基于超低损耗光纤的超长距离高阶随机光纤激光器及传感器

1.本发明涉及光纤激光及光纤传感领域，更具体地是涉及基于超低损耗光纤的超长距离高阶随机光纤激光器及传感器技术领域。


背景技术：

2.随机光纤激光器不同于传统光纤激光器，其无需固定的谐振腔结构即可实现随机激光激射。基于拉曼增益的随机光纤激光器利用光纤中的受激拉曼散射提供增益产生随机激光，其具有波长灵活的特点，已广泛应用于光纤通信、传感系统，并为多种光纤激光光源提供了一个新的平台。对于全开腔结构的随机拉曼光纤激光器，其仅由光纤中的瑞利散射提供反馈，激光器腔长不受限制。而对于半开腔后向泵浦随机拉曼光纤激光器，当腔长过长时，累积的后向瑞利散射反馈会代替光纤链路尾端的光纤布拉格光栅，为激射随机光纤激光提供反馈，使得随机光纤激光器变为全开腔结构随机拉曼光纤激光器。
3.在半开腔后向泵浦随机光纤激光器中，光纤链路尾端的光纤布拉格光栅为随机光纤激光提供点式反馈，可决定随机光纤激光激射波长。由于随机光纤激光具有温度不敏感特性，因此半开腔后向泵浦随机光纤激光器中尾端的光纤布拉格光栅还可用于进行外界环境参数传感。现有基于半开腔后向泵浦随机光纤激光的传感器主要采用一阶或二阶随机激光进行传感，且传输光纤为标准单模光纤，传感距离有限，难以满足在智能电网建设中的输电线监测等应用领域，需要更长距离光纤传感器的实际需求。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于：本发明为实现更长距离的随机光纤激光器及传感器，提出了采用高阶随机光纤激光结合超低损耗光纤的新型超长距离随机光纤激光器及传感器方案，克服了现有半开腔后向泵浦随机光纤激光器及传感器距离有限的问题。
5.本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
6.基于超低损耗光纤的超长距离高阶随机光纤激光器，包括输出端连接波分复用器a透射端的泵浦激光器，波分复用器a的公共端连接超低损耗光纤的一端，超低损耗光纤的另一端连接光纤布拉格光栅；波分复用器a的反射端连接波分复用器b的公共端，波分复用器b的透射端连接宽带反射镜，波分复用器 b的反射端为高阶随机光纤激光输出端。
7.其中，所述光纤布拉格光栅用于决定级联随机光纤激光激射波长；所述宽带反射镜可提供宽带反射，为各阶随机光纤激光提供前端点式反馈；高阶泵浦激光器作为级联随机光纤激光泵浦，可将级联随机光纤激光沿超低损耗光纤的功率峰值推向光纤远端；且由于超低损耗光纤具有超低传输损耗、低瑞利散射系数及低拉曼增益系数，可以降低泵浦及级联随机光纤激光衰减，提高到达光纤布拉格光栅的激光功率，并减弱瑞利散射累积作用，提高光纤布拉格光栅对构建激光器结构的作用，进而延长高阶随机光纤激光器腔长距离并提高级联随机光纤激光的光信噪比。
8.作为可选的一种技术方案，所述超低损耗光纤的传输损耗≤0.17db/km。
9.作为可选的一种技术方案，所述超低损耗光纤3的有效面积为 75μm
2-150μm2。
10.作为可选的一种技术方案，所述超低损耗光纤的瑞利散射系数较标准单模光纤低0db-5db。
11.作为可选的一种技术方案，所述超低损耗光纤3的拉曼增益系数较标准单模光纤低0db-5db。
12.作为可选的一种技术方案，所述超低损耗光纤链路中加入掺铒光纤，用于延长高阶随机光纤激光器距离及光信噪比。
13.作为可选的一种技术方案，所述宽带反射镜由串联光纤布拉格光栅代替，各光纤布拉格光栅分别为各阶随机光纤激光提供前端点式反馈。
14.基于超低损耗光纤的超长距离高阶随机光纤激光传感器，包括输出端连接波分复用器a透射端的泵浦激光器，波分复用器a的公共端连接超低损耗光纤的一端，超低损耗光纤的另一端连接光纤布拉格光栅阵列；波分复用器a的反射端连接波分复用器b的公共端，波分复用器b的透射端连接宽带反射镜，波分复用器b的反射端为高阶随机光纤激光输出端；
15.其中，光纤布拉格光栅阵列用于感知外界环境参数的改变；高阶随机光纤激光输出端用于监测传感信号。
16.作为可选的一种技术方案，所述光纤布拉格光栅阵列由不同结构封装的不同波长光纤布拉格光栅组成，可对温度、应变、位移、倾角参数进行传感。
