基于光纖Sagnac濾波的摻鉺光纖激光溫度傳感系統(tǒng)

孫 蓉,許芮凡

(洛陽(yáng)市質(zhì)量計(jì)量檢測(cè)中心,河南 洛陽(yáng) 471003)

1 引 言

隨著光纖激光技術(shù)的不斷發(fā)展,具有輸出激光線寬窄、高信噪比、環(huán)境適應(yīng)性良好、抗電磁干擾、高穩(wěn)定性[1-4]的光纖激光器在光纖通信、光纖傳感、波分復(fù)用、激光加工、生化醫(yī)療、光譜分析[5-8]等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值和研究意義。近年來,隨著光纖光學(xué)器件制造技術(shù)的不斷提高,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊的高性能摻鉺光纖激光器已經(jīng)成為光纖激光領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

由于存在摻離子均勻展寬效應(yīng),摻鉺光纖激光器通常存在比較嚴(yán)重的調(diào)模現(xiàn)象,造成激光波長(zhǎng)不穩(wěn)定并且難以實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)可調(diào)諧激光輸出,限制了其在光纖傳感方面的應(yīng)用。針對(duì)上述問題,近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了不同的解決方案用以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的激光輸出并將其應(yīng)用于傳感測(cè)試。Zhang Yu等人報(bào)道了采用光子晶體光纖與單模光纖熔接制備光纖Fabry-Perot結(jié)構(gòu),將其作為濾波器實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的單波長(zhǎng)激光輸出,并對(duì)激光器溫度傳感特性進(jìn)行了研究,靈敏度為12.6 pm/℃[9]；Martin-Vela Javier A.等人報(bào)道了一種基于長(zhǎng)周期光纖光柵選頻的摻鉺光纖激光器,并對(duì)其曲率傳感特性進(jìn)行了測(cè)試分析,靈敏度達(dá)到-42.488 nm/m[10]；Zhang Min等人報(bào)道了一種基于摻鉺光子晶體光纖波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器的乙炔氣體光纖激光測(cè)試系統(tǒng)[11]；Zhang Yanan等人設(shè)計(jì)了單模/多模/單模光纖組合的濾波結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了單波長(zhǎng)激光輸出,并將其作為激光器傳感單元實(shí)現(xiàn)了對(duì)氫氣的測(cè)試[12]；Zou Hui等人報(bào)道了一種基于光纖Fabry-Perot探頭選頻環(huán)形腔摻鉺光纖激光器的溫度測(cè)試方法[13]；Yin Bin等人設(shè)計(jì)了基于多模光纖與保偏光纖光柵組合的濾波器,并進(jìn)一步基于該濾波器搭建了光纖激光器,實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度、應(yīng)變以及折射率的測(cè)試[14]；Yu Fen等人報(bào)道了一種基于細(xì)芯光纖Mach-Zehnder干涉濾波結(jié)構(gòu)的環(huán)形腔摻鉺光纖激光器,實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)變和折射率的激光傳感功能[15]；Shao Liyang等人設(shè)計(jì)了基于雙光纖光柵選頻的雙波長(zhǎng)光纖激光器,對(duì)其中一支光柵采用包層腐蝕進(jìn)行曾敏處理,實(shí)現(xiàn)了折射率測(cè)試[16]；Yang Xiufeng等人報(bào)道了一種基于光纖光柵選頻激光器,通過采集激光相位變化實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)傳感檢測(cè)[17]。

綜上所述,為了獲得穩(wěn)定的激光輸出并將其應(yīng)用于傳感測(cè)試方面,通常采用光纖Fabry-Perot腔、光纖Mach-Zehnder結(jié)構(gòu)、光纖光柵以及特殊的光纖濾波器件作為選頻及傳感單元。所采用的特種光纖濾波結(jié)構(gòu)通常機(jī)械強(qiáng)度不高,且制作工藝復(fù)雜,增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度,難以實(shí)現(xiàn)傳感測(cè)試。本文設(shè)計(jì)了一種基于領(lǐng)結(jié)型保偏光纖Sagnac濾波的摻鉺光纖激光器,并將Sagnac環(huán)作為傳感單元,實(shí)現(xiàn)了激光溫度傳感功能。

2 基本原理

設(shè)計(jì)的摻鉺光纖激光器系統(tǒng)原理如圖1所示,該系統(tǒng)采用中心波長(zhǎng)為976 nm的激光二極管提供泵浦光,通過波分復(fù)用器耦合進(jìn)入摻鉺光纖。將分光比為50∶50的1×2端口3 dB光纖耦合器1的兩個(gè)輸出端相對(duì)熔接形成全反鏡結(jié)構(gòu),另一端口與波分復(fù)用器連接構(gòu)成激光器的諧振腔一端,并在全反鏡中熔接一段摻鉺光纖作為可飽和吸收體起到提高輸出激光穩(wěn)定性的效果。同理,將分光比為50∶50的2×2端口3 dB光纖耦合器3的兩個(gè)輸出端相對(duì)熔接形成全反鏡結(jié)構(gòu)構(gòu)成諧振腔的另一端。耦合器3與光譜分析儀相連接用于采集激光器輸出信號(hào)。

