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1 引言

光纖傳感技術(shù)是伴隨著光纖技術(shù)和光纖通信技術(shù)發(fā)展起來的一種傳感技術(shù)，其已成為光電技術(shù)中發(fā)展最活躍的分支之一。光纖傳感系統(tǒng)主要由激光器、傳輸光纖、傳感元件或調(diào)制區(qū)、光檢測(cè)等部分組成。描述光波特征的參量有光強(qiáng)、波長(zhǎng)、相位、偏振態(tài)等，這些參量在光纖傳輸中都可能受外界影響而發(fā)生改變。如當(dāng)溫度、應(yīng)變、壓力、電流、位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、彎曲以及化學(xué)量等對(duì)光路產(chǎn)生影響時(shí)，這些參量發(fā)生相應(yīng)變化。光纖傳感就是根據(jù)這些參量隨外界因素的變化關(guān)系來檢測(cè)各相應(yīng)物理量大小。

光纖傳感系統(tǒng)使用的光源種類很多，可分為相干光源和非相干光源兩大類，非相干光源主要有白熾光與發(fā)光二極管，相干光源包括固體激光器、液體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器以及光纖激光器。下面主要針對(duì)近幾年在光纖傳感領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的激光光源進(jìn)行分析：窄線寬單頻激光器、單波長(zhǎng)掃頻激光器以及白光激光器。

1.1 對(duì)窄線寬激光光源的需求

光纖傳感系統(tǒng)離不開激光光源，作為被測(cè)量信號(hào)載體的光波，激光光源本身的性能，如功率穩(wěn)定性、激光線寬、相位噪聲等參數(shù)對(duì)光纖傳感系統(tǒng)的探測(cè)距離、探測(cè)精度、靈敏度以及噪聲特性起決定性的作用。近年來，隨著長(zhǎng)距離超高分辨率光纖傳感系統(tǒng)的發(fā)展，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)激光器小型化后的線寬性能提出了更加苛刻的要求，主要表現(xiàn)在：相干光頻域反射(optical frequency domain reflection, OFDR)技術(shù)通過相干檢測(cè)技術(shù)對(duì)光纖的后向瑞利散射信號(hào)進(jìn)行頻域分析，具有覆蓋范圍廣(數(shù)千米)，分辨率高(毫米級(jí)的分辨率)、靈敏度高(可達(dá)-100 dBm)等優(yōu)點(diǎn)，已成為分布式光纖測(cè)量和傳感技術(shù)中具有廣泛應(yīng)用前景的技術(shù)之一[4]。OFDR技術(shù)的核心是采用可調(diào)諧光源實(shí)現(xiàn)對(duì)光頻進(jìn)行調(diào)諧，因此激光源的性能決定了OFDR探測(cè)范圍、靈敏度以及分辨率等關(guān)鍵因素，當(dāng)反射點(diǎn)距離接近相干長(zhǎng)度時(shí)，其拍頻信號(hào)的強(qiáng)度將以系數(shù)τ/τc呈指數(shù)衰減。對(duì)于頻譜形狀為高斯型的光源，若要保證拍頻有90%以上的可見度，光源線寬與系統(tǒng)可達(dá)到的最大傳感長(zhǎng)度之間的關(guān)系為L(zhǎng)max~0.04vg/f，這意味著對(duì)于長(zhǎng)度為80 km的光纖，需要光源的線寬小于100 Hz。此外，其它應(yīng)用研究的開展對(duì)光源的線寬也提出了較高要求，例如：在光纖水聽器系統(tǒng)中，光源的線寬決定了系統(tǒng)噪聲，也決定了系統(tǒng)的最小可測(cè)信號(hào);在布里淵光時(shí)域反射儀(Brillouin optical time domain reflector, BOTDR)中，溫度和應(yīng)力的測(cè)量分辨率主要由光源的線寬決;在諧振腔光纖陀螺中，壓縮光源線寬能提高光波的相干長(zhǎng)度，從而提高諧振腔的精細(xì)度和諧振深度，降低諧振線寬，保證光纖陀螺的測(cè)量精度。

