CN101950913A - 基于脉冲种子源放大的光纤激光光源及光纤传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于脉冲种子源放大的短脉冲高功率光纤激光光源及光纤传感系统，其中，包括顺序连接的脉冲信号源、激光器高速驱动电路、脉冲种子激光器、波分复用器和稀土掺杂光纤，还包括泵浦激光器，该泵浦激光器的输出端连接波分复用器的输入端，稀土掺杂光纤还具有高峰值脉冲激光输出端。本发明还涉及利用该光源的光纤传感系统。采用了该发明的光纤激光光源及光纤传感系统，当泵浦激光器输出的光打到稀土金属离子上会将其激发到亚稳态，泵浦一直注入时，亚稳态上的稀土金属离子数目达到高的能级反转数，此时，打入一个信号光，高的能级反转数形成一个巨大的放大倍数，亚稳态离子回到基态，并得以释放出一个高峰值的脉冲光。
Description
技术领域
本发明光电子涉及领域，特别涉及光纤传感技术领域，具体是指一种基于脉冲种子源放大的光纤激光光源及光纤传感系统。
背景技术
基于拉曼散射和布里渊散射技术的光纤传感系统，由于其具有传感介质简单(普通光纤)，连续分布式传感的特点，大量使用在桥梁、隧道、大坝等建筑物的应力健康监控，以及石油、输变电缆管线的温度监测等行业。
此类光纤传感系统基本采用以下结构：高峰值功率脉冲光源通过定向耦合器注入到传感光纤，普通单模光纤或普通多模光纤内，由于拉曼散射，会产生后向的斯托克斯光和反斯托克斯光，而温度和应力会造成传感光纤内拉曼效应的变化，通过检测斯托克斯(stocks)光和反斯托克斯(anti-stocks)光，并对其进行分析，可以测出传感光纤上的每一点的温度和应力变化。经过对比定标等处理，便可以对建筑物健康预警或温度的火灾预警。
其中，核心部件，高峰值功率脉冲光源，的常规做法是通过大功率激光器加上脉冲高峰值电流来实现。这一技术有以下的缺点：
(1)很难做到高的峰值功率，受激光器制造工艺的影响，实用化的高峰值功率半导体激光器很少；
(2)成本高昂，由于高峰值功率的激光器产量少，不易实现，故生产成本高昂；
(3)很难实现短的脉冲，由于该系统的脉冲长短直接决定系统测试的空间分辨率指标，测试精度在1m以下的系统，需要脉宽在10ns左右，而高峰值功率半导体激光器驱动电流很大，通常在数十安培量级，在如此短的时间内快速开启和关闭如此高的电流，电路实现相当困难。
总之，常规的脉冲激光方式，无论在技术实现上还是在成本控制上都难以达到系统的商用化水平。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种利用稀土掺杂光纤特有的放大和能量存储特点，实现大峰值功率和短脉冲，且结构相对简单，生产成本低廉的基于脉冲种子源放大的光纤激光光源及光纤传感系统。
为了实现上述的目的，本发明的基于脉冲种子源放大的短脉冲高功率光纤激光光源具有如下构成：
该光纤激光光源包括顺序连接的脉冲信号源、激光器高速驱动电路、脉冲种子激光器、波分复用器和稀土掺杂光纤，所述的光纤激光光源还包括泵浦激光器，所述的泵浦激光器的输出端连接所述的波分复用器的输入端，所述的稀土掺杂光纤还具有高峰值脉冲激光输出端。
该基于脉冲种子源放大的短脉冲高功率光纤激光光源中，所述的光纤激光光源还包括连接于所述的脉冲种子激光器与波分复用器之间的第一光纤隔离器。
该基于脉冲种子源放大的短脉冲高功率光纤激光光源中，所述的光纤激光光源还包括连接于所述的高峰值脉冲激光输出端的第二光纤隔离器。
该基于脉冲种子源放大的短脉冲高功率光纤激光光源中，所述的稀土掺杂光纤的长度为20米。
该基于脉冲种子源放大的短脉冲高功率光纤激光光源中，所述的脉冲种子激光器为分布反馈激光器、法布里—珀罗激光器或分布布拉格反射激光器。
该基于脉冲种子源放大的短脉冲高功率光纤激光光源中，所述的稀土掺杂光纤为掺铒光纤、掺镱光纤或掺镨光纤。
本发明还提供一种所述的光纤激光光源作为光源的光纤传感系统，该光纤传感系统还包括定向耦合器、传感光纤和后向散射检测装置，所述的光纤激光光源通过所述的定向耦合器连接所述的传感光纤，所达的后向散射检测装置与所述的定向耦合器相连接。
该光纤传感系统中，所述的后向散射检测装置为拉曼后向散射检测装置或布里渊后向散射检测装置。
该光纤传感系统中，所述的传感光纤为普通单模光纤或普通多模光纤。
