基于光纤激光器的有源光纤传感器

来源:光学笔记    关键词:光纤激光器, 传感器,    发布时间:2019-07-18

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光纤激光器以其易于热控管理、转换效率高、输出稳定、宽增益带宽、模式选择简单且泵浦功率要求低等优点而得到了广泛的应用。将其用于传感应用的光纤传感器具有灵敏度高、可远程实时监测、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点,被广泛应用于生物化学、工程监控和航空航天等诸多领域。本文简要介绍了可调谐光纤激光器的发展现状并距离说明了在应力、折射率、温度、压力、声波及磁场等方面传感应用的实施方案。


1. 引言

早在1964年Snitzer和Koester首次提出并发明了光纤激光器[1],在70年代由于低损耗光纤[2]和室温激光二极管[3]的出现光纤激光器得到了进一步的发展。1985年,S.Poole等人利用改进后的化学气相沉积法制作出了第一个低损耗的掺Nd光纤[4],此后人们开始对各种不同结构和不同掺杂元素的光纤激光器展开了的广泛的研究。


相较于传统的固体激光器,光纤激光器具有很多优点。首先,光纤增益介质的几何形状本身就具有很大的表面积,腔内产生的热量很容易散发到空气或者周围介质中,不需要设计额外的热沉而只需使用简单的冷却装置就能够在较高输出功率下进行有效的散热并得到较好的光束质量[5]。其次,光纤激光器由于其具有较长的有源腔长和较细的导引光纤使得电光转换效率远高于传统固体激光器,不需要太高的泵浦功率就可以得到有效的激光[6]。此外,光纤的波导结构对激光光束的限制作用也保证了输出光束的质量,不容易出现传统固体激光器经常出现的热致模式失真的现象。同时,全光纤的结构也不需要自由空间光学元件的使用从而放松了在传统激光器中严格的校准和机械稳定性要求,简化了激光器结构和使用,有助于实现激光器的小型化,提高激光器的稳定性。上述的这些优点使得光纤激光器在众多领域都具有很高的科学研究和商业应用价值。


光纤激光器原理示意图

随着光纤制造工艺、光纤器件以及高功率泵浦源的不断发展,光纤激光器在输出功率、光束质量、输出光波段、谱宽压缩和脉冲持续时间等方面都获得了显著提升,这也促进了光纤激光器在光纤传感领域的应用。利用光纤激光器自身具有的优良性质,通过输出光的变化进行解调可以对待测物理量的进行实时监测。早在1993年,Serge M. Melle等人就提出了一种调节布拉格光栅的光纤激光器应力传感系统[7],将掺铒光纤、宽带反射镜和光纤光栅组成光纤激光器,其输出波长即取决于用于应力测量的光纤光栅从而实现一个自供给的光纤激光器应变传感器。此外,将光纤激光器与布拉格光栅阵列进行组合,还能够同时对多个位置的物理量变化进行测量,实现覆盖面更广、实用性更强的大范围分布式传感。上述这些光纤激光传感器在过去的数十年内发展得相对成熟,并且已经广泛应用在众多科学研究和实际生产中。


2. 主要类别

2.1 应力传感器

应力在生活中非常普遍,对它的监测具有非常广泛的应用范围,如大型机械的结构稳定性检测以及桥梁和隧道等设施的健康监控等都需要对应变进行精密测量。而基于光纤激光器的应力传感器灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀且实施方案灵活,在应力监测方面被广泛应用于工程实践中。

如下图所示为双稳频反馈环路光纤应变传感器[8],该传感器频率范围可以从准静态到几百赫兹,由用于应变传感的π相移光纤布拉格光栅和作为参考的光纤法布里-珀罗干涉仪组成。系统使用Pound-Drever-Hall技术来产生误差信号,激光载波和边带分别通过两个独立的反馈回路锁定到参考元件和传感元件。其应变分辨率在0.01-250Hz的带宽内具有出1/f的特性,在10Hz的频率下应变分辨率优于0.01nε,动态范围高达149dB。与传统的静态应变传感器相比,这种传感器在分辨率和传感带宽方面都有很大的提高,可以成为地球物理研究应用中的有力工具。


基于FP腔和随机镜的光纤应力传感器


2.2 折射率传感器

在生物、化学等学科的研究以及材料制造、医学检测等实际应用场合中,对于折射率的检测一直是至关重要的一个环节。光纤在折射率传感方面具有很明显的优势,它的重量轻、体积小、灵敏度高、带宽大和抗电磁干扰的特性,吸引了许多研究者的注意。近年来,在光纤激光折射率传感器的研究方面,也取得了非常显著的成果。


