光纤传感用激光光源技术
来源:中国光学电子行业网 | 作者:it-101 | 发布时间: 1146天前 | 5550 次浏览 | 分享到:
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。

图 4 (a) 基于瑞利射结合自注入反馈系统结构图;(b)输出功率谱以及其对应洛仑兹拟合线宽

Fig. 4 (a) Schematic diagram of fiber ring laser combing RBS and self-injection feedback; (b) The output power spectrum and its Lorentz fitting linewidth for the narrowest laser linewidth

2.2 单波长扫频激光光源

实现激光器单波长扫频本质上是对激光腔内器件的物理性能(通常是运行带宽的中心波长)的调控,从而实现对腔内的震荡纵模进行控制和选择,以达到对输出波长进行调谐的目的。基于此原理,早在上世纪80年代,可调谐光纤激光器的实现主要通过将激光器的一个反射端面换成反射式衍射光栅,通过衍射光栅的手动旋转调谐实现激光腔模式的选择。1990年,Lwatsuki等人在自由运行的光纤环形激光腔中加入光纤窄带宽滤波器件,首次真正意义上实现了单波长输出的掺铒光纤激光器。在此基础上,Madea等人利用液晶的法珀标准具作为激光模式选择的滤波器,用电调的方式改变液晶滤波器的运行带宽,实现了输出激光在1523 nm~1568 nm范围的波长调谐,而且输出激光的线宽小于100 kHz。1991年,Smith等人首次利用集成的声光可调滤波器,基于声场调控的方式,在中心波长为1545 nm处实现了40 nm的调谐范围,并且单纵模的瞬时线宽仅为10 kHz。同年,美国的Zyskind课题组利用双F-P滤波器在掺铒光纤激光腔中实现了宽带可调谐窄线宽激光输出,输出激光的线宽小于5.5 kHz。2006年,Lin等人改变激光腔输出耦合器的耦合比,在L波段实现了输出激光波长调谐。2013年,Zhang等人利用FP-LD的自注入反馈结构得到线宽为13 kHz的激光输出,该结构用可调谐滤波器将FP-LD形成的多波长中的某个波长选出来然后经过环形腔的循环放大再注入FP-LD,使得选出的这个波长获得高增益,抑制FP-LD其它波长,获得可调谐激光输出。

2011年,Zhu等人利用可调谐滤波器实现单波长的窄线宽可调谐激光输出,并于2016年将瑞利线宽压缩机制用于双波长的压缩,即对FBG施加应力实现双波长激光的调谐,同时对其输出的激光线宽进行监测,获得了波长调谐范围为3 nm,线宽约为700 Hz的双波长稳定输出。2017年,Zhu等人利用石墨烯和微纳光纤布拉格光栅制成全光可调谐滤波器,并结合布里渊激光压窄技术,在1550 nm附近利用石墨烯的光热效应实现了激光线宽低至750 Hz,在3.67 nm波长范围内700 MHz/ms的光控快速精确扫描,如图 5所示。以上的波长调控手段基本上通过直接或间接改变激光腔内器件的通带中心波长以实现激光模式的选择。

图 5 (a) 光控波长可调谐窄线宽激光器的实验装置图及其输出测试系统;(b)随着控制光功率的增加输出光谱的变化

Fig. 5 (a) Experimental setup of the optical-controllable wavelength-tunable fiber laser and the measurement system; (b) Output spectra at output 2 with the enhancement of the controlling pump

窄线宽激光波长调谐技术亦可通过飞秒激光的选模机制获得。飞秒激光的形成是由于许多的激光纵模之间的相位锁定。但是对于其中的某一纵模而言,它本身的线宽远远小于自由运行的激光纵模,可以小到MHz量级。因此如果能在飞秒频率梳中选出其中的单一纵模,便可获得极窄线宽激光输出,而且飞秒激光的宽光谱还可以为激光波长调谐提供很宽的自由度。基于这一思想,2014年,如图 6所示,Al-Taiy等人利用受激布里渊散射的偏振诱导的窄带宽效应成功从重复频率为100 MHz,20 dB光谱宽度为90 nm的光纤锁模激光器中选出了单一纵模,将腔内泵浦激光器的波长偏移作为粗调环节,利用腔外的载波抑制单边带调制器作为精调环节,在整个飞秒频率梳范围内实现了波长的精密调谐,而且实现的激光输出线宽小于100 Hz。2016年,Wang等人利用半导体非线性光放大器中的反向四波混频效应实现了激光的单模运转,并将此放大器与光纤激光腔相结合,通过可调谐滤波器成功输出线宽低于10.1 kHz的窄线宽激光,实现了48 nm范围的波长调谐,其实验装置如图 7所示。随着更多种类的特种掺杂光纤以及更宽带的光纤器件的出现,如掺铥光纤、掺镱光纤等,可调光纤激光器的调谐范围可以得到极大拓宽,已经不仅仅局限于C波段,而且以上所阐述的波长调控以及线宽压缩机制,在其它波段依然适用。例如,Li课题组提出了将掺铥光纤激光腔与全光纤滤波器相结合,在2 μm波段实现了超过200 nm的宽带调谐。

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