1.2 對(duì)掃頻激光光源的需求

單波長(zhǎng)掃頻激光器具有靈活的波長(zhǎng)調(diào)諧性能，可替代多個(gè)輸出固定波長(zhǎng)的激光器，降低系統(tǒng)的搭建成本，是光纖傳感系統(tǒng)中不可或缺的部分。例如，在痕量氣體光纖傳感中，不同種類的氣體具有不同的氣體吸收峰。為了保證測(cè)量氣體足夠時(shí)的光吸收效率，實(shí)現(xiàn)更高的測(cè)量靈敏度，需要將傳感激光源的波長(zhǎng)對(duì)準(zhǔn)氣體分子的吸收峰。能夠探測(cè)的氣體種類本質(zhì)上是由傳感光源的波長(zhǎng)決定的。因此具有穩(wěn)定寬帶調(diào)諧性能的窄線寬激光器在此類傳感系統(tǒng)中具有更高的測(cè)量靈活性。又例如在一些基于光頻域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)中，需要將激光器進(jìn)行快速的周期性掃頻，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的高精度相干探測(cè)解調(diào)，因此對(duì)激光光源的調(diào)制速率有比較高的要求，通常需要可調(diào)激光器的掃頻速度達(dá)到10 pm/μs。除此之外，波長(zhǎng)可調(diào)諧窄線寬激光器還可廣泛應(yīng)用于激光雷達(dá)、激光遙感以及高分辨率光譜分析等傳感領(lǐng)域。為了滿足光纖傳感領(lǐng)域?qū)尾ㄩL(zhǎng)激光器調(diào)諧帶寬、調(diào)諧精度以及調(diào)諧速度的高性能參數(shù)要求，近年來，研究可調(diào)諧窄線寬光纖激光器的總體目標(biāo)是在追求激光線寬超窄、相位噪聲超低、輸出頻率和功率超穩(wěn)的基礎(chǔ)上，還要在更大的波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度調(diào)諧。

1.3 對(duì)白光激光光源的需求

在光學(xué)傳感領(lǐng)域，高質(zhì)量的白光激光對(duì)系統(tǒng)性能的提升具有重要意義，白光激光器的光譜覆蓋范圍越寬，其在光纖傳感系統(tǒng)的應(yīng)用就越廣泛。例如，利用光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating, FBG)構(gòu)建傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可以采用光譜分析法或者可調(diào)諧濾波器匹配法進(jìn)行解調(diào)，前者是利用光譜儀直接對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)FBG諧振波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)試，后者是利用參考濾波器跟蹤和校準(zhǔn)傳感中的FBG，這兩種方法均需要寬帶光源作為FBG的測(cè)試光源。由于每個(gè)FBG接入網(wǎng)絡(luò)均會(huì)產(chǎn)生一定的插入損耗，而且具有0.1 nm以上的帶寬，因此對(duì)多個(gè)FBG進(jìn)行同時(shí)解調(diào)需要功率高、帶寬大的寬帶光源。又例如，利用長(zhǎng)周期光纖光柵(long period fiber grating, LPFG)進(jìn)行傳感時(shí)，由于其單個(gè)損耗峰的帶寬在10 nm量級(jí)，為了準(zhǔn)確表征其諧振峰特性，需要帶寬足夠?qū)捛夜庾V較為平坦的寬譜光源。尤其是利用聲光效應(yīng)構(gòu)建的聲致光纖光柵(acoustic fiber grating，AIFG)，可以利用電調(diào)諧方式實(shí)現(xiàn)諧振波長(zhǎng)的調(diào)諧范圍達(dá)到1000 nm，那么對(duì)這種超寬調(diào)諧范圍的光纖光柵進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試就對(duì)寬譜光源的帶寬范圍提出了極大的挑戰(zhàn)。與此類似，近年來，傾斜布拉格光纖光柵在光纖傳感領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，由于其多峰損耗譜特性，波長(zhǎng)分布范圍通常可達(dá)到40 nm，其傳感機(jī)制通常是需要比較多個(gè)透射峰間的相對(duì)移動(dòng)，因此需要對(duì)其透射譜進(jìn)行完整測(cè)量，對(duì)寬譜光源的帶寬和功率均提出了較高的要求。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 窄線寬激光光源

