1、引 言
近年来，随着高亮度半导体泵浦技术、双包层增益光纤技术、功率合束器等技术的进步，高功率光纤激光器迅猛发展。目前，单模激光器的输出功率已经达到了20kW。在一定的制冷条件下，随着光纤激光器输出功率的提高，增益光纤中的温度也随之迅速升高。由于普通增益光纤涂覆层长时间稳定的许可温度为 80℃，为了实现长时间的稳定工作，必须对光纤激光器增益光纤的温度进行严格控制。此外，研究发现，光纤中的温度分布能够显著影响高功率光纤激光器的性能。增益光纤中的高温会使高功率光纤激光器的稳定性下降，并导致激光器中模式不稳定现象（Mode Instability，MI）的发生。相关研究表明，增益光纤中内部温度越高，越容易产生模式不稳定现象，低温则不容易产生模式不稳定现象。另外，光纤中过高的温度分布会影响其它的非线性效应，影响光纤激光器的输出特性。因此，为了保证高功率光纤激光器的稳定输出，避免增益光纤在使用过程中的损伤，对增益光纤中的温度分布进行监测是非常有必要的。目前，对于光纤激光器中增益光纤的温度测量尚无较多研究，本文主要介绍传统分布式光纤传感的基本原理， 并根据现有高功率增益光纤温度测量的结果，对比并说明何种传感方式有望用于高功率光纤激光器的温度测量中，以期对高功率光纤激光器的温度场测量提供参考，并对模式不稳定、非线性效应等现象的研究提供一种新的认知手段。
2、分布式温度测量的分类
分布式光纤传感技术不仅具有一般光纤传感器高精度的优点，而且可以在沿光纤路径上同时得到被测量场在时间和空间上的连续分布信息，在桥梁、油漆罐、高压线路等领域有着广泛的应用前景。目前，分布式光纤传感技术主要是基于光纤中的后向散射实现传感，如瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。基于后向瑞利散射的分布式光纤传感技术主要有光时域反射法（OTDR，Optical Time Domain Reflectometry）和光频域反射法（OFDR，Optical Frequency Domain Reflectometry）。 基于拉曼散射的全分布式光纤传感技术主要有拉曼光时域反射技术（ROTDR，Raman Optical Time Domain Reflectometry）和拉曼光频域反射技术（ROFDR，Raman Optical Frequency Domain Reflectometry）。基于布里渊散射的全分布式光纤传感技术主要有布里渊光时域反射技术（BOTDR，Brillouin Optical Time Domain Reflectometry）、布里渊光时域分析技术（BOTDA，Brillouin Optical Time Domain Analysis） 、布里渊光频域分析技术（BOFDA，Brillouin Optical Frequency Domain Analysis）和布里渊相干域分析技术（BOCDA，Brillouin Optical Correlation Domain Analysis）。其中OTDR技术传感距离长（一般在千米量级），空间分辨率较低（一般在10m 左右），适用于测量长距离光纤中的损耗和断点。OFDR技术的传感距离通常不超过100m，空间分辨率高（可以达到厘米量级甚至是微米量级），温度分辨率高，适用于短距离光纤中高空间分辨率的温度测量。ROTDR技术和ROFDR技术的传感距离都较长（几百米至几千米），空间分辨率较低（通常为几十厘米）。BOTDR技术和 BOTDA 技术的传感距离长（千米量级），空间分辨率高（可达到厘米量级），能够精确测量光纤中的温度和应力。BOFDA 技术和 BOCDA 技术的传感距离较短（一般为几十米至几百米），空间分辨率高（可以达到厘米量级甚至是毫米量级），温度分辨率高。表1对比了不同分布式传感方法的优缺点。 相比于传统的分布式光纤传感系统，高功率增益光纤中的温度测量具有测量光纤长度相对较短，空间分辨率和温度分辨率要求较高，测量时间要求较短等特点。基于此，本文重点研究了OFDR 技术、BOTDA 技术、BOFDA 技术和 BOCDA 技术的原理、发展现状及其应用于增益光纤中温度测量的可行性。
3、不同传感方式的原理与现状
根据上文所述的分布式温度测量的分类，考虑到高功率增益光纤温度测量的空间分辨率要求较高，温度分辨率要求较高，测量时间要求较短，而OTDR、ROTDR 和ROFDR等技术不能够满足上述条件。同时，在基于自发布里渊散射的 BOTDR 技术中，由于后向自发布里渊散射光较微弱（其功率比后向瑞利散射光功率低约20~30dB），其信号检测比较困难。因此，本节主要介绍 OFDR 技术、BOTDA技术、BOFDA技术和BOCDA 技术的原理与现状。
3.1 OFDR 技术的原理与现状
3.1.1 OFDR 技术的基本原理
OFDR技术最初是由德国Hamburg-Harburg大学的W.Eickhoff于1981年提出的， 其基本原理如图1所示，线性扫频光源输出连续光被光纤耦合器分为两路。其中一路光波注入到待测光纤中，该路激光在光纤中传播时会不断产生后向瑞利散射光，这些后向瑞利散射光成为信号光通过光纤耦合器耦合到光电探测器中。另一路光束经过固定反射镜反射后作为参考光返回耦合器， 同样被耦合到光电探测器中。 光电探测器中得到的是参考光和待测后向瑞利散射光的混频信号，而后将信号输入到频谱仪中，对其进行频谱测量。由于OFDR 技术中的激光光源为线性扫频光源，故在光纤上不同位置x处的后向瑞利散射光的光频不同。因此，通过检测探测器上的光频，可以获知光纤上的位置信息，返回的瑞利散射光的振幅与光纤的局部散射因子以及振幅衰减因子成正比。通过在频谱分析仪中进行傅里叶变换，可以同时获知光纤中所有位置处的后向散射光信息，这些信息和频谱分析仪中的频率Ω直接对应。
3.1.2 OFDR技术的研究现状
