（光学工程专业论文）新型光纤激光器与高灵敏度光纤振动传感器研究.pdf

浙江大学博上学位论文 摘要 光纤激光器是近年来快速发展的一个热点研究领域，在光纤通信、激光加 工和光纤传感等方面拥有越来越广泛的应用。在激光加工领域，由于掺镱光纤 激光器高输出功率和光束质量的特性，使其成为激光工业加工领域的优质光源 正在得到普及应用。在光纤传感领域，光纤激光器的窄线宽输出特性使其成为 光纤传感系统中不可多得的激光光源，能极大地提高光纤传感系统特别是涉及 光纤布喇格光栅传感系统的测量灵敏度，为微振动和微应力传感场合提供解决 方案。 本文主要对掺铒环形光纤激光器的波长调谐输出特性和掺镱环形光纤激光 器的波长调谐方式做了深入的实验研究，并制作由保偏光纤光栅作为输出镜的 线性短腔单频掺铒光纤激光器，同时搭建了由光纤布喇格光栅法布里一玻罗腔 ( f p ) 和分布反馈式( d f b ) 半导体激光器组成的振动传感系统。论文主要工作内容 归纳如下： 首先，将光纤f p 滤波器作为波长调谐器件搭建了可调谐环形掺铒光纤激光 器，采用掺杂浓度为5 0 0 p p m 的掺铒增益光纤作为环形光纤激光器的增益介质， 并相应地构建了光纤f p 滤波器的波长调谐驱动电路。本文实验研究了环形掺铒 光纤激光器的可调谐输出特性，包括激光的输出功率，输出线宽和波长可调谐 范围等等，同时对高浓度掺铒光纤激光器的输出特性进行了实验研究，采用 8 0 0 0 p p m 高浓度掺铒增益光纤代替5 0 0 p p m 浓度掺铒光纤作为环形光纤激光器的 增益介质，获得了从1 5 13 n m 到1 6 1 4 n m 覆盖c + l 波段的激光宽调谐范围输出。 文中也对掺镱光纤激光器的波长调谐方式进行了实验研究，提出以马赫一泽德干 涉仪作为波长调谐器件的环形掺镱光纤激光器波长调谐方法，通过微调马赫一 泽德干涉仪两光纤臂的长度之差来改变选择性透过的波长，实现了掺镱光纤激 光器在1 m 波段2 0 n m 以上的波长调谐范围。 其次，线性短腔单频光纤激光器具有单频率和极窄线宽输出优点，是光纤 布喇格光栅传感系统中不可多得的优质光源。由于线性短腔光纤激光器尺寸非 常小，因此容易实现激光器工作温度控制，获得稳定和可调谐的激光波长输出。 浙江大学博士学位论文 实验中采用保偏光纤刻写的光纤布喇格光栅作为光纤激光器的输出镜，制作了 由高浓度掺杂铒增益光纤和光纤布喇格光栅组成的线性短腔掺铒光纤激光器， 它在实验室环境下获得了小于3 p m 的稳定波长输出。 最后，通过在载氢后的普通光纤上刻写两个反射峰波长位置相同的光纤光 栅制成了光纤法布里一玻罗腔，并根据p o u n d - d r e v e r - h a l1 ( p d h ) 锁频原理搭建 了由光纤法布里一玻罗腔和d f b 半导体激光器组成的光纤光栅传感系统，制作了 相应的驱动电路实现对半导体激光器的波长调谐输出和激光频率锁定控制。实 验测试结果显示此光纤光栅传感系统对8 0 0 h z 到6 k h z 振动频率传感性能优良， 获得了大于2 0 d b 信噪比。为了分析传感系统的测量灵敏度，文中对激光器线宽 引起系统噪声进行了分析，指出使用线性短腔单频掺铒光纤激光器作为探测光 源时可望进一步改善现有光纤光栅传感系统的探测灵敏度。 关键词：光纤激光器，光纤传感，光纤光栅，马赫一泽德干涉仪，法布里一玻罗腔， 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t i nt h ep a s td e c a d e s ，f i b e rl a s e r sh a v eb e e n r a p i d l yd e v e l o p e da n da p p l i e di nv a s t a r e a ss u c ha so p t i c sc o m m u n i c a t i o n ，l a s e rb e a mm a c h i n i n ga n df i b e r - o p t i cs e n s i n g d u et oh i g hp o w e ro u t p u ta n dh i g hb e a mq u a l i t yo f y t t e r b i u m - d o p e df i b e rl a s e r , f i b e r l a s e r sa l eg e t t i n gm o r ep o p u l a ri nl a s e rb e a mm a c h i n i n ga p p l i c a t i o n sa sl i g h ts o u r c e a l s o ，w i t ht h ea d v a n t a g eo fn a r r o wl i n e - w i d t ho u t p u t ，f i b e rl a s e r sh a v eb e c o m et h e e s s e n t i a ll i g h ts o u r c e si nf i b e r - o p t i cs e n s i n gs y s t e m s t h e ys i g n i f i