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
技術領域：
本實用新型光電子涉及領域，特別涉及光纖傳感技術領域，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：
基于拉曼散射和布里淵散射技術的光纖傳感系統(tǒng)，由于其具有傳感介質簡單(普 通光纖)，連續(xù)分布式傳感的特點，大量使用在橋梁、隧道、大壩等建筑物的應力健康監(jiān)控， 以及石油、輸變電纜管線的溫度監(jiān)測等行業(yè)。此類光纖傳感系統(tǒng)基本采用以下結構高峰值功率脈沖光源通過定向耦合器注 入到傳感光纖，普通單模光纖或普通多模光纖內，由于拉曼散射，會產生后向的斯托克斯 光和反斯托克斯光，而溫度和應力會造成傳感光纖內拉曼效應的變化，通過檢測斯托克斯 (stocks)光和反斯托克斯(anti-stocks)光，并對其進行分析，可以測出傳感光纖上的每 一點的溫度和應力變化。經過對比定標等處理，便可以對建筑物健康預警或溫度的火災預 警。其中，核心部件，高峰值功率脈沖光源，的常規(guī)做法是通過大功率激光器加上脈沖 高峰值電流來實現(xiàn)。這一技術有以下的缺點(1)很難做到高的峰值功率，受激光器制造工藝的影響，實用化的高峰值功率半導 體激光器很少；(2)成本高昂，由于高峰值功率的激光器產量少，不易實現(xiàn)，故生產成本高昂；(3)很難實現(xiàn)短的脈沖，由于該系統(tǒng)的脈沖長短直接決定系統(tǒng)測試的空間分辨率 指標，測試精度在Im以下的系統(tǒng)，需要脈寬在IOns左右，而高峰值功率半導體激光器驅動 電流很大，通常在數(shù)十安培量級，在如此短的時間內快速開啟和關閉如此高的電流，電路實 現(xiàn)相當困難。總之，常規(guī)的脈沖激光方式，無論在技術實現(xiàn)上還是在成本控制上都難以達到系 統(tǒng)的商用化水平。

實用新型內容本實用新型的目的是克服了上述現(xiàn)有技術中的缺點，提供一種利用稀土摻雜光纖 特有的放大和能量存儲特點，實現(xiàn)大峰值功率和短脈沖，且結構相對簡單，生產成本低廉的 基于脈沖種子源放大的光纖激光光源及光纖傳感系統(tǒng)。為了實現(xiàn)上述的目的，本實用新型的基于脈沖種子源放大的短脈沖高功率光纖激 光光源具有如下構成該光纖激光光源包括順序連接的脈沖信號源、激光器高速驅動電路、脈沖種子激 光器、波分復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。[0012]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-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。本實用新型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裝置，所述的光纖激光光源通過所 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裝置為拉曼后向散射檢測裝置或布里淵 后向散射檢測裝置。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。采用了該實用新型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三能級系統(tǒng)，當泵浦激光器輸出的 光打到稀土金屬離子上會將其激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)，而在該亞穩(wěn)態(tài)上，稀土金屬離子有長達毫秒 級的壽命，如稀土離子未受到擾動，則其以指數(shù)衰減回到基態(tài)，發(fā)出自發(fā)輻射(ASE)光，但 當泵浦一直注入時，亞穩(wěn)態(tài)上的稀土金屬離子數(shù)目會很多，稱之為高的能級反轉數(shù)，此時， 打入一個信號光，高的能級反轉數(shù)會形成一個巨大的放大倍數(shù)，使絕大多數(shù)的亞穩(wěn)態(tài)離子 回到基態(tài)，并釋放出一個高峰值的脈沖光。這個脈沖峰值功率是泵浦長時間的能量積累，這 個過程實際上就是一個能量存儲和釋放的過程，利用這個過程可以容易地得到高峰值功率 的脈沖光。本實用新型結構簡單，生產成本低廉。

圖1為本實用新型的本實用新型的基于脈沖種子源放大的短脈沖高功率光纖激 光光源的的結構示意圖。圖2為利用本實用新型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)的結構示意圖。
具體實施方式
為了能夠更清楚地理解本實用新型的技術內容，特舉以下實施例詳細說明。請參閱圖1所示，為本實用新型的基于脈沖種子源放大的短脈沖高功率光纖激光 光源的一種實施方式的結構示意圖。該光纖激光光源包括順序連接的脈沖信號源、激光器高速驅動電路、脈沖種子激 光器、波分復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直調式1550nm分 布反饋激光器(DFB激光器)；對其進行脈沖驅動，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980nm泵浦激光器，恒定輸出250mW功 率；稀土摻雜光纖選用摻鉺光纖，型號為Nufern EDF-C-980，長度為20米；波分復用器采用 980nm/1550nm波分復用器；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用。在本實用新型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施 方式中，所述的脈沖種子激光器還可以為法布里-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；泵浦激光器波長和功率與相應的摻雜光纖匹配。利用本實用新型所提供的上述光纖激光光源作為光源的光纖傳感系統(tǒng)，其結構如 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裝置，所述的光纖 激光光源通過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)選的實施方式中，所述的后向散射檢測裝置為拉曼后向散射檢測裝置或布里 淵后向散射檢測裝置。在本實用新型的應用中，本實用新型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構脈沖種子激光器采用可以進行高速調制的線寬良好的激光器，比如常規(guī)通信用 2. 5bps直調式1550nm分布反饋激光器，這些低功率的激光器非常容易獲得，而且價格便且。脈沖種子激光器的驅動可以參照常規(guī)通信調制電路，信號源可以是數(shù)字信號源也 可以是模擬信號源。放大部分針對脈沖種子激光器波長進行選擇。通常信號源在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為980nm或 1480nm。信號源在1030nm 1090nm的，選擇波長為976nm的泵浦激光器及摻鐿光纖，其他
