光纤激光器多纵模动态观测及传感特性

刘盛春， 张金涛， 张丽莹， 陈向飞， 安文玉

(1.黑龙江大学光纤技术研究所，黑龙江哈尔滨150080;2.黑龙江大学物理科学与技术学院，黑龙江哈尔滨150080;3.南京大学微结构国家实验室，江苏南京210093)

0 引言

自从1960年第一台激光器诞生，激光器以其单色性好、相干性强和定向性好等三大优点得到了迅速的应用，解决了诸多技术问题并发展了许多新兴产业。经过50多年的发展，它已经渗透到工业、国防、科研、医学、日常生活等各领域［1-4］。因此，激光原理课程也成为许多理工科院校的重要专业基础课，该课程包含了电动力学、物理光学和原子物理等多学科知识，也含有大量的抽象理论和较复杂的公式，这使得学生在理解和感性认识上存在较大难度［5-6］。同时激光原理是一门理论与实验并重的课程，为了帮助学生理解激光原理和光束特点等这些枯燥的概念，国内各高校开展了激光器发射和吸收［7］、高斯光束的束腰和发散角［8］、激光器谐振腔设计［9］等实验，取得了较好的效果。

在激光原理教学中，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实现激光测距、激光高速摄影、激光核聚变等重要应用，并发展了激光选模，激光稳频、激光调Q等技术。因此，激光器的模式是学生必须掌握的基本知识。但激光器模式是比较抽象的概念，没有形象直观的实验体会难以真正理解。针对该问题，卢秉嵩利用He-Ne激光器通过扫描干涉仪和示波器给出了激光器纵模模谱图，使学生感知激光器的纵模的存在［10］。陈刚等利用He-Ne激光器地提供了各种横模激光测量实验，帮助学生理解激光器横模分布［11］。但是，He-Ne激光器是气体激光器，不能随意改动激光谐振腔的长度，无法实现动态观测激光器的纵模变化。

本文提出了简单的光纤激光器多纵模实验监测方案，用两根光栅作为激光谐振腔的反射镜，中间连接掺铒光纤做为激光增益介质，搭建直腔式多纵模光纤激光器。激光器的多纵模之间相互干涉形成拍频信号，通过观测这些拍频信号的间隔和频率可以形象直观地观测多纵模的特征。实验中光电探测器实现光电信号转换，然后利用频谱仪直接测量拍频信号，就可以实现激光多纵模的拍频信号观测。

图1 多纵模光纤激光传感器

1 光纤多纵模激光器原理

光纤多纵模激光器的基本原理如图1所示，两只反射波长相同、高反射率的光纤光栅作为激光器的谐振腔端镜，中间连接一段掺铒光纤作为有源增益介质。将980 nm泵浦光注入谐振腔后，铒离子的不同能级之间的跃迁产生自发辐射光。自发辐射光通过两边的光纤光栅实现波长选择，符合光纤光栅反射波长的光在激光谐振腔内来回振荡放大。当增益大于损耗时，产生激光的输出。由于光纤光栅的反射带宽远大于纵模模式间距(即谐振频率)(c/2)nl，其中:c为光在光纤中的传播速度;l为谐振腔的长度;n为光纤的折射率。因此激光器会输出多个连续离散的激光模式，其输出光场为

式中:ai是纵模频率为νi的激光输出振幅;φi是原始相位。因为激光器的所有模式均产生在一个激光腔内，所以任意两模式激光之间都具有相干性。假设任意 2 个模式的振幅和频率分别为 ai、aj和 νi、νj，两模式的相干光经过光电探测器后，产生的电子拍频信号为

式中:φi和φj是两模式的原始相位。一个腔内激射的2个模式的原始相位差是常数，因此φi－φj可看作直流分量。式(2)中两模式频率和(νi+νj)的频率很高，光电探测器基本达不到这么高频率，因此也看做直流分量。经过隔直后，电子信号为

频率为(νi－νj)的信号就是2个模式光的拍频。

图2是光纤多纵模激光器拍频信号的生成原理。(νi－νj)的频率等于(i－j)ν(i，j=1，2，…)，这里 ν是激光谐谐振腔的谐振频率，ν=(c/2)nl。(i－j)ν是谐振频率ν 的 N(N=1，2，3，…)倍，令(i－j)ν= νN，即 νN=Nν。生成的总的电子拍频信号为

式中，ηN是频率为νN拍频信号的幅值。

图2 多纵模拍频信号生成原理

2 动态多纵模生成及传感原理

为了使学生更加形象地理解激光多纵模概念，试验中利用光纤多纵模激光器做成了传感器，它可以动态观测多纵模模式间隔改变与激光谐振腔长度的变化关系。若选取拍频νN作为动态拍频观测信号，当施加应力到激光谐振腔的掺铒光纤上，施加的应力会引起光纤的折射率和长度变化，从而引起激光谐振腔的有效长度变化。腔长变化将导致激光多纵模模式间隔的变化，最后体现为拍频传感信号频率的变化，其表达如下［12］:

式中:Pe为光纤有效弹光系数;ε为施加到光纤上应变。从上式可见，改变应变大小，拍频的频率会发生变化。通过频谱仪显示的拍频信号频率变化来直观感受激光谐振腔的动态变化，也可以根据式(5)得到施加在谐振腔上的应力大小。