OFDR 技术的主要特点是采用相干探测技术进行探测，具有极高的空间分辨率。但由于受扫频光源相干长度的限制，其最大测量范围通常只有几十米。1998年，美国 Luna公司的Froggatt等通过利用OFDR技术对1.8m长光纤中所受的应力进行了测量，利用互相关的方法对比了光纤中0.3m长的区域中受应力前后瑞利散射信号频谱的偏移，应力分辨率为 10με。2005年，Luna公司的Soller B.等利用OFDR 技术实现了对35m长光纤上的 FBG和损耗点的测量，测量空间分辨率达到了22μm。2006年，Luna公司的 Soller B.等通过测量后向瑞利散射光谱的偏移，实现了对 20m长光纤上局部温度的测量，测量空间分辨率达到了 2mm，温度分辨率达到了1℃。2006 年，Froggatt等提出通过同时测量后向瑞利散射光谱的自相关函数和互相关函数来实现保偏光纤中温度和应力变化的区分。2009 年，Luna 公司的 Stephen T.Kregert 等测量了一段长70m 塑料光纤上的温度变化，空间分辨率为厘米量级，温度分辨率为1℃。2014 年，Jia Song（加拿大渥太华大学的 Xiaoyi Bao实验组）等利用OFDR技术实现了 300m长光纤上的温度测量，测量空间分辨率为7cm，温度分辨率达到了0.7℃。
目前，国外已有相关的OFDR 产品面世。2009年，Luna公司推出DSSTM 4300（Distributed Sensing System）产品，其最大测量范围为70m，空间分辨率达到了0.1cm，温度分辨率为0.1℃。2013 年，Luna公司推出ODISIA（Optical Distributed Sensor Interrogator）产品，其最大测量范围为50m，空间分辨率达到了亚厘米量级，温度分辨率为0.2℃。2014 年，Luna公司推出OBR 4600产品，其最大测量范围为70m，空间分辨率达到了20μm，温度分辨率为0.1℃。
2015 年，德国耶拿大学的 Franz Beier 等利用 Luna 公司的 OBR 产品测量了高功率光纤放大器增益光纤中的温度分布，其测量装置如图2 所示，该系统中种子光波长为 1070nm，OBR 发出的探测光波长为 1.3μm，两束光波通过波分复用器共同耦合进掺镱增益光纤中。探测光波在增益光纤中会产生后向瑞利散射，后向瑞利散射光再次通过波分复用器后进入到 OBR 测量仪器中，通过测量后向瑞利散射光波并利用 OFDR 技术，便可得出增益光纤中温度随位置的分布。由于 OBR 中所用的探测光与激光器中泵浦光和信号光的波长互不相同，因此三者之间互不影响，OBR的温度测量不会影响激光器的正常运行。利用该方案测得的增益光纤中的温度分布如图 3所示。从图3 中可以看出，随着泵浦功率的提高，光纤中的平均温度不断提高。但测量结果显示光纤中某些点的温度会随着泵浦功率的提高而急剧升高，远远高于光纤中的平均温度，这与实际经验不符。因此该测量结果的精度和空间分辨率还有待进一步验证。2016年，Franz Beier 等又利用 OBR温度测量仪器分别对高功率掺铥和掺镱光纤激光放大器中的增益光纤进行了温度测量。通过分析光纤中的温度特性发现，掺铥光纤激光放大器中由于量子亏损较大，其增益光纤中的热效应更加严重，同时放大器中信号光功率的提高可以降低掺杂光纤中的上能级粒子数目，降低量子亏损效应，在一定程度上缓解增益光纤中的热效应。通过对纤芯和内包层直径分别为 25μm 和 400μm 的掺镱增益光纤进行温度测量发现，模式不稳定现象的产生对光纤中的温度分布几乎没有影响。但该实验中增益光纤温度测量的周期为几秒，而模式不稳定现象中光斑变化的周期为微秒量级。因此，该实验中的温度测量结果只能反映光纤中的时间平均温度，不能够探究光纤中产生模式不稳定现象时的瞬态温度变化。综上所述，OFDR技术由于空间分辨率极高，测温时间相对较短，比较适用于高功率光纤激光器中增益光纤的温度测量。但由于信号光、泵浦光及非线性效应等因素对后向瑞利散射光的影响，其测量精度还有待进一步的验证。若将测温结果用于分析光纤中模式不稳定等现象产生的内在机理，还需要大大缩短 OFDR技术的测温时间，使其小于模式不稳定现象中光斑变化的周期。
3.2 BOTDA 技术
3.2.1 BOTDA 技术的基本原理
1989 年，日本科学家T.Horiguchi等提出利用光纤中的受激布里渊散射机制来进行传感的 BOTDA 技术。BOTDA传感系统的基本结构如图4所示，激光器1输出泵浦脉冲光经耦合器输入到传感光纤的一端。激光器2输出连续探测光，连续探测光的频率比泵浦脉冲光的频率低约一个布里渊频移，称为斯托克斯光。通过检测单元测量斯托克斯光功率的变化并利用 OTDR技术便可得到光纤沿线的布里渊增益谱，布里渊增益谱的中心频率和强度与光纤沿线的温度和应变有对应关系，从而实现对光纤应变和温度的全分布式传感。
在基于布里渊散射的光纤传感技术中，空间分辨率和温度分辨率相互制约：为获得高的空间分辨率，传感器必须采用窄脉宽的探测脉冲光，窄脉宽的探测脉冲光产生宽的布里渊增益谱，这将导致布里渊频移测量精度的降低；并且窄脉宽的探测脉冲光意味着泵浦光、探测光和声子的相互作用长度变短，因而得到的布里渊信号变弱，探测误差变大，从而降低应变和温度的分辨率。为了克服以上困难，研究人员提出了一种基于差分脉冲对的BOTDA（DPP-BOTDA）技术，这种技术在不影响温度分辨率的情况下实现了厘米量级的空间分辨率。
DPP-BOTDA传感系统采用一对脉宽相差几纳秒的光脉冲作为探测光来获得传感光纤的差分布里渊增益谱。这对探测脉冲光在传感光纤中分别与泵浦光相互作用，得到两组时域布里渊信号，此两组时域布里渊信号相减，无应变和温度变化区域内的布里渊信号将抵消，发生应变与温度变化处的布里渊信号将保留，最终得到的是这对探测光脉冲的脉宽差内的差分布里渊信号。因此 DPP-BOTDA 传感系统的空间分辨率与探测脉冲对的宽度差有关，从而实现了在不影响温度分辨率的情况下大大提高系统的空间分辨率。
