劉盛春， 張金濤， 張麗瑩， 陳向飛， 安文玉

(1.黑龍江大學(xué)光纖技術(shù)研究所，黑龍江哈爾濱150080;2.黑龍江大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150080;3.南京大學(xué)微結(jié)構(gòu)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210093)

0 引言

自從1960年第一臺(tái)激光器誕生，激光器以其單色性好、相干性強(qiáng)和定向性好等三大優(yōu)點(diǎn)得到了迅速的應(yīng)用，解決了諸多技術(shù)問(wèn)題并發(fā)展了許多新興產(chǎn)業(yè)。經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，它已經(jīng)滲透到工業(yè)、國(guó)防、科研、醫(yī)學(xué)、日常生活等各領(lǐng)域［1-4］。因此，激光原理課程也成為許多理工科院校的重要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，該課程包含了電動(dòng)力學(xué)、物理光學(xué)和原子物理等多學(xué)科知識(shí)，也含有大量的抽象理論和較復(fù)雜的公式，這使得學(xué)生在理解和感性認(rèn)識(shí)上存在較大難度［5-6］。同時(shí)激光原理是一門(mén)理論與實(shí)驗(yàn)并重的課程，為了幫助學(xué)生理解激光原理和光束特點(diǎn)等這些枯燥的概念，國(guó)內(nèi)各高校開(kāi)展了激光器發(fā)射和吸收［7］、高斯光束的束腰和發(fā)散角［8］、激光器諧振腔設(shè)計(jì)［9］等實(shí)驗(yàn)，取得了較好的效果。

在激光原理教學(xué)中，激光器的模式是激光器的重要特性之一。利用激光器的模式可以實(shí)現(xiàn)激光測(cè)距、激光高速攝影、激光核聚變等重要應(yīng)用，并發(fā)展了激光選模，激光穩(wěn)頻、激光調(diào)Q等技術(shù)。因此，激光器的模式是學(xué)生必須掌握的基本知識(shí)。但激光器模式是比較抽象的概念，沒(méi)有形象直觀的實(shí)驗(yàn)體會(huì)難以真正理解。針對(duì)該問(wèn)題，盧秉嵩利用He-Ne激光器通過(guò)掃描干涉儀和示波器給出了激光器縱模模譜圖，使學(xué)生感知激光器的縱模的存在［10］。陳剛等利用He-Ne激光器地提供了各種橫模激光測(cè)量實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生理解激光器橫模分布［11］。但是，He-Ne激光器是氣體激光器，不能隨意改動(dòng)激光諧振腔的長(zhǎng)度，無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)觀測(cè)激光器的縱模變化。

本文提出了簡(jiǎn)單的光纖激光器多縱模實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)方案，用兩根光柵作為激光諧振腔的反射鏡，中間連接摻鉺光纖做為激光增益介質(zhì)，搭建直腔式多縱模光纖激光器。激光器的多縱模之間相互干涉形成拍頻信號(hào)，通過(guò)觀測(cè)這些拍頻信號(hào)的間隔和頻率可以形象直觀地觀測(cè)多縱模的特征。實(shí)驗(yàn)中光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，然后利用頻譜儀直接測(cè)量拍頻信號(hào)，就可以實(shí)現(xiàn)激光多縱模的拍頻信號(hào)觀測(cè)。

圖1 多縱模光纖激光傳感器

1 光纖多縱模激光器原理

光纖多縱模激光器的基本原理如圖1所示，兩只反射波長(zhǎng)相同、高反射率的光纖光柵作為激光器的諧振腔端鏡，中間連接一段摻鉺光纖作為有源增益介質(zhì)。將980 nm泵浦光注入諧振腔后，鉺離子的不同能級(jí)之間的躍遷產(chǎn)生自發(fā)輻射光。自發(fā)輻射光通過(guò)兩邊的光纖光柵實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇，符合光纖光柵反射波長(zhǎng)的光在激光諧振腔內(nèi)來(lái)回振蕩放大。當(dāng)增益大于損耗時(shí)，產(chǎn)生激光的輸出。由于光纖光柵的反射帶寬遠(yuǎn)大于縱模模式間距(即諧振頻率)(c/2)nl，其中:c為光在光纖中的傳播速度;l為諧振腔的長(zhǎng)度;n為光纖的折射率。因此激光器會(huì)輸出多個(gè)連續(xù)離散的激光模式，其輸出光場(chǎng)為