17.作为可选的一种技术方案，所述超低损耗光纤链路中加入掺铒光纤，用于延长高阶随机光纤激光传感器距离及光信噪比。
18.本发明的有益效果如下：
19.1.本发明提出的超长距离高阶随机光纤激光器利用宽带反射镜为中间各阶级联随机光纤激光提供前端点式反馈，尾端光纤布拉格光栅为高阶随机光纤激光提供后端点式反馈。高阶随机光纤激光相较于低阶随机光纤激光沿光纤链路的功率峰值位置更深入光纤远端，可延长随机光纤激光器腔长，并提高高阶随机光纤激光输出光谱的光信噪比；
20.2.本发明提出基于超低损耗光纤的超长距离高阶随机光纤激光器，利用超低损耗光纤具有超低传输损耗的特点，可以降低泵浦光及级联随机光纤激光的传输损耗，提高随机光纤激光到达光纤链路尾端光纤布拉格光栅的功率；利用超低损耗光纤具有低瑞利散射系数的特点，可以避免累积瑞利散射的作用过强会代替光纤链路尾端光纤布拉格光栅作用的情况；利用超低损耗光纤具有低拉曼增益的特点，可以进一步将级联随机光纤激光的功率峰值位置推向光纤远端。综合三个参数的作用效果，可实现更长距离、更高光信噪比的高阶随机光纤激光器；
21.3.利用随机光纤激光固有的温度不敏感特性，将本发明提出的基于超低损耗光纤的超长距离高阶随机光纤激光器结构中光纤链路尾端的光纤布拉格光栅替换为不同结构封装的不同波长光纤布拉格光栅阵列，可实现长距离多参数复用传感，为输电线监测等应用领域提供超长距离、高光信噪比的点式传感技术手段。
附图说明
22.图1为基于超低损耗光纤的超长距离高阶随机光纤激光器结构示意图；
23.图2为基于175km长标准单模光纤的超长距离六阶随机激光输出光谱；
24.图3为基于175km长低损耗光纤的超长距离六阶随机激光输出光谱；
25.图4为基于超低损耗光纤及掺铒光纤的超长距离高阶随机光纤激光器结构示意图；
26.图5为基于200km长超低损耗光纤结合掺铒光纤的超长距离六阶随机激光输出光谱；
27.图6为基于超低损耗光纤及掺铒光纤的超长距离高阶随机光纤激光传感器结构示意图；
28.图7为基于200km长超低损耗光纤及掺铒光纤的超长距离六阶随机光纤激光应变传感结果；
29.图8为基于超低损耗光纤的窄带点式反馈超长距离高阶随机光纤激光器结构示意图；
30.图9为基于超低损耗光纤及掺铒光纤的窄带点式反馈超长距离高阶随机光纤激光器结构示意图；
31.附图标记：1-泵浦激光器；2-波分复用器a；3-超低损耗光纤；4-光纤布拉格光栅；5-波分复用器b；6-宽带反射镜；7-高阶随机光纤激光输出端；8
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掺铒光纤；9-光纤布拉格光栅阵列；10-一阶反馈光纤布拉格光栅；11-二阶反馈光纤布拉格光栅；12-三阶反馈光纤布拉格光栅；13-四阶反馈光纤布拉格光栅；14-五阶反馈光纤布拉格光栅。
具体实施方式
32.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
33.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.随机拉曼光纤激光器由泵浦激光、无源光纤中的受激拉曼散射增益及后向瑞利散射反馈共同作用，可实现激光激射。尽管后向瑞利散射强度较弱，但在较长光纤长度下，累积的后向瑞利散射足以为随机光纤激光的产生提供反馈。全开腔随机拉曼光纤激光器，是指激光器结构中无点式反馈，仅依靠分布式随机的后向瑞利散射反馈产生随机光纤激光，其激光器腔长不受限制。而对于半开腔后向泵浦随机光纤激光器，其由光纤链路尾端的光纤布拉格光栅提供点式反馈，结合无源光纤中的受激拉曼散射增益实现随机光纤激光激射，激光波长由光纤布拉格光栅决定。当无源光纤长度过长时，光纤中累积的后向瑞利散射光会代替光纤链路尾端的光纤布拉格光栅作用，变为全开腔随机拉曼光纤激光器。利用短波长泵浦产生高阶随机光纤激光，可将高阶随机光纤激光沿光纤链路的功率峰值位置推向远端。进一步结合具有超低传输损耗、低瑞利散射系数及低拉曼增益系数的超低损耗光纤，可以降低泵浦及级联随机光纤激光的传输损耗，提高泵浦光入纤功率及到达光纤布拉格光
栅的激光功率，并降低瑞利散射累积作用，进而延长高阶随机光纤激光器腔长距离并提高级联随机光纤激光器的光信噪比，实现更长距离的随机光纤激光器。