圖1 光纖激光器系統(tǒng)原理

如圖2(a)所示光纖Sagnac環(huán)由分光比為50∶50的2×2端口3 dB光纖耦合器2、領(lǐng)結(jié)型保偏光纖以及偏振控制器構(gòu)成。入射光由耦合器分為兩束光分別沿著順時(shí)針和逆時(shí)針傳輸,并且在耦合區(qū)形成干涉。由于Sagnac結(jié)構(gòu)能夠形成梳狀干涉光譜,因此將其插入激光器諧振腔中能夠起到對(duì)輸出激光進(jìn)行濾波的效果。偏振控制器用于調(diào)節(jié)偏振態(tài)從而改變諧振腔內(nèi)增益損耗。光纖Sagnac濾波器反射率R可由公式(1)表示,其中k為耦合器分光比,當(dāng)k為0.5時(shí),光纖Sagnac環(huán)具有全反鏡的效果。對(duì)于Sagnac濾波器,波長(zhǎng)間隔Δλ如公式(2)所表達(dá),其中λ為傳輸光波長(zhǎng);Δn為雙折射系數(shù);L為保偏光纖長(zhǎng)度。

R=4k(1-k)

(1)

(2)

領(lǐng)結(jié)型保偏光纖截面結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示,相較于熊貓型保偏光纖,領(lǐng)結(jié)型保偏光纖具有獨(dú)特的截面幾何結(jié)構(gòu),當(dāng)纖芯受到領(lǐng)結(jié)型應(yīng)力區(qū)應(yīng)力作用時(shí),x軸方向被拉伸,y軸方向被壓縮,具有更大的應(yīng)力區(qū),從而產(chǎn)生更高的雙折射效應(yīng),在保偏光纖中加入Sagnac環(huán)可以提高干涉波形的消光比。

圖2 光纖Sagnac環(huán)結(jié)構(gòu)

當(dāng)保偏光纖受到外界溫度作用時(shí),保偏光纖的應(yīng)力區(qū)發(fā)生熱膨脹效應(yīng)從而產(chǎn)生熱應(yīng)力,導(dǎo)致光纖的快慢軸發(fā)生改變。光譜的相位相應(yīng)發(fā)生改變可由公式(3)表示,其中溫度變化不僅會(huì)引起快慢軸折射率變化導(dǎo)致的相位延遲,也會(huì)引起光纖幾何長(zhǎng)度變化導(dǎo)致的相位延遲,光纖徑向變化較小通?？梢院雎?光譜漂移和溫度變化可由公式(4)表示。

(3)

(4)

由于保偏光纖周圍溫度的變化將導(dǎo)致Sagnac梳狀光譜發(fā)生漂移,且光譜漂移與溫度變化為線性關(guān)系。因此基于Sagnac濾波效果獲得穩(wěn)定的單波長(zhǎng)激光輸出,并進(jìn)一步將Sagnac環(huán)作為溫度傳感單元實(shí)現(xiàn)激光溫度傳感是可行的。

3 分析與討論

首先按照如圖2所示結(jié)構(gòu)搭建了光纖Sagnac環(huán),并對(duì)其光譜特性進(jìn)行了測(cè)試。選用的領(lǐng)結(jié)型單模保偏光纖長(zhǎng)度為2 m,纖芯直徑為9 μm,所選用的耦合器和偏振控制器尾纖直徑均為9 μm,偏振控制器為光纖壓力式結(jié)構(gòu)。如圖3(a)所示,在1540～1570 nm光譜范圍內(nèi)對(duì)光譜信號(hào)進(jìn)行采集,梳狀光譜周期為2.67 nm。當(dāng)保偏光纖長(zhǎng)度為4m時(shí),所產(chǎn)生的梳狀光譜周期為0.26 nm,如圖3(b)所示,由此可見,保偏光纖長(zhǎng)度與梳狀譜周期成反比關(guān)系。

圖3 Sagnac梳狀光譜

接下來按照如圖1所示原理搭建摻鉺光纖激光器。選用長(zhǎng)度為4m的摻鉺光纖作為增益介質(zhì),并將耦合器1和耦合器3分別相對(duì)熔接構(gòu)成諧振腔的兩端。為了提高輸出激光穩(wěn)定性,在由耦合器1構(gòu)成的全反鏡中熔接一段長(zhǎng)度為1 m的摻鉺光纖作為可飽和吸收體,實(shí)驗(yàn)中所選用的摻鉺光纖型號(hào)均一致(Nufern,EDFL-980 HP)。

