專利名稱：基于脈沖種子源放大的光纖激光光源及光纖傳感系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明光電子涉及領(lǐng)域，特別涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種基于脈沖種 子源放大的光纖激光光源及光纖傳感系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
基于拉曼散射和布里淵散射技術(shù)的光纖傳感系統(tǒng)，由于其具有傳感介質(zhì)簡(jiǎn)單(普 通光纖)，連續(xù)分布式傳感的特點(diǎn)，大量使用在橋梁、隧道、大壩等建筑物的應(yīng)力健康監(jiān)控， 以及石油、輸變電纜管線的溫度監(jiān)測(cè)等行業(yè)。此類光纖傳感系統(tǒng)基本采用以下結(jié)構(gòu)高峰值功率脈沖光源通過(guò)定向耦合器注 入到傳感光纖，普通單模光纖或普通多模光纖內(nèi)，由于拉曼散射，會(huì)產(chǎn)生后向的斯托克斯 光和反斯托克斯光，而溫度和應(yīng)力會(huì)造成傳感光纖內(nèi)拉曼效應(yīng)的變化，通過(guò)檢測(cè)斯托克斯 (stocks)光和反斯托克斯(anti-stocks)光，并對(duì)其進(jìn)行分析，可以測(cè)出傳感光纖上的每
一點(diǎn)的溫度和應(yīng)力變化。經(jīng)過(guò)對(duì)比定標(biāo)等處理，便可以對(duì)建筑物健康預(yù)警或溫度的火災(zāi)預(yù)
m 目。其中，核心部件，高峰值功率脈沖光源，的常規(guī)做法是通過(guò)大功率激光器加上脈沖 高峰值電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。這一技術(shù)有以下的缺點(diǎn)(1)很難做到高的峰值功率，受激光器制造工藝的影響，實(shí)用化的高峰值功率半導(dǎo) 體激光器很少；(2)成本高昂，由于高峰值功率的激光器產(chǎn)量少，不易實(shí)現(xiàn)，故生產(chǎn)成本高昂；(3)很難實(shí)現(xiàn)短的脈沖，由于該系統(tǒng)的脈沖長(zhǎng)短直接決定系統(tǒng)測(cè)試的空間分辨率 指標(biāo)，測(cè)試精度在Im以下的系統(tǒng)，需要脈寬在IOns左右，而高峰值功率半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng) 電流很大，通常在數(shù)十安培量級(jí)，在如此短的時(shí)間內(nèi)快速開(kāi)啟和關(guān)閉如此高的電流，電路實(shí) 現(xiàn)相當(dāng)困難?？傊Ｒ?guī)的脈沖激光方式，無(wú)論在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上還是在成本控制上都難以達(dá)到系 統(tǒng)的商用化水平。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服了上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，提供一種利用稀土摻雜光纖特有 的放大和能量存儲(chǔ)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)大峰值功率和短脈沖，且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低廉的基于 脈沖種子源放大的光纖激光光源及光纖傳感系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明的基于脈沖種子源放大的短脈沖高功率光纖激光光 源具有如下構(gòu)成該光纖激光光源包括順序連接的脈沖信號(hào)源、激光器高速驅(qū)動(dòng)電路、脈沖種子激 光器、波分復(fù)用器和稀土摻雜光纖，所述的光纖激光光源還包括泵浦激光器，所述的泵浦激 光器的輸出端連接所述的波分復(fù)用器的輸入端，所述的稀土摻雜光纖還具有高峰值脈沖激 光輸出端。
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該基于脈沖種子源放大的短脈沖高功率光纖激光光源中，所述的光纖激光光源還 包括連接于所述的脈沖種子激光器與波分復(fù)用器之間的第一光纖隔離器。該基于脈沖種子源放大的短脈沖高功率光纖激光光源中，所述的光纖激光光源還 包括連接于所述的高峰值脈沖激光輸出端的第二光纖隔離器。該基于脈沖種子源放大的短脈沖高功率光纖激光光源中，所述的稀土摻雜光纖的 長(zhǎng)度為20米。該基于脈沖種子源放大的短脈沖高功率光纖激光光源中，所述的脈沖種子激光器 為分布反饋激光器、法布里一珀羅激光器或分布布拉格反射激光器。該基于脈沖種子源放大的短脈沖高功率光纖激光光源中，所述的稀土摻雜光纖為 摻鉺光纖、摻鐿光纖或摻鐠光纖。本發(fā)明還提供一種所述的光纖激光光源作為光源的光纖傳感系統(tǒng)，該光纖傳感系 統(tǒng)還包括定向耦合器、傳感光纖和后向散射檢測(cè)裝置，所述的光纖激光光源通過(guò)所述的定 向耦合器連接所述的傳感光纖，所達(dá)的后向散射檢測(cè)裝置與所述的定向耦合器相連接。