2.1.1 窄線寬半導(dǎo)體分布式反饋激光器

2006年，Cliche等人利用電學(xué)反饋的方法將MHz量級(jí)的半導(dǎo)體分布式反饋激光器(distributed feedback laser，DFB)降低到kHz量級(jí);2011年，Kessler等人利用低溫高穩(wěn)單晶腔結(jié)合有源反饋控制獲得40 MHz的超窄線寬激光輸出;2013年，Peng等人利用腔外法珀腔(Fabry-Perot, FP)反饋調(diào)節(jié)的方法獲得15 kHz線寬的半導(dǎo)體激光輸出，電學(xué)反饋方法主要利用的是Pond-Drever-Hall穩(wěn)頻反饋使得光源激光線寬得到壓縮。2010年，Bernhardi等人在氧化硅基底上制作1 cm的摻鉺氧化鋁FBG，獲得線寬約為1.7 kHz的激光輸出。同年，Liang等人針對(duì)半導(dǎo)體激光器利用高Q回音壁諧振腔形成的后向瑞利散射自注入反饋進(jìn)行線寬壓縮，如圖 1所示，最終獲得160 Hz的窄線寬激光輸出。

圖 1 (a) 基于回音壁微腔自注入瑞利反饋的激光器線寬壓縮示意圖;(b)線寬為8 MHz的半導(dǎo)體激光器頻譜;(c)線寬為160 Hz窄線寬激光器頻譜

Fig. 1 (a) Diagram of semiconductor laser linewidth compression based on the self-injection Rayleigh scattering of external whispering gallery mode resonator; (b) Frequency spectrum of the free running semiconductor laser with linewidth of 8 MHz; (c) Frequency spectrum of the laser with linewidth compressed to 160 Hz

2017年，本文課題組研究了基于雙腔反饋的DFB線寬壓縮方式，將常用MHz量級(jí)DFB激光器壓縮至kHz量級(jí)，如圖 2所示，為廣泛應(yīng)用的DFB激光提供了一種簡(jiǎn)單、有效、低成本的線寬壓縮方式，對(duì)于特定波長(zhǎng)激光器也可以直接用1或2支FBG替換雙環(huán)，其基本原理是一樣的。

圖 2 (a) 雙腔反饋系統(tǒng)原理圖;(b)有(實(shí)線)無(虛線)雙腔反饋結(jié)構(gòu)輸出功率譜

Fig. 2 (a) Schematic diagram of DFB dual-cavity self-feedback structure; (b) Output power spectra with (red line) or without (blue line) dual-cavity feedback structure

2.1.2 窄線寬光纖激光器

對(duì)于線形腔光纖激光器，基本采用縮短諧振腔長(zhǎng)度以增大縱模間隔來獲取單縱模窄線寬激光輸出。2004年，Spiegelberg等人利用DBR短腔法得到線寬為2 kHz的單縱模窄線寬激光輸出。2007年，Shen等人使用2 cm的重?fù)姐s硅光纖，在Bi-Ge共摻的光敏光纖上刻寫FBG，并將其與有源光纖熔接構(gòu)成了一個(gè)緊湊線形腔，使得其激光輸出線寬小于1 kHz。2010年，Yang等人利用2 cm高摻雜短線形腔結(jié)合窄帶FBG濾波器，得到線寬小于2 kHz的單縱模激光輸出，該團(tuán)隊(duì)在2014年利用短線形腔(虛擬折疊環(huán)形諧振腔)結(jié)合FBG-FP濾波器得到了更窄線寬的激光輸出，如圖 3所示。2012年，Cai等人采用1.4 cm短腔結(jié)構(gòu)獲得了輸出功率大于114 mW，中心波長(zhǎng)在1540.3 nm的保偏激光輸出，其線寬為4.1 kHz。2013年，Meng等人利用全保偏器件短環(huán)形腔的保偏摻鉺光纖的布里淵散射獲得輸出功率為10 mW的單縱模、低相位噪聲激光輸出;2015年，該團(tuán)隊(duì)利用45 cm摻鉺光纖構(gòu)成的環(huán)形腔作為布里淵散射增益介質(zhì)，獲得低閾值、窄線寬激光輸出。

圖 3 (a) 虛擬折疊形諧振腔原理圖;(b)延遲光纖長(zhǎng)度為97.6 km的自外差線型

Fig. 3 (a) Schematic drawing of the SLC fiber laser; (b) Lineshape of the heterodyne signal measured with 97.6 km fiber delay

