CN102853996A - 有源稀土掺杂光纤光子暗化测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源稀土掺杂光纤光子暗化测试装置，以解决目前缺少相关测试设备的局面。本发明包括复合样品采样室，光源，锁相放大器，二个单色仪，控制模块、探测器及数据处理器；复合样品采样室用来放置待测光纤并提供稳定的测试环境；光源用于提供监测信号光；锁相放大器用于提高测试结果的信噪比。本发明为全光纤化的测试装置，测试精度高。该装置具有高的集成度，通过数据处理器进行可视化控制，操作简便。非常适合于科研机构进行光纤测试与分析，也适合于公司进行光纤抗光子暗化性能标定。测试内容全面，可以实现光子暗化诱导可见光至近红外区域附加损耗光谱检测及光子暗化诱导单一波长处的附加传输损耗检测。

Description

有源稀土掺杂光纤光子暗化测试装置

技术领域

本发明属于光纤多参数测量仪器技术领域，具体涉及一种有源稀土掺杂光纤光子暗化测试装置。

背景技术

高功率光纤激光器是以稀土掺杂双包层光纤为工作介质、以半导体激光器为泵浦源的一种全固态激光器件。自198年Snitzer等人提出双包层激光光纤之后，基于包层泵浦技术的光纤激光器和放大器获得了快速发展。特别是近年来随着光纤制备技术和半导体激光器的发展，光纤激光器功率不断攀升，在工业、军事、生物医学、科研等领域的应用发展迅猛。但随着光纤激光器功率的攀升，掺稀土光纤纤芯中的光子暗化效应成为限制激光器寿命和稳定性的主要因素之一。

光子暗化效应表现为泵浦光泵浦掺稀土光纤后，光纤激光器的输出功率随时间逐渐降低。由光子暗化效应诱导的永久光吸收损耗在可见光波段极为显著，损耗随泵浦时间的增加而持续增加，在经历较长时间后，吸收饱和，损耗趋于稳定。并且，可见光波段的吸收尾部延伸至近红外波段，致使光纤在泵浦波长及激光器工作波长处的传输损耗也随时间延长而增加，导致光纤激光器斜率效率降低。这种现象多发生在以二氧化硅为基质的有源光纤中，已经在掺镱光纤、掺铥光纤、掺镨光纤和掺铕光纤等有源光纤中观测到。

为了对光子暗化效应进行有效的测试及表征，已有高校及研究机构开展了相关的研究工作。2005年，Liekki公司的J.J.Koponen等人通过研究发现光纤纤芯区域光子暗化效应引起的附加损耗在激光波长处与可见光波长处成一定线性关系，且可见光区损耗远大于激光波长处，可用于快速及准确标定光纤的光子暗化特性。因此建议使用633nm波长的光做信号光标定光纤的光子暗化程度。并随后相继提出了单模及大模场等类型掺镱光纤的测试方法(参见Koponen，J.J.Soderlund，et.al.，Measuring photodarkening fromsingle-mode ytterbium doped silica fibers.Optics Express，2006.14(24))。目前，尚未有相关测试仪器。

发明内容

为了实现准确、快速及可操作性的光纤光子暗化性能测试，本发明提出一种有源稀土掺杂光纤光子暗化测试装置及测试方法，以实现测试的准确及可重复性。

本发明提供的一种有源稀土掺杂光纤光子暗化测试装置，其特征在于，该装置包括复合样品采样室，光源，锁相放大器，第一、第二单色仪，控制模块、探测器及数据处理器；

复合样品采样室的三个通光孔分别和光源的可调狭缝、第一单色仪的第一可调狭缝以及第二单色仪的第一可调狭缝相连通，复合样品采样室用来放置待测光纤并提供稳定的测试环境；

光源为宽带光源，光源上的通光孔与第一单色仪的第二可调狭缝相连通，第一单色仪的第二可调狭缝与光源的可调狭缝相互垂直，光源用于提供监测信号光；

锁相放大器一端通过斩波器用数据线与光源相连，另一端通过数据线和探测器相连，用于提高测试结果的信噪比；

第一单色仪的第二可调狭缝与光源的通光孔相连，用于将光源的白光转化为特定波长的单色信号光；第一单色仪的第一可调狭缝和复合样品采样室的通光孔对接，用于将单色信号光通入复合样品采样室；