3.2.2 BOTDA 技术的研究现状
渥太华大学的Xiaoyi Bao实验组于2008 年实现了基于 DPP-BOTDA 技术的全分布式光纤传感。实验中测试的光纤长度为1km，其中有两个间隔1m、各自长度为0.5m的应力变化区，其应力变化大小分别为2000με和 3000με。本实验所达到的空间分辨率小于0.2m，传感长度为 1km，布里渊频移的分辨率为3MHz，即温度分辨率大约为2-3℃。
2010 年，渥太华大学的梁浩等利用60/55ns的 512bit的归零码脉冲对对光纤进行探测，最大测量范围达到了50km， 空间分辨率达到了0.5m，布里渊频移的分辨率达到了0.7MHz， 相当于应力分辨率达到了12με，温度分辨率达到了0.7℃。2011 年，渥太华大学的Yongkang Dong等利用8/8.2ns、脉冲下降时间为150ps的脉冲对，实现了长为2km光纤上的温度测量，其空间分辨率为2cm，温度分辨率达到了2℃。
2010年，英国南安普顿大学的C. Gauregai等利用BOTDA方法测量了光纤激光器增益光纤中的温度分布。在该实验中， 可调谐光源发出 1.55μm的光波分为两路分别作为连续探针光和脉冲泵浦光（脉冲宽度为 30ns）。探针光被 EDFA（掺铒光纤放大器）放大后输入到增益光纤中，通过检测探针光的频移和强度，即可求得增益光纤中不同位置处的温度。掺镱光纤激光器的泵浦光波长为 915nm，信号光波长为 1.09μm。激光器的波长和探针光的波长互不相同，因此利用该方案对增益光纤进行温度探测不影响激光器的的正常运转。但该方案中所用的测量脉冲的脉宽为30ns，对应的理论空间分辨率为3m，由此可见该种方法的空间分辨率还有待提高。利用 BOTDA 方法测量高功率光纤激光器中增益光纤温度分布的理论与实验有待进一步的研究。
3.3 BOFDA 技术
3.3.1 BOFDA 技术的基本原理
BOFDA 传感系统的基本结构如图 5 所示，窄线宽泵浦激光器产生连续泵浦光被耦合到传感光纤的一端，窄线宽探测激光器产生连续探测光经电光调制器（EOM）后被耦合到传感光纤的另一端，探测光的频率比泵浦光的频率低一个光纤的布里渊频移。电光调制器（EOM）对探测光进行振幅调制，调制角频率为ωm。对于每一个调制频率ωm，光电探测器探测光纤末端（z=L）的探测光和泵浦光强度的交流部分，从光电探测器输出的电信号由网络分析仪测量，得到传感光纤的基带传输函数，网络分析仪输出的模拟信号经数模转换器转换成数字信号，然后对数字信号进行快速反傅里叶变换（IFFT），对于线性系统，这一傅里叶反变换的结果可近似为传感光纤的脉冲响应函数h（t），它包含了不同光纤位置处的温度和应变信息。
3.3.2 BOFDA 技术的研究现状
2011 年，意大利IREA 研究所的研究人员 Bernini R.等利用BOFDA技术测量了一段长度为5.5m的光纤上的温度和应力分布。如图 6 所示，从激光光源输出的偏振光经过耦合器后分为两束，分别作为泵浦光和信号光。信号光经过电光调制器（IM1）和FBG后，光频频移大约为 10GHz。泵浦光被电光调制器（IM2）以频率fm进行振幅调制。经过EDFA放大后，泵浦光和信号光传输到光电探测器和网络分析仪中进行探测。该实验中基带传输函数的频率变化范围为 450MHz 到 980MHz，步长为 2MHz，能够实现 29mm 的空间分辨率。但该种方法的测量时间比较长，在实验中，对于几米量级的光纤，其测量时间达到了 1 分钟。如果测量长为 1km 的光纤，要想达到同样的空间分辨率，其测量时间可能要一小时。目前，还没有文献报道利用 BOFDA 方法测量光纤激光器中增益光纤温度的研究。BOFDA 方法的空间分辨率高、温度分辨率高，但该方案的测量装置比较复杂，且测温时间较长，若将其应用于光纤激光器增益光纤的温度测量中，还需要进一步的研究。
3.4.1 BOCDA 技术的基本原理
BOCDA方法是东京大学的Kazuo Hotate 实验组于1999 年提出的，该种方法是基于泵浦光和探针光的相干特性共同激发光纤上某一个特定位置的受激布里渊散射而提出的。在 BOCDA 技术中，对泵浦光和探针光进行相同的频率调制（比如正弦波调制） ，受激布里渊散射只在两光波相关峰位置处发生。 通过改变调制频率（FM），可以改变光纤中相关峰的位置，从而实现光纤中布里渊增益谱的分布式测量。在该种系统中，测量范围由相关峰的间隔决定，空间分辨率由相关峰的宽度决定。
图7显示了一个BOCDA 系统。在该系统中，光源为一个波长为1.5μm的分布反馈式激光二极管。通过调制激光器的输入电流，光源的光波频率呈现正弦式的变化。从光源输出的光进入耦合器后被分为两路。在一路中，待测光纤（FUT）前的单边带调制器（single side-band modulator，SSBM）将光波频率下移一个布里渊频移，并作为探针光注入到待测光纤的一端。在另一路中，光波被 EDFA放大，并作为泵浦光注入到待测光纤的另一端。在待测光纤中的相关峰位置处发生受激布里渊散射，在光纤中的其它位置处，泵浦光和探针光的频率差不断进行波动，受激布里渊散射被抑制。基于此原理实现了连续光波在光纤中不同位置处的受激布里渊散射。通过改变泵浦光和探针光的频率差，可以得到不同位置处（相关峰位置处）的布里渊增益谱（洛伦兹线型），读取增益谱中的峰值频率，即可得到该测量位置处的布里渊频移。
3.4.2 BOCDA 技术的研究现状