通過對(duì)能帶結(jié)構(gòu)和能級(jí)斯塔克分裂的深入分析，本文課題組指出由于某能級(jí)電子消耗之后，其余能級(jí)電子會(huì)快速弛豫到消耗能級(jí)，如果能改變激光每次循環(huán)諧振時(shí)激光的線度就可以使激光中心頻率處每次都獲得最大程度的相干放大，而旁邊頻率信號(hào)逐漸弱化從而達(dá)到深入窄化激光線寬的作用。2010年，朱濤教授在渥太華大學(xué)通過測(cè)試單模光纖(SMF-28e)、大有效面積光纖(large effective area fiber, LEAF)和保偏光纖(polarization maintaining optical fibre, PMF)在不同泵浦功率下的瑞利散射，發(fā)現(xiàn)瑞利散射具有壓縮激光線寬的作用。2012年，利用非均勻光纖制作窄線寬環(huán)形激光器，研究發(fā)現(xiàn)在環(huán)形腔光纖激光器中，瑞利散射效應(yīng)如同一個(gè)窄帶濾波器，利用這種非線性效應(yīng)可以進(jìn)行縱模的選擇從而實(shí)現(xiàn)自增益的窄線寬激光器，其3 dB線寬為4 kHz。2013年，本文課題組采用微拉錐的方式改變單模光纖纖芯與包層的形狀、尺寸，從而限制聲波的傳播，極大地抑制了光纖中的橫向聲模，提高了受激布里淵的閾值，并將其用于超窄線寬光纖激光器中。最終激光輸出邊模抑制比可達(dá)50 dB，激光線寬低至800 Hz。2014年，本文課題組利用高瑞利散射結(jié)構(gòu)結(jié)合光自注入的方式獲得線寬為130 Hz以及邊模抑制比為75 dB的超窄線寬激光輸出(圖 4)。Bao等人在2011~2014年期間，亦是利用后向瑞利散射技術(shù)獲得窄線寬激光輸出。通過理論分析和系列實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果可見，累積的瑞利散射信號(hào)就是實(shí)現(xiàn)激光器頻率線寬深入窄化的有效物理方法之一。

圖 4 (a) 基于瑞利射結(jié)合自注入反饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖;(b)輸出功率譜以及其對(duì)應(yīng)洛侖茲擬合線寬

Fig. 4 (a) Schematic diagram of fiber ring laser combing RBS and self-injection feedback; (b) The output power spectrum and its Lorentz fitting linewidth for the narrowest laser linewidth

2.2 單波長(zhǎng)掃頻激光光源

實(shí)現(xiàn)激光器單波長(zhǎng)掃頻本質(zhì)上是對(duì)激光腔內(nèi)器件的物理性能(通常是運(yùn)行帶寬的中心波長(zhǎng))的調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)腔內(nèi)的震蕩縱模進(jìn)行控制和選擇，以達(dá)到對(duì)輸出波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)諧的目的?；诖嗽?，早在上世紀(jì)80年代，可調(diào)諧光纖激光器的實(shí)現(xiàn)主要通過將激光器的一個(gè)反射端面換成反射式衍射光柵，通過衍射光柵的手動(dòng)旋轉(zhuǎn)調(diào)諧實(shí)現(xiàn)激光腔模式的選擇。1990年，Lwatsuki等人在自由運(yùn)行的光纖環(huán)形激光腔中加入光纖窄帶寬濾波器件，首次真正意義上實(shí)現(xiàn)了單波長(zhǎng)輸出的摻鉺光纖激光器。在此基礎(chǔ)上，Madea等人利用液晶的法珀標(biāo)準(zhǔn)具作為激光模式選擇的濾波器，用電調(diào)的方式改變液晶濾波器的運(yùn)行帶寬，實(shí)現(xiàn)了輸出激光在1523 nm~1568 nm范圍的波長(zhǎng)調(diào)諧，而且輸出激光的線寬小于100 kHz。1991年，Smith等人首次利用集成的聲光可調(diào)濾波器，基于聲場(chǎng)調(diào)控的方式，在中心波長(zhǎng)為1545 nm處實(shí)現(xiàn)了40 nm的調(diào)諧范圍，并且單縱模的瞬時(shí)線寬僅為10 kHz。同年，美國(guó)的Zyskind課題組利用雙F-P濾波器在摻鉺光纖激光腔中實(shí)現(xiàn)了寬帶可調(diào)諧窄線寬激光輸出，輸出激光的線寬小于5.5 kHz。2006年，Lin等人改變激光腔輸出耦合器的耦合比，在L波段實(shí)現(xiàn)了輸出激光波長(zhǎng)調(diào)諧。2013年，Zhang等人利用FP-LD的自注入反饋結(jié)構(gòu)得到線寬為13 kHz的激光輸出，該結(jié)構(gòu)用可調(diào)諧濾波器將FP-LD形成的多波長(zhǎng)中的某個(gè)波長(zhǎng)選出來然后經(jīng)過環(huán)形腔的循環(huán)放大再注入FP-LD，使得選出的這個(gè)波長(zhǎng)獲得高增益，抑制FP-LD其它波長(zhǎng)，獲得可調(diào)諧激光輸出。