第二单色仪通过第一可调狭缝接收经待测光纤输出的信号光，第二可调狭缝和探测器相连；

控制模块根据数据处理器的指令实现对复合样品采样室内的温度、第一、第二单色仪内电机的控制；

探测器为硅光电探测器，固定在第二单色仪的光输出面；探测器的光敏面对着第二单色仪的可调狭缝且位置相匹配；探测器探测狭缝输出的信号光，并将探测到的光信号转化为电信号，经数据线输入到锁相放大器；

数据处理器通过控制模块对测试装置进行控制，读取锁相放大器的数据，对测试所得数据进行相关的数据分析和处理。

本发明装置的测试采用波长位于可见光区的信号光作为探测光标定光纤的光子暗化程度，是一种全光纤化的测试装置，具有高的集成度，通过数据处理器进行可视化控制，操作简便，测试准确。本发明装置尤其适合于科研机构进行光纤测试与分析，也适合于公司进行光纤抗光子暗化性能标定。本发明解决了目前缺少相关测试设备的局面，促进光纤光子暗化效应研究工作的开展及实现商用光纤抗光子暗化性能的标定。本发明可以实现两种测试功能：光子暗化诱导可见光至近红外区域附加损耗光谱检测；光子暗化诱导单一波长处的附加传输损耗。在对待测光纤进行测试时，通过数据处理器进行参数及测试项目设定。具体而言，本发明的有益效果为：

1.本发明装置为全光纤化的测试装置，测试精度高，误差小于5％，连续稳定测试时间大于10h，抗干扰能力强。

2.该装置具有高的集成度，通过数据处理器进行可视化控制，操作简便。非常适合于科研机构进行光纤测试与分析，也适合于公司进行光纤抗光子暗化性能标定。

3.本发明的有源稀土掺杂光纤光子暗化测试装置可以实现两种测试功能：光子暗化诱导可见光至近红外区域附加损耗光谱检测，测试波长范围400-1100nm；光子暗化诱导单一波长处的附加传输损耗，包括485nm，633nm，976nm，1080nm等，测试内容全面。

附图说明

图1为本发明实例提供的有源掺稀土光纤光子暗化测试装置结构示意图；

图2为图1中复合样品采样室的结构示意图；

图3为图1中样品盒部分的结构示意图；

图4为不同泵浦功率下一定波长范围下光子暗化诱导光纤附加损耗光谱；

图5为同一泵浦功率条件下单一波长处光子暗化诱导的附加传输损耗随时间的变化。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图3所示，本发明实例提供的测试装置，包括复合样品采样室2，光源3，锁相放大器4，第一、第二单色仪5、5’，控制模块6、探测器7及数据处理器8等。

复合样品采样室2开有三个通光孔，第一、第二单色仪5、5’均开有第一、第二可调狭缝，光源3上开有一个通光孔和一个可调狭缝。

复合样品采样室2的三个通光孔分别和光源3的可调狭缝、第一单色仪5的第一可调狭缝以及第二单色仪5’的第一可调狭缝相连通，复合样品采样室2用来放置待测光纤并提供稳定的测试环境。

光源3为宽带光源，光源3上的通光孔与第一单色仪5的第二可调狭缝相连通，第一单色仪5的第二可调狭缝与光源3的可调狭缝相互垂直。光源3用于提供监测信号光。

锁相放大器4一端通过斩波器用数据线与光源3相连，另一端通过数据线和探测器7相连，用于提高测试结果的信噪比。

第一单色仪5的第二可调狭缝与光源3的通光孔相连，用于将光源3的白光转化为特定波长的单色信号光；第一单色仪5的第一可调狭缝和复合样品采样室2的通光孔对接，实现将单色信号光通过复合样品采样室2内的耦合系统2.2耦合进入光纤合束器2.4的一个输入端。