c a n t l yi n c r e a s et h e s e n s i t i v i t yo f t h ef i b e rs e n s o le s p e c i a l l yi nt h ef i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s i n gs y s t e m s w h i c h p r o v i d el o t so f s o l u t i o n st om i c r o s t r a i na n dv i b r a t i o ns e n s i n ga p p l i c a t i o n i nt h e s i s ，e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e sd e v o t e dt oe r b i u m d o p e df i b e r l a s e ra n d y t t e r b i u m d o p e df i b e rr i n gl a s e r sw e r ec a r r i e do u t as h o r t c a v i t yf i b e rl a s e ru t i l i z i n g af i b e rb r a g gg r a t i n gi n s c r i b e di n t oap i e c eo fp o l a r i z a t i o n m a i n t a i n i n go p t i c a lf i b e r a st h eo u t p u tc o u p l e rw a ss u c c e s s f u l l yd e v e l o p e dt o o t h el a s e ro u t p u tp e r f o r m a n c e w a si n v e s t i g a t e df o ri t s w a v e l e n g t hs t a b i l i t y a l s o ，f i b e r - o p t i cs e n s i n gs y s t e m c o n s t r u c t e dw i t hf i b e rb r a g gg r a t i n ga n dd i s t r i b u t e df e e d b a c ks e m i c o n d u c t o rl a s e r w a sd e v e l o p e d t h em a i nw o r k sa r el i s t e da sf o l l o w s ： f i r s t ，ac o m p a c te r b i u m - d o p e dr i n g - s h a p e df i b e rl a s e rh a sb e e nd e v e l o p e db y u t i l i z i n ga t u n a b l ef i b e rf a b r y 冲e r o tf i l t e ra st h et u n i n ge l e m e n t t h ep e r f o r m a n c eo f t h er i n g s h a p e df i b e rl a s e rc o n f i g u r e dw i t hap i e c eo f5 0 0 p p mc o n c e n t r a t i o n e r b i u m - d o p e df i b e rw a si n v e s t i g a t e df o ri t sp o w e ro u t p u t ，l i n e - w i d t ha n dw a v e l e n g t h t u n a b i l i t y m o r e o v e r , t h ep e r f o r m a n c eo ft h er i n g s h a p e df i b e rl a s e rc o n f i g u r e dw i t h ap i e c eo f8 0 0 0 p p mh i g h - c o n c e n t r a t i o ne r b i u m - d o p e df i b e rw a si n v e s t i g a t e df o ri t s l a r g e rw a v e l e n g t ht u n i n gr a n g ef r o m15 13 n mt o1614 n mc o v e r i n gb o t hc - b a n d r e g i o na n dl - b a n dr e g i o n a l s o ，ar i n g s h a p e da l lf i b e r i z e dt u n a b l ey t t e r b i u m - d o p e d f i b e rr i n gl