基于光纖Sagnac濾波的摻鉺光纖激光溫度傳感系統

孫 蓉,許芮凡

(洛陽市質量計量檢測中心,河南 洛陽 471003)

1 引 言

隨著光纖激光技術的不斷發展,具有輸出激光線寬窄、高信噪比、環境適應性良好、抗電磁干擾、高穩定性[1-4]的光纖激光器在光纖通信、光纖傳感、波分復用、激光加工、生化醫療、光譜分析[5-8]等領域有著廣泛的應用價值和研究意義。近年來,隨著光纖光學器件制造技術的不斷提高,設計并實現結構緊湊的高性能摻鉺光纖激光器已經成為光纖激光領域的研究熱點之一。

由于存在摻離子均勻展寬效應,摻鉺光纖激光器通常存在比較嚴重的調模現象,造成激光波長不穩定并且難以實現多波長可調諧激光輸出,限制了其在光纖傳感方面的應用。針對上述問題,近年來國內外學者提出了不同的解決方案用以實現穩定的激光輸出并將其應用于傳感測試。Zhang Yu等人報道了采用光子晶體光纖與單模光纖熔接制備光纖Fabry-Perot結構,將其作為濾波器實現了穩定的單波長激光輸出,并對激光器溫度傳感特性進行了研究,靈敏度為12.6 pm/℃[9]；Martin-Vela Javier A.等人報道了一種基于長周期光纖光柵選頻的摻鉺光纖激光器,并對其曲率傳感特性進行了測試分析,靈敏度達到-42.488 nm/m[10]；Zhang Min等人報道了一種基于摻鉺光子晶體光纖波長可調諧激光器的乙炔氣體光纖激光測試系統[11]；Zhang Yanan等人設計了單模/多模/單模光纖組合的濾波結構,實現了單波長激光輸出,并將其作為激光器傳感單元實現了對氫氣的測試[12]；Zou Hui等人報道了一種基于光纖Fabry-Perot探頭選頻環形腔摻鉺光纖激光器的溫度測試方法[13]；Yin Bin等人設計了基于多模光纖與保偏光纖光柵組合的濾波器,并進一步基于該濾波器搭建了光纖激光器,實現了對溫度、應變以及折射率的測試[14]；Yu Fen等人報道了一種基于細芯光纖Mach-Zehnder干涉濾波結構的環形腔摻鉺光纖激光器,實現了對應變和折射率的激光傳感功能[15]；Shao Liyang等人設計了基于雙光纖光柵選頻的雙波長光纖激光器,對其中一支光柵采用包層腐蝕進行曾敏處理,實現了折射率測試[16]；Yang Xiufeng等人報道了一種基于光纖光柵選頻激光器,通過采集激光相位變化實現了振動傳感檢測[17]。

綜上所述,為了獲得穩定的激光輸出并將其應用于傳感測試方面,通常采用光纖Fabry-Perot腔、光纖Mach-Zehnder結構、光纖光柵以及特殊的光纖濾波器件作為選頻及傳感單元。所采用的特種光纖濾波結構通常機械強度不高,且制作工藝復雜,增加了系統的復雜程度,難以實現傳感測試。本文設計了一種基于領結型保偏光纖Sagnac濾波的摻鉺光纖激光器,并將Sagnac環作為傳感單元,實現了激光溫度傳感功能。

2 基本原理

設計的摻鉺光纖激光器系統原理如圖1所示,該系統采用中心波長為976 nm的激光二極管提供泵浦光,通過波分復用器耦合進入摻鉺光纖。將分光比為50∶50的1×2端口3 dB光纖耦合器1的兩個輸出端相對熔接形成全反鏡結構,另一端口與波分復用器連接構成激光器的諧振腔一端,并在全反鏡中熔接一段摻鉺光纖作為可飽和吸收體起到提高輸出激光穩定性的效果。同理,將分光比為50∶50的2×2端口3 dB光纖耦合器3的兩個輸出端相對熔接形成全反鏡結構構成諧振腔的另一端。耦合器3與光譜分析儀相連接用于采集激光器輸出信號。

圖1 光纖激光器系統原理

如圖2(a)所示光纖Sagnac環由分光比為50∶50的2×2端口3 dB光纖耦合器2、領結型保偏光纖以及偏振控制器構成。入射光由耦合器分為兩束光分別沿著順時針和逆時針傳輸,并且在耦合區形成干涉。由于Sagnac結構能夠形成梳狀干涉光譜,因此將其插入激光器諧振腔中能夠起到對輸出激光進行濾波的效果。偏振控制器用于調節偏振態從而改變諧振腔內增益損耗。光纖Sagnac濾波器反射率R可由公式(1)表示,其中k為耦合器分光比,當k為0.5時,光纖Sagnac環具有全反鏡的效果。對于Sagnac濾波器,波長間隔Δλ如公式(2)所表達,其中λ為傳輸光波長;Δn為雙折射系數;L為保偏光纖長度。

R=4k(1-k)

(1)

(2)

領結型保偏光纖截面結構如圖2(b)所示,相較于熊貓型保偏光纖,領結型保偏光纖具有獨特的截面幾何結構,當纖芯受到領結型應力區應力作用時,x軸方向被拉伸,y軸方向被壓縮,具有更大的應力區,從而產生更高的雙折射效應,在保偏光纖中加入Sagnac環可以提高干涉波形的消光比。