BOCDA系统不用时域脉冲，因此空间分辨率并没有被限制在1m的范围内。2002年，Kazuo Hotate课题组测量了绕在一个直径为14.7cm的圆柱体上长为1.5m光纤上的应力分布，其空间分辨率达到了1cm。2007年，Kazuo Hotate课题组提出将BOCDA系统的光源进行强度调制以抑制背景噪声，实现了1km长光纤上的压力测量，空间分辨率为30cm。2012年，韩国KIST研究所的Ji Ho Jeong等提出对泵浦光进行相位调制来抑制BOCDA系统中输出增益谱的背景噪声，实现了50m长光纤上的压力测量，空间分辨率为10cm。
在BOCDA技术中，要提高空间分辨率，就要增大调制频率的幅度。但当调制频率的幅度过大时，探针光的光谱和泵浦光的光谱会发生重叠。为了解决该问题，Kazuo Hotate课题组于2006年提出同时将泵浦光和探针光在不同频率处进行拍频锁定探测的方案，该方案成功实现了1.6mm的空间分辨率，其理论最大测量范围为5.3m。 这是目前用BOCDA方法得到的最高空间分辨率，但为了保证输出信号的信噪比， 此次测量所用时间较长，采样频率为0.1Hz。
BOCDA系统的测量时间主要被微波频率的改变速率限制。2003年，Kazuo Hotate课题组测量了光纤上一段长为5cm的应力振动，单点的最大采样速率为8.8Hz，应力分辨率为38με。为了提高BOCDA系统的采样速率，2005年，Kazuo Hotate课题组提出了一种基于时分复用的泵浦光和探针光的产生机制，基于此原理，2007年，Kazuo Hotate课题组在一段长为20m的光纤上实现了单点最大采样速率为1kHz的应力测量，成功测量了光纤上频率为200kHz的应力变化，其空间分辨率为10cm，并且该系统可以实现任意空间位置处温度和应力的测量。但该系统在测量不同位置处的温度和应力时，其采样速率会大大降低，每秒钟最多只能对几个点进行采样。2012年，Kazuo Hotate课题组进一步提高了基于时分复用的BOCDA系统的性能，实现了对任意不同位置处最大采样速率为200Hz的应力测量。利用BOCDA技术对光纤中温度进行传感的空间分辨率较高，但该类系统过于复杂。若将该技术应用于高功率光纤激光器增益光纤的温度测量中，可能会使整体系统过于庞大而难于调试。因此，利用该技术对高功率光纤激光系统进行温度监测还有待进一步的研究与探索。
4、对比与分析
OFDR技术基于光纤中的后向瑞利散射对待测光纤进行分布式传感，和OTDR技术相比，其空间分辨率大大提高。因此，该技术适用于对空间分辨率要求较高的温度测量系统。Luna公司的Froggat等人利用此技术对光纤的温度和应力测量进行了一系列的研究，取得了丰硕的研究成果，并制造出温度分辨率高、空间分辨率高的测温仪器。但由于受到光源相干长度的限制，利用OFDR技术对光纤进行传感的最大传感距离较短，通常只有几十米。为了增加利用OFDR技术测温的最大传感距离，2014年，渥太华大学的Xiaoyi Bao实验组对传统OFDR技术做了改进，并测量了光纤中的温度和应力分布，取得了良好的效果。
和OFDR技术不同的是，BOTDA技术基于光纤中的布里渊散射测量光纤中的温度分布。由于布里渊增益谱的强度和频移都和光纤中的温度和应力相关，因此基于受激布里渊散射方法测温的温度分辨率较高，但由于受到声子寿命的限制，该种方法的空间分辨率不易提高。 Xiaoyi Bao实验组提出了基于差分脉冲对的BOTDA技术，将该种方法的空间分辨率提高到了厘米量级，但将其应用到增益光纤的温度测量中还有待进一步的研究。和BOTDA技术相比，BOFDA技术不受声子寿命的限制，并且用强度调制的连续光代替脉冲光，因此具有高空间分辨率和低探测光功率的优点。但BOFDA技术的信号处理比较复杂。且测量时间较长，因此，目前本方案还不太适用于高功率光纤激光器增益光纤中的温度测量。
BOCDA技术通过对激光器进行频率调制，同样避免了声子寿命的限制，其空间分辨率和温度分辨率都较高。但若将其用于高功率光纤激光器增益光纤的温度测量中，其系统复杂性可能会比较高。
综上所述，分布式光纤温度测量的方法有多种，但适用于高功率光纤激光器增益光纤温度测量的方法还有待进一步研究。从目前的研究进展来看，由美国 Luna 公司为代表的基于 OFDR 技术的测温方法最为成熟，其空间分辨率极高，测量时间相对较短，且已有性能良好的相关产品问世，比较适用于高功率光纤激光器增益光纤中的温度测量。也有相关文献研究了基于 OBR 产品测量光纤激光放大器增益光纤中温度分布的实验，但该类实验还有待进一步的完善与发展，从而研发出成熟的高功率光纤激光器的温度测量仪器。
5、小结
本文首先介绍了增益光纤中的高温分布对高功率激光器输出功率的影响，指出对高功率光纤激光器中增益光纤温度监测的意义与作用。然后从分布式光纤传感的角度出发，对分布式光纤传感技术进行了分类与讲解。接着根据不同分布式光纤传感技术的优缺点， 重点研究了几种有可能用于高功率光纤激光器中增益光纤温度监测的分布式传感技术。最后，对比分析了 OFDR 技术、BOTDA 技术、BOFDA 技术、BOCDA 技术用于高功率光纤激光器中增益光纤温度监测的可行性与优缺点，为高功率光纤激光器中的温度测量提供参考。（国防科技大学 光电科学与工程学院，周子超 王小林 粟荣涛 张汉伟 周 朴 许晓军）
近年来，随着高亮度半导体泵浦技术、双包层增益光纤技术、功率合束器等技术的进步，高功率光纤激光器迅猛发展。目前，单模激光器的输出功率已经达到了20kW。在一定的制冷条件下，随着光纤激光器输出功率的提高，增益光纤中的温度也随之迅速升高。由于普通增益光纤涂覆层长时间稳定的许可温度为 80℃，为了实现长时间的稳定工作，必须对光纤激光器增益光纤的温度进行严格控制。此外，研究发现，光纤中的温度分布能够显著影响高功率光纤激光器的性能。增益光纤中的高温会使高功率光纤激光器的稳定性下降，并导致激光器中模式不稳定现象（Mode Instability，MI）的发生。相关研究表明，增益光纤中内部温度越高，越容易产生模式不稳定现象，低温则不容易产生模式不稳定现象。另外，光纤中过高的温度分布会影响其它的非线性效应，影响光纤激光器的输出特性。因此，为了保证高功率光纤激光器的稳定输出，避免增益光纤在使用过程中的损伤，对增益光纤中的温度分布进行监测是非常有必要的。目前，对于光纤激光器中增益光纤的温度测量尚无较多研究，本文主要介绍传统分布式光纤传感的基本原理， 并根据现有高功率增益光纤温度测量的结果，对比并说明何种传感方式有望用于高功率光纤激光器的温度测量中，以期对高功率光纤激光器的温度场测量提供参考，并对模式不稳定、非线性效应等现象的研究提供一种新的认知手段。