a s e rw i t ht u n i n gr a n g eo v e r2 0n i nh a sb e e nd e v e l o p e db yu s i n gaf i b e r m a c h - z e n h d e ri n t e r f e r o m e t e ra sa ni n t r a - c a v i t yf i l t e r i t sw a v e l e n g t ht u n i n gw a s a c h i e v e db yc h a n g i n gt h eo p t i c a ll e n g t hd i f f e r e n c eb e t w e e nt w oi n t e r f e r o m e t e ra r m s i i i 浙江人学博士学位论文 s e c o n d ，s i n g l e f r e q u e n c yl i n e a rs h o r t - c a v i t yf i b e r l a s e rf e a t u r e st h ea d v a n t a g eo f n a r r o wl i n e w i d t ho u t p u t ，a n dt h u sc a nb ea ne s s e n t i a ll a s e rs o u r c ei nf i b e rb r a g g g r a t i n gs e n s i n gs y s t e m s t h ep r e c i s et e m p e r a t u r ec o n t r o lo v e rl i n e a rc a v i t yc a nb e e a s i l ya c h i e v e dt oo b t a i ns t a b l ea n dt u n a b l el a s e rf r e q u e n c yo u t p u t i no u r e x p e r i m e n t s ，as i n g l ef r e q u e n c yl i n e a rs h o r t - c a v i t yf i b e rl a s e ru t i l i z i n gap i e c eo fh i g h c o n c e n t r a t i o ne r b i u m d o p e df i b e rw a so b t a i n e d t h ef i b e rl a s e ru t i l i z e daf i b e rb r a g g g r a t i n gi n s c r i b e di n t oap i e c eo fp o l a r i z a t i o n - m a i n t a i n i n go p t i c a lf i b e ra st h eo u t p u t c o u p l e rt oe n s u r es t a b l es i n g l ef r e q u e n c yl a s e ro u t p u t l a s e rf r e q u e n c ys t a b i l i t yw a s m e a s u r e dt ob el e s st h a n3 p mo v e r10m i n u t e s a tl a s t ，af i b e rf a b r y p e r o tc a v i t yw a sf a b r i c a t e db yi n s c r i b i n gt w of i b e rb r a g g g r a t i n g si nh y d r o g e n - l o a d e ds i n g l em o d ef i b e r af i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s i n gs y s t e m b a s e do np d hf r e q u e n c yl o c k i n gs c h e m ew a sf a b r i c a t e du s i n gf i b e rf a b r y - p e r o t c a v i t y a n dd i s t r i b u t e df e e d b a c ks e m i c o n d u c t o rl a s e r t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s i n d i c a t et h a ti th a sh i 曲v i b r a t i o ns e n s i b i l i t yf r o m8 0 0 h zt o6 k h zw i t h2 0 d b s i g n a l - t o - n o i s er a t i o t h el i m i t a t i o nt os y s t e ms e