分布式布拉格反射光纖激光器自混合尾纖調(diào)制技術(shù)

吳　爽,呂　亮

(安徽大學 物理與材料科學學院，安徽 合肥 230601)

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分布式布拉格反射光纖激光器自混合尾纖調(diào)制技術(shù)

吳爽,呂亮*

(安徽大學 物理與材料科學學院，安徽 合肥 230601)

摘要:激光自混合干涉技術(shù)是一種新型測量技術(shù)，其具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、易準直等優(yōu)點，因而廣泛應用于振動測量領域.采用壓電陶瓷尾纖調(diào)制技術(shù)，對分布式布拉格反射光纖激光器自混合干涉系統(tǒng)進行調(diào)制，最終實現(xiàn)了對外界物體振動信號的重構(gòu).重構(gòu)結(jié)果表明，當外界振動物體峰峰值在λ/4到2λ范圍時，重構(gòu)振動信號的峰峰值誤差低于0.3%.

關(guān)鍵詞:自混合；外腔；調(diào)制

利用基于光反饋的激光自混合干涉技術(shù)[1-2]可實現(xiàn)振動、位移、速度及距離的測量等[3-8].激光自混合干涉技術(shù)，因其具有自注入、反饋、調(diào)制等特點，已廣泛應用于各種領域.相比于傳統(tǒng)的雙光束干涉技術(shù)，其具有不依賴激光器的相干長度、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、易準直、成本低、分辨率高等優(yōu)點，在干涉測量領域具有巨大的應用潛力，已成為光學測量領域的研究熱點.在早期激光自混合干涉技術(shù)中，主要采用半導體激光器作為自混合干涉系統(tǒng)的光源，但半導體激光器存在光束質(zhì)量差、遠距離傳輸時發(fā)散角大等問題，不能完全滿足高精度、高靈敏度的測量要求.近年，光纖激光器以其光束質(zhì)量好、散熱快、光電轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢，在激光自混合干涉測量領域得到廣泛應用[9-10].其中，分布式布拉格反射(distributed Bragg reflector，簡稱DBR)光纖激光器以其超短腔長、高靈敏度、易于解調(diào)等優(yōu)勢，逐漸得到研究者的關(guān)注.DBR光纖激光器采用一對中心波長匹配的布拉格光纖光柵組成激光器的諧振腔，此激光器的腔長較短，較短腔長能夠保證較大的縱模間隔，使激光器實現(xiàn)少的起振模式或單縱模輸出[11-13].采用DBR光纖激光器作為激光自混合傳感系統(tǒng)光源，能夠大幅度提高激光自混合干涉測量的測量距離、探測靈敏度和測量精度[14].基于DBR光纖激光器的自混合干涉測量系統(tǒng)，結(jié)合外腔調(diào)制技術(shù)可實現(xiàn)對外界信號頻率及振幅的準確獲取.相比于傳統(tǒng)的條紋計數(shù)法[15]，采用外腔調(diào)制技術(shù)的DBR光纖激光器自混合干涉測量系統(tǒng)能更精確地重構(gòu)外界物體的振動信號.

常見的外腔調(diào)制技術(shù)包括電流調(diào)制技術(shù)、外腔折射率調(diào)制技術(shù)和外腔長度調(diào)制技術(shù).電流調(diào)制主要針對半導體激光器作為光源的激光自混合干涉系統(tǒng)，存在溫漂大、邊模抑制比低、波長連續(xù)調(diào)制范圍小等缺點而采用的技術(shù)[16].在光纖激光器自混合干涉系統(tǒng)中，目前主要采用外腔折射率調(diào)制技術(shù)對自混合干涉信號進行調(diào)制.外腔折射率調(diào)制技術(shù)是通過在外腔放置一個電光調(diào)制器(electro-optic modulator，簡稱EOM)來實現(xiàn)，相比其他調(diào)制技術(shù)，由于對入射光偏振態(tài)敏感且電光晶體價格昂貴，因此該技術(shù)純相位調(diào)制的難度大及成本高[17].為了解決EOM外腔折射率調(diào)制帶來的問題，筆者采用壓電陶瓷(piezoelectric，簡稱PZT)尾纖調(diào)制技術(shù).該尾纖調(diào)制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易操作的優(yōu)點，可通過PZT拉伸光纖以改變外腔長度，最終實現(xiàn)對DBR光纖激光器自混合干涉系統(tǒng)的外腔長度調(diào)制.

