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基于光纖激光器的有源光纖傳感器

2019-07-17
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光(guang)(guang)纖(xian)激(ji)光(guang)(guang)器以其(qi)易于熱控管理(li)、轉換效率(lv)(lv)高、輸出(chu)穩定、寬增益帶(dai)寬、模式選擇簡(jian)(jian)單且泵浦功率(lv)(lv)要(yao)(yao)求低(di)等(deng)優點而得到了廣泛(fan)的應(ying)用(yong)(yong)(yong)。將(jiang)其(qi)用(yong)(yong)(yong)于傳感(gan)應(ying)用(yong)(yong)(yong)的光(guang)(guang)纖(xian)傳感(gan)器具有(you)靈敏度高、可遠程(cheng)實時(shi)監(jian)(jian)測、抗電磁干擾、耐腐蝕等(deng)優點,被廣泛(fan)應(ying)用(yong)(yong)(yong)于生物(wu)化(hua)學、工程(cheng)監(jian)(jian)控和航空航天等(deng)諸多(duo)領域。本文簡(jian)(jian)要(yao)(yao)介紹了可調(diao)諧光(guang)(guang)纖(xian)激(ji)光(guang)(guang)器的發(fa)展(zhan)現狀并距離說明了在應(ying)力(li)、折射率(lv)(lv)、溫度、壓(ya)力(li)、聲波及磁場等(deng)方(fang)面傳感(gan)應(ying)用(yong)(yong)(yong)的實施(shi)方(fang)案。

 

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光(guang)纖激光(guang)器(qi)

 

1. 引言

早在1964SnitzerKoester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(kai)始對(dui)各種不同結構和不同摻(chan)雜元素的(de)光纖激光器展開(kai)了的(de)廣泛(fan)的(de)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(ci)外,光(guang)(guang)(guang)纖的(de)(de)(de)(de)波導結(jie)構(gou)(gou)對激(ji)光(guang)(guang)(guang)光(guang)(guang)(guang)束的(de)(de)(de)(de)限制作用(yong)(yong)也保證了(le)輸(shu)出光(guang)(guang)(guang)束的(de)(de)(de)(de)質量,不容易出現(xian)(xian)傳統固體激(ji)光(guang)(guang)(guang)器經常出現(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)熱致模式(shi)失真的(de)(de)(de)(de)現(xian)(xian)象。同時,全光(guang)(guang)(guang)纖的(de)(de)(de)(de)結(jie)構(gou)(gou)也不需要自由空間光(guang)(guang)(guang)學元件的(de)(de)(de)(de)使(shi)用(yong)(yong)從而放松了(le)在傳統激(ji)光(guang)(guang)(guang)器中(zhong)嚴格的(de)(de)(de)(de)校準和(he)機械穩定性(xing)要求,簡(jian)化了(le)激(ji)光(guang)(guang)(guang)器結(jie)構(gou)(gou)和(he)使(shi)用(yong)(yong),有助于實現(xian)(xian)激(ji)光(guang)(guang)(guang)器的(de)(de)(de)(de)小(xiao)型化,提高激(ji)光(guang)(guang)(guang)器的(de)(de)(de)(de)穩定性(xing)。上(shang)述(shu)的(de)(de)(de)(de)這些優點使(shi)得光(guang)(guang)(guang)纖激(ji)光(guang)(guang)(guang)器在眾(zhong)多領域都具(ju)有很高的(de)(de)(de)(de)科學研究和(he)商業應用(yong)(yong)價值。

 

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光纖激光器原理示意圖(tu)

 

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(jiang)摻鉺光(guang)纖(xian)、寬帶反(fan)射(she)鏡和光(guang)纖(xian)光(guang)柵組(zu)成(cheng)光(guang)纖(xian)激光(guang)器(qi),其輸(shu)出波(bo)長即取決于(yu)用(yong)于(yu)應(ying)力測(ce)量的(de)(de)光(guang)纖(xian)光(guang)柵從而(er)實(shi)現一個自供給的(de)(de)光(guang)纖(xian)激光(guang)器(qi)應(ying)變(bian)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)。此外(wai),將(jiang)光(guang)纖(xian)激光(guang)器(qi)與布拉格光(guang)柵陣列進行(xing)組(zu)合,還能(neng)夠同時對多(duo)個位(wei)置(zhi)的(de)(de)物理(li)量變(bian)化進行(xing)測(ce)量,實(shi)現覆(fu)蓋面(mian)更(geng)廣(guang)、實(shi)用(yong)性(xing)更(geng)強的(de)(de)大范圍分布式傳(chuan)(chuan)感(gan)。上(shang)述這(zhe)些(xie)光(guang)纖(xian)激光(guang)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)在過去的(de)(de)數十年內發展得相(xiang)對成(cheng)熟,并且(qie)已經廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)在眾多(duo)科(ke)學研究和實(shi)際生產(chan)中(zhong)。

