光纖激光器多縱模動態觀測及傳感特性

劉盛春， 張金濤， 張麗瑩， 陳向飛， 安文玉

(1.黑龍江大學光纖技術研究所，黑龍江哈爾濱150080;2.黑龍江大學物理科學與技術學院，黑龍江哈爾濱150080;3.南京大學微結構國家實驗室，江蘇南京210093)

0 引言

自從1960年第一臺激光器誕生，激光器以其單色性好、相干性強和定向性好等三大優點得到了迅速的應用，解決了諸多技術問題并發展了許多新興產業。經過50多年的發展，它已經滲透到工業、國防、科研、醫學、日常生活等各領域［1-4］。因此，激光原理課程也成為許多理工科院校的重要專業基礎課，該課程包含了電動力學、物理光學和原子物理等多學科知識，也含有大量的抽象理論和較復雜的公式，這使得學生在理解和感性認識上存在較大難度［5-6］。同時激光原理是一門理論與實驗并重的課程，為了幫助學生理解激光原理和光束特點等這些枯燥的概念，國內各高校開展了激光器發射和吸收［7］、高斯光束的束腰和發散角［8］、激光器諧振腔設計［9］等實驗，取得了較好的效果。

在激光原理教學中，激光器的模式是激光器的重要特性之一。利用激光器的模式可以實現激光測距、激光高速攝影、激光核聚變等重要應用，并發展了激光選模，激光穩頻、激光調Q等技術。因此，激光器的模式是學生必須掌握的基本知識。但激光器模式是比較抽象的概念，沒有形象直觀的實驗體會難以真正理解。針對該問題，盧秉嵩利用He-Ne激光器通過掃描干涉儀和示波器給出了激光器縱模模譜圖，使學生感知激光器的縱模的存在［10］。陳剛等利用He-Ne激光器地提供了各種橫模激光測量實驗，幫助學生理解激光器橫模分布［11］。但是，He-Ne激光器是氣體激光器，不能隨意改動激光諧振腔的長度，無法實現動態觀測激光器的縱模變化。

本文提出了簡單的光纖激光器多縱模實驗監測方案，用兩根光柵作為激光諧振腔的反射鏡，中間連接摻鉺光纖做為激光增益介質，搭建直腔式多縱模光纖激光器。激光器的多縱模之間相互干涉形成拍頻信號，通過觀測這些拍頻信號的間隔和頻率可以形象直觀地觀測多縱模的特征。實驗中光電探測器實現光電信號轉換，然后利用頻譜儀直接測量拍頻信號，就可以實現激光多縱模的拍頻信號觀測。

圖1 多縱模光纖激光傳感器

1 光纖多縱模激光器原理

光纖多縱模激光器的基本原理如圖1所示，兩只反射波長相同、高反射率的光纖光柵作為激光器的諧振腔端鏡，中間連接一段摻鉺光纖作為有源增益介質。將980 nm泵浦光注入諧振腔后，鉺離子的不同能級之間的躍遷產生自發輻射光。自發輻射光通過兩邊的光纖光柵實現波長選擇，符合光纖光柵反射波長的光在激光諧振腔內來回振蕩放大。當增益大于損耗時，產生激光的輸出。由于光纖光柵的反射帶寬遠大于縱模模式間距(即諧振頻率)(c/2)nl，其中:c為光在光纖中的傳播速度;l為諧振腔的長度;n為光纖的折射率。因此激光器會輸出多個連續離散的激光模式，其輸出光場為

式中:ai是縱模頻率為νi的激光輸出振幅;φi是原始相位。因為激光器的所有模式均產生在一個激光腔內，所以任意兩模式激光之間都具有相干性。假設任意 2 個模式的振幅和頻率分別為 ai、aj和 νi、νj，兩模式的相干光經過光電探測器后，產生的電子拍頻信號為

式中:φi和φj是兩模式的原始相位。一個腔內激射的2個模式的原始相位差是常數，因此φi－φj可看作直流分量。式(2)中兩模式頻率和(νi+νj)的頻率很高，光電探測器基本達不到這么高頻率，因此也看做直流分量。經過隔直后，電子信號為

頻率為(νi－νj)的信號就是2個模式光的拍頻。

圖2是光纖多縱模激光器拍頻信號的生成原理。(νi－νj)的頻率等于(i－j)ν(i，j=1，2，…)，這里 ν是激光諧諧振腔的諧振頻率，ν=(c/2)nl。(i－j)ν是諧振頻率ν 的 N(N=1，2，3，…)倍，令(i－j)ν= νN，即 νN=Nν。生成的總的電子拍頻信號為

式中，ηN是頻率為νN拍頻信號的幅值。

圖2 多縱模拍頻信號生成原理

2 動態多縱模生成及傳感原理

為了使學生更加形象地理解激光多縱模概念，試驗中利用光纖多縱模激光器做成了傳感器，它可以動態觀測多縱模模式間隔改變與激光諧振腔長度的變化關系。若選取拍頻νN作為動態拍頻觀測信號，當施加應力到激光諧振腔的摻鉺光纖上，施加的應力會引起光纖的折射率和長度變化，從而引起激光諧振腔的有效長度變化。腔長變化將導致激光多縱模模式間隔的變化，最后體現為拍頻傳感信號頻率的變化，其表達如下［12］:

式中:Pe為光纖有效彈光系數;ε為施加到光纖上應變。從上式可見，改變應變大小，拍頻的頻率會發生變化。通過頻譜儀顯示的拍頻信號頻率變化來直觀感受激光諧振腔的動態變化，也可以根據式(5)得到施加在諧振腔上的應力大小。

