（光学专业论文）光纤光栅传感系统光源研究.pdf

摘要 本文对掺铒光纤荧光光源与激光光源进行了研究，设计研制了适用于光纤光栅传 感系统的掺铒光纤光源，并研究了掺铒光纤光源在光纤光栅传感系统中的应用问题。 首先在介绍掺铒光纤荧光光源的应用特点、基本理论、结构与工作特性的基础上， 分析比较了单程前向、单程后向、双程前向和双程后向四种基本结构以及双级双程结 构光源输出光谱的特性，主要研究了不同结构的a s e 光源中各级光纤长度、泵浦功 率及光纤圈反射器等各种参量对光源的输出功率、平均波长、光谱平坦度及功率稳定 性等性能的影响以及光源结构设计在改善输出光谱方面的作用。实验中，分别采用单 级双程后向结构和双级双程后向结构自行制作了c 波段a s e 光源和c + l 波段a s e 光源，并已应用于光纤光栅传感系统，其中c 波段典型光谱功率为3 0 g r o w 、3 d b 带 宽为3 3 4 $ n m 、中心波长1 5 4 5 ，0 0 n m 、平坦度小于2 d b ，c + l 波段典型光谱功率为 3 3 5 m w 、3 d b 带宽为7 5 0 r i m 、中心波长1 5 6 3 。7 6 r a n 、平坦度小于2 d b 。光源连续工 作7 2 小时以上，其性能达到光源设计要求，输出功率稳定性优于o 5 c l b m 。可较好地 满足分布式光纤光栅传感、无源器件测试等场合的应用。 其次，在研究掺铒光纤激光器基本工作原理与结构基础上，对环形腔掺铒光纤激 光器的输出特性进行了实验研究。并对影响输出特性的参量进行了优化，最终得到了 峰值波长为1 5 5 2 6 2 5 n m ，功率为1 0 2 r o w ，3 d b 带宽为0 0 4 7 2 n m ，边模抑制比( s m s r ) 为5 4 4 7 d b m 的激光输出。实现了基于温度调谐f b g 反射波长而调谐激光器输出波 长，在2 0 3 2 - 1 7 0 3 2 的温度范围内实现了1 5 4 7 7 n m - 1 5 5 6 5 r i m 波长范围内的激光输出， 其调谐线性度高达9 9 9 6 ，光谱3 d b 带宽均小于o 0 5 r i m ，2 0 d b 带宽均小于0 0 9 r i m ， 边模抑制比大于5 0 d b ，功率稳定性优于0 2 d b r a 同时结合承担的科研项目，介绍了掺铒光纤荧光光源与激光光源在f b g 传感检 测系统中的应用特点、存在的问题及解决的技术方案，提出了一种新的基于可调谐 掺铒光纤激光技术的激射波长检铡技术方案，在温度和应交的检测中，预期分辨力 可达0 1 和l 肛，适用于分布式光纤光栅传感检测系统。 v 最后，结合研究情况指出了论文研究的不足之处，明确了下一步的研究目标及 解决的问题。 关键词；掺铒光纤荧光光源光纤激光器光纤光栅传感波长调谐温度 a b s t r a c t t h ee r b i u n - d o p e df i b e rf l u o r e s c e n ts o u r c ea n dl a s e rs o i i r c cw 骶s t u d i e d , a n dt h e e r b i t m - d o p e df i b e rs o u r c es l l i t i n gf o rt h ef i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) s e n s i n gs y s t e mw a s d e s i g n e d s i m u l t a n e o u s l yt h ep r o b l e ma b o u tu s i n gt h ee r b i u n - d o p e df i b e rs , o u r c c ( e d f s ) i nf b g s e n s i n gs y s t e mw a ss t u d i e d f i r s t l y , b a s e do ni n t r o d u c i n gt h ee r b i u m - d o p e df i b e rf l u o r e s c e n ts o u r e e d f f s ) a b o u ti t sc h a r a c t e r i s t i c s ，b a s i ct h e o r y , s l a t t e t u r ea n do p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，a n a l y z c da n d c o m p a r e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es o u t so u t p u ts p e c t r u ma b o u tf o u rb a s i cs t r u c t u r eo f s i n g l e - p a s sf o r w a r d ( s p f ) ，s i n g l e - p a s sb a c k w a r d ( s p b ) ，d