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光纤中受激布里渊散射的应用及研究进展

光纤中受激布里渊散射的应用及研究进展

2007/9/13 9:40:00
摘 要:简单介绍了光纤中受激布里渊散射的研究进展,阐述了受激布里渊散射在光纤传感器、光纤陀螺及相位共轭镜中应用的基本原理和研究现状以及光纤传感器、光纤陀螺和相位共轭镜目前的发展现状,评述了基于受激布里渊散射的传感器和相位共轭镜未来的发展前景。 关键词:受激布里渊散射;光纤传感器;光纤陀螺;相位共轭镜 1972年,由Ippen等人在光纤中观察到了受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering,SBS)现象,特别是1982年,Baslev在多模光纤中观察到SBS的相位共轭现象以后,光纤作为一种新型的SBS介质开始引起人们广泛的关注。 介质中传输的强光场,由于电致伸缩力的作用使介质密度产生周期性变化,形成一个声光栅,光场在其上的散射即为SBS、对于不同的SBS介质,人们进行了广泛的研究。与一般SBS介质相比,光纤具有很多优越性。液态或气态SBS介质阈值高,激光一般工作在聚焦状态,而光纤作为SBS介质,可以在较长的距离形成较高的功率密度,因而,SBS很容易产生:光纤与一般液态或气态SBS介质相比,具有无毒、易于操作的优点。 SBS属于非弹性碰撞,其散射光与人射光之间的频差为布里渊频移,与介质的特性和状态有关,利用它可以实现对介质参量的测量。另外,SBS具有相位共轭性,即散射光是入射光的相位共轭光,这可以用来补偿相位畸变。目前,基于SBS的分布式光纤传感器、光纤陀螺和光纤相位共轭镜发展比较快,研究比较多。 1 基于SBS的分布式光纤传感器 光脉冲通过光纤寸,与光纤中的声子非弹性碰撞,产生布里渊散射。散射光与人射光的频率差和光纤的材料特性有关,而光纤材料特性主要受温度和应变的影响。通过测定布里渊频移就可实现对温度、应变的测量。 1976年,Barnoski提出了光学时域反射技术用来实现对空间信息的分布的测量、其基本原理是:在介质一端入射光脉冲,不同位置上的散射光被散射后,在不同的时刻到达人射端,通过测量散射光的时域分布可以得到介质的空间分布信息。目前,基于SBS的光纤传感技术主要有2种:布里渊光学时域反射计法和布里渊光学时域分析技术。其主要区别是:布里渊光学时域反射计法采用了SBS的产生池结构,在光纤一端输入光脉冲,测量布里渊散射光,利用光学时域反射原理得到各个空间点的信息,特点是只需要单端测量,实际使用时,比较方便,且能够进行断点测量,但是,信号较弱;布里渊光学时域分析技术则采用了SBS的放大池结构,在光纤的两端分别输入连续光和脉冲光,调节两束光的频差,直到SBS增益最大,这时对应的频差就是包含了介质应力、温度等信息的布里渊频移,从而达到测量的目的;布里渊光学时域分析技术的特点是需要双端测量、系统较复杂、不能断点测量,但其信号较强、动态范围大、测量精度高。 基于布里渊散射的分布式光纤传感器普遍存在的问题是应力和温度同时引起布里渊频移,难以区分。最早解决这个问题的办法是用第二个根光纤,与应力隔离,并比邻于应力传感光纤作为温度监视器。Parker等人于1997年通过求解功率变化与频率变化的耦合方程可实现单根光纤上温度与应变同时测量。他们在测量布里渊频移的同时,测量了Stokes强度、反Stokes强度及瑞利峰,这样,他们实现了2个参量(应力与温度)的同时测量。但这却限制了它的空间分辨力,理论上估计空间分辨力为5~10m,实验上得到却是40m。加拿大的Jeff等人基于布里渊损耗机制制作了SBS的应力和温度探测器,能够测量沿光纤长度分布的应力及温度。温度的分辨力为±3.9℃,空间分辨力为3.5m。 Fuced从理论上和实验上讨论了噪声初始布里渊散射在分布传感时测量的应用,发现在非线性区运用布里渊散射是可行的。他们还讨论了布里渊功率依赖于增益G的关系,并找到最优参数,在测量中得到最大的信噪比。至1999年,这类实验系统的性能指标已达到传感距离51km,空间分辨力0.5m和温度分辨力1℃,应力精度优于33×10ˉ6,应力测量范围最高可达10000×10ˉ6。 分布式光纤传感器中,还使用瑞利散射和拉曼散射,实验和理论都发现玻璃(光纤的主要成分)的瑞利散射系数的温度灵敏度极其微弱,难以应用于温度传感。它的测量精度低,距离短是其最大的缺点,目前,已经鲜有报道。基于拉曼散射的传感器是目前最实用化的一类光纤传感器,它的缺点是信号比较小,约比布里渊散射的信号小10dB,另外,基于SBS的分布式光纤传感器系统还有很高的精度和空间分辨力,是目前在实验上取得最成功的长距离分布式光纤传感系统。布里渊光学时域反射计法于1997年实现商品化,但至今还未见到布里渊光学时域分析技术的商业化产品,这是因为该系统造价高,使用和维护复杂。 