发生相应变化。光纤传感就是根据这些参量随外界因素的变化关系来检测各相应物理量大小。
光纤传感系统使用的光源种类很多,可分为相干光源和非相干光源两大类,非相干光源主要有白炽光与发光二极管,相干光源包括固体激光器、液体激光器、气体激光器、半导体激光器以及光纤激光器。下面主要针对近几年在光纤传感领域应用广泛的激光光源进行分析:窄线宽单频激光器、单波长扫频激光器以及白光激光器。
1.1 对窄线宽激光光源的需求
光纤传感系统离不开激光光源,作为被测量信号载体的光波,激光光源本身的性能,如功率稳定性、激光线宽、相位噪声等参数对光纤传感系统的探测距离、探测精度、灵敏度以及噪声特性起决定性的作用。近年来,随着长距离超高分辨率光纤传感系统的发展,学术界和工业界对激光器小型化后的线宽性能提出了更加苛刻的要求,主要表现在:相干光频域反射(optical frequency domain reflection, OFDR)技术通过相干检测技术对光纤的后向瑞利散射信号进行频域分析,具有覆盖范围广(数千米),分辨率高(毫米级的分辨率)、灵敏度高(可达-100 dBm)等优点,已成为分布式光纤测量和传感技术中具有广泛应用前景的技术之一[4]。OFDR技术的核心是采用可调谐光源实现对光频进行调谐,因此激光源的性能决定了OFDR探测范围、灵敏度以及分辨率等关键因素,当反射点距离接近相干长度时,其拍频信号的强度将以系数τ/τc呈指数衰减。对于频谱形状为高斯型的光源,若要保证拍频有90%以上的可见度,光源线宽与系统可达到的最大传感长度之间的关系为Lmax~0.04vg/f,这意味着对于长度为80 km的光纤,需要光源的线宽小于100 Hz。此外,其它应用研究的开展对光源的线宽也提出了较高要求,例如:在光纤水听器系统中,光源的线宽决定了系统噪声,也决定了系统的最小可测信号;在布里渊光时域反射仪(Brillouin optical time domain reflector, BOTDR)中,温度和应力的测量分辨率主要由光源的线宽决;在谐振腔光纤陀螺中,压缩光源线宽能提高光波的相干长度,从而提高谐振腔的精细度和谐振深度,降低谐振线宽,保证光纤陀螺的测量精度。
1.2 对扫频激光光源的需求
单波长扫频激光器具有灵活的波长调谐性能,可替代多个输出固定波长的激光器,降低系统的搭建成本,是光纤传感系统中不可或缺的部分。例如,在痕量气体光纤传感中,不同种类的气体具有不同的气体吸收峰。为了保证测量气体足够时的光吸收效率,实现更高的测量灵敏度,需要将传感激光源的波长对准气体分子的吸收峰。能够探测的气体种类本质上是由传感光源的波长决定的。因此具有稳定宽带调谐性能的窄线宽激光器在此类传感系统中具有更高的测量灵活性。又例如在一些基于光频域反射分布式光纤传感系统中,需要将激光器进行快速的周期性扫频,实现光信号的高精度相干探测解调,因此对激光光源的调制速率有比较高的要求,通常需要可调激光器的扫频速度达到10 pm/μs。除此之外,波长可调谐窄线宽激光器还可广泛应用于激光雷达、激光遥感以及高分辨率光谱分析等传感领域。为了满足光纤传感领域对单波长激光器调谐带宽、调谐精度以及调谐速度的高性能参数要求,近年来,研究可调谐窄线宽光纤激光器的总体目标是在追求激光线宽超窄、相位噪声超低、输出频率和功率超稳的基础上,还要在更大的波长范围内实现高精度调谐。
1.3 对白光激光光源的需求
在光学传感领域,高质量的白光激光对系统性能的提升具有重要意义,白光激光器的光谱覆盖范围越宽,其在光纤传感系统的应用就越广泛。例如,利用光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)构建传感网络时,可以采用光谱分析法或者可调谐滤波器匹配法进行解调,前者是利用光谱仪直接对网络中的每个FBG谐振波长进行测试,后者是利用参考滤波器跟踪和校准传感中的FBG,这两种方法均需要宽带光源作为FBG的测试光源。由于每个FBG接入网络均会产生一定的插入损耗,而且具有0.1 nm以上的带宽,因此对多个FBG进行同时解调需要功率高、带宽大的宽带光源。又例如,利用长周期光纤光栅(long period fiber grating, LPFG)进行传感时,由于其单个损耗峰的带宽在10 nm量级,为了准确表征其谐振峰特性,需要带宽足够宽且光谱较为平坦的宽谱光源。尤其是利用声光效应构建的声致光纤光栅(acoustic fiber grating,AIFG),可以利用电调谐方式实现谐振波长的调谐范围达到1000 nm,那么对这种超宽调谐范围的光纤光栅进行动态测试就对宽谱光源的带宽范围提出了极大的挑战。与此类似,近年来,倾斜布拉格光纤光栅在光纤传感领域也得到了广泛应用,由于其多峰损耗谱特性,波长分布范围通常可达到40 nm,其传感机制通常是需要比较多个透射峰间的相对移动,因此需要对其透射谱进行完整测量,对宽谱光源的带宽和功率均提出了较高的要求。
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