實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)泵浦功率為36 mW時(shí),首先產(chǎn)生了1558.44 nm單波長(zhǎng)激光輸出,逐漸提高泵浦功率至150 mW,通過調(diào)節(jié)偏振控制器獲得了穩(wěn)定的激光輸出,信噪比高于26.215 dB。此時(shí)將光纖Sagnac環(huán)作為傳感單元進(jìn)行溫度試驗(yàn),溫度由40 ℃升溫至140 ℃,每隔10 ℃對(duì)激光光譜進(jìn)行一次采集,光譜變化如圖4(a)所示,在升溫過程中激光波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng),發(fā)生紅移現(xiàn)象,并且沒有出現(xiàn)激光調(diào)?，F(xiàn)象,激光信噪比高于25.643 dB。對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,在升溫過程中,激光中心波長(zhǎng)由1558.44漂移至1560.6 nm。如圖4(b)所示,通過提取單波長(zhǎng)激光中心波長(zhǎng),繪制線性擬合曲線可知,激光溫度靈敏度為22.3 pm/℃,功率波動(dòng)小于2.753 dB,線性度為0.997。實(shí)驗(yàn)中對(duì)溫度重復(fù)性進(jìn)行了測(cè)試,采集的激光中心波長(zhǎng)漂移如圖4(c)所示,在降溫過程中激光中心波長(zhǎng)發(fā)生藍(lán)移,由1560.6漂移至1558.41 nm,在升溫和降溫過程中顯示出了良好的溫度重復(fù)性。

圖4 激光溫度傳感特性

實(shí)驗(yàn)中對(duì)1558.56 nm單波長(zhǎng)激光的穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試,在室溫條件下,每隔1 min對(duì)輸出激光光譜信號(hào)進(jìn)行一次采集,如圖5(a)所示,在監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)單波長(zhǎng)激光穩(wěn)定輸出,沒有出現(xiàn)模式跳變現(xiàn)象。通過對(duì)輸出進(jìn)行分析可知峰值功率波動(dòng)小于0.962 dB,功率波動(dòng)如圖5(b)所示。在穩(wěn)定性測(cè)試過程中能夠觀察到明顯的梳狀濾波效果。

圖5 單波長(zhǎng)激光穩(wěn)定性

通過調(diào)節(jié)偏振控制器改變激光器腔內(nèi)損耗實(shí)現(xiàn)了1559.48和1562.04 nm雙波長(zhǎng)激光輸出,如圖6(a)所示,雙波長(zhǎng)激光峰值功率分別為26.816和28.407 dB,信噪比優(yōu)于20.887 dB。雙波長(zhǎng)激光間隔2.56 nm,與Sagnac濾波器所產(chǎn)生的梳狀光譜條紋間隔相近,證明了Sagnac梳狀濾波器在激光器中實(shí)現(xiàn)濾波的有效性。實(shí)驗(yàn)中對(duì)雙波長(zhǎng)激光的穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試與分析,其光譜穩(wěn)定性如圖6(b)所示,在10 min監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)沒有觀察到明顯的調(diào)?，F(xiàn)象,激光輸出穩(wěn)定性良好。

圖6 雙波長(zhǎng)激光輸出及其穩(wěn)定性

如圖6(c)所示,1559.5和1562 nm雙波長(zhǎng)激光峰值功率波動(dòng)分別小于0.666 dB和0.905 dB,所設(shè)計(jì)的激光器能夠穩(wěn)定運(yùn)行在雙波長(zhǎng)激光輸出狀態(tài)。

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于領(lǐng)結(jié)型保偏光纖Sagnac濾波的摻鉺光纖激光器,采用光纖耦合器相對(duì)熔接制備光纖全反鏡作為激光器諧振腔的兩端,結(jié)合光纖Sagnac濾波器實(shí)現(xiàn)了單波長(zhǎng)激光輸出,激光器工作閾值為36 mW。將Sagnac環(huán)作為傳感單元進(jìn)行溫度測(cè)試,在40到140 ℃升溫過程中,激光中心波長(zhǎng)發(fā)生紅移現(xiàn)象,波長(zhǎng)由1558.44漂移至1560.6 nm,溫度靈敏度為22.3 pm/℃,功率波動(dòng)小于2.753 dB,線性度為0.997,并且具有良好的溫度重復(fù)性。當(dāng)激光器運(yùn)轉(zhuǎn)在單波長(zhǎng)輸出時(shí),在10 min監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi),沒有觀察到調(diào)模現(xiàn)象,功率波動(dòng)優(yōu)于0.962 dB。通過調(diào)節(jié)偏振控制器激光器能夠產(chǎn)生1559.48和1562.04 nm雙波長(zhǎng)激光輸出,功率穩(wěn)定性優(yōu)于0.666 dB。所設(shè)計(jì)的光纖激光器具有穩(wěn)定性良好、溫度靈敏度較高以及波長(zhǎng)可調(diào)諧的特點(diǎn)在光纖激光傳感方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值。