o u b l e - l 均s sf o r w a r d ( d p f ) ， d o u b l e - p a s sb a c k w a r df o b f ) ，a n dd u a l s t a g ed o u b l e - p a s ss t r u c t u r e i nd i f f e r e n ts t r u c t u r e a s e ( a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n ) ls o u r ，p r i m a r i l ys t u d i e dt h ei n f l u e n c et ot h e o u t p u tp o w e r , t h ea v e r a g ew a v e l e n g t h , s o e c t r a lf l a t n e s sa n dp o w e rs t a b i l i t y , w h i c hc a u s e d b ) rt h a tp a r a m e t e r so ft h ed i f f e r e n tf i b e rl e n g t h , p u m pp o w e r , f i b e rl o o pr e f l e c t o r a n d s t u d i e dt h ef u n c t i o ni ni m p r o v et h eo u t p u ts p e c t r u mb yd e s i g n i n gd i f f e r e n ts m l e t u r e i n e x p e r i m e n t , a d o p t e dt h es i n g l e - s t a g ed o u b l e - p a s sb a c k w a r ds l a l c t u r e a n dt h ed u a l - s t a g e d o u b l e - p a s sb a c k w a r ds t r u c t u r et op r o d u c ec - b a n da s e s o u r c , ea n dc + l - b a n da s es o u i c c t h ee d f s sh a db e e nu s e di nf b g s e i n i n gs y s t e m t h e r e sa c b a n ds p e c t r u mw i t l lt h e t y p i c a lp o w e ro f3 0 8 r o w , 3 d bb a n d w i d t hw a s3 3 4 8 r i m , c e l l t e rw a v e l e n g t h w a s 1 5 4 5 o o t l m , t h ef l a t n e s sw a sl e s st h a n2 d b t h ec + l - b a n dw i t ht h et y p i c a lp o w e ro f 3 3 5 r o w , 3 d bb a n d w i d t hi s7 5 o h m , c e n t e rw a v e l e n g t hw a s1 5 6 3 , 7 6 n m , t h ef l a t n e s sw a s l e s st h a n2 d b a t t e rw o r k i n gl l l o l t ct h a n7 2h o u r s ，i t sp e r f o r m a n c ec o m eu pt ot h el i g h t d e s i g nr e q u i r e m e n t s t h eo u t p u tp o w e rs t a b i l i t yw 笛b e t t e rt h a no 5 d b m i tc a l lb e t t e rm e e t t h ea p p l i c a t i o n so f d i s t r i b u t e df b gs e n s i n g , p a s s i v ed e v i c et e s t i n go rs o l n co c c a s i o n s s e c o n d l y , b a s e d0 1 1s t u d i n gt h ew o l k i n gp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo f t h ee r b i u m - d o p e d f i b e rl a s 砸d f l ) ，t h eo u t p u ts p e e m m ac h a r a c t e r i s t i c so ft h ee r b i u m - d o p e df i b e rr i n g t a s 雌o f r l ) w a ss t u