采用了该发明的基于脉冲种子源放大的短脉冲高功率光纤激光光源及光纤传感系统，由于稀土掺杂光纤中的稀土金属离子是一个三能级系统，当泵浦激光器输出的光打到稀土金属离子上会将其激发到亚稳态，而在该亚稳态上，稀土金属离子有长达毫秒级的寿命，如稀土离子未受到扰动，则其以指数衰减回到基态，发出自发辐射(ASE)光，但当泵浦一直注入时，亚稳态上的稀土金属离子数目会很多，称之为高的能级反转数，此时，打入一个信号光，高的能级反转数会形成一个巨大的放大倍数，使绝大多数的亚稳态离子回到基态，并释放出一个高峰值的脉冲光。这个脉冲峰值功率是泵浦长时间的能量积累，这个过程实际上就是一个能量存储和释放的过程，利用这个过程可以容易地得到高峰值功率的脉冲光。本发明结构简单，生产成本低廉。
附图说明
图1为本发明的本发明的基于脉冲种子源放大的短脉冲高功率光纤激光光源的的结构示意图。
图2为利用本发明的基于脉冲种子源放大的短脉冲高功率光纤激光光源的光纤传感系统的结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
请参阅图1所示，为本发明的基于脉冲种子源放大的短脉冲高功率光纤激光光源的一种实施方式的结构示意图。
该光纤激光光源包括顺序连接的脉冲信号源、激光器高速驱动电路、脉冲种子激光器、波分复用器和稀土掺杂光纤，所述的光纤激光光源还包括泵浦激光器，所述的泵浦激光器的输出端连接所述的波分复用器的输入端，所述的稀土掺杂光纤还具有高峰值脉冲激光输出端。
在该实施方式中，所述的光纤激光光源还可以包括连接于所述的脉冲种子激光器与波分复用器之间的第一光纤隔离器，以及连接于所述的高峰值脉冲激光输出端的第二光纤隔离器。
在该实施方式中，所述的脉冲种子激光器为常规通信用2.5bps直调式1550nm分布反馈激光器(DFB激光器)；对其进行脉冲驱动，脉宽10ns，重频10KHz，峰值功率10mW；泵浦激光器采用光纤通信掺铒光纤放大器常用的98nm泵浦激光器，恒定输出250mW功率；稀土掺杂光纤选用掺铒光纤，型号为Nufern EDF-C-980，长度为20米；波分复用器采用980nm/1550nm波分复用器；其脉冲激光输出为脉宽10ns，重频10KHz，峰值功率20W，平均功率2mW，完全符合分布式传感的应用。
在本发明的基于脉冲种子源放大的短脉冲高功率光纤激光光源的其它实施方式中，所述的脉冲种子激光器还可以为法布里—珀罗激光器(FP激光器)或分布布拉格反射激光器(DBR激光器)，波长可以为1060nm；所述的稀土掺杂光纤还可以选用掺镱光纤或掺谱光纤；泵浦激光器波长和功率与相应的掺杂光纤匹配。
利用本发明所提供的上述光纤激光光源作为光源的光纤传感系统，其结构如图2所示。该光纤传感系统还包括定向耦合器、传感光纤和后向散射检测装置，所述的光纤激光光源通过所述的定向耦合器连接所述的传感光纤，所述的后向散射检测装置与所述的定向耦合器相连接。所述的传感光纤为普通单模光纤或普通多模光纤。
在优选的实施方式中，所述的后向散射检测装置为拉曼后向散射检测装置或布里渊后向散射检测装置。
在本发明的应用中，本发明的基于脉冲种子源放大的短脉冲高功率光纤激光光源一般采用以下结构：
脉冲种子激光器采用可以进行高速调制的线宽良好的激光器，比如常规通信用2.5bps直调式1550nm分布反馈激光器，这些低功率的激光器非常容易获得，而且价格便宜。
脉冲种子激光器的驱动可以参照常规通信调制电路，信号源可以是数字信号源也可以是模拟信号源。
放大部分针对脉冲种子激光器波长进行选择。通常信号源在C波段(1525～1565nm)或L波段(1570～1610nm)的，选择掺铒光纤，泵浦激光器选择波长为980nm或1480nm。信号源在1030nm～1090nm的，选择波长为976nm的泵浦激光器及掺镱光纤，其他信号源不再详举。
输出峰值功率可以通过调整泵浦激光器功率和稀土掺杂光纤的长度来调整，最高可达数百瓦量级。重复频率和脉宽可以通过调整脉冲种子激光器的驱动信号源实现，因此实现容易，调整灵活。
对于C或L波段光源，由于其工作于常规通信波段，有大量丰富而成熟的器件可供选择。比同样激光器直调产生的高功率脉冲，成本至少降低50％。