該光纖傳感系統(tǒng)中，所述的后向散射檢測(cè)裝置為拉曼后向散射檢測(cè)裝置或布里淵 后向散射檢測(cè)裝置。該光纖傳感系統(tǒng)中，所述的傳感光纖為普通單模光纖或普通多模光纖。采用了該發(fā)明的基于脈沖種子源放大的短脈沖高功率光纖激光光源及光纖傳感 系統(tǒng)，由于稀土摻雜光纖中的稀土金屬離子是一個(gè)三能級(jí)系統(tǒng)，當(dāng)泵浦激光器輸出的光打 到稀土金屬離子上會(huì)將其激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)，而在該亞穩(wěn)態(tài)上，稀土金屬離子有長(zhǎng)達(dá)毫秒級(jí)的 壽命，如稀土離子未受到擾動(dòng)，則其以指數(shù)衰減回到基態(tài)，發(fā)出自發(fā)輻射(ASE)光，但當(dāng)泵 浦一直注入時(shí)，亞穩(wěn)態(tài)上的稀土金屬離子數(shù)目會(huì)很多，稱之為高的能級(jí)反轉(zhuǎn)數(shù)，此時(shí)，打入 一個(gè)信號(hào)光，高的能級(jí)反轉(zhuǎn)數(shù)會(huì)形成一個(gè)巨大的放大倍數(shù)，使絕大多數(shù)的亞穩(wěn)態(tài)離子回到 基態(tài)，并釋放出一個(gè)高峰值的脈沖光。這個(gè)脈沖峰值功率是泵浦長(zhǎng)時(shí)間的能量積累，這個(gè)過(guò) 程實(shí)際上就是一個(gè)能量存儲(chǔ)和釋放的過(guò)程，利用這個(gè)過(guò)程可以容易地得到高峰值功率的脈 沖光。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低廉。


圖1為本發(fā)明的本發(fā)明的基于脈沖種子源放大的短脈沖高功率光纖激光光源的 的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為利用本發(fā)明的基于脈沖種子源放大的短脈沖高功率光纖激光光源的光纖 傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式為了能夠更清楚地理解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉以下實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明。請(qǐng)參閱圖1所示，為本發(fā)明的基于脈沖種子源放大的短脈沖高功率光纖激光光源 的一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。該光纖激光光源包括順序連接的脈沖信號(hào)源、激光器高速驅(qū)動(dòng)電路、脈沖種子激 光器、波分復(fù)用器和稀土摻雜光纖，所述的光纖激光光源還包括泵浦激光器，所述的泵浦激 光器的輸出端連接所述的波分復(fù)用器的輸入端，所述的稀土摻雜光纖還具有高峰值脈沖激光輸出端。在該實(shí)施方式中，所述的光纖激光光源還可以包括連接于所述的脈沖種子激光器 與波分復(fù)用器之間的第一光纖隔離器，以及連接于所述的高峰值脈沖激光輸出端的第二光 纖隔離器。在該實(shí)施方式中，所述的脈沖種子激光器為常規(guī)通信用2. 5bps直調(diào)式1550nm分 布反饋激光器(DFB激光器)；對(duì)其進(jìn)行脈沖驅(qū)動(dòng)，脈寬10ns，重頻ΙΟΚΗζ，峰值功率IOmW; 泵浦激光器采用光纖通信摻鉺光纖放大器常用的98nm泵浦激光器，恒定輸出250mW功率； 稀土摻雜光纖選用摻鉺光纖，型號(hào)為Nufern EDF-C-980,長(zhǎng)度為20米；波分復(fù)用器采用 980nm/1550nm波分復(fù)用器；其脈沖激光輸出為脈寬10ns，重頻IOKHz，峰值功率20W，平均功 率2mW，完全符合分布式傳感的應(yīng)用。在本發(fā)明的基于脈沖種子源放大的短脈沖高功率光纖激光光源的其它實(shí)施方式 中，所述的脈沖種子激光器還可以為法布里一珀羅激光器(FP激光器)或分布布拉格反射 激光器(DBR激光器)，波長(zhǎng)可以為lOeOnm;所述的稀土摻雜光纖還可以選用摻鐿光纖或摻 譜光纖；泵浦激光器波長(zhǎng)和功率與相應(yīng)的摻雜光纖匹配。利用本發(fā)明所提供的上述光纖激光光源作為光源的光纖傳感系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。該光纖傳感系統(tǒng)還包括定向耦合器、傳感光纖和后向散射檢測(cè)裝置，所述的光纖激光 光源通過(guò)所述的定向耦合器連接所述的傳感光纖，所述的后向散射檢測(cè)裝置與所述的定向 耦合器相連接。所述的傳感光纖為普通單模光纖或普通多模光纖。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述的后向散射檢測(cè)裝置為拉曼后向散射檢測(cè)裝置或布里 淵后向散射檢測(cè)裝置。