2、分布式温度测量的分类
分布式光纤传感技术不仅具有一般光纤传感器高精度的优点，而且可以在沿光纤路径上同时得到被测量场在时间和空间上的连续分布信息，在桥梁、油漆罐、高压线路等领域有着广泛的应用前景。目前，分布式光纤传感技术主要是基于光纤中的后向散射实现传感，如瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。基于后向瑞利散射的分布式光纤传感技术主要有光时域反射法（OTDR，Optical Time Domain Reflectometry）和光频域反射法（OFDR，Optical Frequency Domain Reflectometry）。 基于拉曼散射的全分布式光纤传感技术主要有拉曼光时域反射技术（ROTDR，Raman Optical Time Domain Reflectometry）和拉曼光频域反射技术（ROFDR，Raman Optical Frequency Domain Reflectometry）。基于布里渊散射的全分布式光纤传感技术主要有布里渊光时域反射技术（BOTDR，Brillouin Optical Time Domain Reflectometry）、布里渊光时域分析技术（BOTDA，Brillouin Optical Time Domain Analysis） 、布里渊光频域分析技术（BOFDA，Brillouin Optical Frequency Domain Analysis）和布里渊相干域分析技术（BOCDA，Brillouin Optical Correlation Domain Analysis）。其中OTDR技术传感距离长（一般在千米量级），空间分辨率较低（一般在10m 左右），适用于测量长距离光纤中的损耗和断点。OFDR技术的传感距离通常不超过100m，空间分辨率高（可以达到厘米量级甚至是微米量级），温度分辨率高，适用于短距离光纤中高空间分辨率的温度测量。ROTDR技术和ROFDR技术的传感距离都较长（几百米至几千米），空间分辨率较低（通常为几十厘米）。BOTDR技术和 BOTDA 技术的传感距离长（千米量级），空间分辨率高（可达到厘米量级），能够精确测量光纤中的温度和应力。BOFDA 技术和 BOCDA 技术的传感距离较短（一般为几十米至几百米），空间分辨率高（可以达到厘米量级甚至是毫米量级），温度分辨率高。表1对比了不同分布式传感方法的优缺点。 相比于传统的分布式光纤传感系统，高功率增益光纤中的温度测量具有测量光纤长度相对较短，空间分辨率和温度分辨率要求较高，测量时间要求较短等特点。基于此，本文重点研究了OFDR 技术、BOTDA 技术、BOFDA 技术和 BOCDA 技术的原理、发展现状及其应用于增益光纤中温度测量的可行性。
表1 不同传感方式的主要技术参数与应用场合
3、不同传感方式的原理与现状
根据上文所述的分布式温度测量的分类，考虑到高功率增益光纤温度测量的空间分辨率要求较高，温度分辨率要求较高，测量时间要求较短，而OTDR、ROTDR 和ROFDR等技术不能够满足上述条件。同时，在基于自发布里渊散射的 BOTDR 技术中，由于后向自发布里渊散射光较微弱（其功率比后向瑞利散射光功率低约20~30dB），其信号检测比较困难。因此，本节主要介绍 OFDR 技术、BOTDA技术、BOFDA技术和BOCDA 技术的原理与现状。
3.1 OFDR 技术的原理与现状
3.1.1 OFDR 技术的基本原理
OFDR技术最初是由德国Hamburg-Harburg大学的W.Eickhoff于1981年提出的， 其基本原理如图1所示，线性扫频光源输出连续光被光纤耦合器分为两路。其中一路光波注入到待测光纤中，该路激光在光纤中传播时会不断产生后向瑞利散射光，这些后向瑞利散射光成为信号光通过光纤耦合器耦合到光电探测器中。另一路光束经过固定反射镜反射后作为参考光返回耦合器， 同样被耦合到光电探测器中。 光电探测器中得到的是参考光和待测后向瑞利散射光的混频信号，而后将信号输入到频谱仪中，对其进行频谱测量。由于OFDR 技术中的激光光源为线性扫频光源，故在光纤上不同位置x处的后向瑞利散射光的光频不同。因此，通过检测探测器上的光频，可以获知光纤上的位置信息，返回的瑞利散射光的振幅与光纤的局部散射因子以及振幅衰减因子成正比。通过在频谱分析仪中进行傅里叶变换，可以同时获知光纤中所有位置处的后向散射光信息，这些信息和频谱分析仪中的频率Ω直接对应。
图1 OFDR 技术的基本原理图
利用OFDR 技术进行测温时，可以把待测光纤看做一种连续分布的弱随机周期的 Bragg 光栅。外界应变、温度的变化会引起Bragg光栅光谱的移动，同样，外界应变、温度的变化也会引起待测光纤中瑞利散射光谱的移动。这种瑞利散射光谱的移动可以通过待测瑞利散射光谱（外界施加温度）与本地参考光谱（外界未施加温度）的互相关运算得到，通过计算互相关的峰值位置就可以得到瑞利散射光谱的移动量。瑞利散射光谱的移动量反映了光纤中温度的大小，从而实现了利用 OFDR 技术测温的分布式传感。
3.1.2 OFDR技术的研究现状