其中，脉冲种子激光器由脉冲信号源推动激光器高速驱动电路来实现脉冲输出。由于该种子激光器输出功率低，通常数十毫瓦的峰值功率，这种激光器在成熟的光纤通信里大量采用，非常容易得到，而且成本低廉。而由于峰值功率低，脉冲驱动电路也是在通信领域非常成熟，ns级的脉冲只相当于通信GHz量级的速率。大大降低了脉冲种子的实现难度和成本。第一光纤隔离器和第二光纤隔离器用于抑制回波的光，保护种子源以带来更好的性能。波分复用器作用是将泵浦光和种子源信号光合在一起注入到稀土掺杂光纤中。泵浦激光器是根据系统运行波长选择的，用于给整个放大系统提供能量的激光器。比如采用掺铒光纤通常选择980nm或1480nm激光器去泵浦1550nm的信号光。这也是在光纤通信领域非常成熟和大量应用的掺铒光纤放大器的原理。在稀土掺杂光纤中，由于泵浦光是连续工作的，而信号光是低重复频率的短脉冲，相当长的时间，比如百微秒量级的时间里，无信号光输入，掺杂光纤处于高粒子数反转状态。此时，ns级的信号光注入，将在瞬间(与信号光脉冲宽度相当的时间里)释放掉掺杂光纤里大量的能量，使粒子反转数很快降下来。同时输出与信号光波长、偏振、相位抑制的高功率信号，而实现了高峰值功率的脉冲输出。该发明所提供的短脉冲高功率光纤激光光源巧妙地运用了稀土掺杂光纤的储能特点，以较小的泵浦功率获得巨大的峰值功率。
采用了该发明的基于脉冲种子源放大的短脉冲高功率光纤激光光源及光纤传感系统，由于稀土掺杂光纤中的稀土金属离子是一个三能级系统，当泵浦激光器输出的光打到稀土金属离子上会将其激发到亚稳态，而在该亚稳态上，稀土金属离子有长达毫秒级的寿命，如稀土离子未受到扰动，则其以指数衰减回到基态，发出自发辐射(ASE)光，但当泵浦一直注入时，亚稳态上的稀土金属离子数目会很多，称之为高的能级反转数，此时，打入一个信号光，高的能级反转数会形成一个巨大的放大倍数，使绝大多数的亚稳态离子回到基态，并释放出一个高峰值的脉冲光。这个脉冲峰值功率是泵浦长时间的能量积累，这个过程实际上就是一个能量存储和释放的过程，利用这个过程可以容易地得到高峰值功率的脉冲光。本发明结构简单，生产成本低廉。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (9)
1.一种基于脉冲种子源放大的短脉冲高功率光纤激光光源，其特征在于，所述的光纤激光光源包括顺序连接的脉冲信号源、激光器高速驱动电路、脉冲种子激光器、波分复用器和稀土掺杂光纤，所述的光纤激光光源还包括泵浦激光器，所述的泵浦激光器的输出端连接所述的波分复用器的输入端，所述的稀土掺杂光纤还具有高峰值脉冲激光输出端。
2.根据权利要求1所述的基于脉冲种子源放大的短脉冲高功率光纤激光光源，其特征在于，所述的光纤激光光源还包括连接于所述的脉冲种子激光器与波分复用器之间的第一光纤隔离器。
3.根据权利要求1所述的基于脉冲种子源放大的短脉冲高功率光纤激光光源，其特征在于，所述的光纤激光光源还包括连接于所述的高峰值脉冲激光输出端的第二光纤隔离器。
4.根据权利要求1所述的基于脉冲种子源放大的短脉冲高功率光纤激光光源，其特征在于，所述的稀土掺杂光纤的长度为20米。
5.根据权利要求1所述的基于脉冲种子源放大的短脉冲高功率光纤激光光源，其特征在于，所述的脉冲种子激光器为分布反馈激光器、法布里—珀罗激光器或分布布拉格反射激光器。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于脉冲种子源放大的短脉冲高功率光纤激光光源，其特征在于，所述的稀土掺杂光纤为掺铒光纤、掺镱光纤或掺镨光纤。
7.一种利用权利要求1所述的光纤激光光源作为光源的光纤传感系统，其特征在于，所述的光纤传感系统还包括定向耦合器、传感光纤和后向散射检测装置，所述的光纤激光光源通过所述的定向耦合器连接所述的传感光纤，所述的后向散射检测装置与所述的定向耦合器相连接。
8.根据权利要求7所述的利用基于脉冲种子源放大的短脉冲高功率光纤激光光源作为光源的光纤传感系统，其特征在于，所述的后向散射检测装置为拉曼后向散射检测装置或布里渊后向散射检测装置。
9.根据权利要求7所述的利用基于脉冲种子源放大的短脉冲高功率光纤激光光源作为光源的光纤传感系统，其特征在于，所述的传感光纤为普通单模光纤或普通多模光纤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20110119 |