在本發(fā)明的應(yīng)用中，本發(fā)明的基于脈沖種子源放大的短脈沖高功率光纖激光光源 一般采用以下結(jié)構(gòu)脈沖種子激光器采用可以進(jìn)行高速調(diào)制的線寬良好的激光器，比如常規(guī)通信用 2. 5bps直調(diào)式1550nm分布反饋激光器，這些低功率的激光器非常容易獲得，而且價(jià)格便且。脈沖種子激光器的驅(qū)動(dòng)可以參照常規(guī)通信調(diào)制電路，信號(hào)源可以是數(shù)字信號(hào)源也 可以是模擬信號(hào)源。放大部分針對(duì)脈沖種子激光器波長(zhǎng)進(jìn)行選擇。通常信號(hào)源在C波段(1525 1565nm)或L波段(1570 1610nm)的，選擇摻鉺光纖，泵浦激光器選擇波長(zhǎng)為980nm或 1480nm。信號(hào)源在1030nm 1090nm的，選擇波長(zhǎng)為976nm的泵浦激光器及摻鐿光纖，其他
信號(hào)源不再詳舉。輸出峰值功率可以通過(guò)調(diào)整泵浦激光器功率和稀土摻雜光纖的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整，最高 可達(dá)數(shù)百瓦量級(jí)。重復(fù)頻率和脈寬可以通過(guò)調(diào)整脈沖種子激光器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)源實(shí)現(xiàn)，因此 實(shí)現(xiàn)容易，調(diào)整靈活。對(duì)于C或L波段光源，由于其工作于常規(guī)通信波段，有大量豐富而成熟的器件可供 選擇。比同樣激光器直調(diào)產(chǎn)生的高功率脈沖，成本至少降低50%。其中，脈沖種子激光器由脈沖信號(hào)源推動(dòng)激光器高速驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖輸出。 由于該種子激光器輸出功率低，通常數(shù)十毫瓦的峰值功率，這種激光器在成熟的光纖通信 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，脈沖驅(qū)動(dòng)電路也是在通信領(lǐng)域非常成熟，ns級(jí)的脈沖只相當(dāng)于通信GHz量級(jí)的速率。大大降低了脈沖種子的實(shí)現(xiàn)難 度和成本。第一光纖隔離器和第二光纖隔離器用于抑制回波的光，保護(hù)種子源以帶來(lái)更好 的性能。波分復(fù)用器作用是將泵浦光和種子源信號(hào)光合在一起注入到稀土摻雜光纖中。泵 浦激光器是根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行波長(zhǎng)選擇的，用于給整個(gè)放大系統(tǒng)提供能量的激光器。比如采用 摻鉺光纖通常選擇980nm或1480nm激光器去泵浦1550nm的信號(hào)光。這也是在光纖通信領(lǐng) 域非常成熟和大量應(yīng)用的摻鉺光纖放大器的原理。在稀土摻雜光纖中，由于泵浦光是連續(xù) 工作的，而信號(hào)光是低重復(fù)頻率的短脈沖，相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，比如百微秒量級(jí)的時(shí)間里，無(wú)信 號(hào)光輸入，摻雜光纖處于高粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。此時(shí)，ns級(jí)的信號(hào)光注入，將在瞬間(與信號(hào) 光脈沖寬度相當(dāng)?shù)臅r(shí)間里)釋放掉摻雜光纖里大量的能量，使粒子反轉(zhuǎn)數(shù)很快降下來(lái)。同 時(shí)輸出與信號(hào)光波長(zhǎng)、偏振、相位抑制的高功率信號(hào)，而實(shí)現(xiàn)了高峰值功率的脈沖輸出。該 發(fā)明所提供的短脈沖高功率光纖激光光源巧妙地運(yùn)用了稀土摻雜光纖的儲(chǔ)能特點(diǎn)，以較小 的泵浦功率獲得巨大的峰值功率。采用了該發(fā)明的基于脈沖種子源放大的短脈沖高功率光纖激光光源及光纖傳感 系統(tǒng)，由于稀土摻雜光纖中的稀土金屬離子是一個(gè)三能級(jí)系統(tǒng)，當(dāng)泵浦激光器輸出的光打 到稀土金屬離子上會(huì)將其激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)，而在該亞穩(wěn)態(tài)上，稀土金屬離子有長(zhǎng)達(dá)毫秒級(jí)的 壽命，如稀土離子未受到擾動(dòng)，則其以指數(shù)衰減回到基態(tài)，發(fā)出自發(fā)輻射(ASE)光，但當(dāng)泵 浦一直注入時(shí)，亞穩(wěn)態(tài)上的稀土金屬離子數(shù)目會(huì)很多，稱之為高的能級(jí)反轉(zhuǎn)數(shù)，此時(shí)，打入 一個(gè)信號(hào)光，高的能級(jí)反轉(zhuǎn)數(shù)會(huì)形成一個(gè)巨大的放大倍數(shù)，使絕大多數(shù)的亞穩(wěn)態(tài)離子回到 基態(tài)，并釋放出一個(gè)高峰值的脈沖光。這個(gè)脈沖峰值功率是泵浦長(zhǎng)時(shí)間的能量積累，這個(gè)過(guò) 程實(shí)際上就是一個(gè)能量存儲(chǔ)和釋放的過(guò)程，利用這個(gè)過(guò)程可以容易地得到高峰值功率的脈 沖光。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低廉。在此說(shuō)明書(shū)中，本發(fā)明已參照其特定的實(shí)施例作了描述。但是，很顯然仍可以作出 各種修改和變換而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，說(shuō)明書(shū)和附圖應(yīng)被認(rèn)為是說(shuō)明性的 而非限制性的。
