光纖激光器以其易於(yu) 熱控管理、轉換效率高、輸出穩定、寬增益帶寬、模式選擇簡單且泵浦功率要求低等優(you) 點而得到了廣泛的應用。將其用於(yu) 傳(chuan) 感應用的光纖傳(chuan) 感器具有靈敏度高、可遠程實時監測、抗電磁幹擾、耐腐蝕等優(you) 點，被廣泛應用於(yu) 生物化學、工程監控和航空航天等諸多領域。本文簡要介紹了可調諧光纖激光器的發展現狀並距離說明了在應力、折射率、溫度、壓力、聲波及磁場等方麵傳(chuan) 感應用的實施方案。

1. 引言

早在1964年Snitzer和Koester首次提出並發明了光纖激光器[1]，在70年代由於(yu) 低損耗光纖[2]和室溫激光二極管[3]的出現光纖激光器得到了進一步的發展。1985年，S.Poole等人利用改進後的化學氣相沉積法製作出了第一個(ge) 低損耗的摻Nd光纖[4]，此後人們(men) 開始對各種不同結構和不同摻雜元素的光纖激光器展開了的廣泛的研究。

相較於(yu) 傳(chuan) 統的固體(ti) 激光器，光纖激光器具有很多優(you) 點。首先，光纖增益介質的幾何形狀本身就具有很大的表麵積，腔內(nei) 產(chan) 生的熱量很容易散發到空氣或者周圍介質中，不需要設計額外的熱沉而隻需使用簡單的冷卻裝置就能夠在較高輸出功率下進行有效的散熱並得到較好的光束質量[5]。其次，光纖激光器由於(yu) 其具有較長的有源腔長和較細的導引光纖使得電光轉換效率遠高於(yu) 傳(chuan) 統固體(ti) 激光器，不需要太高的泵浦功率就可以得到有效的激光[6]。此外，光纖的波導結構對激光光束的限製作用也保證了輸出光束的質量，不容易出現傳(chuan) 統固體(ti) 激光器經常出現的熱致模式失真的現象。同時，全光纖的結構也不需要自由空間光學元件的使用從(cong) 而放鬆了在傳(chuan) 統激光器中嚴(yan) 格的校準和機械穩定性要求，簡化了激光器結構和使用，有助於(yu) 實現激光器的小型化，提高激光器的穩定性。上述的這些優(you) 點使得光纖激光器在眾(zhong) 多領域都具有很高的科學研究和商業(ye) 應用價(jia) 值。

光纖激光器原理示意圖

隨著光纖製造工藝、光纖器件以及高功率泵浦源的不斷發展，光纖激光器在輸出功率、光束質量、輸出光波段、譜寬壓縮和脈衝(chong) 持續時間等方麵都獲得了顯著提升，這也促進了光纖激光器在光纖傳(chuan) 感領域的應用。利用光纖激光器自身具有的優(you) 良性質，通過輸出光的變化進行解調可以對待測物理量的進行實時監測。早在1993年，Serge M. Melle等人就提出了一種調節布拉格光柵的光纖激光器應力傳(chuan) 感係統[7],將摻鉺光纖、寬帶反射鏡和光纖光柵組成光纖激光器，其輸出波長即取決(jue) 於(yu) 用於(yu) 應力測量的光纖光柵從(cong) 而實現一個(ge) 自供給的光纖激光器應變傳(chuan) 感器。此外，將光纖激光器與(yu) 布拉格光柵陣列進行組合，還能夠同時對多個(ge) 位置的物理量變化進行測量，實現覆蓋麵更廣、實用性更強的大範圍分布式傳(chuan) 感。上述這些光纖激光傳(chuan) 感器在過去的數十年內(nei) 發展得相對成熟，並且已經廣泛應用在眾(zhong) 多科學研究和實際生產(chan) 中。