2 基于SBS的光纤陀螺 光纤陀螺被广泛应用于航空、汽车、火车、机器人控制、雷达等方面,实用意义重大。1976年,Vali和Shorthill提出了干涉型光纤陀螺,成为目前已经实用的一类光纤陀螺,此后,共振环形腔型光纤陀螺和受激布里渊散射光纤陀螺相继出现。光纤陀螺是利用Sagnac效应达到测量目的的,受激布里渊散射光纤陀螺的基本原理是:经过分束的两束激光沿不同的方向在光纤环中传播,其产生的SBS光的频率与系统的角速度有关,测量SBS光的拍频,即可得到系统的角速度。 虽然,受激布里渊散射光纤陀螺现在处于基础研究阶段,还有许多问题没有解决,但是,受激布里渊散射光纤陀螺以其独特的优越性而备受人们瞩目,被称为新一代的光纤陀螺。它的结构简单、使用的光器件少、检测精度高、动态范围大,特别是其线性度是光纤陀螺中最优的。 锁定问题是主动式光纤陀螺中必须解决的难题,它是指光纤敏感环的角速度小于锁定阈值时,输入拍频在一定范围内始终为零的现象。人们已经提出若干方案来解决,最简单的方法是附加一个角速度,避免工作在发生锁定的角速度范围。另外,利用推拉式相位调制和Kerr效应都能达到消除锁定的现象,但是,对激光进行推拉式相位调制会引起振荡器的不稳定。 由于受激布里渊散射光纤陀螺需要高稳定性、窄线宽及大功率的光源,使得研究一直没有取得突破性的进展。现在,光纤激光器和光纤放大器技术的进步给受激布里渊散射光纤陀螺的研究带来了契机。高分辨力、宽动态范围、数字输出和小型化等是受激布里渊散射光纤陀螺的追求目标和研究热点。 3 基于SBS的光纤相位共轭镜 用大纤径多模光纤传输高功率固态激光有很广泛的应用。但是,即使输入光束接近衍射极限,而且,具有很好的偏振特性,光纤往往也会产生一个高失真和退偏的输出光束。用非线性相位共轭可以尽可能地减少失真和退偏。过去十年,用SBS相共轭特性来修补光纤失真和退偏的能力已由若干个试验给出有力的证明。Matthews等人在多模光纤中用SBS相共轭来矫正相位和退偏造成的失真:他们用2m长,400μm纤径,得到远场的共轭保真度为70%,退偏小于1%。Heueru利用一种内锥型光纤,实现了高保真度和反射率。实验上,他们用调Q Nd:YAG激光器,工作波长为1.06μm,脉冲宽度为30ns,结果得到最大反射率为92%,相位保真度超过95%。实验中,他们发现光纤在高的工作能量上仍能保持稳定的工作状态。最大稳定工作峰值为130kW。同时,发现入射光束相干长度决定SBS相互作用长度,他们还研究了相干长度对斯托克斯光输出特性的影响,更深入地理解多模光纤的SBS特性,使之可能成为液体或气体介质相位共轭镜的替代品。Eichler研究了光纤束的振幅和相位失真,相位失真可以用基于受激布里渊散射的相位共轭镜来矫正,并且,进一步研究了光纤中SBS的反射率和相位保真度,取得较好结果。目前,利用光纤中的SBS已得到近衍射极限的连续Nd:YAG激光。 以前,为了使固态激光器保持很高的平均功率和光束质量,一般用液体或气体的相位共轭镜来改善。由于光纤中较长的相互作用长度和小的横截面积,使得SBS阈值能降到微瓦量级。在玻璃光纤中,应用SBS满足了低功率光相位共轭的需求,扩展了SBS相位共轭应用范围。 4 结束语 综上所述,光纤SBS在分布式光纤传感器、光纤陀螺、光纤相位共轭镜等领域具有重要应用,其中,受激布里渊散射光纤陀螺还处于基础研究阶段,基于SBS的光纤相位共轭镜在实验上已经取得很好结果,布里渊光学时域分析技术仍未见到商业化产品,只有布坚渊光学时域反射计法于1997年投人市场,可见,基于光纤SBS的应用大部分还处于实验研究阶段,离推广及实用还有很大距离,但是,无论哪种研究尝试都是非常有意义的。 相对于其他SBS介质,光纤介质使得SBS系统具有低阈值、无毒、易操作等优点;相对于同类的其他光纤传感系统,SBS的频移特性、简单的结构、高的保真度和效率等使SBS系统具有很多优越性,并为其实用化提供了可能。光纤中SBS的研究将会极大地推动诸多领域的发展。 由于光纤传感器对环境过于敏感,亟需提高光纤传感器的抗干扰能力及稳定性。这需要解决很多问题,其中,集成化和全光纤化是目前光纤传感器发展的主要方向之一。基于布里渊散射的分布式光纤传感器研究主要热点为:实现单根光纤上多个参数的同时测量;提高系统的空间分辨力和测量范围;向二维分布式传感器网络的发展,这也是智能复合材料等领域的研究基础。 光纤陀螺的光源相干性、温度稳定性有待于进一步提高,高分辨力、宽动态范围,数字输出和小型化等是其追求的目标。 利用SBS实现相位共轭时,研制出性能良好的保偏光纤将是完善光纤相位共轭技术的关键,因为退偏现象可以导致相位共轭保真度降低甚至被完全破坏。
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