一种用于光纤光栅声发射传感系统的掺铒光纤激光器

摘要

本发明提供了一种用于光纤光栅声发射传感系统的掺铒光纤激光器，其目的在于补偿温度对光纤布拉格光栅产生的影响，增强光纤布拉格光栅传感器在声发射检测领域的应用，所述光路系统包括：泵浦源，光波分复用器，掺铒光纤，光隔离器，光纤耦合器，光纤布拉格光栅；本发明主要用于给光纤布拉格光栅传感系统提供光源，相比于常用的窄带光源，本发明自带温度补偿，可有效降低温度变化对光纤布拉格光栅传感器的影响，提高光纤布拉格光栅传感器的检测精度，同时降低了设备成本，利于实际工程应用。

说明书

技术领域

本发明属于光纤激光器领域，特别涉及一种用于光纤光栅声发射传感系统的掺铒光纤激 光器。

背景技术

掺铒光纤是在石英光纤中掺入了少量的稀土元素铒(Er)离子的光纤，是掺铒光纤激光器 的核心，它的工作原理是，当泵浦光注入到掺铒光纤中时，铒离子在泵浦光作用下激发到高 能级上，并很快衰变到亚稳态能级上，回到基态，发生粒子数反转，产生放大的自发发射。 掺铒光纤具有增益高、带宽大、输出功率高、泵浦效率高、插入损耗低、对偏振态不敏感等 优点，一经发明即在光通信领域得到了广泛应用。

光纤布拉格光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样 写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的周期性变化的折射率分布，实质上是在纤芯内形成一 个窄带的滤波器。当一束宽谱光经过光纤布拉格光栅时，只有满足光纤布拉格光栅中心波长 的窄带光将产生反射，其余的光透过光纤布拉格光栅继续传输。由于光纤布拉格光栅波长特 性好、体积小、质量轻、不受电磁干扰、易于复用、耦合性好，使得其常被用作滤波器或传 感器，在光学、通信、传感等领域得到了广泛应用。

现有的掺铒光纤激光器如中国专利ZL200910106974.7“多波长和锁模可转换的掺铒光 纤激光器及其实现方法”、ZL200820073835.X“宽可调谐自起振被动锁模掺铒光纤激光 器”、ZL201010236280.8“基于太极结构的环形腔多波长布里渊掺铒光纤激光器”等掺铒 光纤激光器均能实现常温下的正常工作，却未能提供变温下的工作情况。

发明内容

本发明的目的在于，克服已有的技术局限，将光纤布拉格光栅引入光纤激光器领域，提 供了一种用于光纤光栅声发射传感系统的掺铒光纤激光器，该激光器具有输出频带窄、输出 功率集中、不受电磁干扰、适于恒温/变温环境工作等特点。

本发明的技术方案：一种用于光纤光栅声发射传感系统的掺铒光纤激光器，包括：泵浦 源，光波分复用器，掺铒光纤，光隔离器，光纤耦合器，光纤布拉格光栅，光路输出端口； 其中，光纤耦合器的A端口与光隔离器相连，B端口与光纤布拉格光栅相连，C端口通过回 路接入波分复用器，D端口接光路输出端口；泵浦源发出的泵浦光被光波分复用器引入光路， 进入掺铒光纤，掺铒光纤中的饵离子吸收能量后跃迁到高能级，继而衰弱至低能级，发生粒 子数反转，产生放大的自发发射；经过掺铒光纤放大的光通过光隔离器进入光纤耦合器的A 端口，此处光被分为两路，一路通过端口B进入光纤布拉格光栅，只有符合布拉格光栅中心 反射波长的窄带光能够被反射回去，该窄带光经端口C进入光路（进入端口A的光被光隔 离器隔离），另一路光通过端口D到达光路输出端口输出；被光纤布拉格光栅反射并通过端 口C进入光路的光再次经光波分复用器进入掺铒光纤放大，完成一次循环；每次循环都能放 大光波的能量，当增益大于环路中的传输损耗时，产生振荡，从而形成环形掺铒光纤激光器， 具有稳定的输出波长与功率。

进一步的，所述泵浦源为泵浦光源，中心波长为974.54nm，峰值功率为6.77dBm。

进一步的，所述掺铒光纤线长20m，芯径3μm。

进一步的，所述光纤耦合器，分光比为40:60，进入光纤布拉格光栅的B端为40，用于 光路输出的D端为60。

进一步的，所述光纤布拉格光栅为可调谐光栅，要与实际应用中的传感光纤布拉格光栅 相匹配，反射率、边模抑制比、3dB带宽、温度灵敏系数参数一致，中心波长相差0.1nm。

本发明与现有技术相比的优点在于：现有的掺铒光纤激光器大多数都追求多波长、可调 谐、高功率，而且一般都工作于常温环境下，一旦遇到温度变化较大的情况，工作性能就不 够稳定，而本发明则在掺铒光纤激光器的基础上添加了集滤波与温度补偿于一体的光纤布拉 格光栅，使得激光器拥有了在温度变化的环境下稳定工作的能力。

附图说明

图1是用于光纤光栅声发射传感系统的掺铒光纤激光器的原理图；

图2是泵浦源输出光谱图；

图3是掺铒光纤激光器的输出光谱图。

图中：1、泵浦源，2、光波分复用器，3、掺铒光纤，4、光隔离器，5、光纤耦合器，6、 光纤布拉格光栅，7、光路输出端口；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好地理解本发明。需要特别提 醒注意的是，在以下的描述中，当采用已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要 内容时，这些描述在这里将被忽略。