n s i t i v i t yi n d u c e db yl a s e rl i n e w i d t h w a sa n a l y z e d t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h es e n s i t i v i t yo ff i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s i n g s y s t e mc a nb eg r e a t l yi m p r o v e db yu t i l i z i n gas i n g l e - - f r e q u e n c yl i n e a rs h o r t - c a v i t y e r b i u m d o p e df i b e rl a s e r k e y w o r d s ：f i b e rl a s e r , f i b e r - o p t i cs e n s i n g ，f i b e rb r a g gg r a t i n g ，m a c h - z e n h d e r i n t e r f e r o m e t e r , f i b e rf a b r y - p e r o t ，p o u n d - d r e v e r - h a l l i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂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 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：待专冗罕签字日期：尹1 年6 月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝鎏盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：鸽劣：辉 导师签名： 签字目期： 胪7 年6 月z 日 签字日期： 2 日 浙江大学博士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 随着社会经济发展，光纤激光器和光纤传感技术在通信系统、生物医疗、 工业和军事领域具有越来越广泛的应用。因为光纤激光器具有高输出功率特性， 使得它在工业加工领域，如激光打标、激光焊接与切割等方面得到了普及，占 据越来越重要的地位。而光纤传感技术因为不受电磁干扰的特点，可以用于电 力工业中高压电力设备工作状态的监控；并且它极高的测量灵敏度使其在军事 测量领域如水听器n 1 等场合也具有越来越重要的应用。 在光纤激光器和光纤传感技术中都离不开光纤的使用，随着光纤制作技术 的提高，光纤的传输损耗已经降到非常低的水平乜1 ，它为光纤激光器和光纤传感 技术的发展奠定了良好的基础。同时，光纤布喇格光栅的发明也推动了光纤激 光器和光纤传感技术的快速发展。光纤布喇格光栅作为一种光纤型无源器件， 实现了对特定入射波长的反射，具备波长解码功能，在光纤激光器和光纤传感 上有着广泛的应用。在光纤激光器中，光纤布喇格光栅通常作为波长选择器件 实现激光器特定波长选择输出，通过改变光纤布喇格光栅的中心反射波长位置， 还能实现对光纤激光器波长的调谐输出b 1 ；在光纤传感方面，通过监测光纤布 喇格光栅中心反射波长位置的变化可以实现对外界应力和温度的传感，它不仅 保留一般光纤传感器的优点如不受电磁干扰、响应速度快和方便于远程测量监 控等等，而且器件尺寸非常小，可以方便地应用于微应变和微震动的测量场合。 为了提高现有光纤传感系统的测量灵敏度，可以通过制作特殊结构的光纤布喇 格光栅或设计高灵敏度的光纤布喇格光栅传感系统得以实现。特别是随着光纤 布喇格光栅制作技术的不断提高，由光纤布喇格光栅组成的光纤法布里一玻罗腔 的精细度得到了很大的提高“1 。这使得基于激光稳频技术原理d 1 的传感系统可以 在测量灵敏度上获得很大的提升，因此它在灵敏度要求极高的传感测量场合拥 有广阔的应用前景，具有重要的研究意义。 第一章绪论 1 2 光纤激光器和光纤光栅传感的发展与应用概况 1 2 1 光纤激光器发展及应用概况 1 9 6 3 年，e 1 i a ss n i t z e r 等人提出了光纤激光器的设想，并用掺杂钕玻璃纤 维研制出第一台光纤激光器拍1 ，这标志着光纤激光器研究的开始。2 0 世纪7 0 - 8 0 年代，自英国南安普顿大学的研究人员制作了掺铒光纤后，光纤激光器的研究进 入了实用化阶段n 1 。许多发展光纤激光器所必需的技术趋于成熟，低损耗石英单 模光纤的研制成功心1 和半导体激光器的广泛应用，都极大地推动了光纤激光器的 研究发展。最近几年来，稀土类掺杂光纤激光器睛鲥、光纤非线性效应激光器n 和单晶光纤激光器1 等研究都取得了重大进展。光纤激光器在提高波长调谐范 围、激光输出功率和窄线宽单频输出性能等方面，都取得了明显的进展。目前关 于光纤激光器的研究方向和热点主要集中在高功率光纤激光器n 2 ”1 、光子晶体 光纤激光器n4 1 、超短脉冲光纤激光器n 卯、可调谐窄线宽光纤激光器u 们、多输出波 长光纤激光器n 和拉曼光纤激光器n 羽等几个方面。 