基于光纖激光器的有源光纖傳感器

來源:光學筆記    關鍵詞:光纖激光器, 傳感器,    發布時間:2019-07-18

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光纖激光器以其易于熱控管理、轉換效率高、輸出穩定、寬增益帶寬、模式選擇簡單且泵浦功率要求低等優點而得到了廣泛的應用。將其用于傳感應用的光纖傳感器具有靈敏度高、可遠程實時監測、抗電磁干擾、耐腐蝕等優點,被廣泛應用于生物化學、工程監控和航空航天等諸多領域。本文簡要介紹了可調諧光纖激光器的發展現狀并距離說明了在應力、折射率、溫度、壓力、聲波及磁場等方面傳感應用的實施方案。


1. 引言

早在1964年Snitzer和Koester首次提出并發明了光纖激光器[1],在70年代由于低損耗光纖[2]和室溫激光二極管[3]的出現光纖激光器得到了進一步的發展。1985年,S.Poole等人利用改進后的化學氣相沉積法制作出了第一個低損耗的摻Nd光纖[4],此后人們開始對各種不同結構和不同摻雜元素的光纖激光器展開了的廣泛的研究。


相較于傳統的固體激光器,光纖激光器具有很多優點。首先,光纖增益介質的幾何形狀本身就具有很大的表面積,腔內產生的熱量很容易散發到空氣或者周圍介質中,不需要設計額外的熱沉而只需使用簡單的冷卻裝置就能夠在較高輸出功率下進行有效的散熱并得到較好的光束質量[5]。其次,光纖激光器由于其具有較長的有源腔長和較細的導引光纖使得電光轉換效率遠高于傳統固體激光器,不需要太高的泵浦功率就可以得到有效的激光[6]。此外,光纖的波導結構對激光光束的限制作用也保證了輸出光束的質量,不容易出現傳統固體激光器經常出現的熱致模式失真的現象。同時,全光纖的結構也不需要自由空間光學元件的使用從而放松了在傳統激光器中嚴格的校準和機械穩定性要求,簡化了激光器結構和使用,有助于實現激光器的小型化,提高激光器的穩定性。上述的這些優點使得光纖激光器在眾多領域都具有很高的科學研究和商業應用價值。


光纖激光器原理示意圖

隨著光纖制造工藝、光纖器件以及高功率泵浦源的不斷發展,光纖激光器在輸出功率、光束質量、輸出光波段、譜寬壓縮和脈沖持續時間等方面都獲得了顯著提升,這也促進了光纖激光器在光纖傳感領域的應用。利用光纖激光器自身具有的優良性質,通過輸出光的變化進行解調可以對待測物理量的進行實時監測。早在1993年,Serge M. Melle等人就提出了一種調節布拉格光柵的光纖激光器應力傳感系統[7],將摻鉺光纖、寬帶反射鏡和光纖光柵組成光纖激光器,其輸出波長即取決于用于應力測量的光纖光柵從而實現一個自供給的光纖激光器應變傳感器。此外,將光纖激光器與布拉格光柵陣列進行組合,還能夠同時對多個位置的物理量變化進行測量,實現覆蓋面更廣、實用性更強的大范圍分布式傳感。上述這些光纖激光傳感器在過去的數十年內發展得相對成熟,并且已經廣泛應用在眾多科學研究和實際生產中。


2. 主要類別

2.1 應力傳感器

應力在生活中非常普遍,對它的監測具有非常廣泛的應用范圍,如大型機械的結構穩定性檢測以及橋梁和隧道等設施的健康監控等都需要對應變進行精密測量。而基于光纖激光器的應力傳感器靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕且實施方案靈活,在應力監測方面被廣泛應用于工程實踐中。

如下圖所示為雙穩頻反饋環路光纖應變傳感器[8],該傳感器頻率范圍可以從準靜態到幾百赫茲,由用于應變傳感的π相移光纖布拉格光柵和作為參考的光纖法布里-珀羅干涉儀組成。系統使用Pound-Drever-Hall技術來產生誤差信號,激光載波和邊帶分別通過兩個獨立的反饋回路鎖定到參考元件和傳感元件。其應變分辨率在0.01-250Hz的帶寬內具有出1/f的特性,在10Hz的頻率下應變分辨率優于0.01nε,動態范圍高達149dB。與傳統的靜態應變傳感器相比,這種傳感器在分辨率和傳感帶寬方面都有很大的提高,可以成為地球物理研究應用中的有力工具。


基于FP腔和隨機鏡的光纖應力傳感器


2.2 折射率傳感器

在生物、化學等學科的研究以及材料制造、醫學檢測等實際應用場合中,對于折射率的檢測一直是至關重要的一個環節。光纖在折射率傳感方面具有很明顯的優勢,它的重量輕、體積小、靈敏度高、帶寬大和抗電磁干擾的特性,吸引了許多研究者的注意。近年來,在光纖激光折射率傳感器的研究方面,也取得了非常顯著的成果。