1DBR光纖激光器自混合干涉系統(tǒng)尾纖調(diào)制、解調(diào)原理

基于DBR光纖激光器的自混合干涉尾纖調(diào)制模型，如圖1所示.DBR光纖激光器[18-19]使用一對中心波長匹配的光纖布拉格光柵構(gòu)成激光器的諧振腔，使用鉺鐿共摻光纖( erbium ytterbium co-doped fiber，簡稱EYDF)作為激光器的有源介質(zhì).泵浦光進入DBR光纖激光器諧振腔后，稀土離子的能級躍遷使其光放大，在諧振腔中產(chǎn)生激光輸出，輸出的激光經(jīng)外界振動物體反射或散射后，其中一部分返回激光器內(nèi)腔和腔內(nèi)的原始激光發(fā)生干涉，產(chǎn)生激光自混合現(xiàn)象.

圖1　基于DBR光纖激光器的激光自混合PZT尾纖調(diào)制模型Fig.1　The model of laser self-mixing pigtail fiber modulation by PZT based on DBR fiber laser

圓柱形PZT經(jīng)DBR光纖激光器尾纖纏繞后作為外腔長度調(diào)制器，通過加載一個電壓驅(qū)動信號到PZT上，實現(xiàn)對激光器外腔長度調(diào)制.在DBR光纖激光器功率輸出及速率方程[20-21]的基礎上，反饋光引起的DBR光纖激光器的功率波動可表示為

(1)

存在反饋時，反饋光以種子光形式引入并影響線形腔DBR光纖激光器的邊界條件.種子光的功率Pseed為

(2)

其中：η為目標物到準直器的耦合效率；λ為激光器發(fā)射波長；Lext為外界振動物體到激光器出射端面的距離.

由式(1)可知，激光器的輸出功率包含了外界反饋物體的運動信息.對DBR光纖激光器自混合干涉測量系統(tǒng)實施尾纖調(diào)制，可實現(xiàn)外界反饋物體振動信號的整體重構(gòu).在數(shù)值模擬中，尾纖調(diào)制是通過加載一個正弦電壓到PZT上，拉伸DBR光纖激光器尾纖產(chǎn)生一個正弦信號Lm(t)=Amsin(2πfmt+θ)的外腔長度調(diào)制，瞬時外腔長Lext(t)可表示為

(3)

DBR光纖激光器的輸出功率為

(4)

其中：L0是初始外腔長度，Lm(t)為調(diào)制函數(shù)，Am為調(diào)制振幅，θ為調(diào)制初始相位，fm為調(diào)制頻率；Lr(t)為外界反饋面的振動信號函數(shù)，Ar為振動信號的振幅，φ0為振動信號的初始相位，fr為振動信號的頻率.

觀察調(diào)制后輸出功率表達式(4)，可以看出激光器輸出功率隨著調(diào)制信號的引入會出現(xiàn)相應波動.考慮到激光自混合干涉系統(tǒng)一般在弱反饋條件下工作，因此可忽略外腔的多次反饋，此時利用DBR激光器的振蕩條件可得激光器的輸出功率[22]為

(5)

對公式(5)按貝塞爾函數(shù)展開可得

(6)

干涉光強的交流部分可以展開為n次諧波的形式，由此可得光強信號的一次諧波和二次諧波分量.采用傅里葉分析法對自混合干涉信號進行諧波分析，可得相位為

(7)

其中：Jn(4πAm/λ)為關(guān)于調(diào)制振幅的貝塞爾函數(shù)；A1(t)，A2(t)分別為一次諧波和二次諧波的振幅.

2數(shù)值模擬

根據(jù)DBR光纖激光器自混合干涉系統(tǒng)尾纖調(diào)制、解調(diào)原理，對不同振幅的外界物體振動信號進行數(shù)值模擬，并對調(diào)制后的自混合信號進行解調(diào)，重構(gòu)外界物體振動信號.為了和條紋計數(shù)法進行比較，分別對外界物體振動信號峰峰值在半個波長范圍以內(nèi)和以外的兩種情況進行研究.

2.1外界物體振動信號峰峰值不超過λ/2情況下的數(shù)值模擬

DBR光纖激光器中心波長為1 550 nm，外界物體的振動信號振幅Ar為λ/4 (信號峰峰值不超過λ/2)，頻率fr為200 Hz，初始相位φ0為π.調(diào)制信號Lm的調(diào)制振幅Am為400 nm,調(diào)制頻率fm為10 kHz, 調(diào)制初相位θ為0.圖2a, b分別為解包裹前的相位信號和重構(gòu)的振動信號.

圖2　自混合尾纖調(diào)制模擬結(jié)果Fig.2　Simulated results of self-mixing pigtail modulation

由圖2可知，筆者重構(gòu)出了外界物體的振動信號，重構(gòu)的振動信號峰峰值分別為775.08，775.09 nm，和外界物體振動信號峰峰值775 nm的誤差分別為0.08，0.09 nm.