因为光纤激光器具有一些其它传统激光器无法比拟的优点，在许多方面得 到了广泛应用，如光纤通信、激光加工和打标、生物医疗检测和光纤传感等领 域。其中掺铒光纤激光器因为可以在c + l 波段工作，提供了宽广范围的波长调 谐输出，因此可以作为探测光源应用于光纤分布式传感系统中实现对外界温度 和应力的测量们；掺镱光纤激光器可以获得高效功率输出，适合应用于材料加 工和非线性频率变换等需要高功率的应用场合；而单频光纤激光器因为其单波 长输出特性，适合应用于高灵敏度传感测量场合。本文主要涉及掺铒光纤激光 器、掺镱光纤激光器和单频光纤激光器的研究工作，因此在下面将具体介绍它 们的发展和应用情况。 一) 掺铒光纤激光器发展与应用 掺铒光纤激光器是近年来发展快速的光纤激光器之一，它具备了良好的宽波 长调谐特性，因此受到了广泛的关注和研究瞳2 2 2 劓。随着掺铒增益光纤制作技 术的进步，掺铒光纤激光器的可调谐输出波段范围不断提高。到目前为止，已经 分别获得了覆盖了c + l 波段旺4 1 和s 波段乜 波长调谐范围，并在一定波长调谐范围内 2 浙江大学博士学位论文 实现了激光功率的平坦增益输出u 乱。掺铒光纤激光器在c + l 波段的宽带波长调谐、 低阈值、高斜率效率和高信噪比等激光特性，为光纤传感系统特别是分布式光纤 传感系统提供了宽范围调谐的高质量探测光源。 在光谱测量和化学气体传感中n 刀幢钔，得益于掺铒光纤激光器宽波长调谐性 能，它能够替代半导体激光器成为关键的探测光源乜引1 3 0 om i c h a e lp b u r i c 等人 b 1 1 提出的化学气体成份和浓度检测系统，采用d f b 掺铒光纤激光器作为探测光源， 利用压电陶瓷( p z t ) 获得了光纤激光器的快速波长调谐输出，实现了对化学气体 成份的定量分析。此系统制作简单、成本低并且携带方便，适用于恶劣环境下的 化学气体( c ：h ：) 测量。 - - ) 掺镱光纤激光器发展与应用 连续输出和脉冲输出的高功率光纤激光器在最近几年发展迅速，其中掺镱 光纤激光器尤为突出。掺镱双包层光纤激光器是一种新型固体激光器2 1 ，它具 备了高输出功率、高转换效率和良好的光束质量等特点，因此在材料处理如激 光加工和非线性频率变换等方面有着广泛的应用。在非线性频率变换应用中， 高功率输出的掺镱光纤激光器可以作为谐波产生和光学参量振荡器( o p o ) 的泵 浦源，提高了光学转换的效率，其潜在宽波长调谐特性也满足了o p o 对波长调 谐输出的要求。o p o 是一种可以在红外波段提供更宽调谐范围的可调谐激光器， 一般o p o 的波长调谐可以通过改变非线性晶体的相位匹配角度或者极化反转的 非线性晶体的光栅周期，例如p p l n 和p p m g l n 。但是，这些调谐方法一般都 会引入机械移动和温度改变，因此波长调谐过程复杂而且调谐速度相对较慢。 然而，o p o 输出波长也可以通过改变泵浦光的波长来进行调谐，对一个工作在 中红外波段的o p o ，当泵浦光波长从1 0 3 0 n m 调谐到1 1 3 0 n m 时，就能实现3 0 0 0 n m 到4 0 0 0 n m 的宽波长调谐，因此制作宽范围波长调谐的掺镱光纤激光器意义重 大。由于普通单包层光纤构成的掺镱光纤激光器其输出功率一般为毫瓦量级， 为了使它能够满足0 p o 对高泵浦光输入功率的要求，一般采用主振功率放大器 ( m o p a ) 结构阳4 3 卯，实现对掺镱光纤激光器的激光功率放大输出。 三) 单频光纤激光器 第一章绪论 单频光纤激光器是指只能满足一个激光模式振荡输出的光纤激光器，通过 采用特殊谐振腔结构设计，抑制其他激光模式的振荡，实现了光纤激光器的单 模起振输出。单频光纤激光器可以由很多方式来实现，包括采用d f b 光纤激光 器卅7 3 引，采用分布式布喇格反射( d b r ) 短腔结构9 1 h 哪n 1 4 2 1 ，采用复合腔结构h 3 1 h 钔、采用f o x s m i t h 结构h 副，采用饱和吸收体h 町7 4 8 1 ，采用环形滤波镜结构h 引， 使用空间烧孔效应 们，采用腔外激光注入法b b 射，使用微小球形谐振腔结构鲫 等等方法。在上述获得单频激光振荡输出的所有方法中，采用d f b 和d b r 线性 短腔光纤激光器结构是最为简便的方法，由这两种方法制作的光纤激光器系统 结构简单，尺寸小，容易实现对激光输出波长的调谐和稳定控制。但是，由于 制备d f b 短腔光纤激光器需要特殊的实验设备，并且对掺铒增益光纤也有特殊 要求，因此在制备方法上它比d b r 线性短腔光纤激光器复杂。而上述其他单频 光纤激光器要么采用了环形腔结构难以实现激光输出波长的稳定控制；要么涉 及复杂的谐振腔微加工工艺，在一般实验条件下难以实现。因此，采用d b r 线 性短腔光纤激光器结构能简便地获得稳定单频激光输出9 1 ，并且通过提高d b r 线性短腔激光器的单频偏振输出特性，防止两个正交偏振态之间的模式竞争， 还能提高光纤激光器输出的波长稳定性和功率稳定性。 单频光纤激光器拥有单频率输出特性的同时，也往往具备了极窄激光线宽 输出特性。