式中:ai是縱模頻率為νi的激光輸出振幅;φi是原始相位。因?yàn)榧す馄鞯乃心Ｊ骄a(chǎn)生在一個(gè)激光腔內(nèi)，所以任意兩模式激光之間都具有相干性。假設(shè)任意 2 個(gè)模式的振幅和頻率分別為 ai、aj和 νi、νj，兩模式的相干光經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器后，產(chǎn)生的電子拍頻信號(hào)為

式中:φi和φj是兩模式的原始相位。一個(gè)腔內(nèi)激射的2個(gè)模式的原始相位差是常數(shù)，因此φi－φj可看作直流分量。式(2)中兩模式頻率和(νi+νj)的頻率很高，光電探測(cè)器基本達(dá)不到這么高頻率，因此也看做直流分量。經(jīng)過(guò)隔直后，電子信號(hào)為

頻率為(νi－νj)的信號(hào)就是2個(gè)模式光的拍頻。

圖2是光纖多縱模激光器拍頻信號(hào)的生成原理。(νi－νj)的頻率等于(i－j)ν(i，j=1，2，…)，這里 ν是激光諧諧振腔的諧振頻率，ν=(c/2)nl。(i－j)ν是諧振頻率ν 的 N(N=1，2，3，…)倍，令(i－j)ν= νN，即 νN=Nν。生成的總的電子拍頻信號(hào)為

式中，ηN是頻率為νN拍頻信號(hào)的幅值。

圖2 多縱模拍頻信號(hào)生成原理

2 動(dòng)態(tài)多縱模生成及傳感原理

為了使學(xué)生更加形象地理解激光多縱模概念，試驗(yàn)中利用光纖多縱模激光器做成了傳感器，它可以動(dòng)態(tài)觀測(cè)多縱模模式間隔改變與激光諧振腔長(zhǎng)度的變化關(guān)系。若選取拍頻νN作為動(dòng)態(tài)拍頻觀測(cè)信號(hào)，當(dāng)施加應(yīng)力到激光諧振腔的摻鉺光纖上，施加的應(yīng)力會(huì)引起光纖的折射率和長(zhǎng)度變化，從而引起激光諧振腔的有效長(zhǎng)度變化。腔長(zhǎng)變化將導(dǎo)致激光多縱模模式間隔的變化，最后體現(xiàn)為拍頻傳感信號(hào)頻率的變化，其表達(dá)如下［12］:

式中:Pe為光纖有效彈光系數(shù);ε為施加到光纖上應(yīng)變。從上式可見(jiàn)，改變應(yīng)變大小，拍頻的頻率會(huì)發(fā)生變化。通過(guò)頻譜儀顯示的拍頻信號(hào)頻率變化來(lái)直觀感受激光諧振腔的動(dòng)態(tài)變化，也可以根據(jù)式(5)得到施加在諧振腔上的應(yīng)力大小。

3 實(shí)驗(yàn)裝置與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖3所示，980 nm泵浦光通過(guò)波分復(fù)用器輸入到2個(gè)光纖光柵和摻鉺光纖構(gòu)成的直腔式多縱模光纖激光器中，多個(gè)縱模的光在諧振腔內(nèi)振蕩放大產(chǎn)生激光，再通過(guò)光纖光柵輸出。輸出的多縱模干涉光經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器產(chǎn)生電子拍頻信號(hào)，利用頻譜儀監(jiān)測(cè)拍頻信號(hào)的頻率，即可觀測(cè)到光纖激光器的諧振頻率。

圖3 直腔式多波長(zhǎng)激光傳感器實(shí)驗(yàn)框圖

本實(shí)驗(yàn)中，兩光纖光柵波長(zhǎng)分別為1 549.623、1 549.629 nm，帶寬 0.23 nm，光纖光柵反射率均為90%。摻鉺光纖在波長(zhǎng)1 530 nm處的吸收系數(shù)為10 dB/m。光纖激光器諧振腔光纖長(zhǎng)度是0.74 m，相應(yīng)的諧振頻率為141.3 MHz。