3 实验装置与结果分析

3.1 实验装置

如图3所示，980 nm泵浦光通过波分复用器输入到2个光纤光栅和掺铒光纤构成的直腔式多纵模光纤激光器中，多个纵模的光在谐振腔内振荡放大产生激光，再通过光纤光栅输出。输出的多纵模干涉光经过光电探测器产生电子拍频信号，利用频谱仪监测拍频信号的频率，即可观测到光纤激光器的谐振频率。

图3 直腔式多波长激光传感器实验框图

本实验中，两光纤光栅波长分别为1 549.623、1 549.629 nm，带宽 0.23 nm，光纤光栅反射率均为90%。掺铒光纤在波长1 530 nm处的吸收系数为10 dB/m。光纤激光器谐振腔光纤长度是0.74 m，相应的谐振频率为141.3 MHz。

光纤激光器作为光纤通信和光纤焊接等重要应用的主要光源，其性能指标影响整个装置的质量。因此光纤激光器的转换效率和阈值泵浦功率是非常重要的。图4展示了泵浦功率和多纵模激光输出功率之间的关系。当泵浦功率较低时，增益＜0，此时激光器只有自发辐射，不能产生激光。随着泵浦功率的增加，增益＞0，但尚未克服损耗时，在激光腔内无法稳定建立一定的模式，不能产生稳定的激光。当泵浦功率大于阈值功率后，激光模式的增益大于损耗，激光器谐振腔将稳定建立起多个激光纵模，并在振荡中逐步放大，产生稳定的激光输出。从图中可以看出，这种多纵模光纤激光器的阈值大约是4.2 mW。

当980 nm泵浦光功率是75 mW 时，从0.14～2.50 GHz多个拍频信号同时产生，相应的部分拍频信号显示在图5中。从图中可以看出，拍频信号间隔都是141.3 MHz，与理论预期一致。

图5 频谱仪采集部分拍频信号

图4 光纤激光器泵浦功率和输出功率关系

3.2 光纤多纵模激光器应力动态测试结果

为了能动态观测多纵模的模式间距变化，搭建了实验平台，如图3所示。实验中，将激光谐振腔的光纤固定在两端，一端固定在光学平台上;另一端固定在移动的位移台上。通过移动位移台产生均匀应力变化来改变光纤激光谐振腔腔长，同时观测谐振腔拍频变化，并根据谐振腔拍频变化来确定应力大小。从0.14～2.50 GHz有许多拍频信号，可以作为动态观测信号。在实验中，选择既有较大频率-应变响应又有较高的抗跳模干扰能力的中高频拍频信号作为观测信号［12］。本实验选择1 413 MHz拍频信号作为测量信号，动态拍频信号随着应力变化而变化，如图6所示。当应力逐渐增加时，拍频频率逐渐减小(曲线ae)。在拍频信号为1 413 MHz时，拍频频率与应变变化的灵敏度为－1.1，这与式(5)的理论是相一致的。测得应力的均方根差是3.6 ×10－6，即最小可测应力为 3.6 ×10－6。实验表明，多纵模激光器的模式间隔是随着激光谐振腔的变化而成比例变化的。通过施加到谐振腔的应力可以实时动态地观测谐振腔腔长与拍频频率的变化关系。因此检测拍频信号的频率漂移可以计算得到施加到谐振腔上的应力大小。

图6 不同应力下拍频信号

另外，多纵模光纤激光器还可由一个环形器、一段铒纤和一根光栅组成环形光纤谐振腔式的多纵模激光器［13］。这两种多纵模光纤激光器的谐振腔还可以对温度进行实时测量［14］。光纤多纵模激光谐振腔光纤还可以缠绕在一个封装的顺变柱体上，形成加速度传感器，对振动信息进行监测［15］。另外，由于这些多纵模激光传感器生成的拍频信号也大都集中在射频范围，其直接经过简单无线调制就可以把包含传感信息的以无线信号形式融入到现有的无线传感网络，实现一些简单的物联网实验［16］。通过这些实验设计，可以增加学生的实验热情，培养学生的创新能力。

4 结语

本文将多纵模光纤激光器引入到激光原理课程的实验教学中，用这种激光器不仅能够实现光纤激光器的转换效率和阈值功率测量、光纤激光器多纵模测试等实验。而且通过对激光谐振腔施加应力，能够实现动态观测光纤激光谐振腔长变化引起的多纵模模式变化。将比较抽象的激光器纵模概念通过频率仪以图形的模式动态直观地显示出来，从而使学生深刻理解激光器纵模的产生原理，同时巩固学生对数字信号频谱分析和光学相干原理的认识。另外，本文为多纵模光纤激光器提供了直腔和环形腔两种不同结构，能够对应力、温度、振动等多种物理信息的检测。而且它还可以融入无线传感网，形成光纤无线传感网络。通过这些教学信息的相互结合，可以实现很多种不同的实验方案，并为学生提供多种实验选择。这些实验的设计、观察和分析，增强了学生对理论知识的理解，还锻炼了学生分析问题、解决问题等能力，同时激发学生的创造性思维，有益于培养学生的创新精神。

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