專利名稱：：一種雙方向雙波長同時激射的光纖布里淵激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及光纖傳感
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種應(yīng)用在光纖激光陀螺儀和光纖溫度應(yīng)力傳感的雙方向，雙波長同時激射的光纖布里淵激光器。
背景技術(shù)：
：受激布里淵散射(StimulatedBrillouinScattering,SBS)是一種光學(xué)非線性過程，當(dāng)入射的泵浦光功率達到產(chǎn)生SBS的閾值時，泵浦波通過電致伸縮產(chǎn)生聲波，導(dǎo)致介質(zhì)折射率的周期性調(diào)制形成折射率光柵，光柵的布拉格衍射作用使得大部分的輸入泵浦光功率將轉(zhuǎn)為頻率降低的背向散射斯托克斯波功率，在此過程中，泵浦波、背向散射斯托克斯波和聲波滿足能量守恒和動量守恒條件，使得斯托克斯波的頻移與聲波傳播速度有關(guān)，由于不同介質(zhì)中聲波傳播速度有差異，背向斯托克斯波的頻移將會因不同介質(zhì)而發(fā)生變化。SBS在光纖傳感、光纖放大器、聲光相互作用器件等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。通過將光纖置于諧振腔內(nèi)，利用光纖的布里淵增益可以構(gòu)成光纖布里淵激光器，其由于閾值低、線寬窄、增益方向敏感、斯托克斯波頻移在微波頻率量級等特點而被廣泛應(yīng)用于超窄線寬激光器、微波技術(shù)和光纖激光陀螺等領(lǐng)域。光纖布里淵激光器的重要應(yīng)用之一是布里淵光纖激光陀螺儀(BrillouinFiberOpticalGyroscope,BFOG),它的原理示意圖如圖l所示。光纖與光纖耦合裝置構(gòu)成光纖環(huán)形腔。同一波長的兩束窄線寬泵浦激光從光纖耦合裝置的1，2兩端口注入光纖環(huán)形腔，分別在順時針方向和逆時針方向產(chǎn)生單模布里淵激光激射。順時針和逆時針布里淵激光分別從光纖耦合裝置1,2端口輸出。當(dāng)布里淵激光器存在轉(zhuǎn)動角速度時，基于薩格奈克(Sagnac)效應(yīng)，腔內(nèi)沿順時針和逆時針傳播的兩東激光會產(chǎn)生頻差。通過測量兩東激光的頻差可以獲得布里淵激光器角速度的大小。制約BFOG性能的重要問題之一是BFOG中存在"閉鎖"現(xiàn)象，即當(dāng)角速度小于一定的閾值時，順時針和逆時針的激光由于相互耦合頻率變得相同，不再能通過頻差的測量得到角速度的大小。閉鎖效應(yīng)使得BFOG的角速度傳感出現(xiàn)死區(qū)，測量的范圍縮小，降低了測量精度。目前已經(jīng)提出的消除閉鎖現(xiàn)象的方法包括(1)引入機械抖動產(chǎn)生頻率偏置消除閉鎖效應(yīng)；(2)對兩束泵浦光進行移頻，使得它們具備不同的頻率，從而使產(chǎn)生的順時針和逆時針布里淵激光具有頻率偏置，進而消除閉鎖效應(yīng)；(3)釆用兩個不同頻率的泵浦源實現(xiàn)順時針和逆時針布里淵激光的頻率偏置，進而消除閉鎖效應(yīng)。前兩種方法需要額外的機械裝置或調(diào)制器等附加設(shè)備，使整個系統(tǒng)復(fù)雜龐大；第三種方法對兩個泵浦光源的波長穩(wěn)定性要求極高，大大增加了系統(tǒng)成本。