基于有源光纤1.5m长距离随机光纤激光器的实现与应用

摘要

随机分布反馈光纤激光器是在随机激光器和光纤激光器的基础上发展起来的一种新颖激光器，通常简称为随机光纤激光器（RFL），因其独特的反馈机制和输出特性，自2010年提出就受到了广泛的关注。几年来经过各国研究人员不断的探索和研究，已经实现了不同结构和特点的RFL，因其具有结构紧凑、相对噪声低、温度不敏感、超长距离传输等良好的输出特性，在光成像、输出高功率激光、长距离光纤传感等领域具有巨大的潜力。
　　近年来，随机光纤激光器的应用得到了广泛的研究。特别地，将随机激光放大技术应用于分布式光纤传感的工作已经取得了一些成果。同时，利用光纤拉曼随机激光器已实现长距离（100km）的点式传感系统。然而基于RFL的长距离点式传感系统在结构复杂度、传感距离、传输信号信噪比等方面的传感性能还需进一步优化。
　　本文借鉴于光纤通信中的ROPA（Remote Optical Pumping Amplifier）技术，引入有源光纤，利用有源光纤中有源增益和单模光纤（SMF,single mode fiber）中拉曼增益的混合增益，全面理论分析并通过实验验证实现了一种基于有源光纤，输出波段位于低损耗传输窗口的1.5?m长距离随机光纤激光器，另外还以温度传感特性为例，研究了该结构下的随机光纤激光器在长距离点式传感领域的应用特性。
　　本文先从理论角度出发，利用随机拉曼光纤激光器的功率稳态模型耦合方程和掺铒光纤（EDF，erbium-doped fiber）的Giles简化模型，数值仿真了EDF位于不同光纤链路位置和不同EDF长度对该结构下RFL输出特性的影响。仿真结果表明，通过设计的这种基于有源光纤的后向泵浦结构，能产生与FBG中心波长相应的1.5μm波段的随机激光激射，采用6m的EDF和100km的SMF，随机激光激射阈值<0.8W，并且EDF位置的可选范围是10~50km。
　　接着，基于上述RFL的仿真参数，本文基于100km RFL，选择距离泵浦端25km和50km两个不同EDF位置，搭建RFL系统进行实验验证。实验得到在两种不同EDF位置处的输入输出曲线与数值仿真结果相符合，同时，采用这两种EDF位置方案的输出随机激光信噪比均大于30dB，这一结果相比于2012年报道的基于1455nm泵浦的拉曼增益一阶RFL信噪比提升了超过10dB。最后，利用FBG的温度敏感特性，而系统其余部分具有温度稳定性的特点开展点式温度传感实验，实验得到随机激光波长与FBG所处温度呈线性变化关系，证明了基于该结构的RFL可用于远距离点式传感，同时还验证了该系统的波分复用能力，从而使得该系统具备多点监测能力。
　　本文所设计的基于有源光纤的随机光纤激光器为实现低阈值、高信噪比的长距离随机光纤激光器传感系统提供了一种简单易行的方法，并且这种方案为基于随机光纤激光器的传感系统提供了全新的思路。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 随机光纤激光器研究背景及进展

1.3 随机光纤激光器的应用

1.4 论文选题及体系结构

第二章 随机光纤激光器的相关原理

2.1 光纤的传输

2.2 掺铒光纤的能级结构

2.3 随机光纤激光器理论

2.4 本章小结

第三章 基于有源光纤长距离随机光纤激光器的理论研究

3.1 随机光纤激光器理论模型

3.2 掺铒光纤理论模型-Giles模型

3.3 混合增益理论模型

3.4 仿真结果及分析

3.5 本章小结

第四章 基于有源光纤长距离随机光纤激光器的传感实验研究

4.1 实验装置

4.2 实验结果及讨论

4.3 点式光纤传感特性研究

4.4 本章小结

第五章 全文总结及展望

5.1 全文总结

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果