2011年，Zhu等人利用可調(diào)諧濾波器實(shí)現(xiàn)單波長(zhǎng)的窄線寬可調(diào)諧激光輸出，并于2016年將瑞利線寬壓縮機(jī)制用于雙波長(zhǎng)的壓縮，即對(duì)FBG施加應(yīng)力實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)激光的調(diào)諧，同時(shí)對(duì)其輸出的激光線寬進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得了波長(zhǎng)調(diào)諧范圍為3 nm，線寬約為700 Hz的雙波長(zhǎng)穩(wěn)定輸出。2017年，Zhu等人利用石墨烯和微納光纖布拉格光柵制成全光可調(diào)諧濾波器，并結(jié)合布里淵激光壓窄技術(shù)，在1550 nm附近利用石墨烯的光熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了激光線寬低至750 Hz，在3.67 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)700 MHz/ms的光控快速精確掃描，如圖 5所示。以上的波長(zhǎng)調(diào)控手段基本上通過直接或間接改變激光腔內(nèi)器件的通帶中心波長(zhǎng)以實(shí)現(xiàn)激光模式的選擇。

圖 5 (a) 光控波長(zhǎng)可調(diào)諧窄線寬激光器的實(shí)驗(yàn)裝置圖及其輸出測(cè)試系統(tǒng);(b)隨著控制光功率的增加輸出光譜的變化

Fig. 5 (a) Experimental setup of the optical-controllable wavelength-tunable fiber laser and the measurement system; (b) Output spectra at output 2 with the enhancement of the controlling pump

窄線寬激光波長(zhǎng)調(diào)諧技術(shù)亦可通過飛秒激光的選模機(jī)制獲得。飛秒激光的形成是由于許多的激光縱模之間的相位鎖定。但是對(duì)于其中的某一縱模而言，它本身的線寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于自由運(yùn)行的激光縱模，可以小到MHz量級(jí)。因此如果能在飛秒頻率梳中選出其中的單一縱模，便可獲得極窄線寬激光輸出，而且飛秒激光的寬光譜還可以為激光波長(zhǎng)調(diào)諧提供很寬的自由度?；谶@一思想，2014年，如圖 6所示，Al-Taiy等人利用受激布里淵散射的偏振誘導(dǎo)的窄帶寬效應(yīng)成功從重復(fù)頻率為100 MHz，20 dB光譜寬度為90 nm的光纖鎖模激光器中選出了單一縱模，將腔內(nèi)泵浦激光器的波長(zhǎng)偏移作為粗調(diào)環(huán)節(jié)，利用腔外的載波抑制單邊帶調(diào)制器作為精調(diào)環(huán)節(jié)，在整個(gè)飛秒頻率梳范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)的精密調(diào)諧，而且實(shí)現(xiàn)的激光輸出線寬小于100 Hz。2016年，Wang等人利用半導(dǎo)體非線性光放大器中的反向四波混頻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了激光的單模運(yùn)轉(zhuǎn)，并將此放大器與光纖激光腔相結(jié)合，通過可調(diào)諧濾波器成功輸出線寬低于10.1 kHz的窄線寬激光，實(shí)現(xiàn)了48 nm范圍的波長(zhǎng)調(diào)諧，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖 7所示。隨著更多種類的特種摻雜光纖以及更寬帶的光纖器件的出現(xiàn)，如摻銩光纖、摻鐿光纖等，可調(diào)光纖激光器的調(diào)諧范圍可以得到極大拓寬，已經(jīng)不僅僅局限于C波段，而且以上所闡述的波長(zhǎng)調(diào)控以及線寬壓縮機(jī)制，在其它波段依然適用。例如，Li課題組提出了將摻銩光纖激光腔與全光纖濾波器相結(jié)合，在2 μm波段實(shí)現(xiàn)了超過200 nm的寬帶調(diào)諧。