第二单色仪5’的第一可调狭缝和复合样品采样室2的通光孔对接，接收经待测光纤输出的信号光，第二可调狭缝和探测器7相连。

控制模块6由步进电机驱动电路及温度控制电路构成。步进电机驱动电路的一端与数据处理器8电连接，另一端与第一、第二单色仪5、5’内电机电连接，温度控制电路的一端与数据处理器8电连接，另一端与复合样品采样室2内的水温控装置2.5中的稳压电源电路电连接，以实现数据处理器8对水温控装置2.5、第一、第二单色仪5、5’内电机的控制。探测器7为硅光电探测器，通过螺母及粘胶固定在第二单色仪5’的光输出面。探测器7的光敏面对着第二单色仪5’的第二可调狭缝且位置相匹配。探测器7探测狭缝输出的信号光，并将探测到的光信号转化为电信号，经数据线输入到锁相放大器4。

数据处理器8为微型计算机，通过控制模块6对测试装置进行控制，读取锁相放大器4的数据。通过数学分析软件如Matlab等对测试所得数据进行相关的数据分析和处理。

所述的复合样品采样室2由样品盒1、半导体泵浦源2.1、耦合系统2.2、光纤波分复用器2.3、光纤合束器2.4和水温控装置2.5组成。

样品盒1位于复合样品采样室2内，用于安装待测试的光纤。

半导体泵浦源2.1采用半导体激光光源，为待测光纤提供稳定的粒子数、反转诱导纤芯中光子暗化效应的产生。半导体泵浦源2.1的尾纤与光纤合束器2.4的泵浦输入端熔接相连。

耦合系统2.2由光学镜片和带尾纤的套筒构成，用于信号光的准直聚焦。

光纤波分复用器2.3两输入端和两个耦合系统2.2的尾纤熔接相连，输出端和光纤合束器2.4的信号输入端熔接相连。

光纤合束器2.4为(2+1)*1型的合束器，信号光纤芯输入，泵浦光包层输入。光纤合束器2.4的输出端光纤固定在样品盒1的接口1.1内，可采用常规的FC接头或其它种类的接头。

水温控装置2.5通过冷却及加热循环水控制复合样品采样室2的温度。

水温控装置2.5用锁紧螺母固定于复合样品采样室2的底板上。耦合系统2.2的套筒用导热硅胶粘于水温控装置2.5的黄铜面板上，再用螺母固定，侧面用锁紧螺母固定于复合样品采样室2的侧壁上。半导体泵浦源2.1、光纤波分复用器2.3及光纤合束器2.4均用导热硅胶粘于水温控装置2.5的黄铜面板上，再用螺母固定。光纤盘绕并用卡带固定于黄铜面板上。

所述的半导体泵浦源2.1中心波长为975-981nm，最大输出功率为30W，波长温度漂移小于0.4nm/K，尾纤包层直径125um。用于提供待测光纤均匀的粒子束反转，高的波长稳定性有利于实验的可重复性及高的准确性。

所述的耦合系统2.2采用非球面镜构成的透镜组构成，透镜参数由光源及耦合光纤决定。可配置尾纤，尾纤采用锥形光纤，包层直径由350um-125um。

所述的光纤波分复用器2.3为2*1波分复用器，运行波长为400-1100um。光纤合束器2.4为(2+1)*1合束器，泵浦光纤运行波长为976nm，采用合束器实现包层泵浦，信号光纤芯输入，有利于实现高重复性及高精度的实验测量。

水温控装置2.5为微型结构，主要包括电源驱动模块，冷却及加热装置，水泵，液晶仪表盘，热电偶(Ni/Cr)，控制电路等。温度范围0-50摄氏度，精度为0.1摄氏度。为半导体泵源2.1、光纤波分复用器2.3、光纤合束器2.4及样品盒1提供恒温的工作环境。也可采用分离双水温控装置2.5，用来为半导体泵源2.1、光纤波分复用器2.3、光纤合束器2.4提供恒温工作环境，同时控制样品盒1的温度，实现不同温度下光子暗化效应特性的测量，此时该装置的温度范围依据测试温度范围设计。

