基于光纤Sagnac滤波的掺铒光纤激光温度传感系统

孙 蓉,许芮凡

(洛阳市质量计量检测中心,河南 洛阳 471003)

1 引 言

随着光纤激光技术的不断发展,具有输出激光线宽窄、高信噪比、环境适应性良好、抗电磁干扰、高稳定性[1-4]的光纤激光器在光纤通信、光纤传感、波分复用、激光加工、生化医疗、光谱分析[5-8]等领域有着广泛的应用价值和研究意义。近年来,随着光纤光学器件制造技术的不断提高,设计并实现结构紧凑的高性能掺铒光纤激光器已经成为光纤激光领域的研究热点之一。

由于存在掺离子均匀展宽效应,掺铒光纤激光器通常存在比较严重的调模现象,造成激光波长不稳定并且难以实现多波长可调谐激光输出,限制了其在光纤传感方面的应用。针对上述问题,近年来国内外学者提出了不同的解决方案用以实现稳定的激光输出并将其应用于传感测试。Zhang Yu等人报道了采用光子晶体光纤与单模光纤熔接制备光纤Fabry-Perot结构,将其作为滤波器实现了稳定的单波长激光输出,并对激光器温度传感特性进行了研究,灵敏度为12.6 pm/℃[9]；Martin-Vela Javier A.等人报道了一种基于长周期光纤光栅选频的掺铒光纤激光器,并对其曲率传感特性进行了测试分析,灵敏度达到-42.488 nm/m[10]；Zhang Min等人报道了一种基于掺铒光子晶体光纤波长可调谐激光器的乙炔气体光纤激光测试系统[11]；Zhang Yanan等人设计了单模/多模/单模光纤组合的滤波结构,实现了单波长激光输出,并将其作为激光器传感单元实现了对氢气的测试[12]；Zou Hui等人报道了一种基于光纤Fabry-Perot探头选频环形腔掺铒光纤激光器的温度测试方法[13]；Yin Bin等人设计了基于多模光纤与保偏光纤光栅组合的滤波器,并进一步基于该滤波器搭建了光纤激光器,实现了对温度、应变以及折射率的测试[14]；Yu Fen等人报道了一种基于细芯光纤Mach-Zehnder干涉滤波结构的环形腔掺铒光纤激光器,实现了对应变和折射率的激光传感功能[15]；Shao Liyang等人设计了基于双光纤光栅选频的双波长光纤激光器,对其中一支光栅采用包层腐蚀进行曾敏处理,实现了折射率测试[16]；Yang Xiufeng等人报道了一种基于光纤光栅选频激光器,通过采集激光相位变化实现了振动传感检测[17]。

综上所述,为了获得稳定的激光输出并将其应用于传感测试方面,通常采用光纤Fabry-Perot腔、光纤Mach-Zehnder结构、光纤光栅以及特殊的光纤滤波器件作为选频及传感单元。所采用的特种光纤滤波结构通常机械强度不高,且制作工艺复杂,增加了系统的复杂程度,难以实现传感测试。本文设计了一种基于领结型保偏光纤Sagnac滤波的掺铒光纤激光器,并将Sagnac环作为传感单元,实现了激光温度传感功能。

2 基本原理

设计的掺铒光纤激光器系统原理如图1所示,该系统采用中心波长为976 nm的激光二极管提供泵浦光,通过波分复用器耦合进入掺铒光纤。将分光比为50∶50的1×2端口3 dB光纤耦合器1的两个输出端相对熔接形成全反镜结构,另一端口与波分复用器连接构成激光器的谐振腔一端,并在全反镜中熔接一段掺铒光纤作为可饱和吸收体起到提高输出激光稳定性的效果。同理,将分光比为50∶50的2×2端口3 dB光纤耦合器3的两个输出端相对熔接形成全反镜结构构成谐振腔的另一端。耦合器3与光谱分析仪相连接用于采集激光器输出信号。

图1 光纤激光器系统原理

如图2(a)所示光纤Sagnac环由分光比为50∶50的2×2端口3 dB光纤耦合器2、领结型保偏光纤以及偏振控制器构成。入射光由耦合器分为两束光分别沿着顺时针和逆时针传输,并且在耦合区形成干涉。由于Sagnac结构能够形成梳状干涉光谱,因此将其插入激光器谐振腔中能够起到对输出激光进行滤波的效果。偏振控制器用于调节偏振态从而改变谐振腔内增益损耗。光纤Sagnac滤波器反射率R可由公式(1)表示,其中k为耦合器分光比,当k为0.5时,光纤Sagnac环具有全反镜的效果。对于Sagnac滤波器,波长间隔Δλ如公式(2)所表达,其中λ为传输光波长;Δn为双折射系数;L为保偏光纤长度。

R=4k(1-k)

(1)

(2)

领结型保偏光纤截面结构如图2(b)所示,相较于熊猫型保偏光纤,领结型保偏光纤具有独特的截面几何结构,当纤芯受到领结型应力区应力作用时,x轴方向被拉伸,y轴方向被压缩,具有更大的应力区,从而产生更高的双折射效应,在保偏光纤中加入Sagnac环可以提高干涉波形的消光比。