3 實驗裝置與結果分析

3.1 實驗裝置

如圖3所示，980 nm泵浦光通過波分復用器輸入到2個光纖光柵和摻鉺光纖構成的直腔式多縱模光纖激光器中，多個縱模的光在諧振腔內振蕩放大產生激光，再通過光纖光柵輸出。輸出的多縱模干涉光經過光電探測器產生電子拍頻信號，利用頻譜儀監測拍頻信號的頻率，即可觀測到光纖激光器的諧振頻率。

圖3 直腔式多波長激光傳感器實驗框圖

本實驗中，兩光纖光柵波長分別為1 549.623、1 549.629 nm，帶寬 0.23 nm，光纖光柵反射率均為90%。摻鉺光纖在波長1 530 nm處的吸收系數為10 dB/m。光纖激光器諧振腔光纖長度是0.74 m，相應的諧振頻率為141.3 MHz。

光纖激光器作為光纖通信和光纖焊接等重要應用的主要光源，其性能指標影響整個裝置的質量。因此光纖激光器的轉換效率和閾值泵浦功率是非常重要的。圖4展示了泵浦功率和多縱模激光輸出功率之間的關系。當泵浦功率較低時，增益＜0，此時激光器只有自發輻射，不能產生激光。隨著泵浦功率的增加，增益＞0，但尚未克服損耗時，在激光腔內無法穩定建立一定的模式，不能產生穩定的激光。當泵浦功率大于閾值功率后，激光模式的增益大于損耗，激光器諧振腔將穩定建立起多個激光縱模，并在振蕩中逐步放大，產生穩定的激光輸出。從圖中可以看出，這種多縱模光纖激光器的閾值大約是4.2 mW。

當980 nm泵浦光功率是75 mW 時，從0.14～2.50 GHz多個拍頻信號同時產生，相應的部分拍頻信號顯示在圖5中。從圖中可以看出，拍頻信號間隔都是141.3 MHz，與理論預期一致。

圖5 頻譜儀采集部分拍頻信號

圖4 光纖激光器泵浦功率和輸出功率關系

3.2 光纖多縱模激光器應力動態測試結果

為了能動態觀測多縱模的模式間距變化，搭建了實驗平臺，如圖3所示。實驗中，將激光諧振腔的光纖固定在兩端，一端固定在光學平臺上;另一端固定在移動的位移臺上。通過移動位移臺產生均勻應力變化來改變光纖激光諧振腔腔長，同時觀測諧振腔拍頻變化，并根據諧振腔拍頻變化來確定應力大小。從0.14～2.50 GHz有許多拍頻信號，可以作為動態觀測信號。在實驗中，選擇既有較大頻率-應變響應又有較高的抗跳模干擾能力的中高頻拍頻信號作為觀測信號［12］。本實驗選擇1 413 MHz拍頻信號作為測量信號，動態拍頻信號隨著應力變化而變化，如圖6所示。當應力逐漸增加時，拍頻頻率逐漸減小(曲線ae)。在拍頻信號為1 413 MHz時，拍頻頻率與應變變化的靈敏度為－1.1，這與式(5)的理論是相一致的。測得應力的均方根差是3.6 ×10－6，即最小可測應力為 3.6 ×10－6。實驗表明，多縱模激光器的模式間隔是隨著激光諧振腔的變化而成比例變化的。通過施加到諧振腔的應力可以實時動態地觀測諧振腔腔長與拍頻頻率的變化關系。因此檢測拍頻信號的頻率漂移可以計算得到施加到諧振腔上的應力大小。

圖6 不同應力下拍頻信號

另外，多縱模光纖激光器還可由一個環形器、一段鉺纖和一根光柵組成環形光纖諧振腔式的多縱模激光器［13］。這兩種多縱模光纖激光器的諧振腔還可以對溫度進行實時測量［14］。光纖多縱模激光諧振腔光纖還可以纏繞在一個封裝的順變柱體上，形成加速度傳感器，對振動信息進行監測［15］。另外，由于這些多縱模激光傳感器生成的拍頻信號也大都集中在射頻范圍，其直接經過簡單無線調制就可以把包含傳感信息的以無線信號形式融入到現有的無線傳感網絡，實現一些簡單的物聯網實驗［16］。通過這些實驗設計，可以增加學生的實驗熱情，培養學生的創新能力。

4 結語

本文將多縱模光纖激光器引入到激光原理課程的實驗教學中，用這種激光器不僅能夠實現光纖激光器的轉換效率和閾值功率測量、光纖激光器多縱模測試等實驗。而且通過對激光諧振腔施加應力，能夠實現動態觀測光纖激光諧振腔長變化引起的多縱模模式變化。將比較抽象的激光器縱模概念通過頻率儀以圖形的模式動態直觀地顯示出來，從而使學生深刻理解激光器縱模的產生原理，同時鞏固學生對數字信號頻譜分析和光學相干原理的認識。另外，本文為多縱模光纖激光器提供了直腔和環形腔兩種不同結構，能夠對應力、溫度、振動等多種物理信息的檢測。而且它還可以融入無線傳感網，形成光纖無線傳感網絡。通過這些教學信息的相互結合，可以實現很多種不同的實驗方案，并為學生提供多種實驗選擇。這些實驗的設計、觀察和分析，增強了學生對理論知識的理解，還鍛煉了學生分析問題、解決問題等能力，同時激發學生的創造性思維，有益于培養學生的創新精神。

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