所述样品盒1结构如图3所示，包括接口1.1、无源匹配双包层光纤1.2、单包层光纤1.4及滤除模块1.5。接口1.1用于与光纤合束器2.4的输出端连接，接口类型与输出端接头类型匹配；无源匹配双包层光纤1.2一端与接口1.1连接，另一端用于与待测有源光纤1.3的一端连接，单包层光纤1.4的一端用于待测有源光纤1.3的另一端连接，单包层光纤1.4的另一端输出信号光至耦合系统2.2；单包层光纤1.4放置于滤除模块1.5的中心凹槽中。滤除模块1.5分为两片独立的黄铜块，中部有圆形凹槽，尺寸与待测光纤匹配。底部黄铜块焊接在水温控装置2.5的黄铜面板之上，顶部黄铜块可拆卸，安装时用螺母将四周固定。滤除模块1.5实现泵浦光及包层中信号光的滤除，确保高的测试准确度，避免包层中剩余功率对测试结果的干扰。

实例：

采用本发明所述的有源稀土掺杂光纤光子暗化测试装置进行光子暗化测试的使用说明如下；

待测有源光纤1.3安置于样品盒1方法如下：用剥线钳及光纤切割机将待测光纤1.3一端端面切为垂直平面备用。取带FC接头的10cm长无源匹配双包层光纤1.2，一端制备成0度角端面。用熔接机将待测光纤1.3与无源光纤1.2熔接。取20cm长无源匹配单包层光纤1.4将其与待测光纤1.3另一端熔接。待测光纤1.3总长为2cm。单包层光纤1.4另一端切8度角，抑制反馈防止自激产生，确保待测光纤中粒子束的稳定及均匀分布，提高测试可重复的及准确性。信号光从单包层光纤1.4输出，通过不带尾纤的耦合系统2.2以空间传输的方式耦合进入第二单色仪5’。用剥线钳在单包层光纤1.4距8度角端面3cm处制备长5cm的裸纤，放置于滤除模块1.5中，涂上高折射率涂料，折射率为1.49。以此实现残余泵浦光及包层信号光的滤除，提高测试结果的准确性，避免残余光功率对测试结果的影响。将FC接头与FC接口1.1相接。

光源3为溴钨灯光源，最大功率为50W，输出光稳定性优于1％，波长范围覆盖300-1200nm。

第一、第二单色仪5、5’选用三光栅结构，焦距为300mm，相对孔径为f/3.9，分辨率为0.1nm，机械调节范围为300-1200nm。可调狭缝高度与复合样品采样室2的通光孔高度一致。可调狭缝的缝宽为0.01～3mm，连续手动可调。配置机械滤光片轮，以消除多级光谱，共四档：第一档为空，第二档为CB535，第三档为HWB850，第四档为预留滤波片，可随意安装。

本发明的动态工作过程及测试方法如下：

设备启动后，光源3产生的宽带信号光经第一单色仪5产生特定单一波长信号经光耦合系统2.2耦合到尾纤中，两尾纤经波分复用器2.3集成。半导体泵浦源2.1产生泵浦光，通过光纤合束器2.4将信号光与泵浦光合成一束，待测光纤附件通过与FC接口相连后，实现信号光与泵浦光在光纤中的传输，泵浦光从包层中注入，信号光从纤芯中注入。测试过程中，温控装置2.5实现复合样品采样室2的温度控制，实现测试过程中温度的恒定，避免温度造成泵浦功率的波动，及温度相关光子暗化程度的波动。待测光纤中的光经耦合系统2.2注入第二单色仪5’中，由硅光电探测器7监测注入光功率。经锁相放大器4处理后传入数据处理器8。

当使用本测试装置进行光子暗化诱导光纤可见光至近红外区域附加损耗光谱检测时，打开数据处理器8及控制模块6中电源开关，打开硅光电探测器7旁第二单色仪5’的狭缝开关，在计算机操作界面中选定光谱测试选项，设置泵浦功率、复合样品采样室2温度、测试波长范围、测试时间间隔等测试参数即可。测试结果如图4所示。

当使用本测试装置进行光子暗化诱导单一波长处的附加传输损耗检测时，打开数据处理器8及控制模块6中电源开关，打开装置第一、第二单色仪5、5’的狭缝开关，在通过数据处理器8控制测试装置，进行附加损耗光谱或单一波长处附加传输损耗的测试。测试结果如图5所示。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种有源稀土掺杂光纤光子暗化测试装置，其特征在于，该装置包括复合样品采样室，光源，锁相放大器，第一、第二单色仪，控制模块、探测器及数据处理器；