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種波長穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡潔緊湊且成本較低的、能夠消除閉鎖現(xiàn)象的雙方向、雙波長同時激射的光纖布里淵激光器。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的雙方向雙波長同時激射的光纖布里淵激光器包括第一光纖l,集總損耗器件3，第二光纖2，耦合裝置4，所述耦合裝置4具有第一端口5，第二端口6，第三端口7，第四端口8;其中，所述第一光纖的一端與所述第四端口(8)連接，其另一端與所述集總損耗器件(3)的一端連接；所述第二光纖的一端與第三端口(7)連接，其另一端與所述集總損耗器件(3)的另一端連接，以構(gòu)成一環(huán)形腔。進一步地，所述第一光纖1和第二光纖2具有不同的布里淵頻移4特性；進一步地，Li/L^g2/g,，其中，Ll5L2分別為第一光纖l和第二光纖2的長度，gl,g2分別為第一光纖1和第二光纖2的峰值布里淵增益系數(shù)；進一步地，由所述耦合裝置的第一端口5入射的泵浦光首先進入第二光纖2，經(jīng)集總損耗器件3后進入第一光纖1，由第一端口5輸出激射的順時針傳播布里淵斯托克斯波；由所述耦合裝置的第二端口6入射的泵浦光首先進入第一光纖1,經(jīng)集總損耗器件3后進入第二光纖2，由第二端口6輸出激射的逆時針傳播布里淵斯托克斯波；進一步地，所述由所述耦合裝置的第一端口5入射的泵浦光和所述由所述耦合裝置的第二端口6入射的泵浦光具有相同的波長；進一步地,，所述由第一端口5和第二端口6輸出的激射的布里淵斯托克斯波具有不同的斯托克斯頻移量。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢在于釆用一個泵浦波長的泵浦光即可實現(xiàn)雙方向，雙波長的布里淵激光激射，且無需復(fù)雜的附加光學(xué)或機械裝置，因此具有結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，便于實現(xiàn)，成本低等優(yōu)點，在光纖激光陀螺儀和光纖溫度應(yīng)力傳感領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價值。圖l現(xiàn)有技術(shù)的布里淵光纖激光陀螺儀結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的雙方向雙波長同時激射的布里淵激光器的結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明實施例的泵浦光由端口6注入混合腔內(nèi)普通單模光纖激射的斯托克斯波與泵浦波拍頻的測量結(jié)果；圖4是本發(fā)明實施例的泵浦光由端口5注入混合腔內(nèi)TrueWave光纖激射的斯托克斯波與泵浦波拍頻的測量結(jié)果；圖5是豐發(fā)明實施例的雙向泵浦時布里淵激光器激射的兩個波長的斯托克斯波與泵浦波拍頻的測量結(jié)果；5圖6是本發(fā)明實施例的雙向泵浦時布里淵激光器激射的兩個波長的斯托克斯波之間的拍頻的測量結(jié)果。具體實施例方式本發(fā)明的核心思想在于釆用兩段具有不同布里淵頻移特性的光纖構(gòu)成混合環(huán)形腔，在混合環(huán)形腔的雙方向同時注入同一波長的泵浦光，使得兩段光纖產(chǎn)生的布里淵斯托克斯波在兩方向分別激射，從而實現(xiàn)雙方向，雙波長的布里淵激光輸出。本發(fā)明提出的雙方向雙波長同時激射的光纖布里淵激光器，結(jié)合附圖和實施例說明如下。