OFDR 技术的主要特点是采用相干探测技术进行探测，具有极高的空间分辨率。但由于受扫频光源相干长度的限制，其最大测量范围通常只有几十米。1998年，美国 Luna公司的Froggatt等通过利用OFDR技术对1.8m长光纤中所受的应力进行了测量，利用互相关的方法对比了光纤中0.3m长的区域中受应力前后瑞利散射信号频谱的偏移，应力分辨率为 10με。2005年，Luna公司的Soller B.等利用OFDR 技术实现了对35m长光纤上的 FBG和损耗点的测量，测量空间分辨率达到了22μm。2006年，Luna公司的 Soller B.等通过测量后向瑞利散射光谱的偏移，实现了对 20m长光纤上局部温度的测量，测量空间分辨率达到了 2mm，温度分辨率达到了1℃。2006 年，Froggatt等提出通过同时测量后向瑞利散射光谱的自相关函数和互相关函数来实现保偏光纤中温度和应力变化的区分。2009 年，Luna 公司的 Stephen T.Kregert 等测量了一段长70m 塑料光纤上的温度变化，空间分辨率为厘米量级，温度分辨率为1℃。2014 年，Jia Song（加拿大渥太华大学的 Xiaoyi Bao实验组）等利用OFDR技术实现了 300m长光纤上的温度测量，测量空间分辨率为7cm，温度分辨率达到了0.7℃。
目前，国外已有相关的OFDR 产品面世。2009年，Luna公司推出DSSTM 4300（Distributed Sensing System）产品，其最大测量范围为70m，空间分辨率达到了0.1cm，温度分辨率为0.1℃。2013 年，Luna公司推出ODISIA（Optical Distributed Sensor Interrogator）产品，其最大测量范围为50m，空间分辨率达到了亚厘米量级，温度分辨率为0.2℃。2014 年，Luna公司推出OBR 4600产品，其最大测量范围为70m，空间分辨率达到了20μm，温度分辨率为0.1℃。
2015 年，德国耶拿大学的 Franz Beier 等利用 Luna 公司的 OBR 产品测量了高功率光纤放大器增益光纤中的温度分布，其测量装置如图2 所示，该系统中种子光波长为 1070nm，OBR 发出的探测光波长为 1.3μm，两束光波通过波分复用器共同耦合进掺镱增益光纤中。探测光波在增益光纤中会产生后向瑞利散射，后向瑞利散射光再次通过波分复用器后进入到 OBR 测量仪器中，通过测量后向瑞利散射光波并利用 OFDR 技术，便可得出增益光纤中温度随位置的分布。由于 OBR 中所用的探测光与激光器中泵浦光和信号光的波长互不相同，因此三者之间互不影响，OBR的温度测量不会影响激光器的正常运行。利用该方案测得的增益光纤中的温度分布如图 3所示。从图3 中可以看出，随着泵浦功率的提高，光纤中的平均温度不断提高。但测量结果显示光纤中某些点的温度会随着泵浦功率的提高而急剧升高，远远高于光纤中的平均温度，这与实际经验不符。因此该测量结果的精度和空间分辨率还有待进一步验证。2016年，Franz Beier 等又利用 OBR温度测量仪器分别对高功率掺铥和掺镱光纤激光放大器中的增益光纤进行了温度测量。通过分析光纤中的温度特性发现，掺铥光纤激光放大器中由于量子亏损较大，其增益光纤中的热效应更加严重，同时放大器中信号光功率的提高可以降低掺杂光纤中的上能级粒子数目，降低量子亏损效应，在一定程度上缓解增益光纤中的热效应。通过对纤芯和内包层直径分别为 25μm 和 400μm 的掺镱增益光纤进行温度测量发现，模式不稳定现象的产生对光纤中的温度分布几乎没有影响。但该实验中增益光纤温度测量的周期为几秒，而模式不稳定现象中光斑变化的周期为微秒量级。因此，该实验中的温度测量结果只能反映光纤中的时间平均温度，不能够探究光纤中产生模式不稳定现象时的瞬态温度变化。综上所述，OFDR技术由于空间分辨率极高，测温时间相对较短，比较适用于高功率光纤激光器中增益光纤的温度测量。但由于信号光、泵浦光及非线性效应等因素对后向瑞利散射光的影响，其测量精度还有待进一步的验证。若将测温结果用于分析光纤中模式不稳定等现象产生的内在机理，还需要大大缩短 OFDR技术的测温时间，使其小于模式不稳定现象中光斑变化的周期。
图 2 基于OBR 测量光纤中温度的原理图
图 3 光纤中的温度分布（环境温度为 22℃）
3.2 BOTDA 技术
3.2.1 BOTDA 技术的基本原理
1989 年，日本科学家T.Horiguchi等提出利用光纤中的受激布里渊散射机制来进行传感的 BOTDA 技术。BOTDA传感系统的基本结构如图4所示，激光器1输出泵浦脉冲光经耦合器输入到传感光纤的一端。激光器2输出连续探测光，连续探测光的频率比泵浦脉冲光的频率低约一个布里渊频移，称为斯托克斯光。通过检测单元测量斯托克斯光功率的变化并利用 OTDR技术便可得到光纤沿线的布里渊增益谱，布里渊增益谱的中心频率和强度与光纤沿线的温度和应变有对应关系，从而实现对光纤应变和温度的全分布式传感。
图 4 BOTDA 技术的基本原理图
在基于布里渊散射的光纤传感技术中，空间分辨率和温度分辨率相互制约：为获得高的空间分辨率，传感器必须采用窄脉宽的探测脉冲光，窄脉宽的探测脉冲光产生宽的布里渊增益谱，这将导致布里渊频移测量精度的降低；并且窄脉宽的探测脉冲光意味着泵浦光、探测光和声子的相互作用长度变短，因而得到的布里渊信号变弱，探测误差变大，从而降低应变和温度的分辨率。为了克服以上困难，研究人员提出了一种基于差分脉冲对的BOTDA（DPP-BOTDA）技术，这种技术在不影响温度分辨率的情况下实现了厘米量级的空间分辨率。
DPP-BOTDA传感系统采用一对脉宽相差几纳秒的光脉冲作为探测光来获得传感光纤的差分布里渊增益谱。这对探测脉冲光在传感光纤中分别与泵浦光相互作用，得到两组时域布里渊信号，此两组时域布里渊信号相减，无应变和温度变化区域内的布里渊信号将抵消，发生应变与温度变化处的布里渊信号将保留，最终得到的是这对探测光脉冲的脉宽差内的差分布里渊信号。因此 DPP-BOTDA 传感系统的空间分辨率与探测脉冲对的宽度差有关，从而实现了在不影响温度分辨率的情况下大大提高系统的空间分辨率。