權(quán)利要求
一種基于脈沖種子源放大的短脈沖高功率光纖激光光源，其特征在于，所述的光纖激光光源包括順序連接的脈沖信號(hào)源、激光器高速驅(qū)動(dòng)電路、脈沖種子激光器、波分復(fù)用器和稀土摻雜光纖，所述的光纖激光光源還包括泵浦激光器，所述的泵浦激光器的輸出端連接所述的波分復(fù)用器的輸入端，所述的稀土摻雜光纖還具有高峰值脈沖激光輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于脈沖種子源放大的短脈沖高功率光纖激光光源，其特征 在于，所述的光纖激光光源還包括連接于所述的脈沖種子激光器與波分復(fù)用器之間的第一 光纖隔離器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于脈沖種子源放大的短脈沖高功率光纖激光光源，其特 征在于，所述的光纖激光光源還包括連接于所述的高峰值脈沖激光輸出端的第二光纖隔離ο
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于脈沖種子源放大的短脈沖高功率光纖激光光源，其特征 在于，所述的稀土摻雜光纖的長(zhǎng)度為20米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于脈沖種子源放大的短脈沖高功率光纖激光光源，其特征 在于，所述的脈沖種子激光器為分布反饋激光器、法布里一珀羅激光器或分布布拉格反射 激光器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的基于脈沖種子源放大的短脈沖高功率光纖激光 光源，其特征在于，所述的稀土摻雜光纖為摻鉺光纖、摻鐿光纖或摻鐠光纖。
7.一種利用權(quán)利要求1所述的光纖激光光源作為光源的光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于， 所述的光纖傳感系統(tǒng)還包括定向耦合器、傳感光纖和后向散射檢測(cè)裝置，所述的光纖激光 光源通過(guò)所述的定向耦合器連接所述的傳感光纖，所述的后向散射檢測(cè)裝置與所述的定向 耦合器相連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的利用基于脈沖種子源放大的短脈沖高功率光纖激光光源作 為光源的光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述的后向散射檢測(cè)裝置為拉曼后向散射檢測(cè)裝置 或布里淵后向散射檢測(cè)裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的利用基于脈沖種子源放大的短脈沖高功率光纖激光光源作 為光源的光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述的傳感光纖為普通單模光纖或普通多模光纖。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于脈沖種子源放大的短脈沖高功率光纖激光光源及光纖傳感系統(tǒng)，其中，包括順序連接的脈沖信號(hào)源、激光器高速驅(qū)動(dòng)電路、脈沖種子激光器、波分復(fù)用器和稀土摻雜光纖，還包括泵浦激光器，該泵浦激光器的輸出端連接波分復(fù)用器的輸入端，稀土摻雜光纖還具有高峰值脈沖激光輸出端。本發(fā)明還涉及利用該光源的光纖傳感系統(tǒng)。采用了該發(fā)明的光纖激光光源及光纖傳感系統(tǒng)，當(dāng)泵浦激光器輸出的光打到稀土金屬離子上會(huì)將其激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)，泵浦一直注入時(shí)，亞穩(wěn)態(tài)上的稀土金屬離子數(shù)目達(dá)到高的能級(jí)反轉(zhuǎn)數(shù)，此時(shí)，打入一個(gè)信號(hào)光，高的能級(jí)反轉(zhuǎn)數(shù)形成一個(gè)巨大的放大倍數(shù)，亞穩(wěn)態(tài)離子回到基態(tài)，并得以釋放出一個(gè)高峰值的脈沖光。
文檔編號(hào)H01S3/067GK101950913SQ20101025218
公開(kāi)日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月12日
發(fā)明者張濤 申請(qǐng)人:上海拜安實(shí)業(yè)有限公司