d i e d , a n dt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fe d f r l w e l eo p t i m i z e c l f i n a l l ya c h i e v e dt h eo u t p u t 叩嘲蛐w i t hp o w e ro f1 0 2 r o w , t h ep e a l 【w a v e l e n g t hw a s 1 5 5 2 6 2 5 n m , t h e3 d bb a n d w i d t hw a so 0 4 7 2 n m ，t h es i d e m o d es u p p r e s s i o nr a t i o ( s m s r ) w 勰5 4 4 7 d b m r e a l i z e dt u n i n gt h eo u t p u tw a v e l e n g t ho ff i b e rl a s e rt h r o u g l at u n i n gt h e w a v e l e n g t ho ff b g w i t ht e m p e r a t u r e i n2 0 ( 2 - 1 7 0 ct e m p e r a t u r er a n g ew er e a l i z e dt h e l a s e ro u t p u t st h a tw a v e l e n g t hw 懿f r o m15 4 7 7 r i m1 01 5 5 6 5 a m i t st u n i n gt i n e a r i t y r e a c h e sa sh i g h 鹤9 9 9 6 ，t h es p e e l r u m3 d bb a n d w i d t hw a ss m a l l e rt h a no 0 5 n m ，2 0 d b b a n d w i d t hw a ss m a l l e rt h a no 0 8 n m ，t h es m s rw a sb i g g e rt h a n5 0 d b m ，t h ep o w e r s t a b i l i t ys u r p a s s e do 2 d b m 。 s i m u l t a n e o u s l yb a s e do nu n d e r t a k i n gr e s e a r c hi t e m , i n t x o d u e e dt h ea p p l i c a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fe d f f sa n de d f l s ，t h ee x i s t i n gp r o b l e ma n dt h es o l u t i o nt e c h n i c a l m e t h o di nt h ef b gs e n s i n ge x a m i n a t i o ns y s t e m an o v e ld e t e c t i n gt e c h n o l o g yw i t l ll a s i n g w a v e l e n g t hw a sp r e s e n t e d , w h i c h sb a s e do nt u n a b l ee d f lt e c h n o l o g y i nt e m p e r a t u r ea n d s t r a i ne x a m i n a t i o n , t h ea n t i c i p a t e ds y s t e mr e s o l v i n gp o w e rc o u l dr e a c h0 1 a n d1 肛， w h i c hs u i t a b l ef o rt h ed i s t r i b u t i o n a lf b g s e n s i n ge x a m i n a t i o ns y s t e m f i n a l l y ，t h es h o r t a g e so ft h es t u d yw e r ea n a l y z e d , w h i c hd e f m i t i z e dt h et a r g e ta n d t h e p r o b l e mt ob es o l v e di nt h ef u t u r es t u d y k e yw o r d s ：e r b i u n - d o p e df i b e r ( e d f ) f l u o r e s c e n ts o u r f i b e rl a s e r f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) s e n s i n g w a v e l e n g t ht u n i n gt e m p e r a t u r e 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学 位期间论文工作的知识产权单位属于西北大学。