光纖激光器作為光纖通信和光纖焊接等重要應(yīng)用的主要光源，其性能指標(biāo)影響整個(gè)裝置的質(zhì)量。因此光纖激光器的轉(zhuǎn)換效率和閾值泵浦功率是非常重要的。圖4展示了泵浦功率和多縱模激光輸出功率之間的關(guān)系。當(dāng)泵浦功率較低時(shí)，增益＜0，此時(shí)激光器只有自發(fā)輻射，不能產(chǎn)生激光。隨著泵浦功率的增加，增益＞0，但尚未克服損耗時(shí)，在激光腔內(nèi)無(wú)法穩(wěn)定建立一定的模式，不能產(chǎn)生穩(wěn)定的激光。當(dāng)泵浦功率大于閾值功率后，激光模式的增益大于損耗，激光器諧振腔將穩(wěn)定建立起多個(gè)激光縱模，并在振蕩中逐步放大，產(chǎn)生穩(wěn)定的激光輸出。從圖中可以看出，這種多縱模光纖激光器的閾值大約是4.2 mW。

當(dāng)980 nm泵浦光功率是75 mW 時(shí)，從0.14～2.50 GHz多個(gè)拍頻信號(hào)同時(shí)產(chǎn)生，相應(yīng)的部分拍頻信號(hào)顯示在圖5中。從圖中可以看出，拍頻信號(hào)間隔都是141.3 MHz，與理論預(yù)期一致。

圖5 頻譜儀采集部分拍頻信號(hào)

圖4 光纖激光器泵浦功率和輸出功率關(guān)系

3.2 光纖多縱模激光器應(yīng)力動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果

為了能動(dòng)態(tài)觀測(cè)多縱模的模式間距變化，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)中，將激光諧振腔的光纖固定在兩端，一端固定在光學(xué)平臺(tái)上;另一端固定在移動(dòng)的位移臺(tái)上。通過(guò)移動(dòng)位移臺(tái)產(chǎn)生均勻應(yīng)力變化來(lái)改變光纖激光諧振腔腔長(zhǎng)，同時(shí)觀測(cè)諧振腔拍頻變化，并根據(jù)諧振腔拍頻變化來(lái)確定應(yīng)力大小。從0.14～2.50 GHz有許多拍頻信號(hào)，可以作為動(dòng)態(tài)觀測(cè)信號(hào)。在實(shí)驗(yàn)中，選擇既有較大頻率-應(yīng)變響應(yīng)又有較高的抗跳模干擾能力的中高頻拍頻信號(hào)作為觀測(cè)信號(hào)［12］。本實(shí)驗(yàn)選擇1 413 MHz拍頻信號(hào)作為測(cè)量信號(hào)，動(dòng)態(tài)拍頻信號(hào)隨著應(yīng)力變化而變化，如圖6所示。當(dāng)應(yīng)力逐漸增加時(shí)，拍頻頻率逐漸減小(曲線ae)。在拍頻信號(hào)為1 413 MHz時(shí)，拍頻頻率與應(yīng)變變化的靈敏度為－1.1，這與式(5)的理論是相一致的。測(cè)得應(yīng)力的均方根差是3.6 ×10－6，即最小可測(cè)應(yīng)力為 3.6 ×10－6。實(shí)驗(yàn)表明，多縱模激光器的模式間隔是隨著激光諧振腔的變化而成比例變化的。通過(guò)施加到諧振腔的應(yīng)力可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地觀測(cè)諧振腔腔長(zhǎng)與拍頻頻率的變化關(guān)系。因此檢測(cè)拍頻信號(hào)的頻率漂移可以計(jì)算得到施加到諧振腔上的應(yīng)力大小。

圖6 不同應(yīng)力下拍頻信號(hào)

另外，多縱模光纖激光器還可由一個(gè)環(huán)形器、一段鉺纖和一根光柵組成環(huán)形光纖諧振腔式的多縱模激光器［13］。這兩種多縱模光纖激光器的諧振腔還可以對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量［14］。光纖多縱模激光諧振腔光纖還可以纏繞在一個(gè)封裝的順變柱體上，形成加速度傳感器，對(duì)振動(dòng)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)［15］。另外，由于這些多縱模激光傳感器生成的拍頻信號(hào)也大都集中在射頻范圍，其直接經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單無(wú)線調(diào)制就可以把包含傳感信息的以無(wú)線信號(hào)形式融入到現(xiàn)有的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)［16］。通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，可以增加學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