复合样品采样室的三个通光孔分别和光源的可调狭缝、第一单色仪的第一可调狭缝以及第二单色仪的第一可调狭缝相连通，复合样品采样室用来放置待测光纤并提供稳定的测试环境；

光源为宽带光源，光源上的通光孔与第一单色仪的第二可调狭缝相连通，第一单色仪的第二可调狭缝与光源的可调狭缝相互垂直，光源用于提供监测信号光；锁相放大器一端通过斩波器用数据线与光源相连，另一端通过数据线和探测器相连，用于提高测试结果的信噪比；

第一单色仪的第二可调狭缝与光源的通光孔相连，用于将光源的白光转化为特定波长的单色信号光；第一单色仪的第一可调狭缝和复合样品采样室的通光孔对接，用于将单色信号光通入复合样品采样室；

第二单色仪通过第一可调狭缝接收经待测光纤输出的信号光，第二可调狭缝和探测器相连；

控制模块根据数据处理器的指令实现对复合样品采样室内的温度、第一、第二单色仪内电机的控制；

探测器为硅光电探测器，固定在第二单色仪的光输出面；探测器的光敏面对着第二单色仪的可调狭缝且位置相匹配；探测器探测狭缝输出的信号光，并将探测到的光信号转化为电信号，经数据线输入到锁相放大器；

数据处理器通过控制模块对测试装置进行控制，读取锁相放大器的数据，对测试所得数据进行相关的数据分析和处理。

2.根据权利要求1所述的有源稀土掺杂光纤光子暗化测试装置，其特征在于，所述的复合样品采样室由样品盒、半导体泵浦源、耦合系统、光纤波分复用器、光纤合束器和水温控装置组成；

样品盒位于复合样品采样室内，用于安装待测试的光纤；

半导体泵浦源采用半导体激光光源，半导体泵浦源的尾纤与光纤合束器的泵浦输入端熔接相连；光纤波分复用器两输入端和两个耦合系统的尾纤熔接相连，输出端和光纤合束器的信号输入端熔接相连；

光纤合束器采用信号光纤芯输入，泵浦光包层输入，光纤合束器的输出端光纤固定在样品盒的接口内；

水温控装置通过冷却及加热循环水控制复合样品采样室的温度。

3.根据权利要求2所述的有源稀土掺杂光纤光子暗化测试装置，其特征在于，所述样品盒包括接口、无源匹配双包层光纤、单包层光纤及滤除模块；接口用于与所述光纤合束器的输出端连接，无源匹配双包层光纤一端与所述接口连接，另一端用于与待测有源光纤的一端连接，单包层光纤的一端用于与待测有源光纤的另一端连接，单包层光纤的另一端输出信号光至所述耦合系统；滤除模块分为两片独立的黄铜块，中部有圆形凹槽，尺寸与待测光纤匹配，单包层光纤放置于滤除模块的圆形凹槽中。

4.根据权利要求1所述的有源稀土掺杂光纤光子暗化测试装置，其特征在于，所述可调狭缝高度与复合样品采样室的通光孔高度一致，可调狭缝的缝宽为0.01～3mm。

5.根据权利要求2、3或4所述的有源稀土掺杂光纤光子暗化测试装置，其特征在于，所述半导体泵浦源中心波长为975-981nm，最大输出功率为30W，波长温度漂移小于0.4nm/K，尾纤包层直径125um。

6.根据权利要求2、3或4所述的有源稀土掺杂光纤光子暗化测试装置，其特征在于，所述耦合系统中配置有尾纤，尾纤采用锥形光纤，包层直径由350um-125um。

7.根据权利要求2、3或4所述的有源稀土掺杂光纤光子暗化测试装置，其特征在于，所述光纤波分复用器为2*1波分复用器，运行波长为400-1100um。

8.根据权利要求6所述的有源稀土掺杂光纤光子暗化测试装置，其特征在于，所述光纤波分复用器为2*1波分复用器，运行波长为400-1100um。

9.根据权利要求2、3或4所述的有源稀土掺杂光纤光子暗化测试装置，其特征在于，光纤合束器为(2+1)*1合束器，泵浦光纤运行波长为976nm。

10.根据权利要求8所述的有源稀土掺杂光纤光子暗化测试装置，其特征在于，光纤合束器为(2+1)*1合束器，泵浦光纤运行波长为976nm。

Images