很多实验研究结果显示采用掺铒增益光纤作为单频光纤激光器的增 益介质，可以得蛰j j j , 于l k h z 的窄线宽激光输出b 钉h 卯。由于单频和极窄线宽输出 特性，使得它可以作为潜在的探测光源应用于高灵敏度光纤传感系统中b 钉。在 这类光纤传感系统中，单频光纤激光器的输出特性决定了测量系统的传感性能， 尤其是激光输出的线宽特性，它从本质上决定了传感系统的测量灵敏度，激光 线宽越窄，可以获得的测量灵敏度就越高。因此，使用单频光纤激光器的窄线 宽输出特性对提高此类光纤传感系统的测量灵敏度而言非常重要。 1 2 2 光纤光栅传感发展及应用概况 光纤布喇格光栅( f b c ) ，简称光纤光栅，是一种新型的光学无源器件，在1 9 7 8 年由加拿大的h ii1 及其同事发现了光纤的光敏性后制作发展而来鲥。它利用光纤 材料的光敏性在光纤纤芯上刻写折射率周期性变化的光纤段而成，实现了对特定 4 浙江大学博士学位论文 波长选择性反射。得益于光纤布喇格光栅的波长编码功能，它已作为传感器应用 于温度和应力变化等测量场合。光纤布喇格光栅传感器继承了光纤传感器所具有 的特点如：不受电磁干扰、重量轻、结构紧凑、使用灵活等等，并且具备了响应 速度快、动态范围宽、灵敏度高、能适用于高温、腐蚀性和危险性环境的特点， 并且光纤布喇格光栅传感系统采用光纤传输方式进行测量信号传输，因此能为远 程测量监控提供了低成本的解决方案，同时它可以在全光纤系统中简易地实现分 布式测量，制作复杂的多通道多点光纤传感网络。基于上述众多的优点，光纤布 喇格光栅传感在近年来发展迅速，被普遍认为是当前最具发展潜力的光纤传感测 量方式之一。它可以直接或间接应用于各种测量场合，包括温度。町和压力b 们、微 震动和微应变b 耵、加速度砧射、磁场帕等物理信息的测量，因此在工业陆、土木 工程晡刀、航空航天拍朝、海洋探测们引、电力系统哺5 1 、生物医学哺甜哺力拍8 1 等领域有着 广阔的应用前景。 光纤布喇格光栅中心反射波长位置主要取决于光纤纤芯有效折射率和光栅 周期，任何使这两个参数发生改变的物理过程都将引起中心反射波长位置漂移。 利用温度和应力等环境因素会改变光纤布喇格光栅光栅周期，影响其中心反射波 长位置的原理，通过监测光纤布喇格光栅中心反射波长的位置，可以实现对环境 温度和应力的实时测量。采用上述测量方法能简单地实现对环境物理量的测量， 然而灵敏度在一定程度上受到了光谱分析仪波长分辨率的限制n9 1 ，在应力测量上 只能获得i p z 左右的测量灵敏度；在温度测量上只能获得0 1 左右的测量灵敏 度。为了突破光纤布喇格光栅传感灵敏度限制，很多新颖光纤传感技术被不断提 出来，其中包括了光纤布喇格光栅锁频测量系统哺叫和兀相位光纤布喇格光栅传感 系统n 们。光纤布喇格光栅锁频测量系统使用单频激光器作为探测光源，它的输出 波长被锁定在光纤布喇格光栅边沿反射中心点上，实现了将光纤布喇格光栅中心 反射波长位置信息变为反射光功率信息的转换，通过测量反射光功率大小变化获 得了外界传感信息。这种测量方法消除了光谱分析仪的分辨率限制，因此能提高 系统的测量灵敏度，实验结果显示在1 5 h z 频率下获得了1 2 玎g 瓦的高传感灵 敏度；而兀相位光纤布喇格光栅传感系统通过在光纤布喇格光栅制作过程中引入兀 相位差，具备了对特定波长的窄线宽透射，通过将单频激光器频率锁定在透射峰 的谐振频率处，系统在4 0 h z 频率处获得了0 5 疗瓦的传感灵敏度。同时，基 第一章绪论 于p o u n d - d r e v e r - h a l l ( p d h ) 锁频传感的应力测量方法也获得了很高的传感灵敏 度b 钔。此测量方法由p d h 稳频技术”3 演变而来，能将f p 腔的位移信号放大转换成相 位信号进行环境应力的测量，具有极高灵敏度，其理论测量灵敏度能达到 p 饥瓦量级，可以看出，p d h 锁频传感技术是提高光纤传感系统灵敏度的最佳 方案之一在p d h 锁频传感系统中，单频激光器作为探测光源，它的输出线宽决 定了锁频传感系统的最小测量灵敏度，因此，利用d b r 线性短腔单频光纤激光器 的窄线宽输出特性，能使p d h 锁频传感系统获得极高的传感灵敏度，以应用于高 灵敏度要求的场合进行测量，如水听器 等。 1 3 本文研究的主要内容及创新点 1 3 1 论文研究内容和目的 本论文主要涉及光纤激光器研究和高灵敏度光纤光栅传感系统研究这两大 部分，其中光纤激光器实验研究内容包括掺铒光纤激光器、掺镱光纤激光器和 线性短腔单频掺铒光纤激光器的制作；高灵敏度光纤光栅传感研究主要包括基 于光纤f p 腔的p d h 锁频传感系统的制作。由于线性短腔单频掺铒光纤激光器的 输出激光线宽非常小，能获得l k h z 以下的极窄激光输出线宽h 酣，因此把它作为 p d h 锁频传感系统中的激光探测光源b 1 ，能够极大提高系统测量灵敏度拍4 1 ，为高 灵敏度要求的传感测量场合提供测量方案。 1 3 2 论文的结构安排 本论文主要涉及可调谐掺铒和掺镱光纤激光器及高灵敏度光纤光栅传感方 式的研究，包括使用各种掺杂浓度的铒增益光纤作为掺铒光纤激光器的增益介 质，研究激光输出特性和波长调谐特性；使用新型简易的波长调谐方法实现了 掺镱环形光纤激光器的波长调谐目的；研究了由光纤f p 腔和d f b 半导体激光器 组成的p d h 锁频传感测量系统；制作窄线宽输出的线性短腔单频掺铒光纤激光 器，使其作为优质单频激光源应用于光纤光栅传感系统中。