如圖2所示，本發(fā)明的雙方向雙波長同時激射的光纖布里淵激光器包括第一光纖l，集總損耗器件3，第二光纖2，耦合裝置4，所述耦合裝置4具有第一端口5，第二端口6，第三端口7，第四端口8;其中，所述第一光纖的一端與所述第四端口(8)連接，其另一端與所述集總損耗器件(3)的一端連接；所述第二光纖的一端與第三端口(7)連接，其另一端與所述集總損耗器件(3)的另一端連接，以構(gòu)成一混合環(huán)形腔結(jié)構(gòu)。其中，所述第一光纖l和第二光纖2可以是任意石英單模光纖、硫系玻璃單模光纖、氟化物單模光纖或聚合物單模光纖；所述集總損耗器件可以是能夠引入集總損耗的任意器件，其實體可以是具有熔焊點損耗的熔焊點、具有活動接頭損耗的活動接頭、具有光纖彎曲損耗的彎曲的光纖或具有集總光纖器件損耗的光纖器件；所述耦合裝置包括各種光纖耦合器件和基于體光學(xué)材料的耦合器件以及由若干以上器件構(gòu)成的光纖耦合裝置，比如光纖耦合器、由兩個光纖耦合器構(gòu)成的光纖馬赫增德爾干涉儀等。進一步地，所述第一光纖l和第二光纖2具有不同的背向斯托克斯頻移量(即布里淵頻移量)，分別表示為f,和f2;兩段光纖具有不同的峰值布里淵增益系數(shù)，分別表示為g!和g2;兩段光纖的長度分別為Li和L2。兩段光纖的長度滿足IVL23g2/gp使得在相同泵浦功率下兩段光纖的峰值布里淵增益大致相等。具體實施過程中，如圖2所示，兩東同樣波長的窄線寬布里淵激光由環(huán)腔耦合裝置第一端口5和第二端口6注入環(huán)形腔，分別在順時針和逆時針方向產(chǎn)生兩束激射的布里淵斯托克斯波，并分別從耦合裝置的第一端口5和第二端口6輸出。更具體地，如果集總損耗器件3的集總損耗值大到明顯可以影響通過兩段光纖的泵浦光功率水平，從耦合裝置4的第一端口5入射的泵浦光首先進入第二光纖2，然后經(jīng)集總損耗器件3后進入第一光纖1，因此，在第二光纖2中通過的泵浦光功率強于第一光纖1中的泵浦光功率；由于光纖中的布里淵增益GKgLP,其中g(shù)是光纖的峰值布里淵增益，L是光纖長度，P是泵浦功率。由IVL廣g2/g,，可以得到這種情況下兩段光纖的增益大小由泵浦功率決定。因此，從耦合裝置4的第一端口5入射的泵浦光會率先激勵起第二光纖2對應(yīng)的斯托克斯波激射，形成頻移為f2的順時針傳播激光。同理，從耦合裝置第二端口6入射的泵浦光首先進入光纖1，然后經(jīng)集總損耗器件3后進入光纖2。因此，在第一光纖1中通過的泵浦光功率強于第一光纖1中的泵浦光功率，會率先激勵起第一光纖l對應(yīng)的斯托克斯波激射，形成頻移為&的逆時針傳播激光。由此實現(xiàn)了激光器的雙方向激射，且每一個激射方向上僅有一個波長的斯托克斯波激射，其頻移量分別對應(yīng)第一光纖l和第二光纖2的布里淵頻移。更具體地，如果集總損耗器件3的集總損耗值小到不能明顯影響通過兩段光纖的泵浦光功率水平，甚至為零，從耦合裝置4的第一端口5入射的泵浦光首先進入第二光纖2，然后經(jīng)集總損耗器件3后進入第一光纖l。由于集總損耗器件3的損耗值很小甚至為零，在第二光纖2中通過的泵浦光功率與第一光纖1中通過的泵浦光功率近似一致。由于在光纖中的布里淵增益GKgLP，其中g(shù)是光纖的峰值布里7淵增益，L是光纖長度，P是泵浦功率。因此，第一光纖l和第二光纖2中的布里淵增益的大小關(guān)系由兩段光纖的長度和峰值布里淵增益的乘積決定?？梢约俣╣山^g2L2，則從耦合裝置4的第一端口5入射的泵浦光會率先激勵起第二光纖2對應(yīng)的斯托克斯波激射，形成頻移為f2的順時針傳播激光。從耦合裝置4的第二端口6入射的泵浦光首先進入第一光纖1，然后經(jīng)集總損耗器件3后進入第二光纖2。