單頻可調(diào)光纖激光器的應(yīng)用

　　單頻光纖激光器具有線寬超窄、頻率可調(diào)、相干長(zhǎng)度超長(zhǎng)以及噪聲超低等獨(dú)特性能，借用微波雷達(dá)上的FMCW技術(shù)可對(duì)超遠(yuǎn)距離的目標(biāo)進(jìn)行超高精度的相干探測(cè)，從而會(huì)改變市場(chǎng)對(duì)光纖傳感、激光雷達(dá)和激光測(cè)距等固有觀念，繼續(xù)把激光器應(yīng)用革命進(jìn)行到底。NPPhotonics提供的單頻光纖激光器可以十分低地成本解決激光光束質(zhì)量和激光功率的矛盾，從而研制出了該款極具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的單頻可調(diào)光纖激光器。
　　NP光纖激光器的特點(diǎn)
　　NP提供的1550nm光纖激光器最大的特點(diǎn)就是線寬超窄至2Khz，頻率穩(wěn)定性好于10Mhz，具有超長(zhǎng)相干長(zhǎng)度和超低噪聲，就是比世界上最好的DFB激光器都高出2個(gè)數(shù)量級(jí)。該款激光器輸出功率可達(dá)150mW，邊模抑制比高于50dB，熱調(diào)協(xié)范圍20Ghz，同時(shí)兼?zhèn)?0Mhz/V的線性PZT調(diào)制功能。
　　核心技術(shù)
　　請(qǐng)見(jiàn)圖1為NP激光器的結(jié)構(gòu)圖，激光器腔由左右兩端的光纖光柵和中間極短的有源光纖組成。該設(shè)計(jì)方案充分利用了我們美國(guó)合作方的專(zhuān)利技術(shù)，高濃度、鉺/鐿離子共摻有源光纖可以確保激光器的腔長(zhǎng)度少于5cm，這是傳統(tǒng)光纖技術(shù)所不可能完成的任務(wù)！

本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201612/330992.htm

圖1激光器結(jié)構(gòu)

　　如此短的腔長(zhǎng)極合適超高穩(wěn)定性和跳模自由的單頻激光工作。該種激光器的線寬典型值為2Khz，而且都是線偏光輸出。結(jié)構(gòu)緊湊和高穩(wěn)定性能的光纖激光器就可以在如此短的激光腔基礎(chǔ)上完成制作。
　　在光纖傳感中的應(yīng)用
　　NP的超窄線寬光纖激光器可以應(yīng)用于分布式光纖傳感系統(tǒng)，對(duì)遠(yuǎn)至10公里的目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、定位和分類(lèi)。它的基本應(yīng)用原理就是頻率調(diào)制連續(xù)波技術(shù)（FMCW），該技術(shù)能為核電站，石油/天然氣管道，軍事基地以及國(guó)防邊界提供低成本的、全分布式的傳感安全保護(hù)。
　　在FMCW技術(shù)中，激光輸出頻率圍繞它的中心頻率不斷變化，而激光的一部分光被耦合進(jìn)一個(gè)有固定反射率的參考臂中，在外差相干探測(cè)系統(tǒng)中，該參考臂就充當(dāng)了一個(gè)本地振蕩器（LO）的作用。充當(dāng)傳感作用的是另一跟很長(zhǎng)的光纖，請(qǐng)見(jiàn)圖2。

圖2 PMCW 技術(shù)原理圖

　　從傳感光纖反射回來(lái)的激光與來(lái)自本地振蕩器的參考光一起混合產(chǎn)生一個(gè)光拍頻，該頻率與它所經(jīng)歷的時(shí)間延遲差相對(duì)應(yīng)。傳感光纖上的遠(yuǎn)處信息就可以通過(guò)測(cè)量光譜分析儀上的光電流的拍頻來(lái)獲取。傳感光纖上的分布式反射可以是最簡(jiǎn)單的瑞利后向散射。通過(guò)這種相干探測(cè)技術(shù)，敏感度低至-100db的信號(hào)都能很輕易地探測(cè)到。
　　同時(shí)，既然光電流的拍頻信號(hào)是與反射回來(lái)的光信號(hào)和來(lái)自本地振蕩器的參考光的功率成正比，而且參考光還有放大信號(hào)光的功能，所以這種傳感技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)目前其他任何光纖傳感技術(shù)所不能達(dá)到的超遠(yuǎn)距離的動(dòng)態(tài)測(cè)量。外部對(duì)傳感光纖干擾的因素，比如壓力、溫度、聲音和振動(dòng)都會(huì)直接影響反射回來(lái)的激光，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)這些外部環(huán)境的探測(cè)。
　　然而對(duì)于任何一套相干FMCW技術(shù)系統(tǒng)而言，最關(guān)鍵的部分是要一臺(tái)相干長(zhǎng)度很長(zhǎng)的光源來(lái)實(shí)現(xiàn)很高的空間精度和大的測(cè)量范圍。配備N(xiāo)P的光纖激光器，最長(zhǎng)的傳感距離可超過(guò)10公里，而市場(chǎng)上的DFB激光二極管的探測(cè)距離卻只有數(shù)百米。由于只要配備一臺(tái)這樣的激光器和光電探測(cè)器就可以監(jiān)控超遠(yuǎn)距離的傳感部位的變化，所以該傳感系統(tǒng)能夠以很低的成本升級(jí)目前的安保標(biāo)準(zhǔn)，從而可廣泛應(yīng)用于在大范圍、遠(yuǎn)距離的國(guó)土安全和軍事領(lǐng)域。
　　激光指示和軍事測(cè)距
　　目前軍方的ISR（情報(bào)、監(jiān)視、偵察）綜合平臺(tái)通常裝備的是光電成像系統(tǒng)，它一般都能遠(yuǎn)距離成像和精確定位小目標(biāo)的移動(dòng)，比如運(yùn)載火箭和坦克。可是，由于受成像系統(tǒng)的地形精度的影響，該系統(tǒng)一般都無(wú)法傳遞目標(biāo)的精準(zhǔn)位置給這些指揮平臺(tái)指引武器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。軍方其實(shí)一直在ISR系統(tǒng)方面存在對(duì)低成本的、超遠(yuǎn)距離的（幾百公里）、超高精度的（1米以下）激光目標(biāo)指示/測(cè)距的巨大需求。
　　目前一般的商業(yè)激光測(cè)距儀的測(cè)量距離最遠(yuǎn)為10-20公里，這受限于它的動(dòng)態(tài)范圍和測(cè)量敏感度，無(wú)法滿足軍方ISR系統(tǒng)需求。目前絕大多數(shù)的激光測(cè)距儀都是基于脈沖激光的光時(shí)域反射原理，它們由快速光電探測(cè)器和簡(jiǎn)單的分析儀組成，直接探測(cè)從目標(biāo)反射回來(lái)的光脈沖信號(hào)，測(cè)量精度通常為1-10米，這受限于激光的脈沖寬度（相對(duì)3-30nm長(zhǎng)激光脈沖）。激光脈沖越短，測(cè)量精度就越高，同時(shí)激光測(cè)量的帶寬也就要大大提高。這無(wú)疑會(huì)增大探測(cè)的噪聲，從而降低動(dòng)態(tài)測(cè)量距離。由于光電流信號(hào)是成線性正比于反射回來(lái)的光信號(hào)能量，所以這些增強(qiáng)的噪聲就限制探測(cè)信號(hào)的敏感度。正是因?yàn)槿绱?，目前軍用的激光測(cè)距儀最長(zhǎng)的測(cè)量距離只有10-20公里。