如图1所示，本发明所述的用于光纤光栅声发射传感系统的掺铒光纤激光器包括：泵浦 源1，光波分复用器2，掺铒光纤3，光隔离器4，光纤耦合器5，光纤布拉格光栅6，光路 输出端口7；其中，光纤耦合器5的A端口与光隔离器4相连，B端口与光纤布拉格光栅6 相连，C端口通过回路接入波分复用器2，D端口接光路输出端口7。

泵浦源1发出的泵浦光被光波分复用器2引入光路，进入掺铒光纤3，掺铒光纤3中的 饵离子吸收能量后跃迁到高能级，继而衰弱至低能级，发生粒子数反转，产生放大的自发发 射；经过掺铒光纤3放大的光通过光隔离器4进入光纤耦合器5的A端口，此处光被分为两 路，一路通过端口B进入光纤布拉格光栅6，只有符合布拉格光栅6中心反射波长的窄带光 能够被反射回去，并经端口C进入光路（进入端口A的光被光隔离器4隔离），另一路光通 过端口D到达光路输出端口7输出；被光纤布拉格光栅6反射并通过端口C进入光路的光 再次经光波分复用器2进入掺铒光纤3放大，完成一次循环；每次循环都能放大光波的能量， 当增益大于环路中的传输损耗时，产生振荡，从而形成环形掺铒光纤激光器，具有稳定的输 出波长与功率。

所述泵浦源1为泵浦光源。在激光器中，外部能量通常会以光或电流的形式输入到产生 激光的媒质之中，把处于基态的电子，激励到较高的能级高能态，使其粒子数反转，人们用 “泵浦”一词形容这一过程(如同把水从低处抽往高处)。本发明使用的泵浦光源中心波长为 974.54nm，峰值功率为6.77dBm，其输出如图2所示。

所述光波分复用器2，将不同波长的光合为一路在光纤中传输。光波分复用是在光纤一 端将一系列不同波长的光合成一束，沿着单根光纤传输；在接收端再用特定方法，将各个不 同波长的光分开的通信技术。光波分复用一般应用波长分割复用器和解复用器(也称合波/分 波器)分别置于光纤两端,实现不同光波的耦合与分离。光波分复用器的主要类型有熔融拉锥 型、介质膜型、光栅型和平面型四种，其主要特性指标为插入损耗和隔离度。

所述掺铒光纤3，可以将传输过来的光放大。当泵浦光注入到掺铒光纤中时，铒离子在 泵浦光作用下激发到高能级上，并很快衰变到亚稳态能级上，回到基态，发生粒子数反转， 产生放大的自发发射。掺铒光纤的主要优点是增益高、带宽大、输出功率高、泵浦效率高、 插入损耗低、对偏振态不敏感等。本发明使用的掺铒光纤线长20m，芯径3μm。

所述光隔离器4，具有单向通光功能。光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应：对于 正向入射的信号光，通过起偏器后成为线偏振光，法拉第旋磁介质与外磁场一起使光的偏振 方向右旋45度，并恰好使光低损耗通过与起偏器成45度放置的检偏器；对于反向光，通过 检偏器的线偏振光经过旋磁介质时，偏转方向也右旋转45度，从而使反向光的偏振方向与 起偏器方向正交，完全阻断了反射光的传输。通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的 隔离，提高光波传输效率。

所述光纤耦合器5，分光比为40:60，进入光纤布拉格光栅B端的为40，用于光路输出 D端的为60。经过掺铒光纤3放大的光通过光隔离器4进入光纤耦合器5的A端口，此处 光被分为两路，一路通过端口B进入光纤布拉格光栅6，只有符合布拉格光栅6中心反射波 长的窄带光能够被反射回去，并经端口C进入光路（进入端口A的光被光隔离器4隔离）， 另一路光通过端口D到达光路输出端口7输出；被光纤布拉格光栅6反射并通过端口C进 入光路的光再次经光波分复用器2进入掺铒光纤3放大，完成一次循环。

所述光纤布拉格光栅6为可调谐光栅，起到滤波及温度补偿作用。本发明所用的光纤布 拉格光栅6要与实际应用中的传感光纤布拉格光栅相匹配，反射率、边模抑制比、3dB带宽、 温度灵敏系数参数一致，中心波长相差0.1nm。这样当外界光进入光纤布拉格光栅6时，只 有满足其中心波长的窄带光能够被反射回去，其余的光透射而过，这就相当于提供了一个窄 带光源。同时，光纤布拉格光栅6与实际应用中的传感光纤布拉格光栅相匹配，当二者在同 一环境中时，所受到的温度影响是相同的，即二者的波长漂移相一致，这样就抵消了传感光 纤布拉格光栅由于环境温度变化而产生的波长漂移，实现了温度补偿。

如图3所示为用于光纤光栅声发射传感系统的掺铒光纤激光器的输出光谱图。用 1562nm的光纤布拉格光栅替代本实施例中的光纤布拉格光栅6，得到了稳定的激光输出， 中心波长为1562.002nm，3dB带宽为0.103nm，峰值功率为-0.68dBm。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理 解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员 来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显 而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。