2.2外界物體振動信號峰峰值超過λ/2情況下的數(shù)值模擬

外界物體振動信號振幅Ar為λ/2 (信號峰峰值超過λ/2)，頻率fr為200 Hz,初始相位φ0為π.調(diào)制信號Lm的調(diào)制振幅Am為800 nm,調(diào)制頻率fm為10 kHz,θ為0.圖3a，b分別為解包裹前的相位信號和重構(gòu)的振動信號.

圖3　自混合尾纖調(diào)制模擬結(jié)果Fig.3　Simulated results of self-mixing pigtail modulation

由圖3可知，筆者也重構(gòu)出了外界物體的振動信號.重構(gòu)的振動信號圖形與外界物體振動信號圖形保持一致，未發(fā)生畸變.重構(gòu)出的振動信號峰峰值分別為1 550.33，1 550.35 nm，和外界物體振動信號峰峰值1 550 nm的誤差分別為0.33，0.35 nm.

2.3外界物體振動信號峰峰值在(λ/4,2λ)范圍的數(shù)值模擬及誤差分析

為了進一步研究PZT尾纖調(diào)制技術(shù)對不同峰峰值的外界物體振動信號的重構(gòu)效果，筆者對外界物體振動信號峰峰值從λ/4到2λ，每隔λ/4對外界物體振動信號引起的激光自混合干涉信號進行數(shù)值模擬及振動信號重構(gòu)，并對重構(gòu)誤差進行分析.圖4為重構(gòu)信號峰峰值及重構(gòu)誤差，圖中直方圖為重構(gòu)誤差.

圖4　重構(gòu)的信號峰峰值及重構(gòu)誤差Fig.4　The peak-to-peak value of reconstructed signal and reconstruction error

由圖4可知，在λ/4到2λ范圍內(nèi)外界物體振動信號峰峰值和重構(gòu)的振動信號峰峰值基本一致，重構(gòu)誤差整體低于0.3%.該誤差主要來源于采樣點數(shù)、調(diào)制頻率、采樣頻率等因素.因此，對DBR光纖激光器自混合干涉測量系統(tǒng)采用PZT尾纖調(diào)制技術(shù)，可高精度還原外界物體的振動信號，且測量的分辨率遠高于傳統(tǒng)條紋計數(shù)法的半個波長分辨率.

3結(jié)束語

筆者采用壓電陶瓷尾纖調(diào)制技術(shù)，對分布式布拉格反射光纖激光器自混合干涉系統(tǒng)進行調(diào)制，并對激光自混合信號進行了數(shù)值模擬及外界物體振動信號的重構(gòu).數(shù)值模擬結(jié)果表明，采用壓電陶瓷尾纖調(diào)制技術(shù)后的光纖自混合干涉測量系統(tǒng)，當外界物體振動信號峰峰值在λ/4到2λ范圍時，能夠無畸變地重構(gòu)外界物體的振動信號，振動信號峰峰值誤差低于0.3%，分辨率大于半個波長.該壓電陶瓷尾纖調(diào)制技術(shù)可推廣到采用光纖激光器作為光源的激光自混合干涉測量系統(tǒng)，能提高激光自混合干涉測量系統(tǒng)的測量范圍和分辨率.

參考文獻：

[1]RANDONE E M， DONATI S. Self-mixing interferometer: analysis of the output signals[J]. Opt Express, 2006, 14: 9188-9196.

[2]LIM Y L, NIKOLIC M, KLIESEET R, et al. Self-mixing flow sensor using a monolithic VCSEL array with parallel readout[J]. Opt Express, 2010, 18: 11720-11727.

[3]WANG L, LUO X, WANG X, et al. Obtaining high fringe precision in self-mixing interference using a simple external reflecting mirror[J]. IEEE Photonics Journal, 2013, 5: 6500207.

[4]KLIESE R, LIM Y L, BOSCH T, et al. GaN laser self-mixing velocimeter for measuring slow flows[J]. Opt Lett, 2010, 35 (6): 814-816.

[5]FAN Y, YU Y, XI J, et al. Improving the measurement performance for a self-mixing interferometry-based displacement sensing system[J]. App Opt, 2011, 50 (26): 5064-5072.

[6]GUO D M， WANG M. Self-mixing interferometry based on a double-modulation technique for absolute distance measurement[J]. App Opt, 2007, 46 (9): 1486-1491.