3.2.2 BOTDA 技术的研究现状
渥太华大学的Xiaoyi Bao实验组于2008 年实现了基于 DPP-BOTDA 技术的全分布式光纤传感。实验中测试的光纤长度为1km，其中有两个间隔1m、各自长度为0.5m的应力变化区，其应力变化大小分别为2000με和 3000με。本实验所达到的空间分辨率小于0.2m，传感长度为 1km，布里渊频移的分辨率为3MHz，即温度分辨率大约为2-3℃。
2010 年，渥太华大学的梁浩等利用60/55ns的 512bit的归零码脉冲对对光纤进行探测，最大测量范围达到了50km， 空间分辨率达到了0.5m，布里渊频移的分辨率达到了0.7MHz， 相当于应力分辨率达到了12με，温度分辨率达到了0.7℃。2011 年，渥太华大学的Yongkang Dong等利用8/8.2ns、脉冲下降时间为150ps的脉冲对，实现了长为2km光纤上的温度测量，其空间分辨率为2cm，温度分辨率达到了2℃。
2010年，英国南安普顿大学的C. Gauregai等利用BOTDA方法测量了光纤激光器增益光纤中的温度分布。在该实验中， 可调谐光源发出 1.55μm的光波分为两路分别作为连续探针光和脉冲泵浦光（脉冲宽度为 30ns）。探针光被 EDFA（掺铒光纤放大器）放大后输入到增益光纤中，通过检测探针光的频移和强度，即可求得增益光纤中不同位置处的温度。掺镱光纤激光器的泵浦光波长为 915nm，信号光波长为 1.09μm。激光器的波长和探针光的波长互不相同，因此利用该方案对增益光纤进行温度探测不影响激光器的的正常运转。但该方案中所用的测量脉冲的脉宽为30ns，对应的理论空间分辨率为3m，由此可见该种方法的空间分辨率还有待提高。利用 BOTDA 方法测量高功率光纤激光器中增益光纤温度分布的理论与实验有待进一步的研究。
3.3 BOFDA 技术
3.3.1 BOFDA 技术的基本原理
1996 年，德国科学家D.Garus等提出了一种基于布里渊频域分析的光纤传感技术（BOFDA 技术） 。相对于布里渊时域分析技术，布里渊频域分析技术具有高空间分辨率、低探测光功率的优点。BOFDA技术的实质是基于测量光纤的传输函数实现对测量点定位的一种传感方法。这个传输函数把探测光、泵浦光的复振幅与光纤的几何长度相互关联起来，通过计算光纤的冲击响应函数确定光纤沿线的温度和应变信息。
BOFDA 传感系统的基本结构如图 5 所示，窄线宽泵浦激光器产生连续泵浦光被耦合到传感光纤的一端，窄线宽探测激光器产生连续探测光经电光调制器（EOM）后被耦合到传感光纤的另一端，探测光的频率比泵浦光的频率低一个光纤的布里渊频移。电光调制器（EOM）对探测光进行振幅调制，调制角频率为ωm。对于每一个调制频率ωm，光电探测器探测光纤末端（z=L）的探测光和泵浦光强度的交流部分，从光电探测器输出的电信号由网络分析仪测量，得到传感光纤的基带传输函数，网络分析仪输出的模拟信号经数模转换器转换成数字信号，然后对数字信号进行快速反傅里叶变换（IFFT），对于线性系统，这一傅里叶反变换的结果可近似为传感光纤的脉冲响应函数h（t），它包含了不同光纤位置处的温度和应变信息。
图 5 BOFDA传感系统的基本结构图
3.3.2 BOFDA 技术的研究现状
2011 年，意大利IREA 研究所的研究人员 Bernini R.等利用BOFDA技术测量了一段长度为5.5m的光纤上的温度和应力分布。如图 6 所示，从激光光源输出的偏振光经过耦合器后分为两束，分别作为泵浦光和信号光。信号光经过电光调制器（IM1）和FBG后，光频频移大约为 10GHz。泵浦光被电光调制器（IM2）以频率fm进行振幅调制。经过EDFA放大后，泵浦光和信号光传输到光电探测器和网络分析仪中进行探测。该实验中基带传输函数的频率变化范围为 450MHz 到 980MHz，步长为 2MHz，能够实现 29mm 的空间分辨率。但该种方法的测量时间比较长，在实验中，对于几米量级的光纤，其测量时间达到了 1 分钟。如果测量长为 1km 的光纤，要想达到同样的空间分辨率，其测量时间可能要一小时。目前，还没有文献报道利用 BOFDA 方法测量光纤激光器中增益光纤温度的研究。BOFDA 方法的空间分辨率高、温度分辨率高，但该方案的测量装置比较复杂，且测温时间较长，若将其应用于光纤激光器增益光纤的温度测量中，还需要进一步的研究。
图 6 BOFDA 系统的实验装置图
3.4 BOCDA 技术
3.4.1 BOCDA 技术的基本原理
BOCDA方法是东京大学的Kazuo Hotate 实验组于1999 年提出的，该种方法是基于泵浦光和探针光的相干特性共同激发光纤上某一个特定位置的受激布里渊散射而提出的。在 BOCDA 技术中，对泵浦光和探针光进行相同的频率调制（比如正弦波调制） ，受激布里渊散射只在两光波相关峰位置处发生。 通过改变调制频率（FM），可以改变光纤中相关峰的位置，从而实现光纤中布里渊增益谱的分布式测量。在该种系统中，测量范围由相关峰的间隔决定，空间分辨率由相关峰的宽度决定。
图7显示了一个BOCDA 系统。在该系统中，光源为一个波长为1.5μm的分布反馈式激光二极管。通过调制激光器的输入电流，光源的光波频率呈现正弦式的变化。从光源输出的光进入耦合器后被分为两路。在一路中，待测光纤（FUT）前的单边带调制器（single side-band modulator，SSBM）将光波频率下移一个布里渊频移，并作为探针光注入到待测光纤的一端。在另一路中，光波被 EDFA放大，并作为泵浦光注入到待测光纤的另一端。在待测光纤中的相关峰位置处发生受激布里渊散射，在光纤中的其它位置处，泵浦光和探针光的频率差不断进行波动，受激布里渊散射被抑制。基于此原理实现了连续光波在光纤中不同位置处的受激布里渊散射。通过改变泵浦光和探针光的频率差，可以得到不同位置处（相关峰位置处）的布里渊增益谱（洛伦兹线型），读取增益谱中的峰值频率，即可得到该测量位置处的布里渊频移。
