CN113314930A - 基于带阻滤波器阵列的光纤随机激光器及分布式传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于带阻滤波器阵列的光纤随机激光器及分布式传感系统，光纤随机激光器包括泵浦激光器、光纤环镜、波分复用器、激光输出头、单模光纤和带阻滤波器阵列；泵浦激光器与波分复用器连接，光纤环镜与波分复用器连接，激光输出头与波分复用器连接，单模光纤的一端与波分复用器连接，单模光纤的另一端与带阻滤波器阵列连接；带阻滤波器阵列中的任意一个带阻滤波器均有两个中心波长，且两个中心波长与光纤拉曼增益谱的两个峰值波长一一对应。本发明的目的在于提供一种基于带阻滤波器阵列的光纤随机激光器及分布式传感系统，使得光纤随机激光器可以输出平坦光谱，从而有效提高基于光纤随机激光传感系统的复用能力。

Description

基于带阻滤波器阵列的光纤随机激光器及分布式传感系统

技术领域

本发明涉及光纤随机激光技术领域，尤其涉及一种基于带阻滤波器阵列的光纤随机激光器及分布式传感系统。

背景技术

1994年，N.M.Lawandy等人发现了随机光辐射现象，并报道了世界上第一台基于粉末强散射的随机激光器。这一发现使大量学者产生了对随机激光性质以及随机激光器结构的研究兴趣。随后，逐渐发现了基于半导体粉末、生物组织、悬浮染料等其他随机介质的激光器。然而，上述随机激光器都是二维或三维结构的，存在随机激光输出方向不可控，激射阈值高等缺点。

2007年，基于光纤材料的一维随机激光器被提出，激光输出方向实现了可控。随着随机激光器的发展，2010年，一种新型的基于普通单模光纤的随机激光器在期刊《NaturePhotonics》上被报道。由于光纤随机激光器具有输出无模式、稳定性好、功率高、长腔结构等优势，近年来，被大量应用于光纤传感和光纤通信等领域。要想将光纤随机激光器用于传感领域，只需在光纤随机激光器原有结构基础上加一些传感元件。

2012年，电子科技大学研究小组首次发现没有任何点式反馈的光纤随机激光系统是一套对温度不敏感的分布式激射系统。受此启发，他们提出将光纤随机激光器用于实现长距离点式光纤传感。随后，他们分别进行了基于一阶随机激射和二阶随机激射的温度传感实验，实现了传感距离100km，一阶光谱信噪比20dBm，二阶光谱信噪比35dBm的点式传感。此后，相关研究人员开展了大量关于如何有效将光纤随机激光器应用于传感领域的研究。

2016年，电子科技大学同一研究小组搭建了100km基于有源光纤和普通单模光纤的光纤随机激光系统，并应用该系统进行了温度传感实验。传感系统使用掺铒和拉曼混合放大的方式实现了100km的温度传感。

虽然光纤随机激光器可以应用于光纤传感领域，但由于目前光纤随机激光器的一些特性，导致基于光纤随机激光的传感系统复用能力受光纤拉曼增益带宽限制，复用能力有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于带阻滤波器阵列的光纤随机激光器及分布式传感系统，使得光纤随机激光器可以输出平坦光谱，当用于光纤随机激光的传感系统时，可有效提高基于光纤随机激光传感系统的复用能力。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于带阻滤波器阵列的光纤随机激光器，包括泵浦激光器、光纤环镜、波分复用器、激光输出头、单模光纤以及带阻滤波器阵列；

所述波分复用器包括Ⅰ端口、Ⅱ端口、Ⅲ端口以及公共端口，所述泵浦激光器与所述Ⅰ端口连接，所述光纤环镜与所述Ⅱ端口连接，所述激光输出头与所述Ⅲ端口连接，所述单模光纤的一端与所述公共端口连接，所述单模光纤的另一端与所述带阻滤波器阵列连接；

所述带阻滤波器阵列中的任意一个所述带阻滤波器均有两个中心波长，且两个中心波长与光纤拉曼增益谱的两个峰值波长一一对应。

优选地，所述带阻滤波器阵列包括N个依次连接的带阻滤波器，且相邻两个所述带阻滤波器的距离相等。

优选地，所述带阻滤波器阵列包括N个依次连接的带阻滤波器，沿所述泵浦激光器的泵浦光输出方向，相邻节点之间的距离呈斐波纳契数列分布；

所述节点为泵浦激光器和所述带阻滤波器阵列中的各个带阻滤波器。

一种基于带阻滤波器阵列的光纤随机激光分布式传感系统，包括多个中心波长不同的光纤布拉格光栅，以及如权利要求1-3中任意一项所述的一种基于带阻滤波器阵列的光纤随机激光器；

所述光纤布拉格光栅依次连接，且第一个所述光纤布拉格光栅与所述带阻滤波器阵列中的最后一个所述带阻滤波器连接。

优选地，所述光纤布拉格光栅中心波长的范围为1500nm～1600nm。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、通过增加一个带阻滤波器阵列，可以抑制光纤拉曼增益峰值的光波功率，使得输出的二阶随机激光光谱平坦；