学校有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。 学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时，本人保 证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：皇：隧盈l指导老师签名： 少7 年月日 西北大学学位论文独创性声明 g b8b 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了本文中特别加以标注和致谢的地方，论文 中不包括其他人已经发表或撰写过的成果，也不包括为获得西北大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 建2 鏖旦：f 加7 年f 月日 光纤光栅传感系统光源研究 第一章绪论 1 1 引言 伴随信息化时代的到来，信息科学技术必将成为现代科学技术的核心，特别是计 算机与遥信网络的发展已经开始改变人类社会的面貌。人类的活动要超越疆域的局 限，必然依靠国际范围的信息网络化，信息通过传感获取、网络传播、计算机处理， 作为社会机体的灵魂，正渗透到社会细胞的每一个角落，发挥着瞬息万变的调节功能。 信息化的到来，首先归功于电子学技术的发展。但电子作为信息的载体，在信息 传输的容量、处理的速度、提取交换的实时性和灵活性及信息传输与共享的安全性方 面受到了固有特性的局限，其运行能力已表现出严重的“瓶颈”效应人们便将眼光移 到了光子身上，光子学技术孕育而生，成为继电子学技术上之后的信息高科技的支柱 技术，光电子技术已成为支撑未来信息技术的脊梁，成为信息产业的支柱。 以光子或光波代替电子或电磁波作为信息载体是超高速率和超大容量现代信息 ： 科技发展中的必然选择。光纤通信技术作为光电子技术的一个重要应用，得到了越来 越快的发展，成为当今信息技术发展的一个标志。而作为传输信息的最佳选择媒质一 光纤无疑是信息网络化的基础。它以光子或光波代替电子或电磁波作为信息载体，传 输中具有良好噪声控制、更小的信号衰减、更高的带宽以及光纤尺寸小和重量轻等无 与伦比的优点，这使光纤通信技术在几十年里从研究热点迅速成为极具活力的庞大产 业。光纤通信的诞生和发展是通信史上的一次重要革命，与卫星通信、移动通信并列 为2 0 世纪9 0 年代的三大通信技术，并得到迅猛发展。通信用的光纤在全球正在以每 秒1 0 0 0 米的惊人速度增长，这对人类社会信息化发展起到了巨大的推动作用。早在 1 9 6 6 年英籍华人高锟提出，人们应该能够发送高速信息脉冲到一根纤细的玻璃丝中 的概念，并且作了一系列试验，证明这是可以实现的1 9 7 0 年美国康宁公司生产出 的低损耗光纤，使得对光波导的衰减从1 0 0 0 d b k m 下降到2 0 d b k m ，同时室温下连 续工作的半导体激光器( c r a a l a s 半导体激光器) 获得了突破性进展，从而揭开了光 纤通信的序幕。这些事使人们不仅提出了光纤通信概念，而且在这以后光纤通信技术 获得了很快的发展。 在信息获取领域，光子技术更是充分显示出它不可替代的地位。信息的获取和载 入是未来国家信息基础设施中的重要组成部分反映了社会和物质运动状态的信息， 可以通过声、图、文、数据的表达而反映出来，物质的运动状态通常伴随有光场、电 光纤光摄传感系统光源研究 磁场、声场、热场和应力场等的出现，它们的存在可以使某种材料或器件的物理、化 学等特性发生变化，通过对这种变化的测量就能察觉物质的存在、运动或变化状态， 这种器件称为传感器。光纤传感实际上就是把外界信号按照其变化规律对光纤中的光 波的物理特征参数，如强度( 功率) 、波长、频率、相位和偏振态进行调制，然后通 过解调后进行数据处理，因此光纤传感技术便是以光纤作为信息传感与传输器件的一 种崭新的传感技术，它是伴随着光纤通信技术和纤维光学的发展而产生的一种新型的 光电子学技术，和所有的传感技术一样它是- - 1 9 综合性很强的交叉学科，涉及到纤维 光学、非线性光学、激光技术、微电子技术、精密机械与仪器技术、计算机技术、通 信技术、信号与图像处理技术等多个学科及领域【”】。与传统传感器相比，光纤传感 器具备其它传感器无法比拟的诸多独特优点，可以解决许多传统传感器无法解决的问 题，因此自从问世以来，就被广泛应用于医疗、交通、电力、机械、石油、化工、民 用建筑以及航空航天等各个领域。自从本世纪7 0 年代中期产生以来。经过2 0 多年的 研究开发，光纤传感技术的商业开发条件也日益成熟，已从实验室研究走向实用化， 不断有新型光纤传感仪器投入实际应用，并形成了产业，其社会经济效益与日俱增。 1 2 光纤光栅传感技术研究现状与发展 在光纤传感技术发展的过程中，诞生了一种更新颖、更具有光纤本征特性的新型 传感技术一光纤光栅传感技术，与传统的强度调制型或相位调制型光纤传感器相比， 光纤光栅作为传感器可进一步提高测量精度，减少了光强变化对测量信号的影响。由 于光纤光栅传感的显著特点及其潜在的巨大优势，在短短的十几年里对光纤光栅的传 光机理及制作已有了深入的研究。 