 

2. 主要(yao)類別

2.1 應力傳感器

應(ying)力在生活中非(fei)常普遍,對它的(de)監測具(ju)有非(fei)常廣泛的(de)應(ying)用(yong)(yong)范圍(wei),如(ru)大型機(ji)械的(de)結構穩定性檢測以及橋梁和隧(sui)道等(deng)設(she)施(shi)的(de)健康監控等(deng)都需要對應(ying)變進行精(jing)密測量(liang)。而基于(yu)光纖激光器(qi)的(de)應(ying)力傳(chuan)感(gan)器(qi)靈(ling)敏度高、抗電磁干(gan)擾、耐腐蝕且實(shi)施(shi)方(fang)案靈(ling)活,在應(ying)力監測方(fang)面(mian)被廣泛應(ying)用(yong)(yong)于(yu)工程實(shi)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(chuan)(chuan)統的(de)靜態應變傳(chuan)(chuan)感器相比,這種傳(chuan)(chuan)感器在分辨率和傳(chuan)(chuan)感帶寬方面都(dou)有很大的(de)提高,可以成(cheng)為地(di)球(qiu)物理(li)研(yan)究應用中的(de)有力工具。

 

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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(zai)(zai)生物、化(hua)學(xue)等學(xue)科的研究(jiu)以及材料制造、醫學(xue)檢(jian)測(ce)等實際應用場合中,對于折(zhe)(zhe)射(she)率(lv)的檢(jian)測(ce)一直是至關重要的一個環節。光纖在(zai)(zai)折(zhe)(zhe)射(she)率(lv)傳感(gan)方(fang)面(mian)具有很(hen)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(xing),吸引(yin)了(le)許多研究(jiu)者的注意。近(jin)年來(lai),在(zai)(zai)光纖激光折(zhe)(zhe)射(she)率(lv)傳感(gan)器的研究(jiu)方(fang)面(mian),也取得了(le)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FBG1.3001.335的折射率范圍內分別具有-231.1dB/RIU42.6dB/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(you)于降(jiang)低了光源抖動和外部(bu)干(gan)擾而具(ju)有(you)更(geng)好的穩(wen)定(ding)性。這種(zhong)雙波長(chang)增益競爭折(zhe)射(she)率傳(chuan)感(gan)器由(you)于其高靈敏度和簡單的結構,在化學和生物(wu)化學傳(chuan)感(gan)領域具(ju)有(you)廣泛的應用潛力(li)。

 

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雙波(bo)長光纖折(zhe)射率傳感(gan)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/℃

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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

 

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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(du)和穿透深(shen)度(du)。

 

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基于(yu)寬帶(dai)光纖激光器的超(chao)聲傳(chuan)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 Oe222.3 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。

 

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3. 總結

本文對光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)激光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)的(de)發(fa)展(zhan)(zhan)歷(li)程(cheng)和(he)研(yan)究現(xian)(xian)狀(zhuang)進行了(le)簡(jian)介,并(bing)介紹了(le)光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)激光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)在(zai)不同傳感應(ying)用下的(de)傳感結構和(he)實(shi)(shi)現(xian)(xian)原理。隨著科學研(yan)究和(he)工程(cheng)應(ying)用的(de)需求不斷增加(jia),用于測(ce)量各種物理量的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)激光(guang)(guang)(guang)(guang)傳感器(qi)得到(dao)了(le)廣泛的(de)研(yan)究和(he)快速的(de)發(fa)展(zhan)(zhan),近年來尤(you)其在(zai)聲(sheng)波和(he)磁(ci)場等(deng)一(yi)些不太常見的(de)領(ling)域都有(you)了(le)長足(zu)的(de)發(fa)展(zhan)(zhan)。隨著關(guan)于光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)激光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)性能(neng)的(de)不斷提高,以(yi)及更多光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)傳感結構和(he)解調方法的(de)實(shi)(shi)現(xian)(xian),將會(hui)產生(sheng)具有(you)更優(you)性能(neng)光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)激光(guang)(guang)(guang)(guang)傳感器(qi)并(bing)廣泛應(ying)用到(dao)各領(ling)域科學研(yan)究和(he)實(shi)(shi)際工程(cheng)中。

 

參考文獻:

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