2、本发明的光纤随机激光器用于光纤传感系统可提高传感系统的复用能力。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明光纤随机激光器的一种结构示意图；

图2是本发明光纤随机激光器的另一种结构示意图；

图3是本发明光纤随机激光分布式传感系统的结构示意图；

附图中标记及对应的零部件名称：

1、泵浦激光器；2、光纤环镜；3、激光输出头；4、波分复用器；5、单模光纤；6、带阻滤波器；7、光纤布拉格光栅。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

一种基于带阻滤波器阵列的光纤随机激光器，包括泵浦激光器1、光纤环镜2、波分复用器4、激光输出头3、单模光纤5以及带阻滤波器阵列；

其中，波分复用器4包括Ⅰ端口、Ⅱ端口、Ⅲ端口以及公共端口，本实施例中的泵浦激光器1与Ⅰ端口连接，用于输入泵浦光，为随机激光的产生提供能量；光纤环镜2与Ⅱ端口连接，用于为低阶随机激光的产生提供较强的点式反馈，从而降低激射的阈值；激光输出头3与Ⅲ端口连接，用于输出二阶随机激光；单模光纤5的一端与公共端口连接，用于为光纤随机激光的产生提供随机分布式反馈和拉曼增益，单模光纤5的另一端与带阻滤波器阵列连接，用于抑制特定波长的光功率使得输出光谱平坦；

具体地，本实施例中的带阻滤波器阵列包括N个依次连接的带阻滤波器6，且任意一个带阻滤波器6均有两个中心波长，两个中心波长与光纤拉曼增益谱的两个峰值波长一一对应，从而抑制光纤拉曼增益峰值的光波功率，进而使得输出的二阶随机激光光谱平坦。

以下对本方案的工作原理进行说明：

打开泵浦激光器1并调节泵浦激光器1的输出功率，泵浦激光器1输出的泵浦光经过波分复用器4后进入到单模光纤5并在单模光纤5中传输，由于光纤折射率的随机起伏将导致泵浦光在光纤中传输时发生随机瑞利散射，一部分瑞利散射光传输方向与泵浦光入射方向完全相反，称为后向瑞利散射光，后向瑞利散射光为随机激光的产生提供随机反馈，同时，自发拉曼辐射在传输过程中受泵浦光拉曼增益影响被放大，经多次放大后产生一阶随机激光，一阶随机激光通过波分复用器4进入光纤环镜2并被光纤环镜2反射，被反射的一阶随机激光通过波分复用器4重新进入单模光纤5并作为新的泵浦光为二阶随机激光的产生提供能量，当泵浦激光器1输出功率高于二阶激射阈值将会产生二阶随机激光，二阶随机激光在单模光纤5中传输时，由于带阻滤波器6的两个中心波长与光纤拉曼增益谱的两个峰值波长一一对应，因此对应光纤拉曼增益峰值的光波功率将被带阻滤波器6抑制，从而使得输出的二阶随机激光光谱平坦。

在本方案中，通过增加一个带阻滤波器阵列，并使得带阻滤波器阵列中任意一个带阻滤波器6的两个中心波长与光纤拉曼增益谱的两个峰值波长一一对应，从而抑制光纤拉曼增益峰值的光波功率，进而使得输出的二阶随机激光光谱平坦。

其中，相邻带阻滤波器6之间的距离可以任意设置，但是为了使得带阻滤波器6能有效的抑制特定的光波功率，当单模光纤5长度小于100km时，由于此时距离短，光功率较大，为了更好的进行光功率衰减，相邻两个带阻滤波器6的距离设置为相等，如图1所示；在图1中，包括8卷长度均为10km的单模光纤5(5-1、5-2、5-3、5-4、5-5、5-6、5-7、5-8)和8个带阻滤波器6(6-1、6-2、6-3、6-4、6-5、6-6、6-7、6-8)，带阻滤波器6器通过单模光纤5连接。当单模光纤5长度超过100km时，沿泵浦激光器1的泵浦光输出方向，相邻节点之间的距离呈斐波纳契数列分布；本实施例中所说的节点指的是泵浦激光器1和带阻滤波器阵列中的各个带阻滤波器6；即：泵浦激光器1到第一个带阻滤波器6的距离、第一个带阻滤波器6到第二个带阻滤波器6的距离、第二个带阻滤波器6到第三个带阻滤波器6的距离……第N个带阻滤波器6到第N+1个带阻滤波器6的距离按斐波纳契数列分布，如图2所示，在图2中，包括6卷长度不同的单模光纤5(5-1、5-2、5-3、5-4、5-5、5-6)和6个带阻滤波器6(6-1、6-2、6-3、6-4、6-5、6-6)，带阻滤波器6通过单模光纤5连接，单模光纤5的长度分别是5km(5-1)、10km(5-2)、15km(5-3)、25km(5-4)、40km(5-5)、65km(5-6)，单模光纤5总长度160km。