在国外，光纤光栅传感倍受重视，已经广泛应用于民用工程、航空航天业、船舶 航运业、石油化工业、电力工业和核工业等方面，并且取得了持续快速的发展。民用 方面的应用当数桥梁的安全监测。加拿大是制造光纤光栅的起源地，其卡尔加里附近 的b e d d i n g t o nt r a i l 大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之- - ( 1 9 9 3 年) ， 1 6 个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和炭纤复合材料筋上，对桥 梁结构进行长期监测。1 9 9 8 年佛蒙特大学的一个研究小组采用2 8 个光纤光栅传感器， 安装在俄勒冈哥伦比亚河谷上的h o r s e t a i lf a l l 桥的混凝土梁上，并每月用便携式光谱 仪测量一次数据。1 9 9 9 年美国新墨西哥l a sc r u c e s1 0 号州际高速公路的一座钢结构 2 光纤光栅传感系统光源研究 桥梁上安装了多达1 2 0 个光纤光栅的传感网络，用于监测动态载荷下的结构退化和损 坏。美国海军研究实验室是光纤光栅传感器应用方面领先的机构之一，他们和瑞士应 力分析实验室合作，在洛桑附近的高架桥的建造过程中，使用了3 2 个光纤光栅对箱 形梁的准静态应变进行监测，并采用扫描滤波系统进行信号解调，取得了很好的效果。 在欧洲的s t a b i l o s 计划中，一种基于宽带掺铒光纤光源和可调滤波器的光纤光栅 传感系统设计用于矿井主梁的长期静态位移测量，另一种用滚动干涉滤波器进行解调 的光纤光栅传感网络用来监视瑞士的m o n t - t e r r i 隧道。美国s y s t e m s p i 删0 & a n n 越s i s i n c 正开发基于光纤光栅传感和数字通信技术的开放式体 系结构健康结构监测系统，并已研制出一种使用数字空间波长域复用技术的解调装 置，能以2 k h z 的取样率对多达1 2 0 个分离光纤光栅进行低成本查询。航天航空方面， 使用先进的复合材料来制造航空航天器件( 如机翼部件) 是必然的趋势。s m a r tf i b e r s l i d 为飞机和航天器提供埋有光纤光栅传感器的复合材料灵巧结构，以利于器件使用 的监测、结构的损伤探测、设计信息的搜集以及智能控制等；医学应用方面，光纤光 栅传感器能通过最小限度的侵害方式对人体和生物组织功能进行内部测量，提供有关 温度、压力和声波场的局部精确信息。此外，光纤光栅传感因其本质安全性而非常适 于在石油化工业领域应用永久连续的井下传感有利于油田的管理、优化和发展，目 前只有少数的油井使用了永久连续井下油田监控系统，而且主要是电类传感器，高温 操作和长期稳定性的要求限制了电类传感器的应用。光纤光栅传感器因其抗电磁干 扰、耐高温、长期稳定并且抗高辐射非常适用于井下传感，挪威的o p t o p l a n 正在开 发用于永久井下测量的光纤光栅温度和压力传感器。“随钻随测”系统对钻井作业是非 常有利的，w d s 等人用光纤光栅制成一个井下光纤光栅调制器，用来跟踪钻井过程 中绞盘头的幅度变化。有入在海上钻井平台的复合材料索链中安装光纤光栅传感器用 来测试链棒的强度和疲劳。美国的c i d r a 和英国的s m a r t f i b r e s l t d 都在将光纤光栅传 感技术应用于海洋石油平台的结构监测。 目前，我国对光纤光栅技术研究总体而言处于研究开发阶段，研究成果效益化及 实际应用还不够完善国家对光纤光栅技术的出现和发展非常关注，“8 6 3 ”计划和自 然科学基金以及其他一些基金项目给予了一定力度的支持“八五”期间国家基金委就 布置了若干与之相关的重大基金项目，并且投资力度逐渐加大。到现在为止，数量上 已形成了一定规模，水平上已经上了新的层次。清华大学在1 9 9 6 年提出了波长扫描 光纤光栅传感系统光源研究 光纤b r a g g 光栅及其传感特性的研究，对光纤光栅制作做出了具体研究，对光纤b r a g g 光栅具体性能进行了较为深入的研究与实验，提出了利用光纤光栅实现温度和应变同 时区分测量的构想和连续波调频技术在气体成分测量中应用的研究；南开大学提出了 宽带光源，光纤光栅封装技术，以及适用于光纤光摊应用的光纤放大器等研究方向， 其现代光学研究所在光纤光栅通信和传感方面已有深入的研究，在国内外科研期刊上 发表大量文章，形成实力强大的科研梯队：华中科技大学、武汉邮电科学院、哈尔滨 工业大学，吉林大学等单位都在应用光纤光栅这种特殊光学智能传感器实现分布式测 量的方向上作了大量工作。此外，我国对紫外写入光栅的研究也十分重视，1 9 9 6 年 国家基金委作为重大基础研究课题已首批立项，南开大学、北京大学，上海光机所已 率先开展了光纤光栅的研究。清华大学、北京光电子工艺中心、北方交通大学、重庆 大学、武汉邮电科学院等单位，在光纤光栅制备以及光纤光栅传感器研究中也作了出 色的工作。吉林大学自1 9 9 5 年初开始至今一直致力于光纤光栅的制作及应用的研究， 目前在光纤光栅制作工艺上已经逐步趋于成熟，并具备了批量生产能力。 