圖 6 (a) 基于飛秒頻率梳選頻的可調(diào)諧窄線寬激光器; (b)調(diào)諧輸出光譜

Fig. 6 (a) The tunable narrow-linewidth fiber laser based on the frequency-selection from femtosecond frequency combs; (b) The tuning output spectrum

圖 7 (a) 基于反向四波混頻的可調(diào)諧窄線寬激光器;(b)，(c)調(diào)諧輸出光譜

Fig. 7 (a) The tunable narrow-linewidth fiber laser based on the reversed four-wave mixing; (b), (c) The tuning output spectrum

2.3 白光激光光源

白光光源的發(fā)展經(jīng)歷了鹵鎢燈、氘燈、半導(dǎo)體激光器、超連續(xù)譜光源等各個(gè)階段。特別是超連續(xù)譜光源，在具有超強(qiáng)瞬態(tài)功率的飛秒或者皮秒脈沖的激勵(lì)下，波導(dǎo)中產(chǎn)生各階非線性效應(yīng)，頻譜被極大地展寬，能夠覆蓋從可見光到近紅外波段，且具有很強(qiáng)的相干性。此外，通過調(diào)控特種光纖的色散和非線性值，其光譜甚至可以延展到中紅外波段。此類激光光源在諸多領(lǐng)域得到了極大的應(yīng)用，如光學(xué)相干斷層掃描、氣體探測(cè)、生物成像等。受光源和非線性介質(zhì)的限制，早期超連續(xù)譜主要由固體激光器泵浦光學(xué)玻璃，產(chǎn)生可見光范圍內(nèi)的超連續(xù)譜。此后，光纖以其極大的非線性系數(shù)和極小的傳輸模場(chǎng)，逐漸成為產(chǎn)生寬帶超連續(xù)譜的優(yōu)良介質(zhì)。其中的主要非線性效應(yīng)包括四波混頻、調(diào)制不穩(wěn)定、自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、孤子分裂、拉曼散射、孤子自頻移等，且根據(jù)激勵(lì)脈沖的脈寬和光纖的色散不同，各個(gè)效應(yīng)所占比重也各不相同?？偟膩碚f，現(xiàn)在超連續(xù)譜光源主要朝著提高激光功率和拓展光譜范圍發(fā)展，且注重對(duì)其相干性控制。

圖 8為基于飛秒脈沖泵浦光子晶體光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜的相關(guān)結(jié)果。圖 8(a)為75 cm光子晶體光纖端面，其中纖芯直徑大約2.6 μm，非線性系數(shù)是2.210-19 m2/W，損耗約為1 dB/m，1550 nm波段色散約為-30 ps/(nm·km)，零色散波長(zhǎng)約為1300 nm。激勵(lì)源脈寬為100 fs，中心波長(zhǎng)為1550 nm，重頻為80 MHz，平均功率為200 mW。將泵浦飛秒脈沖注入光子晶體光纖之后，產(chǎn)生的超連續(xù)譜波長(zhǎng)從350 nm延伸到2200 nm，如圖 8(b)所示。