如下圖所示為一種基于線性腔雙波長摻鉺光纖激光器的折射率傳感器[9],該傳感器的基本結構為線性腔,使用了兩個中心波長相隔小于1nm的光纖布拉格光柵(FBG)。由于兩個FBG具有相同的EDF增益介質,因此會在腔內發生增益競爭。當傳感元件,即一段15mm長的微光纖浸入到待測溶液中時,某一波長的光會發生光功率損耗。兩個FBG在1.300至1.335的折射率范圍內分別具有-231.1dB/RIU和42.6dB/RIU的靈敏度,兩個FBG波長的相對功率變化具有更高的靈敏度-273.7 dB/RIU,由于降低了光源抖動和外部干擾而具有更好的穩定性。這種雙波長增益競爭折射率傳感器由于其高靈敏度和簡單的結構,在化學和生物化學傳感領域具有廣泛的應用潛力。


雙波長光纖折射率傳感器


2.3 溫度傳感器

在溫度傳感方面,如下圖所示為一種基于法布里-珀羅混合腔和隨機鏡組合的光纖激光溫度傳感器[10],法布里-珀羅混合腔是由單模光纖與一小段懸浮芯光纖熔接構成,隨機鏡是由多個瑞利散射沿著色散補償光纖傳播時產生的,是光纖中拉曼增益的直接結果。在該結構中法布里-珀羅腔同時具有激光反射鏡和溫度傳感腔兩個功能。該光纖激光溫度傳感器在 15nm的波長范圍內最大輸出功率大約為4mW,同時可以在200℃的測量范圍內溫度靈敏度達到約6pm/℃。


基于FP腔和隨機鏡的光纖溫度傳感器


2.4 壓力傳感器

在極端環境中如石油或地熱井中溫度高達130℃以上,傳統的電傳感器無法滿足持久的壓力監測需求,與此同時能夠測量液體或氣體壓力的光纖激光傳感器引起了人們的興趣。如下圖所示為用于測量流體靜壓的偏振式法布里-珀羅光纖激光傳感器[11],使用雙折射光纖光柵和兩段橢圓芯摻鉺光纖,基于正交極化和拍頻原理,流體作用在激光腔中的其中一個橢圓芯光纖上,產生兩個正交偏振模式的微分相位的偏移,從而產生相應縱向激光模式的拍頻的變化。另一個光纖的橢圓芯方向具有90°偏移,補償了溫度引起的相移。雙折射光纖布拉格光柵反射器中的色散用于消除給定階次的偏振模式拍頻的近簡并性,該傳感器能夠測試的流體壓力達100MPa。


基于FP的光纖流體壓力傳感器


2.5 聲波傳感器

如下圖所示為一種用于聲波探測的高頻光纖激光傳感器[12],超聲波能夠使光纖激光腔發生形變,引起外差輸出信號的頻率變化。傳感器在22MHz處發生頻率響應,其寬帶聲學傳感靈敏度為2.25MHz/kPa,當采樣率為100 MHz時,噪聲當量壓力達到45Pa。其針對球面波的檢測帶寬達到18 MHz。沿光纖縱向的靈敏度隨激光空間模式而變化,并由光柵和腔這兩個參數決定。在徑向方向上,靈敏度與聲源和檢測器之間的距離的平方根成反比。通過減小腔的長度可以增強聲學靈敏度,短腔可以顯著提高傳感器的光生顯微鏡(PAM)對比度和穿透深度。


基于寬帶光纖激光器的超聲傳感器


2.6 磁場傳感器

如下圖所示是用于磁場檢測的基于磁流體的光纖環形激光傳感器[13],在激光環型腔中接入涂覆有磁流體的單模-無芯-單模光纖結構,可以同時作為帶通濾波器和磁場傳感元件。基于自映像效應,外界磁場改變時會通過作用于磁流體從而改變單模-無芯-單模光纖結構的濾波參數即輸出光譜波長,得到的帶通濾波邊模抑制比為14 dB,插入損耗約為-1.03 dB。當外界磁場增大時,激光波長藍移。在15.9 Oe到222.3 Oe的磁場范圍內傳感靈敏度為12.05 pm/Oe。該傳感器具有高信噪比的輸出光譜、窄帶寬和高Q值等優點。


3. 總結

本文對光纖激光器的發展歷程和研究現狀進行了簡介,并介紹了光纖激光器在不同傳感應用下的傳感結構和實現原理。隨著科學研究和工程應用的需求不斷增加,用于測量各種物理量的光纖激光傳感器得到了廣泛的研究和快速的發展,近年來尤其在聲波和磁場等一些不太常見的領域都有了長足的發展。隨著關于光纖激光器性能的不斷提高,以及更多光纖傳感結構和解調方法的實現,將會產生具有更優性能光纖激光傳感器并廣泛應用到各領域科學研究和實際工程中。


 參考文獻:

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