在传感信号解调技术方面，由于光纤光栅传感是将待测量信息调制到窄线宽反射 光的中心波长上，解调的核心任务是信号光波长的位移量检测，其技术难点在于信号 光功率微弱、微小波长位移量检测、多点复用时传感光栅覆盖的波域带宽很宽，从而 要求解调装置引入的噪声小、波长分辨率高以及带宽要宽，增加了解调系统的复杂性 和成本。尽管采用高精度光谱仪对光栅传感信号进行光谱分析是一种有效的解调方 法，但光谱仪价格高、信息的输出显示不直观，难以满足实际应用的需求。另一方面， 解调应将编码波长信息转化为电信号以便处理输出，而探测器接收光信号时对波长不 敏感；同时，f b g 反射谱可近似看作为高斯型分布，反射光信号具有线宽较窄 ( 0 0 7 0 6 r i m ) ，功率低等特点，所以适于寻求特殊的解调技术，人们研究并提出了许多解 调方法，如c c d 光谱分析法，可调谐滤波扫描法，干涉仪转化法等。然而，到目前为止 还没有一种解调方案能同时满足高分辨率、动态与静态参量结合测量、多点复用检测 且成本不高的实用化要求。朝着这个目标，解调技术的实用化研究工作仍在继续开展 着。近几年，时有新的解调方案出现，如高双折射率啁啾光栅检测法、准外差相干检 测法等，主要是以降低成本和动静结合检测为目的而进行的新解调方法探索。此外， 设计适合于特定场合的解调系统，也已成为当前光纤光栅传感应用领域的核心研究任 务，所有这些成就都极大的促进了我国光纤光栅智能传感技术的发展。 4 光纤光栅传感系统光源研究 1 3 掺铒光纤光源的研究背景 光纤光栅传感系统基本上由光源、f b g 传感器件、信号解调处理部分和传输光 纤组成( 如图1 一l 所示) 光波经光纤传输到传感头，光波的某些特征参量在传感头 内被外界物理参量所调制，含有被调制信息的光波经出射光纤传输到信号解调与处理 系统，经解调后就能得到被测量物理量。光信号中能被解调的参量也相当多，包括光 的强度、相位、多普勒频移、偏振态、波长等。由于光波的频率相当高( 1 0 1 2 _ 1 0 1 4 k ) 且是一种二维信号载体，所以它能传感和传输的信息量极大。 传输光纤 传输光纤 图1 - 1 光纤光栅传感系统原理图 当前光纤光栅传感技术的发展趋势及在实际应用中需要解决的问题主要有：光源 的宽带化和提高输出功率，开发高效低成本的信号解调系统，对光纤光栅进行增敏技 术处理以提高光纤光栅的响应灵敏度使其实用化，进行多参量区分测量和进行波分复 用、时分复用的多路传感阵列研究以实现光纤光栅的网络化传感。目前我们实验室主 要研究工作便是基于此展开的。光源是光纤光栅传感系统的最基本的源头部分，自从 掺铒光纤诞生那一刻起，人们一直未曾停止对它的研究。掺铒光纤光源 4 - s l 包括许多 种，从大的范围讲，掺铒光纤荧光光源、掺铒光纤激光器和掺铒光纤放大器，它们大 致上具有相同原理及结构，我们主要关注的是掺铒超荧光光源( e d s f s ) 也称之为 a s e ( a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n ) 光源和掺铒光纤激光器( e d l 也) 。它们是伴 随着掺铒光纤放大器( e r b i u m d o p e df i b e r a m p l i f i e r - - e d f a ) 出现而出现的可应用于 不同场合满足不同要求的新型光源，主要应用在光纤通信w d m 及d w d m 网络、光 纤传感、光纤陀螺、光学器件的光谱测和相干光学成像等方面，并且在很多领域开始 取代传统的光源。我们主要研究适用于光纤光栅传感系统的高性能光源，提高输出功 率、平坦度、稳定性和带宽。 。 在掺铒光纤光源出现以前，主要用l d 、l e d 、s l d 等作为光源，它们光谱窄、 功率极低、稳定度差，而在光纤无源器件生产测试及众多光纤传感器和光纤探测器中， 一般都需要时间相干性低的宽带超荧光光源。目前商用的宽带光源多为超发光二极管 ( s l d ) ，但s l d 韵寿命较短、波长稳定性差、输出功率低、空间相干性差、与单模光 纤的耦合效率低。掺稀土元素光纤技术的日益成熟以及抽运机制的快速发展，为人们 光纤光栅传感系统光源研究 提供了一种方便可靠的宽带光纤光源。与s l d 相比，掺稀土元素光纤中产生的放大 自发辐射( a s e ) 具有温度稳定性强、荧光谱线宽、输出功率高，使用寿命长等特点， 在光纤传感系统( 如光纤陀螺仪) 和某些信号处理、光学分析和医用光学等领域有广 泛应用。而通过在光纤中掺杂不同的稀土元素，如e ，、n d 3 + 、y b 3 + 、p 一、t m a + 等， 可以很方便地获得众多波段的超荧光输出，以满足各种不同应用的需要。 掺铒光纤荧光光源按照结构来分可以分为四种基本形式：单程前向或后向( s p f 或s p b ) 、双程前向或后向( d p f 或d p b ) ，早期的研究大都采用单程结构以避免产 生激光的可能性，但是双程结构的光源( d p s f s ) 有助于提高效率，因而得到了比 较多的研究。如美国海军研究室的d m d a g e n a i s 提出并研究了一种双级后向结构的 光源，这种结构的第一级( 种籽光源) 是由一个l o & n w 激光器抽运的单程后向结构 的s f s ，掺铒光纤( l u c e n t - h g 9 8 0 ) 的长度为3 2 m ，第二级是由2 w 大面积激光器泵 泵浦一段3 5 m 长的e r - y b 双包层光纤作为放大器，最终得到的输出功率为 2 2 0 2 4 0 r o w ，带宽为1 8 - 2 8 n m ，波长稳定度为1 - 1 0 p p m 的高功率高稳定度光源。