论文的结构安排如 下： 6 浙江大学博士学位论文 第一章为绪论，简单介绍了光纤激光器和高灵敏度光纤光栅传感系统的研 究背景、研究目的和意义，介绍了本论文涉及的具体研究内容以及论文的结构 安排。 第二章详细介绍光纤激光器和光纤光栅传感的原理、结构和技术背景。将 不同类型的光纤激光器的作了详细的介绍，并重点介绍了掺铒和掺镱光纤激光 器的波长调谐方式和单频光纤激光器的技术背景，并对几种典型的光纤光栅传 感系统作了原理介绍，总结了各自的传感灵敏度及其优缺点。 第三章首先对掺铒光纤激光器的能级系统及其激光振荡输出工作原理作了 简要的理论分析和描述，然后介绍了采用可调谐光纤法布里一玻罗滤波器作为波 长调谐器件而搭建的可调谐环形掺铒光纤激光器系统，其中包括光纤光路设计 和光纤法布里一玻罗滤波器内置压电陶瓷的电压控制部分。实验中采用自行研制 的掺铒增益光纤作为光纤激光器的增益介质，把周期性的扫描电压加载到光纤 法布里一玻罗滤波器内置压电陶瓷正负两极之间，实现了掺铒光纤激光器的波长 调谐功能，并对激光输出特性做了实验分析，包括可调谐范围、输出功率及信 噪比等等。然后重点分析了高浓度掺铒光纤激光器的波长输出特性，实验结果 显示激光器得到了覆盖c + l 波段大于1 0 0 n m 宽波长调谐范围。本章也对可调谐 掺镱激光器的波长调谐方式进行了研究，提出了以马赫一泽德干涉仪为波长选择 器件的调谐方式，文中描述了激光器的制作方法和过程，并对获得的波长调谐 结果和激光输出特性做了具体分析。 第四章单频光纤激光器具有窄线宽的输出特性，因此在本章中提出并制作 了线性短腔单频掺铒光纤激光器，使其能够成为高灵敏度光纤光栅传感系统的 探测光源，提高传感系统的测量灵敏度。文中介绍了实验过程中涉及的普通光 纤光栅和保偏光纤光栅的制作，以及线性短腔激光器的构建步骤，分析了实验 获得的激光输出特性和波长稳定性。 第五章首先对p d h 激光锁频技术进行原理介绍和分析，并把它扩展引入到 光纤光栅测振系统中。文中分析了p d h 锁频传感实验中涉及的各个关键性光学 器件，包括d f b 半导体激光器、相位调制器和光纤f p 腔等介绍了它们的原理、 组成以及在p d h 锁频传感系统中的作用，同时分析了系统反馈信号控制与处理 中关键的设计要点，最后介绍了p d h 锁频传感测量的操作过程和误差信号分析 第一章绪论 处理，包括采用傅立叶快速变换对实验数据进行分析处理，并对实验获得的测 量结果进行了分析和评价。 第六章对本论文的工作进行了总结和回顾，指出了论文的创新点，并对今 后的研究工作方向和下一步的实验研究内容提出了建议。 1 4 小结 本章是绪论，主要介绍了本论文的研究背景、目的和意义，对光纤激光器 和光纤光栅传感的发展和应用作了介绍，提出了本论文的研究方向和目的，同时 对本论文内容的结构安排做了简要说明。 浙江大学博士学位论文 第二章光纤激光器和光纤光栅传感的技术背景 2 1 光纤激光器的技术背景 2 1 1 光纤激光器背景介绍 d 泵浦光输入 稀土元素掺杂的增益) 匕纤 图2 1 光纤激光器结构示意图 激光输出 d = = 剩余泵浦光输出 光纤激光器是指将掺杂稀土元素的光纤作为谐振腔内增益介质而产生激 光振荡输出的激光器，其典型结构如图2 1 所示。光纤激光器主要由泵浦源、 掺杂稀土元素的增益光纤和光学谐振腔这三部分组成，其中反射镜对泵浦光而 言是全透射的，因此泵浦光束经过反射镜入射到稀土掺杂的增益光纤中产生荧 光辐射，由反射镜和输出镜构成的f p 谐振腔对产生荧光进行模式选择后，再由 增益光纤对其进行放大，产生激光辐射。 激发态 亚稳态 基态 j l 二 、非辐射跃迁 ； 二 二 泵浦光 激光 1r 激发态l 三能级系统 基态 稳态 发态2 i l q 能级系统 图2 2 稀土离子的三能级和四能级系统示意图 光纤激光器根据增益光纤内掺杂离子元素的不同，主要可分为三能级和四能 级系统，如图2 2 所示。在三能级系统中，泵浦光入射到增益光纤中，其光子能 9 第二章光纤激光器和光纤光栅传感的技术背景 量被光纤纤芯中的稀土离子吸收，使得电子从基态跃迁到激发态，再经过非辐射 跃迁来到亚稳态，在受激辐射作用下，处于亚稳态的电子跃迁回到基态，并释放 能量，产生相应的激光辐射输出；在四能级系统中，稀土离子在吸收泵浦光光子 后跃迁到激发态1 ，同样经过非辐射跃迁方式后到达亚稳态，然而此时电子并不 从亚稳态直接跃迁回到基态，而是从亚稳态跃迁到激发态2 产生了激光辐射输出， 最后处于激发态2 的电子再通过非辐射跃迁方式回到基态。 光纤激光器以光纤作为波导介质和增益介质，具有体积小，结构简单等特 点，由于增益介质集成在光纤中，因此很容易实现泵浦源与增益光纤之间高效 率耦合，同时得益于光纤可随意弯曲特性，可以在光纤激光器系统中方便地控 制增益光纤长度以获得高增益和高功率的激光输出。光纤激光器可以在尺寸很 小的光纤纤芯中产生激光振荡输出，对比于传统固体激光器具有非常好光束质 量，并且可以随意改变激光光束的输出方向和位置，同时光纤圆柱结构使它具 有很大的散热面积，无需特殊的散热系统就能实现正常运转。