[7]BERNAL O D, ZABIT U, BOSCH T M. Robust method of stabilization of optical feedback regime by using adaptive optics for a self-mixing micro-interferometer laser displacement sensor[J]. IEEE J Q E, 2015, 21: 5300108.

[8]ALEXANDROVA A S, TZOGANIS V, WELSCH C P. Laser diode self-mixing interferometry for velocity Measurements[J]. Opt Eng, 2015, 54: 034104.

[9]BAGNOLI P E, BEVERINI N, FALCIAI R, et al. Development of an erbium-doped fibre laser as a deep-sea hydrophone[J]. Appl Opt, 2006, 8: 535-539.

[10]XIAO H, LI F, LIU Y L. Crosstalk analysis of a fiber laser sensor array system based on digital phase generated carrier scheme[J]. Lighwave Tech, 2008, 26: 1249-1255.

[11]LAROCHE M, KERVEVAN L, GILLES H, et al. Doppler velocimetry using self-mixing effect in a short Er-Yb-doped phosphate glass fiber laser[J]. Applied Physics B, 2005, 80: 603-607.

[12]OTSUKA K. Effects of external perturbations on LiNdP4O12lasers[J]. IEEE J Q E, 1979, 15: 655-663.

[13]LU L, YANG J Y, ZHAI L H, et al. Self-mixing interference measurement system of a fiber ring laser with ultra-narrow linewidth[J]. Opt Express, 2012, 20: 8598-8607.

[14]LU L, CAO Z G, DAI J J, et al. Self-mixing signal in Er3+-Yb3+codoped Distributed Bragg Reflector fiber laser for remote sensing applications up to 20 km[J]. IEEE Photonic Tech Lett, 2012, 24: 392-394.

[15]BEHEIM G，F(xiàn)RITSCH K. Range finding using frequency-modulated laser diode[J]. App Opt, 1986, 25: 1439-1442.

[16]SERVAGENT N, BOSCH T, LESCURE M. Design of a phase-shifting optical feedback interferometer using an electro-optic modulator[J].Topics Quantum Electron, 2000, 6: 798-802.

[17]XIA W, WANG M, YANG Z Y, et al. High-accuracy sinusoidal phase-modulating self-mixing interferometer using an electro-optical modulator: development and evaluation[J]. App Optics B, 2013, 52 (4): 52-58.

[18]LAROCHE M, KERVEVAN L, GILLES H, et al. Doppler velocimetry using self-mixing effect in a short Er-Yb doped phosphate glass fiber laser[J]. App Phys B, 2005, 80 (4/5): 603-607.

[19]YAHEL E, HARDY A A. Modeling and optimization of short Er3+-Yb3+codoped fiber lasers[J]. IEEE J Q E, 2003, 39 (11): 1444-1451.

[20]KARASEK M. Optimum design of Er3+-Yb3+codoped fibers for large-signal high-pump power applications[J].IEEE J Q E, 1997, 33 (10): 1699-1705.

[21]BüTTNER L, PFISTER T, CZARSKE J. Fiber-optic laser Doppler turbine tip clearance probe[J]. Opt Lett, 2006, 31 (9): 1217-1219.

[22]WANG W M, BOYLE W J O, GRATTAN K T V, et al. Self-mixing interference in a diode laser: experimental observations and theoretical analysis[J]. Applied Optics, 1993, 32 (9): 1551-1558.

(責任編輯鄭小虎)

doi:10.3969/j.issn.1000-2162.2016.04.008

收稿日期：2015-10-23

基金項目:國家自然科學基金資助項目(61307098,61275165);安徽大學本科教育質(zhì)量提升計劃項目(ZLTS2015033)

作者簡介：吳爽(1992-)，女，安徽滁州人，安徽大學碩士研究生；*呂亮(通信作者)，安徽大學教授，博士生導師，E-mail:lianglu@ahu.edu.cn.

中圖分類號：O436.1

文獻標志碼:A

文章編號:1000-2162(2016)04-0044-06

Pigtail modulation technology of distributed Bragg reflector fiber laser self-mixing interference system

WU Shuang, LYU Liang*

(School of Physics and Materials Science, Anhui University, Hefei 230601, China)

Abstract:The laser self-mixing interference technology is a novel measurement technology, which has been widely applied in vibration measurement on account of its distinct advantages of simplicity, compactness and self-collimating. In this paper, the piezoelectric pigtail fiber modulation technology was used to modulate the distributed Bragg reflector fiber laser self-mixing interference system. Finally, the reconstruction of external object vibration signal was achieved. The reconstruction results showed that the error of reconstructed vibration signal peak value was less than 0.3%, when the external target peak value was in the range of λ/4 to 2λ.

Keywords:self-mixing interference; external cavity; modulation