然而 由于在第二级中需要大功率的激光器，因而在实际的应用系统中会出现一些问题。 国内对光纤光源的研究起步比较晚，有关的报道也比较少。1 9 9 6 年，报道了王 劫等人对掺n d 氟化物玻璃光纤中的双程前向超荧光进行的分析，从实验上探讨了超 荧光的输出特性、宽带特性和超荧光激发特性等，实验得到的超荧光输出功率为 8 m w ，带宽7 5 r i m ，中心波长7 9 5 n m 。中国科技大学的沈林放博士将美海军研究室的 上述结构进行改进，将一个9 8 0 r i m 半导体激光器的输出用一个耦合器分成两部分， 得到波长较为稳定，且具有较大荧光功率输出的光源，并且详细分析了该光源的特性， 还对掺铒光纤光源的物理过程进行了数值模拟，并给出了双程后向超荧光光源特性的 理论分析。汉城大学的j h l e e 等人提出一种利用单程后向荧光抽运一段掺铒光纤， 利用该光纤的前向输出荧光作为种子光，从而得到1 5 4 0 1 6 2 0 h m 波长范围的超荧光 输出，输出功率为6 r o w 左右，但在他们的试验中，采用的e d f l 的长度为1 3 5 m ， e d f 2 的长度为2 0 0 m ，如果要进一步提高输出功率，其掺铒光纤的长度要进一步延 长，使得光源的成本相当高。在2 0 0 0 年中国科技大学钱景仁等人宣读了他们提出并 在实验上验证的一种双级双程前向输出结构的掺铒光纤光源结构，并称通过该结构合 理选择参数能得到高稳定度、高功率、宽带宽的荧光输出，论文并同时收录在光子学 报中。贝尔实验室的r e e s p i n d o l a 等人几乎在同时提出了相近的双级双程光源结构， 6 光纤光栅传感系统光源研究 与前者区别在于前者采用了前向输出，而他们采用了后向输出，并在两级之间加上了 滤波器得到了非常好的效果，带宽为$ o n m ，输出功率达2 0 r o w 。 伴随激光技术及掺杂光纤放大技术的发展，可调谐掺铒光纤激光器由于可用带宽 较宽、功率高、线宽窄、与光纤元件天然兼容等特点也成为研究的热点 9 - 1 2 ，研究工 作不断的取德新进展并逐步实用化。同时伴随相关技术的不断发展，不仅使其成为高 速大容量密集波分复用( d w d m ) 光纤通信系统的理想信号载体，而且成为光纤光 栅传感系统的检测光源，基于光纤激光器技术的传感系统不但可实现单点传感检测， 而且可以通过波长扫描实现多点分布式光栅阵列的传感检测，具有方法简单、信噪比 高、可靠性高等特点，并且随着窄带滤波技术及其相关技术的进一步发展，基于可调 谐光纤激光器的波长检测技术将有望成为最具有发展潜力的光纤光栅传感检测技术 方法【1 3 l 。 1 4 ：课题来源与意义 本文的选题来源是陕西省光电传感测并重点实验室的科研项目，主要围绕研制高 性能光源及保证信号高质量长距离传输展开工作的，目的是开发出一套光纤光栅智能 化传感检畏8 系统。在实施项目过程中，结合实验室的现有条件，我们针对与项目相关 的掺铒光纤光源进行了相关的理论和实验研究。 ， 光纤光栅传感系统在输油气管线腐蚀及裂缝分析、油气田勘探开发、地质勘探、 生产测井、油气井管柱受力分析等方面具有重要的应用前景和广阔的市场。中国在役 长距离油气输送管道总长已超过2 万公里，目前在建和拟建的管道总里程也有数千多 公里，城市天然气管网更是在前所未有的速度发展。近年来，国内管道腐蚀造成的事 故时有发生，因漏油、停输、污染、抢修等造成的损失，每年都以亿元计算。目前世 界上5 0 以上的管网趋于老化；我国的原油管道也有近一半已经运营了2 0 年以上， 由于腐蚀、磨损、意外损伤等原因导致的管线泄漏时有发生。国内检测油气管道每公 里6 5 0 0 元人民币计算( 国外提供此类服务每公里1 万美元) ，检测费用和设备费用不 到国外费用的十分之一我国在役油气管道总长两万公里多，在建和拟建十余条管道 有数千公里，每年有几千万元的检测市场需求。全世界拥有油气干线管道百余万公里， 拥有巨大的国际市场。管道在线检测设备在国际上属于垄断技术，仅有国外几家公司 掌握，设备菲常昂责，每套标价几百万至上千万美元。光纤光栅传感技术在国内市场 7 光纤光栅传感系统光源研究 的应用，将为国家节约大量外汇。因此开展的研究工作在油气输送管道检测和油气田 测井中具有广阔的应用市场前景。高性能传感系统的开发对光源的研究也提除了更高 的要求，光纤光栅传感解调过程中光源功率越高，稳定度越高，解调难度便相对小一 些，同时有利于降低成本。国内许多机构在进行光源的研究工作，国家也将光源方面 的许多项目作为重点支持项目，如清华大学在掺铒光纤激光器、武汉邮电科学研究院 在掺铒光纤放大器项目上都得到过国家8 6 3 的资助，中国科技大学的用于高精度光 纤陀螺的掺铒超荧光光源研究工作也获得过“8 6 3 ”的支持。我们实验室主要是围绕光 纤光栅传感系统的开发与应用而展开的。特别是随着整个研究的不断深入开展，在应 用过程中分布点数目的增多以及传输距离等问题，对光源的功率、带宽、平坦度方面 都提出了较高的要求。