圖 8 (a) 光子晶體光纖截面圖;(b)對(duì)應(yīng)超連續(xù)譜

Fig. 8 (a) Cross section of the PCF; (b) Corresponding super-continuum

同理，利用多模光纖可以激發(fā)更為復(fù)雜的超連續(xù)譜，通過適當(dāng)摻雜，其光譜寬度甚至可以從可見波段延伸到6.0 μm。圖 9所示為利用500 fs激光激勵(lì)1 m漸變多模光纖產(chǎn)生的超連續(xù)譜理論值。其中脈沖能量為300 nJ，中心波長(zhǎng)1550 nm。該多模光纖的纖芯直徑約為62.5 μm，數(shù)值孔徑為0.275。在實(shí)際測(cè)試中，受測(cè)量設(shè)備限制，其各個(gè)波段的光譜如圖 10所示。從中可知，超連續(xù)譜生成過程中分別包括色散波、拉曼孤子以及低階重頻。此時(shí)，受復(fù)雜的相位匹配條件影響，各橫模的能量能夠發(fā)生耦合，這為高能量、寬范圍的超連續(xù)譜光源提供了可靠的產(chǎn)生途徑。

圖 9 1 m多模光纖的光譜演變圖

Fig. 9 Total spectrum evolution through the 1 m fiber

圖 10 泵浦能量為120 nJ (a)和180 nJ (b)時(shí)對(duì)應(yīng)的光譜：(c)~(e)通過調(diào)整初始條件，光譜平整度和帶寬被優(yōu)化(泵浦能量為150 nJ);(f)~(l)不同初始條件下可見光波段的光譜分布(泵浦能量為150 nJ)

Fig. 10 (a), (b) Typical behavior for increasing energy (120 nJ to 180 nJ); (c)~(e) By adjusting the initial spatial excitation, we optimize the spectral uniformity and bandwidth (the energy for each plot is ~150 nJ). (f)~(l) Visible spectra (all ~150 nJ)

3 現(xiàn)狀分析

上一節(jié)中主要介紹了用于光纖傳感的激光光源的發(fā)展?fàn)顩r，主要包含窄線寬激光器，單頻可調(diào)諧激光器以及白光激光器。

為了提高光學(xué)傳感系統(tǒng)的測(cè)量范圍、精度等，需要獲得相干長(zhǎng)度(表征激光線寬)更長(zhǎng)，相位噪聲(表征激光頻率穩(wěn)定性)以及強(qiáng)度噪聲(表征激光功率穩(wěn)定性)更低的窄線寬激光光源，故對(duì)于窄線寬激光器，其發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)是利用新方法或新機(jī)制來獲取超穩(wěn)(噪聲超低)、超純(線寬超窄)的激光光源。為了提高傳感系統(tǒng)測(cè)量移植性、探測(cè)范圍和精度(相干探測(cè)解調(diào)、激光雷達(dá)等)，在獲得低噪聲窄線寬激光器輸出的前提下還需要實(shí)現(xiàn)激光器波長(zhǎng)的可調(diào)諧。故對(duì)于單頻可調(diào)諧激光器，其發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)是拓展其頻率的調(diào)諧范圍，提高頻率的調(diào)諧精度，以及縮短其頻率調(diào)諧時(shí)間。為了拓展可調(diào)諧激光器的調(diào)諧范圍，必須增大激光器本身的增益譜寬，故白光激光器的發(fā)展趨勢(shì)主要是利用非線性效應(yīng)進(jìn)一步拓展其光譜寬度，覆蓋其光學(xué)傳感所需的光譜。

4 總結(jié)

本文總結(jié)回顧了用于支撐光纖傳感技術(shù)的激光光源，主要包括窄線寬激光器、單頻可調(diào)諧激光器以及寬帶白光激光器。詳細(xì)介紹了這幾種激光器在光纖傳感領(lǐng)域的應(yīng)用需求及其發(fā)展現(xiàn)狀，通過分析其需求以及其發(fā)展?fàn)顩r，總結(jié)出用于光纖傳感所需的理想激光光源是在任意波段、任意時(shí)刻都能實(shí)現(xiàn)超窄、超穩(wěn)的激光輸出。故我們分別從窄線寬激光器、可調(diào)諧窄線寬激光器以及增益帶寬較寬的白光激光器入手，通過分析其發(fā)展脈絡(luò)從而找出一條實(shí)現(xiàn)光纖傳感所需理想激光光源的有效途徑。

出處《光纖傳感用激光光源技術(shù)》，本文作者：Iroegbu Paul Ikechukwu, 黃仕宏, 李雨佳, 李阜徽, 黃禮剛, 高磊, 白永忠, 屈定榮, 邱楓, 黃賢濱, 朱濤