由于集總損耗器件的損耗值很小甚至為零，在第一光纖1中通過的泵浦光功率與第二光纖2中通過的泵浦光功率近似一致。同理，第一光纖1和第二光纖2中布里淵增益的大小關(guān)系由兩段光纖的長度和峰值布里淵增益的乘積決定，由于g山^g2L2，依舊有耦合裝置4的第二端口6入射的泵浦光會率先激勵起第二光纖2對應(yīng)的斯托克斯波激射，形成頻移為f2的逆時針傳播激光。與前面不同的是，隨著泵浦光功率增加，第一光纖l對應(yīng)的斯托克斯波也會發(fā)生激射，形成頻移為&的逆時針傳播激光，同時大量消耗泵浦光，使進入第二光纖2的泵浦光功率減小，進而使頻移為f2的逆時針激光熄滅。由此實現(xiàn)了激光器的雙方向激射，且每一個激射方向上僅有一個激射波長。其中，本發(fā)明的雙方向雙波長同時激射的光纖布里淵激光器在順時針和逆時針兩個方向上的激射頻率可以通過第一光纖1和第二光纖2的光纖種類、周圍環(huán)境溫度以及光纖所受應(yīng)力的改變而改變。具體地，所述激光器在順時針和逆時針兩個方向上激射的布里淵激光頻移分別取決于所述第一和第二光纖的布里淵頻移。光纖的布里淵頻移由光纖的種類決定。由于不同種光纖的布里淵頻移變化范圍一般在9GHzllGHz內(nèi)，產(chǎn)生的激光頻差(frf2)的量級范圍在MHzGHz;另一方面，光纖布里淵頻移會受周圍環(huán)境溫度以及光纖所受應(yīng)力的影響，這為激光頻差的調(diào)整提供了可能的手段，也為利用該激光器實現(xiàn)溫度和應(yīng)力傳感提供了可能。此外，輔以成熟的光纖環(huán)形腔穩(wěn)定技術(shù)，在光纖環(huán)形腔中引入通8過電信號控制腔長的器件，如受壓電陶瓷拉伸的光纖等，并通過檢測輸出激光功率提供腔長控制的反饋信號，實現(xiàn)光纖環(huán)形腔的腔長穩(wěn)率的單縱模激光輸出，利用他們的拍頻信號可以實現(xiàn)消閉鎖的BFOG。下面將描述本發(fā)明的一個具體實施例。本實施例的激光器的混合諧振腔結(jié)構(gòu)如圖2所示，第一光纖1選取的是普通單模光纖(SingleModeFiber,SMF)，第二光纖2選取的是TrueWave光纖(TWF),這兩種光纖的布里淵頻移量以及光纖長度參數(shù)如表l,所示；耦合裝置選取由兩個光纖耦合器構(gòu)成的光纖馬赫增德爾干涉儀；集總損耗器件為兩段光纖的熔焊點。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>由耦合裝置的第一和第二端口入射的泵浦光由波長可在1548nm~1550nm范圍內(nèi)進行調(diào)諧的半導(dǎo)體分布反饋激光器產(chǎn)生，線寬為4.5MHz。泵浦光經(jīng)摻鉺光纖放大器(EDFA)放大之后分成兩東，分別由耦合裝置4的端口5和6注入本實施例的混合環(huán)形腔。從零開始加大端口6注入的泵浦光功率，可以觀察到SMF中產(chǎn)生的逆時針?biāo)雇锌怂共ㄊ紫燃ど?，并隨著泵浦光功率增加保持激射狀態(tài)。從零開始加大端口5注入的泵浦光功率，可以觀察到SMF中產(chǎn)生的順時針?biāo)雇锌怂共ㄒ彩紫燃ど?，但隨著泵浦光功率增加到一特定值，TWF中產(chǎn)生的順時針?biāo)雇锌怂共ㄩ_始激射，同時SMF中產(chǎn)生的順時針?biāo)雇锌怂共ど浔幌?。在此狀態(tài)下，混合環(huán)形腔實現(xiàn)了雙方向雙波長同時激射。端口6和端口5注入的泵浦光產(chǎn)生的布里淵斯托克斯波的激射結(jié)果分別如圖3和圖4所示。