信號源不再詳舉。輸出峰值功率可以通過調整泵浦激光器功率和稀土摻雜光纖的長度來調整，最高 可達數(shù)百瓦量級。重復頻率和脈寬可以通過調整脈沖種子激光器的驅動信號源實現(xiàn)，因此 實現(xiàn)容易，調整靈活。對于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。比同樣激光器直調產生的高功率脈沖，成本至少降低50%。其中，脈沖種子激光器由脈沖信號源推動激光器高速驅動電路來實現(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，脈沖驅動電路也是在通信 領域非常成熟，ns級的脈沖只相當于通信GHz量級的速率。大大降低了脈沖種子的實現(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，保護種子源以帶來更好 的性能。波分復用器作用是將泵浦光和種子源信號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)運行波長選擇的，用于給整個放大系統(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的信號光。這也是在光纖通信領 域非常成熟和大量應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，而信號光是低重復頻率的短脈沖，相當長的時間，比如百微秒量級的時間里，無信 號光輸入，摻雜光纖處于高粒子數(shù)反轉狀態(tài)。此時，ns級的信號光注入，將在瞬間(與信號 光脈沖寬度相當?shù)臅r間里)釋放掉摻雜光纖里大量的能量，使粒子反轉數(shù)很快降下來。同 時輸出與信號光波長、偏振、相位抑制的高功率信號，而實現(xiàn)了高峰值功率的脈沖輸出。該 實用新型所提供的短脈沖高功率光纖激光光源巧妙地運用了稀土摻雜光纖的儲能特點，以 較小的泵浦功率獲得巨大的峰值功率。采用了該實用新型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三能級系統(tǒng)，當泵浦激光器輸出的 光打到稀土金屬離子上會將其激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)，而在該亞穩(wěn)態(tài)上，稀土金屬離子有長達毫秒 級的壽命，如稀土離子未受到擾動，則其以指數(shù)衰減回到基態(tài)，發(fā)出自發(fā)輻射(ASE)光，但 當泵浦一直注入時，亞穩(wěn)態(tài)上的稀土金屬離子數(shù)目會很多，稱之為高的能級反轉數(shù)，此時， 打入一個信號光，高的能級反轉數(shù)會形成一個巨大的放大倍數(shù)，使絕大多數(shù)的亞穩(wěn)態(tài)離子 回到基態(tài)，并釋放出一個高峰值的脈沖光。這個脈沖峰值功率是泵浦長時間的能量積累，這 個過程實際上就是一個能量存儲和釋放的過程，利用這個過程可以容易地得到高峰值功率 的脈沖光。本實用新型結構簡單，生產成本低廉。在此說明書中，本實用新型已參照其特定的實施例作了描述。但是，很顯然仍可以 作出各種修改和變換而不背離本實用新型的精神和范圍。因此，說明書和附圖應被認為是 說明性的而非限制性的。
權利要求1.一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源、激光器高速驅動電路、脈沖種子激光器、波分復用器 和光纖，所述的光纖為摻鉺光纖、摻鐿光纖或摻鐠光纖，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用器的輸入端，所述的光纖還具有高 峰值脈沖激光輸出端。
2.根據(jù)權利要求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用器之間的第一 光纖隔離器。
3.根據(jù)權利要求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，所述的光纖的長度為20米。
5.根據(jù)權利要求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-珀羅激光器或分布布拉格反射 激光器。
6.一種利用權利要求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裝置，所述的光纖激光 光源通過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裝置與所述的定向 耦合器相連接。
7.根據(jù)權利要求6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裝置為拉曼后向散射檢測裝置 或布里淵后向散射檢測裝置。
8.根據(jù)權利要求6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。
專利摘要本實用新型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源、激光器高速驅動電路、脈沖種子激光器、波分復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。本實用新型還涉及利用該光源的光纖傳感系統(tǒng)。采用了該實用新型的光纖激光光源及光纖傳感系統(tǒng)，當泵浦激光器輸出的光打到稀土金屬離子上會將其激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)，泵浦一直注入時，亞穩(wěn)態(tài)上的稀土金屬離子數(shù)目達到高的能級反轉數(shù)，此時，打入一個信號光，高的能級反轉數(shù)形成一個巨大的放大倍數(shù)，亞穩(wěn)態(tài)離子回到基態(tài)，并得以釋放出一個高峰值的脈沖光。
文檔編號G01D5/26GK201853937SQ20102029046
公開日2011年6月1日 申請日期2010年8月12日 優(yōu)先權日2010年8月12日
發(fā)明者張濤 申請人:上海拜安實業(yè)有限公司