如下图所示为一种基于线性腔双波长掺铒光纤激光器的折射率传感器[9],该传感器的基本结构为线性腔,使用了两个中心波长相隔小于1nm的光纤布拉格光栅(FBG)。由于两个FBG具有相同的EDF增益介质,因此会在腔内发生增益竞争。当传感元件,即一段15mm长的微光纤浸入到待测溶液中时,某一波长的光会发生光功率损耗。两个FBG在1.300至1.335的折射率范围内分别具有-231.1dB/RIU和42.6dB/RIU的灵敏度,两个FBG波长的相对功率变化具有更高的灵敏度-273.7 dB/RIU,由于降低了光源抖动和外部干扰而具有更好的稳定性。这种双波长增益竞争折射率传感器由于其高灵敏度和简单的结构,在化学和生物化学传感领域具有广泛的应用潜力。


双波长光纤折射率传感器


2.3 温度传感器

在温度传感方面,如下图所示为一种基于法布里-珀罗混合腔和随机镜组合的光纤激光温度传感器[10],法布里-珀罗混合腔是由单模光纤与一小段悬浮芯光纤熔接构成,随机镜是由多个瑞利散射沿着色散补偿光纤传播时产生的,是光纤中拉曼增益的直接结果。在该结构中法布里-珀罗腔同时具有激光反射镜和温度传感腔两个功能。该光纤激光温度传感器在 15nm的波长范围内最大输出功率大约为4mW,同时可以在200℃的测量范围内温度灵敏度达到约6pm/℃。


基于FP腔和随机镜的光纤温度传感器


2.4 压力传感器

在极端环境中如石油或地热井中温度高达130℃以上,传统的电传感器无法满足持久的压力监测需求,与此同时能够测量液体或气体压力的光纤激光传感器引起了人们的兴趣。如下图所示为用于测量流体静压的偏振式法布里-珀罗光纤激光传感器[11],使用双折射光纤光栅和两段椭圆芯掺铒光纤,基于正交极化和拍频原理,流体作用在激光腔中的其中一个椭圆芯光纤上,产生两个正交偏振模式的微分相位的偏移,从而产生相应纵向激光模式的拍频的变化。另一个光纤的椭圆芯方向具有90°偏移,补偿了温度引起的相移。双折射光纤布拉格光栅反射器中的色散用于消除给定阶次的偏振模式拍频的近简并性,该传感器能够测试的流体压力达100MPa。


基于FP的光纤流体压力传感器


2.5 声波传感器

如下图所示为一种用于声波探测的高频光纤激光传感器[12],超声波能够使光纤激光腔发生形变,引起外差输出信号的频率变化。传感器在22MHz处发生频率响应,其宽带声学传感灵敏度为2.25MHz/kPa,当采样率为100 MHz时,噪声当量压力达到45Pa。其针对球面波的检测带宽达到18 MHz。沿光纤纵向的灵敏度随激光空间模式而变化,并由光栅和腔这两个参数决定。在径向方向上,灵敏度与声源和检测器之间的距离的平方根成反比。通过减小腔的长度可以增强声学灵敏度,短腔可以显著提高传感器的光生显微镜(PAM)对比度和穿透深度。


基于宽带光纤激光器的超声传感器


2.6 磁场传感器

如下图所示是用于磁场检测的基于磁流体的光纤环形激光传感器[13],在激光环型腔中接入涂覆有磁流体的单模-无芯-单模光纤结构,可以同时作为带通滤波器和磁场传感元件。基于自映像效应,外界磁场改变时会通过作用于磁流体从而改变单模-无芯-单模光纤结构的滤波参数即输出光谱波长,得到的带通滤波边模抑制比为14 dB,插入损耗约为-1.03 dB。当外界磁场增大时,激光波长蓝移。在15.9 Oe到222.3 Oe的磁场范围内传感灵敏度为12.05 pm/Oe。该传感器具有高信噪比的输出光谱、窄带宽和高Q值等优点。


3. 总结

本文对光纤激光器的发展历程和研究现状进行了简介,并介绍了光纤激光器在不同传感应用下的传感结构和实现原理。随着科学研究和工程应用的需求不断增加,用于测量各种物理量的光纤激光传感器得到了广泛的研究和快速的发展,近年来尤其在声波和磁场等一些不太常见的领域都有了长足的发展。随着关于光纤激光器性能的不断提高,以及更多光纤传感结构和解调方法的实现,将会产生具有更优性能光纤激光传感器并广泛应用到各领域科学研究和实际工程中。


 参考文献:

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[2] Kapron F P, Keck D B, Maurer R D. Radiation losses in glass optical waveguides[J]. Applied Physics Letters, 1970, 17(10): 423-425.

[3] Hayashi I, Panish M B, Foy P W, et al. Junction lasers which operate continuously at room temperature[J]. Applied Physics Letters, 1970, 17(3): 109-111.

[4] Poole S B, Payne D N, Fermann M E. Fabrication of low-loss optical fibres containing rare-earth ions[J]. Electronics Letters, 1985, 21(17): 737-738.

[5] Tünnermann A, Schreiber T, Limpert J. Fiber lasers and amplifiers: an ultrafast performance evolution[J]. Applied optics, 2010, 49(25): F71-F78.

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[13] Bai X, Yuan J, Gu J, et al. Magnetic field sensor using fiber ring cavity laser based on magnetic fluid[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2016, 28(2): 115-118.