圖3與圖4說明兩束泵浦光分別在逆時針方向和順時針方向產(chǎn)生頻移量為10.84GHz和10.55GHz的布里淵激光，它們的頻移量分別與SMF和TWF的布里淵頻移對應(yīng)。圖5是兩東泵浦光同時注入混合腔的雙方向激射的結(jié)果。圖6是雙方向同時產(chǎn)生的布里淵激光的拍頻譜，由圖中可以看出順時針和逆時針的激射的斯托克斯光之間約300MHz的拍頻結(jié)果，由此實現(xiàn)了雙方向雙波長同時激射的光纖布里淵激光器。需要說明的是，本文中涉及的"第一"、"第二""第三"、"第四，，等詞語僅用于方便說明的目的，不能將其理解為順序或主次限定。以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān)
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。權(quán)利要求1、一種雙方向雙波長同時激射的光纖布里淵激光器，其特征在于，包括第一光纖(1)，集總損耗器件(3)，第二光纖(2)，耦合裝置(4)，所述耦合裝置(4)具有第一端口(5)，第二端口(6)，第三端口(7)，第四端口(8)；其中，所述第一光纖的一端與所述第四端口(8)連接，其另一端與所述集總損耗器件(3)的一端連接，所述第二光纖的一端與第三端口(7)連接，其另一端與所述集總損耗器件(3)的另一端連接，以構(gòu)成一環(huán)形腔。2、如權(quán)禾;j要求l所述的激光器，其特征在于，所述第一光纖(l)和第二光纖(2)具有不同的布里淵頻移特性。3、如權(quán)利要求2所述的激光器，其特征在于，L,/L2"g2/g,,其中，Ll5L2分別為第一光纖(1)和第二光纖(2)的長度，gl,&分別為第一光纖(1)和第二光纖(2)的峰值布里淵增益系數(shù)。4、如權(quán)利要求1所述的激光器，其特征在于，由所述耦合裝置的第一端口(5)入射的泵浦光首先進入第二光纖(2)，經(jīng)集總損耗器件(3)后進入第一光纖(1),由第一端口(5)輸出激射的順時針的布里淵斯托克斯波；由所述耦合裝置的第二端口(6)入射的泵浦光首先進入第一光纖(1)，經(jīng)集總損耗器件(3)后進入第二光纖(2),由第二端口(6)輸出激射的逆時針的布里淵斯托克斯波。5、如權(quán)利要求4所述的激光器，其特征在于，所述由所述耦合裝置的第一端口(5)入射的泵浦光和所述由所述耦合裝置的第二端口(6)入射的泵浦光具有相同的波長。6、如權(quán)利要求4所述的激光器，其特征在于，所述順時針與逆時針的布里淵斯托克斯波的頻移分別為所述第二光纖(2)和第一光纖(1)的布里淵頻移。全文摘要本發(fā)明涉及光纖傳感
技術(shù)領(lǐng)域：
。本發(fā)明提供了一種雙方向雙波長同時激射的光纖布里淵激光器，所述激光器包括第一光纖1，集總損耗器件3，第二光纖2，耦合裝置4；其中，所述耦合裝置4具有第一端口5，第二端口6，第三端口7，第四端口8；所述各器件構(gòu)成一混合環(huán)形腔。所述兩段光纖具有不同的布里淵頻移特性，兩束同樣波長的窄線寬激光由耦合裝置4的第一和第二端口注入所述環(huán)形腔，分別在順時針和逆時針方向產(chǎn)生兩束激射的布里淵斯托克斯波，并分別從第一和第二端口輸出，從而實現(xiàn)雙方向激射，且每一激射方向僅有一個激射波長。文檔編號H01S3/30GK101483315SQ200910076870公開日2009年7月15日申請日期2009年1月23日優(yōu)先權(quán)日2009年1月23日發(fā)明者雪馮,巍張,彭江得,儼黃,黃翊東申請人:清華大學(xué)