　　圖3FMCW技術(shù)在激光測(cè)距上的應(yīng)用

　　基于FMCW技術(shù)原理，NP提供的1550nm超窄線寬光纖激光器能夠廣泛應(yīng)用于幾百公里的激光目標(biāo)指示和激光測(cè)距，從而可以十分低成本地搭建ISR平臺(tái)。一套超遠(yuǎn)距離的激光指示/測(cè)距由激光器、準(zhǔn)直器和接收器、信Δf號(hào)分析儀組成（請(qǐng)見(jiàn)圖3）。窄線寬激光器的頻率成線性快速調(diào)制。通過(guò)測(cè)量從目標(biāo)處反射回來(lái)的的信號(hào)光與參考光一起混頻產(chǎn)生光電流便可獲取遠(yuǎn)處的信息。在FMCW技術(shù)系統(tǒng)中，激光器的線寬或相干長(zhǎng)度決定了測(cè)量的距離和敏感度。線寬低至2Khz的光纖激光器，要比世界上最好的半導(dǎo)體激光器的線寬低2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。這個(gè)重要的特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)幾百公里的激光指示和測(cè)距，而精度高達(dá)1米甚至1米以下。
　　采用這種光纖激光器做成的激光指示/測(cè)量?jī)x要比目前絕大多數(shù)的基于脈沖激光的激光指示/測(cè)量?jī)x擁有諸多優(yōu)勢(shì)，這包括非常長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)距離，非常高的測(cè)量敏感度，對(duì)人眼安全，體形小重量輕，穩(wěn)定牢固以及容易安裝等等。
　　多普勒激光雷達(dá)
　　一般而言，相干雷達(dá)系統(tǒng)要求脈沖激光光源，而且為了能產(chǎn)生外差或零差信號(hào)做多普勒傳感，這些激光器還必須是單頻工作。然而傳統(tǒng)概念上，這種激光器一般都由子激光器、主激光器和復(fù)雜的電路控制三部分組成。其中子激光器是一個(gè)高功率的脈沖激光振蕩器，主激光器是一個(gè)低功率的卻十分穩(wěn)定的連續(xù)激光器，而電控部則主要是用來(lái)控制和維持子激光器能單頻振蕩。毫無(wú)疑問(wèn)，這種傳統(tǒng)的單頻脈沖激光器體積過(guò)于龐大，而且在耐用性和牢固性方面面臨很大的挑戰(zhàn)而無(wú)法走向規(guī)?；?yàn)樗枰?jīng)常很麻煩地對(duì)各敏感分立光學(xué)部件進(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)還要匹配好來(lái)自主激光器的種子信號(hào)能順利耦合進(jìn)子激光器里。
　　NP的單頻、全光纖化的調(diào)Q脈沖光纖激光器可以滿足超強(qiáng)緊湊型的多普勒激光雷達(dá)系統(tǒng)。這種新穎的激光器既可以配合一臺(tái)本地振蕩器單獨(dú)工作，也可以頻率鎖定做脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)，還可以通過(guò)本地振蕩器作為注入激光種子源。反射回來(lái)的多普勒頻移能夠十分容易地通過(guò)檢驗(yàn)參考光與信號(hào)光混頻所產(chǎn)生的光電流來(lái)讀取。由于光纖天然的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，光纖激光器根本不需要光學(xué)對(duì)準(zhǔn)和調(diào)整。同時(shí)除非通過(guò)復(fù)雜的非線性頻率轉(zhuǎn)換，目前的晶體固態(tài)激光器一般都無(wú)法直接輸出對(duì)人眼安全的1550nm波長(zhǎng)，這使得摻鉺光纖激光器更具吸引力，從而成為激光雷達(dá)的最好光源之一。