通过掺杂不同的 稀土离子，光纤激光器还可以实现不同波长范围的激光输出，满足不同应用场 合中对波长输出范围要求。 光纤激光器可以分为很多类型，按照增益介质离子来分主要有掺铒瞠钔、掺镱 羽、掺铋归3 、掺钕、掺铥和掺钬光纤激光器，同时也存在两种元素共掺的光纤激 光器，如铒镱共掺光纤激光器口2 1 ；根据输出激光的时间特性又可以分为连续和 脉冲光纤激光器n 两大类；根据光学谐振腔结构的不同，光纤激光器主要可以分 为环形腔光纤激光器n 钉和线性腔光纤激光器明；而按照光纤制作结构分类，主要 可分为单包层光纤激光器和双包层光纤激光器两种h 蚰；根据输出波长数目的多 少，可分为单波长光纤激光器和多波长光纤激光器n 5 7 甜；根据光纤激光器的模式 输出特性，还可分为单频光纤激光器口6 1 和多模光纤激光器。 在本实验中主要涉及掺铒光纤激光器、掺镱光纤激光器和单频光纤激光器的 研究，因此在下面几节中将主要介绍与它们相关的技术背景。 2 1 2 掺铒与掺镱光纤激光器波长调谐技术 激光波长可调谐输出是光纤激光器重要性能参数之一，优良的波长调谐方法 能提高激光器的波长输出范围，提高激光器的波长扫描调谐速度，因为光纤激光 1 0 浙江大学博士学位论文 器之间的类似性，很多波长调谐方法也具有通用性。目前光纤激光器波长调谐可 以通过很多方式得以实现，包括使用角度调谐光学器具 刀，采用旋转式光栅n 引， 采用声光调制滤波器”钔，采用光纤法布里一玻罗滤波器n 叭州m 1 ，采用反射式马赫一 泽德干涉仪伯2 1 ，采用色散调谐原理陋射，利用光纤的双折射原理呤耵，采用光纤光栅 调谐方式隅5 1 和采用空气间隙标准具陋们等等。在所有这些调谐方法中，光纤布喇格 光栅和光纤f p 腔这两种波长调谐方法被更多使用，它们作为波长调谐方法常应用 于掺铒光纤激光器和掺镱光纤激光器中，如本实验中的掺铒光纤激光器就采用光 纤f p 腔来实现波长调谐功能。上述其他波长调谐方法要么涉及复杂的调谐装置， 要么不能实现稳定的波长调谐输出，在实际应用中较难推广使用。 光纤f p 可调谐滤波器方法是目前最常见的波长调谐方式，它可以应用于不同 波段的波长调谐，如掺铒光纤激光器1 5 m 波段的波长调谐和掺镱光纤激光器1 um 波段的波长调谐，使用光纤f p 滤波器作为波长调谐器件能够实现光纤激光器 的宽波长范围调谐和窄线宽输出。图2 3 是典型的由光纤f p 可调谐滤波器构建的 可调谐光纤激光器系统。光纤激光器的波长调谐通过改变光纤f p 滤波器两反射镜 之间距离得以实现，在两反射镜之间距离一定情况下，光纤f p 滤波器实现了对单 一特定波长的选择性透过，实现谐振腔的选模功能，使光纤激光器获得了单波长 激光振荡输出。 1 4 8 0 r i ml d 图2 3 采用光纤f p 滤波器的光纤激光器波长调谐系统 因为光纤f p 滤波器反射镜面之间距离非常小，达到了微米量级，因此一般情 况下可采用压电陶瓷( p z t ) 方法来微调这个间距，通过这样的调谐方式，掺铒光 纤激光器可以获得超宽的波长调谐范围 8 7 o 因为光纤f p 滤波器件是基于光纤的光 第二章光纤激光器和光纤光栅传感的技术背景 学无源器件，因此- 9 单模光纤之间的相互兼容性好、器件插入损耗较低，是目前 为止最具吸引力的光纤激光器波长调谐方案之一。 图2 4 采用光纤光栅的光纤激光器波长调谐系统h 光纤光栅除了在光纤传感系统上有广泛应用外，它也可以作为光纤激光器内 的波长选择器件，实现光纤激光器内激光振荡输出 4 9 j * 图2 4 是使用光纤光栅制 作的可调谐光纤激光器系统，利用光纤光栅对特定波长实现反射的特点，构建了 如图所示的光学谐振腔，实现了光纤激光器选模功能，获得了激光谐振输出。可 以知道，此时光纤激光器的输出波长即为光纤光栅的中心反射波长，因此，通过 改变光纤光栅所受应力，改变其中心反射波长，就能实现光纤激光器的波长调谐 输出。但是，由于光纤本身存在的脆性，这种传统的光纤光栅波长调谐方法受到 了光纤应变长度的限制，因此波长调谐范围受到了很大的限制，最大只能获得 1 l n m 的波长调谐范围睛耵。y w s o n g 等人随町提出了新颖的光纤光栅制作方法，通过 特殊的材料处理工艺增强了光纤光栅柔性，获得了更好的拉伸性能，实现了波长 i s o l a t o r 图2 5 光纤光栅4 0 n t o 波长调谐的实验装置捆蚰 从1 5 2 2 n m 到1 5 6 2 n m 共4 0 n t o 宽波长调谐范围。总的来说，采用光纤光栅的波长调谐 方法是比较常见的光纤激光器波长调谐方法之一，非常适合用于波长调谐范围要 求不大的光纤激光器系统中。 1 2 浙江大学博士学位论文 采用空气间隙标准具的波长调谐方法也是实验上可行的方法之一，虽然它也 涉及了复杂波长调谐装置。图2 6 为空气间隙标准具组成的可调谐环形掺铒光纤 激光器系统疆们。通过将两光纤连接端面进行抛光处理获得了空气间隙标准具，其 波长调谐原理与上述的光纤f p 器类似，采用这种调谐方法构建的掺铒光纤激光器 波长调谐系统能够得到1 5 6 7 n m 至0 1 6 1 2 n m 之间的波长调谐输出，并且获得了9 1 m w 的高功率输出。可以认为，采用这种调谐方法的掺铒光纤激光器能获得高激光输 出功率和激光波长稳定性。 9 8 0 h mp u m p e