图 7 BOCDA 系统的原理图
3.4.2 BOCDA 技术的研究现状
BOCDA系统不用时域脉冲，因此空间分辨率并没有被限制在1m的范围内。2002年，Kazuo Hotate课题组测量了绕在一个直径为14.7cm的圆柱体上长为1.5m光纤上的应力分布，其空间分辨率达到了1cm。2007年，Kazuo Hotate课题组提出将BOCDA系统的光源进行强度调制以抑制背景噪声，实现了1km长光纤上的压力测量，空间分辨率为30cm。2012年，韩国KIST研究所的Ji Ho Jeong等提出对泵浦光进行相位调制来抑制BOCDA系统中输出增益谱的背景噪声，实现了50m长光纤上的压力测量，空间分辨率为10cm。
在BOCDA技术中，要提高空间分辨率，就要增大调制频率的幅度。但当调制频率的幅度过大时，探针光的光谱和泵浦光的光谱会发生重叠。为了解决该问题，Kazuo Hotate课题组于2006年提出同时将泵浦光和探针光在不同频率处进行拍频锁定探测的方案，该方案成功实现了1.6mm的空间分辨率，其理论最大测量范围为5.3m。 这是目前用BOCDA方法得到的最高空间分辨率，但为了保证输出信号的信噪比， 此次测量所用时间较长，采样频率为0.1Hz。
BOCDA系统的测量时间主要被微波频率的改变速率限制。2003年，Kazuo Hotate课题组测量了光纤上一段长为5cm的应力振动，单点的最大采样速率为8.8Hz，应力分辨率为38με。为了提高BOCDA系统的采样速率，2005年，Kazuo Hotate课题组提出了一种基于时分复用的泵浦光和探针光的产生机制，基于此原理，2007年，Kazuo Hotate课题组在一段长为20m的光纤上实现了单点最大采样速率为1kHz的应力测量，成功测量了光纤上频率为200kHz的应力变化，其空间分辨率为10cm，并且该系统可以实现任意空间位置处温度和应力的测量。但该系统在测量不同位置处的温度和应力时，其采样速率会大大降低，每秒钟最多只能对几个点进行采样。2012年，Kazuo Hotate课题组进一步提高了基于时分复用的BOCDA系统的性能，实现了对任意不同位置处最大采样速率为200Hz的应力测量。利用BOCDA技术对光纤中温度进行传感的空间分辨率较高，但该类系统过于复杂。若将该技术应用于高功率光纤激光器增益光纤的温度测量中，可能会使整体系统过于庞大而难于调试。因此，利用该技术对高功率光纤激光系统进行温度监测还有待进一步的研究与探索。
4、对比与分析
OFDR技术基于光纤中的后向瑞利散射对待测光纤进行分布式传感，和OTDR技术相比，其空间分辨率大大提高。因此，该技术适用于对空间分辨率要求较高的温度测量系统。Luna公司的Froggat等人利用此技术对光纤的温度和应力测量进行了一系列的研究，取得了丰硕的研究成果，并制造出温度分辨率高、空间分辨率高的测温仪器。但由于受到光源相干长度的限制，利用OFDR技术对光纤进行传感的最大传感距离较短，通常只有几十米。为了增加利用OFDR技术测温的最大传感距离，2014年，渥太华大学的Xiaoyi Bao实验组对传统OFDR技术做了改进，并测量了光纤中的温度和应力分布，取得了良好的效果。
和OFDR技术不同的是，BOTDA技术基于光纤中的布里渊散射测量光纤中的温度分布。由于布里渊增益谱的强度和频移都和光纤中的温度和应力相关，因此基于受激布里渊散射方法测温的温度分辨率较高，但由于受到声子寿命的限制，该种方法的空间分辨率不易提高。 Xiaoyi Bao实验组提出了基于差分脉冲对的BOTDA技术，将该种方法的空间分辨率提高到了厘米量级，但将其应用到增益光纤的温度测量中还有待进一步的研究。和BOTDA技术相比，BOFDA技术不受声子寿命的限制，并且用强度调制的连续光代替脉冲光，因此具有高空间分辨率和低探测光功率的优点。但BOFDA技术的信号处理比较复杂。且测量时间较长，因此，目前本方案还不太适用于高功率光纤激光器增益光纤中的温度测量。
BOCDA技术通过对激光器进行频率调制，同样避免了声子寿命的限制，其空间分辨率和温度分辨率都较高。但若将其用于高功率光纤激光器增益光纤的温度测量中，其系统复杂性可能会比较高。
综上所述，分布式光纤温度测量的方法有多种，但适用于高功率光纤激光器增益光纤温度测量的方法还有待进一步研究。从目前的研究进展来看，由美国 Luna 公司为代表的基于 OFDR 技术的测温方法最为成熟，其空间分辨率极高，测量时间相对较短，且已有性能良好的相关产品问世，比较适用于高功率光纤激光器增益光纤中的温度测量。也有相关文献研究了基于 OBR 产品测量光纤激光放大器增益光纤中温度分布的实验，但该类实验还有待进一步的完善与发展，从而研发出成熟的高功率光纤激光器的温度测量仪器。
5、小结
本文首先介绍了增益光纤中的高温分布对高功率激光器输出功率的影响，指出对高功率光纤激光器中增益光纤温度监测的意义与作用。然后从分布式光纤传感的角度出发，对分布式光纤传感技术进行了分类与讲解。接着根据不同分布式光纤传感技术的优缺点， 重点研究了几种有可能用于高功率光纤激光器中增益光纤温度监测的分布式传感技术。最后，对比分析了 OFDR 技术、BOTDA 技术、BOFDA 技术、BOCDA 技术用于高功率光纤激光器中增益光纤温度监测的可行性与优缺点，为高功率光纤激光器中的温度测量提供参考。（国防科技大学 光电科学与工程学院，周子超 王小林 粟荣涛 张汉伟 周 朴 许晓军）
转载请注明出处。
相关文章
热门资讯
精彩导读
关注我们