35.由于随机光纤激光具有温度不敏感特性，因此光纤链路尾端的光纤布拉格光栅既可作为点式反馈，又可用作传感元件，实现超长距离随机光纤激光传感。不同于基于宽带光源提供信号光的长距离光纤布拉格光栅传感系统，随机光纤激光传感器是利用激光激射波长进行传感，其光谱光信噪比更高，更适用于实现长距离、高性能传感监测。
36.以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
37.实施例1
38.基于超低损耗光纤3的超长距离高阶随机光纤激光器结构如附图1所示，泵浦激光器1通过波分复用器a2的透射端透射波长1040-1100nm注入超低损耗光纤3的一端。超低损耗光纤3的另一端连接一个中心波长为1562nm、反射率为99％的光纤布拉格光栅4。波分复用器a2用于将泵浦耦合进超低损耗光纤3 并分离一至六阶随机光纤激光，其反射端反射波长1120-1700nm连接波分复用器b5的公共端。波分复用器b5的透射端透射波长1120-1480nm连接一个宽带反射镜6，宽带反射镜6可为一至五阶随机光纤激光提供前端点式反馈。波分复用器b5的反射端反射波长1520-1700nm做斜角处理，防止菲涅尔反射，并用于六阶随机光纤激光输出端7。
39.当传输光纤为175km长标准单模光纤时，产生的1562nm六阶随机光纤激光输出光谱如附图2所示，光谱光信噪比为8.4db。当传输光纤更换为175km长超低损耗光纤3时，产生的1562nm六阶随机光纤激光输出光谱如附图3所示，光谱光信噪比为28.6db。对比附图2和附图3可以看出，采用超低损耗光纤3 可显著提高超长距离高阶随机光纤激光器性能。
40.实施例2
41.基于超低损耗光纤3及掺铒光纤8的超长距离高阶随机光纤激光器如附图 4所示。激光器主体结构与实施例1相同，不同之处在于在超低损耗光纤3链路中间加入一段掺铒光纤8。当采用1μm波段泵浦激光器1作为泵浦，在200km 长超低损耗光纤3链路中100km位置处加入一段10m长掺铒光纤8时，产生的 1562nm六阶随机光纤激光输出光谱如附图5所示。此时六阶随机光纤激光输出光谱的光信噪比为25db。可以看出，在高阶随机光纤激光、超低损耗光纤3和掺铒光纤8的共同作用下，随机光纤激光器的腔长距离及光谱信噪比可显著提高。
42.实施例3
43.基于超低损耗光纤3及掺铒光纤8的超长距离高阶随机光纤激光传感器如附图6所示。与实施例2结构的不同之处在于将光纤链路尾端的光纤布拉格光栅4更换为光纤布拉格光栅阵列9。光纤布拉格光栅阵列9由不同结构封装的不同波长光纤布拉格光栅构成。当采用1564nm的应变敏感光纤布拉格光栅时，应变从0με开始，间隔108με增大至540με的传感结果如附图7所示。可以看出，基于超低损耗光纤3及掺铒光纤8的超长距离高阶随机光纤激光传感器可实现高信噪比传感。
44.实施例4
45.基于超低损耗光纤3的超长距离高阶随机光纤激光器中的宽带反射镜6还可由各阶光纤布拉格光栅代替，结构如附图8所示。1090nm泵浦激光器1通过波分复用器a2的透射端注入，由波分复用器a2的公共端输出进入超低损耗光纤3的一端，超低损耗光纤3的另一
端连接中心波长为1562nm，反射率为99％的光纤布拉格光栅4。波分复用器a2的反射端顺次连接1145nm一阶反馈光纤布拉格光栅10、1210nm二阶反馈光纤布拉格光栅11、1280nm三阶反馈光纤布拉格光栅12、1365nm四阶反馈光纤布拉格光栅13及1461nm五阶光纤布拉格光栅14，依次为一至五阶随机光纤激光提供前端点式反馈。五阶光纤布拉格光栅 14的输出端做斜角处理，用作六阶随机光纤激光输出端7。
46.实施例5
47.基于超低损耗光纤3及掺铒光纤8的超长距离高阶随机光纤激光器结构如附图9所示。与实施例4主体结构相同，不同之处在于在超低损耗光纤3中间加入一段掺铒光纤8，用于增强c波段随机光纤激光功率，延长激光器腔长距离并提高光谱光信噪比。
48.综上所述，本发明提出的基于超低损耗光纤的超长距离高阶随机光纤激光器及传感器可实现超长距离的光纤激光器及传感器，为长距离光纤传感应用提供一种新型高性能技术手段。
49.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。