同时，为新一代集成性解调系统打基础，将光源和解调系统各 自的优点结合起来，开展了基于可调谐激光器技术的解调系统方案的设计、论证与实 验，为现场的一些超长距离应用做了一定技术积累。 在近几年实验室已结题及目前承担的主要科研项目：国家高技术研究发展计划 ( 8 6 3 计划) 项目“油气管线光纤光栅智能传感系统研究( 2 0 0 2 a a 3 1 3 1 5 0 ) ”；中国石 油天然气集团公司应用基础研究项目“井下永久性光纤温度、压力传感器设计方法研 究( 2 0 0 5 0 7 1 9 ) ”：陕西省科技厅项目“光纤光栅网络传感测井光源与信号解调仪研制”； 陕西省教育厅产业化培育项目“光纤传感测并系统应用研究( 0 5 j c 2 3 ) ”；长庆油田合 作项目“庆咸管道线路工程光纤光栅检测”；西安市科技局信息技术专项项目“光纤传 感测井系统应用研究( z x 0 5 0 4 1 ) ”；西安石油大学科技创新项目“掺铒光纤可调谐激 光器研究( 2 0 0 5 - 2 0 ) ”。经过几年的研究实验室在科研能力水平上得到了巨大提高，也 为本课题的研究工作提供了条件。 1 5 本文的主要研究内容与安排 本文以掺铒光纤光源及其相关技术为主要研究内容，研究了泵浦激光二极管的工 作特性、工作条件，研究了不同浓度的掺铒光纤在不同长度、不同抽方式及不同抽运 光能量下的输出光谱的功率、带宽及平坦度等特性，并对双级结构进行了研究，研制 了高性能的c 波段、c + l 波段掺铒光纤荧光光源与放大器，并对其在管线检测中的 应用问题作了研究，同时对波长可调谐掺铒光纤激光器进行了方案设计与实验研究并 制作了样机，为下一代的光源研制及新一代光纤光栅传感解调系统的研制打下了坚实 8 光纤光栅传感系统光源研究 的基础本论文的内容安排如下： 第一章绪论介绍纤维光学技术产生的背景与发展，介绍光纤传感技术的特点与应 用优势，重点介绍光纤光栅传感技术的研究现状与发展情况，并对光纤光栅传感系统 应用中的问题作阐述，说明进行掺铒光纤光源研究的意义、必要性和可行性。 第二章对掺铒光纤光源研制过程中所用到的主要光电器件进行系统的介绍。主要 包括掺铒光纤的基本结构、基本概念与相关物理参数、铒离子能级问跃迁原理，掺铒 光纤连接的方法与优化：研究抽运激光二极管的选择与使用、结构及工作特性，并对 l d 温度控制电路和功率控制电路的工作特性进行研究，进一步设计制作温控电路和 功率控制电路：阐明光纤波分复用器、光纤隔离器和光纤环形镜的基本工作原理及制 作技术。 第三章介绍掺铒光纤荧光光源的应用特点、结构及基本理论与工作特性，重点介 绍光源研制过程中的相关实验与研制过程主要研究单程前向、单程后向、双程前向、 双程后向和双级双程结构等几种结构的光源特性，对c 波段，l 波段，c + l 波段光 源进行了深入的研究和探讨，分析不同结构的抽运方式、抽运光功率的变化、光纤的 长短变化等因素对光源输出性能的影响。在此研究的基础上，根据实验室的项目的要 求研制掺铒光纤a s e 光源。 第四章介绍掺铒光纤激光光源即光纤激光器的应用特点、结构及基本理论与工作 特性，重点介绍光纤激光器研制过程中的相关实验与研制过程。设计基于光纤光栅的 掺铒光纤可调谐激光器，对其性能进行了测试与优化研究。研究光纤激光波长调谐技 术，实现利用光纤光栅的温度调谐技术调谐激光器的输出波长，证明技术放案的可行 性 第五章在介绍光纤光栅传感系统解调技术基础上，介绍掺铒光纤光源在传感系统 中的应用。结合具体的工程项目介绍荧光光源在用于温度、应力及应变检测的光纤光 栅传感系统中的特点以及最终应用的结果，证明该方案的可行性；结合具体应用分析 存在的问题与不足，提出利用激光承载传感信号，将基于光纤光栅的光纤激光器应用 于传感检测，通过实验证明可行性与优点，提出改进的适用于长距离多点分布式f b g 传感检测系统的光源设计方案，提出系统预期达到的精度及相关指标 第六章对本论文的全部研究工作进行了详细总结，指出本文工作的创新之处。附 录部分主要包含参考文献及在研究生期间发表的学术论文。 9 光纤光栅传感系统光源研究 第二章掺铒光纤及主要器件原理与应用 光纤传感技术的发展与光器件的发展密不可分，由于光纤传感是以光波为载体， 光纤为媒质，感知和传输外界被测信号的新型传感技术，它的应用优势是传统的传感 器所无法比拟的。因此，光纤传感系统的建造要用到光纤耦合器、隔离器、掺铒光纤、 泵浦激光器、环行器和光纤环行镜等各种光器件。同时由于光纤传感技术正在向时分 复用、波分复用网络的方向发展，伴随光纤通信技术的发展，作为光纤通信设备的重 要组成部分的光器件，也将成为光纤传感应用领域中不可缺少的器件， 2 1 掺铒光纤 2 1 1 基本概念与相关物理参数 ， 掺铒光纤是将铒元素经过特殊工艺注入到 光纤芯中而形成的一种特殊光纤，其制作方法与 ： 常规光纤基本相同。由于a s e 辐射及放大是由 铒离子完成的，所以在掺铒光纤中铒离子的浓度 应尽可能高些。为了增加铒离子的浓度，即提高 单位硅光纤体积中的铒离子的数且，制作时尽可 图2 1 掺铒光纤的几何结构 能减少光纤的纤芯直径，为了更有效地利用掺铒光纤，不仅制作时减小纤芯直径，而 且将大多数的铒离子集中在小纤芯的中心区域( 如图2 1 ) ，在中心区域的铒离子的浓 度变化范围从