值得说明的是，当单模光纤5长度超过100km时，带阻滤波器6也可以采用等间距的方式进行设置，但是相对于按斐波纳契数列分布，需要的带阻滤波器6个数会增加，会增加光纤随机激光器的体积。

实施例2

本实施例提供了一种基于带阻滤波器阵列的光纤随机激光分布式传感系统，包括多个中心波长不同的光纤布拉格光栅7以及实施例1所说的基于带阻滤波器阵列的光纤随机激光器；具体地，本实施例中的光纤布拉格光栅7通过单模光纤5依次连接，且第一个光纤布拉格光栅7与带阻滤波器阵列中的最后一个带阻滤波器6连接，如图3所示；在图3中，包括泵浦激光器1、光纤环镜2、激光输出头3、波分复用器4、6卷长度不同的单模光纤5(5-1、5-2、5-3、5-4、5-5、5-6)、6个带阻滤波器6(6-1、6-2、6-3、6-4、6-5、6-6)、4个中心波长不同的光纤布拉格光栅7(7-1、7-2、7-3、7-4)，其中，泵浦光的中心波长为1365nm，一阶随机激光的波长为14XXnm，6卷单模光纤5的长度分别是5km(5-1)、10km(5-2)、15km(5-3)、25km(5-4)、40km(5-5)、65km(5-6)，4个光纤布拉格光栅7中心波长范围为1500nm～1600nm。

具体的，1365nm泵浦激光器1的输出端连接波分复用器4，激光输出头3的输入端连接波分复用器4和激光输出头3的输出端连接光谱分析模块(图中未示出)，能够反射14XXnm波长的光纤环镜2连接波分复用器4，单模光纤5(5-1)的一端与波分复用器4的公共端口连接，单模光纤5(5-1)的另一端与带阻滤波器6(6-1)相连，带阻滤波器6(6-6)的一端与光纤布拉格光栅7(7-1)相连。

本方案的工作原理是：打开泵浦激光器1，泵浦光经过波分复用器4进入普通单模光纤5并在普通单模光纤5中传输，调节泵浦激光器1输出功率，当泵浦功率高于一阶阈值时激射一阶随机激光。一阶随机激光通过波分复用器4进入光纤环镜2，并被光纤环镜2反射，被反射的一阶随机激光通过波分复用器4重新进入单模光纤5作为新的泵浦光为二阶随机激光的产生提供能量。当泵浦功率高于二阶阈值时激射二阶随机激光，二阶随机激光在单模光纤5中传输时，对应光纤拉曼增益峰值的光波功率将被带阻滤波器6抑制。同时，光纤布拉格光栅7为二阶随机激光的产生提供点式反馈。当外界物理量发生变化时，光纤布拉格光栅7中心波长变化，通过光谱分析模块分析二阶输出光谱峰值中心波长的改变就可反推出外界物理量的变化，实现准分布式传感。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于带阻滤波器阵列的光纤随机激光器，其特征在于，包括泵浦激光器(1)、光纤环镜(2)、波分复用器(4)、激光输出头(3)、单模光纤(5)以及带阻滤波器阵列；

所述波分复用器(4)包括Ⅰ端口、Ⅱ端口、Ⅲ端口以及公共端口，所述泵浦激光器(1)与所述Ⅰ端口连接，所述光纤环镜(2)与所述Ⅱ端口连接，所述激光输出头(3)与所述Ⅲ端口连接，所述单模光纤(5)的一端与所述公共端口连接，所述单模光纤(5)的另一端与所述带阻滤波器阵列连接；

所述带阻滤波器阵列中的任意一个所述带阻滤波器(6)均有两个中心波长，且两个中心波长与光纤拉曼增益谱的两个峰值波长一一对应。

2.根据权利要求1所述的基于带阻滤波器阵列的光纤随机激光器，其特征在于，所述带阻滤波器阵列包括N个依次连接的带阻滤波器(6)，相邻两个所述带阻滤波器(6)的距离相等。

3.根据权利要求1所述的基于带阻滤波器阵列的光纤随机激光器，其特征在于，所述带阻滤波器阵列包括N个依次连接的带阻滤波器(6)，沿所述泵浦激光器(1)的泵浦光输出方向，相邻节点之间的距离呈斐波纳契数列分布；

所述节点为泵浦激光器(1)和所述带阻滤波器阵列中的各个带阻滤波器(6)。

4.基于带阻滤波器阵列的光纤随机激光分布式传感系统，其特征在于，包括多个中心波长不同的光纤布拉格光栅(7)，以及如权利要求1-3中任意一项所述的基于带阻滤波器阵列的光纤随机激光器；

所述光纤布拉格光栅(7)依次连接，且第一个所述光纤布拉格光栅(7)与所述带阻滤波器阵列中的最后一个所述带阻滤波器(6)连接。

5.根据权利要求4所述的基于带阻滤波器阵列的光纤随机激光分布式传感系统，其特征在于，所述光纤布拉格光栅(7)中心波长的范围为1500nm～1600nm。

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