4 結(jié)語(yǔ)

本文將多縱模光纖激光器引入到激光原理課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，用這種激光器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)光纖激光器的轉(zhuǎn)換效率和閾值功率測(cè)量、光纖激光器多縱模測(cè)試等實(shí)驗(yàn)。而且通過(guò)對(duì)激光諧振腔施加應(yīng)力，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)觀測(cè)光纖激光諧振腔長(zhǎng)變化引起的多縱模模式變化。將比較抽象的激光器縱模概念通過(guò)頻率儀以圖形的模式動(dòng)態(tài)直觀地顯示出來(lái)，從而使學(xué)生深刻理解激光器縱模的產(chǎn)生原理，同時(shí)鞏固學(xué)生對(duì)數(shù)字信號(hào)頻譜分析和光學(xué)相干原理的認(rèn)識(shí)。另外，本文為多縱模光纖激光器提供了直腔和環(huán)形腔兩種不同結(jié)構(gòu)，能夠?qū)?yīng)力、溫度、振動(dòng)等多種物理信息的檢測(cè)。而且它還可以融入無(wú)線傳感網(wǎng)，形成光纖無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)這些教學(xué)信息的相互結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)很多種不同的實(shí)驗(yàn)方案，并為學(xué)生提供多種實(shí)驗(yàn)選擇。這些實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、觀察和分析，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，還鍛煉了學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題等能力，同時(shí)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，有益于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。

［1］ 周炳琨，高以智，陳倜嶸，等.激光原理［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

［2］ 盛新志，婁淑琴.激光原理［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010.

［3］ 陳家壁.激光原理與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

［4］ 閻吉祥.激光原理與技術(shù)［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［5］ 田來(lái)科，白晉濤，董慶彥.激光原理的立體化教學(xué)探索［J］.高等理科教育，2003(S2):118-120.

［6］ 胡紹民，羅暉.《激光原理》課程教學(xué)體會(huì)［J］.高等教育研究學(xué)報(bào)，2012，35(1):71-73.

［7］ 謝春霞，段云峰，董法杰，等.半導(dǎo)體激光器發(fā)射光譜試驗(yàn)儀［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2004，24(5):23-25.

［8］ 楊曉冬，譚錦業(yè)，劉定文，等.高斯光束特性實(shí)驗(yàn)研究［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29(8):23-25.

［9］ 魏高堯，陳剛，張澤楠.開(kāi)腔He-Ne激光器諧振腔四步目測(cè)調(diào)節(jié)法［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2010，23(2):39-41.

［10］ 盧秉嵩.激光器模式分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討［J］.阜陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，1993，29(3):89-91.

［11］ 陳 剛，魏高堯.He-Ne激光器縱橫模頻率特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)量［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29(6):33-36.

［12］ Liu Shengchun， Yin Zuowei， Chen Xiangfei， et al. Multilongitudinalmode fiber laser for strain measurement［J］.Optics Letter，2010，35(6):835-837.

［13］ Liu Shengchun，Gu Rong，Gao Liang，et al.A multi-longitudinal mode fiber ring laser sensor for strain measurement［J］.Optical Engineering，2011，50(5):054401.

［14］ Yin Zuowei，Gao Liang，Liu Shengchun，et al.Fiber ring laser sensor for temperature measurement［J］.Journal of Lightwave Technology，2010，28(23):3403-3408.

［15］ Gao Liang，Liu Shengchun，Yin Zuowei，etal.Fiber-optic vibration sensor based on beat frequency and frequency-modulation demodulation techniques［J］.IEEE Photonics Technology Letters，2011，23(1):18-21.

［16］ Liu Shengchun，Gao Liang，Yin Zuowei，et al.A simple hybrid wire-wireless fiber laser sensor by directly photonic generation of beat signal［J］.Applied Optics，2011，50(12):1792-1797.