圖2 光纖Sagnac環結構

當保偏光纖受到外界溫度作用時,保偏光纖的應力區發生熱膨脹效應從而產生熱應力,導致光纖的快慢軸發生改變。光譜的相位相應發生改變可由公式(3)表示,其中溫度變化不僅會引起快慢軸折射率變化導致的相位延遲,也會引起光纖幾何長度變化導致的相位延遲,光纖徑向變化較小通常可以忽略,光譜漂移和溫度變化可由公式(4)表示。

(3)

(4)

由于保偏光纖周圍溫度的變化將導致Sagnac梳狀光譜發生漂移,且光譜漂移與溫度變化為線性關系。因此基于Sagnac濾波效果獲得穩定的單波長激光輸出,并進一步將Sagnac環作為溫度傳感單元實現激光溫度傳感是可行的。

3 分析與討論

首先按照如圖2所示結構搭建了光纖Sagnac環,并對其光譜特性進行了測試。選用的領結型單模保偏光纖長度為2 m,纖芯直徑為9 μm,所選用的耦合器和偏振控制器尾纖直徑均為9 μm,偏振控制器為光纖壓力式結構。如圖3(a)所示,在1540～1570 nm光譜范圍內對光譜信號進行采集,梳狀光譜周期為2.67 nm。當保偏光纖長度為4m時,所產生的梳狀光譜周期為0.26 nm,如圖3(b)所示,由此可見,保偏光纖長度與梳狀譜周期成反比關系。

圖3 Sagnac梳狀光譜

接下來按照如圖1所示原理搭建摻鉺光纖激光器。選用長度為4m的摻鉺光纖作為增益介質,并將耦合器1和耦合器3分別相對熔接構成諧振腔的兩端。為了提高輸出激光穩定性,在由耦合器1構成的全反鏡中熔接一段長度為1 m的摻鉺光纖作為可飽和吸收體,實驗中所選用的摻鉺光纖型號均一致(Nufern,EDFL-980 HP)。

實驗中,當泵浦功率為36 mW時,首先產生了1558.44 nm單波長激光輸出,逐漸提高泵浦功率至150 mW,通過調節偏振控制器獲得了穩定的激光輸出,信噪比高于26.215 dB。此時將光纖Sagnac環作為傳感單元進行溫度試驗,溫度由40 ℃升溫至140 ℃,每隔10 ℃對激光光譜進行一次采集,光譜變化如圖4(a)所示,在升溫過程中激光波長向長波方向移動,發生紅移現象,并且沒有出現激光調模現象,激光信噪比高于25.643 dB。對光譜數據進行分析,在升溫過程中,激光中心波長由1558.44漂移至1560.6 nm。如圖4(b)所示,通過提取單波長激光中心波長,繪制線性擬合曲線可知,激光溫度靈敏度為22.3 pm/℃,功率波動小于2.753 dB,線性度為0.997。實驗中對溫度重復性進行了測試,采集的激光中心波長漂移如圖4(c)所示,在降溫過程中激光中心波長發生藍移,由1560.6漂移至1558.41 nm,在升溫和降溫過程中顯示出了良好的溫度重復性。

圖4 激光溫度傳感特性

實驗中對1558.56 nm單波長激光的穩定性進行了測試,在室溫條件下,每隔1 min對輸出激光光譜信號進行一次采集,如圖5(a)所示,在監測時間內單波長激光穩定輸出,沒有出現模式跳變現象。通過對輸出進行分析可知峰值功率波動小于0.962 dB,功率波動如圖5(b)所示。在穩定性測試過程中能夠觀察到明顯的梳狀濾波效果。

圖5 單波長激光穩定性

通過調節偏振控制器改變激光器腔內損耗實現了1559.48和1562.04 nm雙波長激光輸出,如圖6(a)所示,雙波長激光峰值功率分別為26.816和28.407 dB,信噪比優于20.887 dB。雙波長激光間隔2.56 nm,與Sagnac濾波器所產生的梳狀光譜條紋間隔相近,證明了Sagnac梳狀濾波器在激光器中實現濾波的有效性。實驗中對雙波長激光的穩定性進行了測試與分析,其光譜穩定性如圖6(b)所示,在10 min監測時間內沒有觀察到明顯的調模現象,激光輸出穩定性良好。

圖6 雙波長激光輸出及其穩定性

如圖6(c)所示,1559.5和1562 nm雙波長激光峰值功率波動分別小于0.666 dB和0.905 dB,所設計的激光器能夠穩定運行在雙波長激光輸出狀態。

4 結 論

設計并實現了一種基于領結型保偏光纖Sagnac濾波的摻鉺光纖激光器,采用光纖耦合器相對熔接制備光纖全反鏡作為激光器諧振腔的兩端,結合光纖Sagnac濾波器實現了單波長激光輸出,激光器工作閾值為36 mW。將Sagnac環作為傳感單元進行溫度測試,在40到140 ℃升溫過程中,激光中心波長發生紅移現象,波長由1558.44漂移至1560.6 nm,溫度靈敏度為22.3 pm/℃,功率波動小于2.753 dB,線性度為0.997,并且具有良好的溫度重復性。當激光器運轉在單波長輸出時,在10 min監測時間內,沒有觀察到調模現象,功率波動優于0.962 dB。通過調節偏振控制器激光器能夠產生1559.48和1562.04 nm雙波長激光輸出,功率穩定性優于0.666 dB。所設計的光纖激光器具有穩定性良好、溫度靈敏度較高以及波長可調諧的特點在光纖激光傳感方面具有一定的應用價值。