图2 光纤Sagnac环结构

当保偏光纤受到外界温度作用时,保偏光纤的应力区发生热膨胀效应从而产生热应力,导致光纤的快慢轴发生改变。光谱的相位相应发生改变可由公式(3)表示,其中温度变化不仅会引起快慢轴折射率变化导致的相位延迟,也会引起光纤几何长度变化导致的相位延迟,光纤径向变化较小通常可以忽略,光谱漂移和温度变化可由公式(4)表示。

(3)

(4)

由于保偏光纤周围温度的变化将导致Sagnac梳状光谱发生漂移,且光谱漂移与温度变化为线性关系。因此基于Sagnac滤波效果获得稳定的单波长激光输出,并进一步将Sagnac环作为温度传感单元实现激光温度传感是可行的。

3 分析与讨论

首先按照如图2所示结构搭建了光纤Sagnac环,并对其光谱特性进行了测试。选用的领结型单模保偏光纤长度为2 m,纤芯直径为9 μm,所选用的耦合器和偏振控制器尾纤直径均为9 μm,偏振控制器为光纤压力式结构。如图3(a)所示,在1540～1570 nm光谱范围内对光谱信号进行采集,梳状光谱周期为2.67 nm。当保偏光纤长度为4m时,所产生的梳状光谱周期为0.26 nm,如图3(b)所示,由此可见,保偏光纤长度与梳状谱周期成反比关系。

图3 Sagnac梳状光谱

接下来按照如图1所示原理搭建掺铒光纤激光器。选用长度为4m的掺铒光纤作为增益介质,并将耦合器1和耦合器3分别相对熔接构成谐振腔的两端。为了提高输出激光稳定性,在由耦合器1构成的全反镜中熔接一段长度为1 m的掺铒光纤作为可饱和吸收体,实验中所选用的掺铒光纤型号均一致(Nufern,EDFL-980 HP)。

实验中,当泵浦功率为36 mW时,首先产生了1558.44 nm单波长激光输出,逐渐提高泵浦功率至150 mW,通过调节偏振控制器获得了稳定的激光输出,信噪比高于26.215 dB。此时将光纤Sagnac环作为传感单元进行温度试验,温度由40 ℃升温至140 ℃,每隔10 ℃对激光光谱进行一次采集,光谱变化如图4(a)所示,在升温过程中激光波长向长波方向移动,发生红移现象,并且没有出现激光调模现象,激光信噪比高于25.643 dB。对光谱数据进行分析,在升温过程中,激光中心波长由1558.44漂移至1560.6 nm。如图4(b)所示,通过提取单波长激光中心波长,绘制线性拟合曲线可知,激光温度灵敏度为22.3 pm/℃,功率波动小于2.753 dB,线性度为0.997。实验中对温度重复性进行了测试,采集的激光中心波长漂移如图4(c)所示,在降温过程中激光中心波长发生蓝移,由1560.6漂移至1558.41 nm,在升温和降温过程中显示出了良好的温度重复性。

图4 激光温度传感特性

实验中对1558.56 nm单波长激光的稳定性进行了测试,在室温条件下,每隔1 min对输出激光光谱信号进行一次采集,如图5(a)所示,在监测时间内单波长激光稳定输出,没有出现模式跳变现象。通过对输出进行分析可知峰值功率波动小于0.962 dB,功率波动如图5(b)所示。在稳定性测试过程中能够观察到明显的梳状滤波效果。

图5 单波长激光稳定性

通过调节偏振控制器改变激光器腔内损耗实现了1559.48和1562.04 nm双波长激光输出,如图6(a)所示,双波长激光峰值功率分别为26.816和28.407 dB,信噪比优于20.887 dB。双波长激光间隔2.56 nm,与Sagnac滤波器所产生的梳状光谱条纹间隔相近,证明了Sagnac梳状滤波器在激光器中实现滤波的有效性。实验中对双波长激光的稳定性进行了测试与分析,其光谱稳定性如图6(b)所示,在10 min监测时间内没有观察到明显的调模现象,激光输出稳定性良好。

图6 双波长激光输出及其稳定性

如图6(c)所示,1559.5和1562 nm双波长激光峰值功率波动分别小于0.666 dB和0.905 dB,所设计的激光器能够稳定运行在双波长激光输出状态。

4 结 论

设计并实现了一种基于领结型保偏光纤Sagnac滤波的掺铒光纤激光器,采用光纤耦合器相对熔接制备光纤全反镜作为激光器谐振腔的两端,结合光纤Sagnac滤波器实现了单波长激光输出,激光器工作阈值为36 mW。将Sagnac环作为传感单元进行温度测试,在40到140 ℃升温过程中,激光中心波长发生红移现象,波长由1558.44漂移至1560.6 nm,温度灵敏度为22.3 pm/℃,功率波动小于2.753 dB,线性度为0.997,并且具有良好的温度重复性。当激光器运转在单波长输出时,在10 min监测时间内,没有观察到调模现象,功率波动优于0.962 dB。通过调节偏振控制器激光器能够产生1559.48和1562.04 nm双波长激光输出,功率稳定性优于0.666 dB。所设计的光纤激光器具有稳定性良好、温度灵敏度较高以及波长可调谐的特点在光纤激光传感方面具有一定的应用价值。