2. 主要類別

2.1 應力傳(chuan) 感器

應力在生活中非常普遍，對它的監測具有非常廣泛的應用範圍，如大型機械的結構穩定性檢測以及橋梁和隧道等設施的健康監控等都需要對應變進行精密測量。而基於(yu) 光纖激光器的應力傳(chuan) 感器靈敏度高、抗電磁幹擾、耐腐蝕且實施方案靈活，在應力監測方麵被廣泛應用於(yu) 工程實踐中。

如下圖所示為(wei) 雙穩頻反饋環路光纖應變傳(chuan) 感器[8]，該傳(chuan) 感器頻率範圍可以從(cong) 準靜態到幾百赫茲(zi) ，由用於(yu) 應變傳(chuan) 感的π相移光纖布拉格光柵和作為(wei) 參考的光纖法布裏-珀羅幹涉儀(yi) 組成。係統使用Pound-Drever-Hall技術來產(chan) 生誤差信號，激光載波和邊帶分別通過兩(liang) 個(ge) 獨立的反饋回路鎖定到參考元件和傳(chuan) 感元件。其應變分辨率在0.01-250Hz的帶寬內(nei) 具有出1/f的特性，在10Hz的頻率下應變分辨率優(you) 於(yu) 0.01nε，動態範圍高達149dB。與(yu) 傳(chuan) 統的靜態應變傳(chuan) 感器相比，這種傳(chuan) 感器在分辨率和傳(chuan) 感帶寬方麵都有很大的提高，可以成為(wei) 地球物理研究應用中的有力工具。

基於(yu) FP腔和隨機鏡的光纖應力傳(chuan) 感器

2.2 折射率傳(chuan) 感器

在生物、化學等學科的研究以及材料製造、醫學檢測等實際應用場合中，對於(yu) 折射率的檢測一直是至關(guan) 重要的一個(ge) 環節。光纖在折射率傳(chuan) 感方麵具有很明顯的優(you) 勢，它的重量輕、體(ti) 積小、靈敏度高、帶寬大和抗電磁幹擾的特性，吸引了許多研究者的注意。近年來，在光纖激光折射率傳(chuan) 感器的研究方麵，也取得了非常顯著的成果。

如下圖所示為(wei) 一種基於(yu) 線性腔雙波長摻鉺光纖激光器的折射率傳(chuan) 感器[9]，該傳(chuan) 感器的基本結構為(wei) 線性腔，使用了兩(liang) 個(ge) 中心波長相隔小於(yu) 1nm的光纖布拉格光柵（FBG）。由於(yu) 兩(liang) 個(ge) FBG具有相同的EDF增益介質，因此會(hui) 在腔內(nei) 發生增益競爭(zheng) 。當傳(chuan) 感元件，即一段15mm長的微光纖浸入到待測溶液中時，某一波長的光會(hui) 發生光功率損耗。兩(liang) 個(ge) FBG在1.300至1.335的折射率範圍內(nei) 分別具有-231.1dB/RIU和42.6dB/RIU的靈敏度，兩(liang) 個(ge) FBG波長的相對功率變化具有更高的靈敏度-273.7 dB/RIU，由於(yu) 降低了光源抖動和外部幹擾而具有更好的穩定性。這種雙波長增益競爭(zheng) 折射率傳(chuan) 感器由於(yu) 其高靈敏度和簡單的結構，在化學和生物化學傳(chuan) 感領域具有廣泛的應用潛力。

雙波長光纖折射率傳(chuan) 感器

2.3 溫度傳(chuan) 感器

在溫度傳(chuan) 感方麵，如下圖所示為(wei) 一種基於(yu) 法布裏-珀羅混合腔和隨機鏡組合的光纖激光溫度傳(chuan) 感器[10]，法布裏-珀羅混合腔是由單模光纖與(yu) 一小段懸浮芯光纖熔接構成，隨機鏡是由多個(ge) 瑞利散射沿著色散補償(chang) 光纖傳(chuan) 播時產(chan) 生的，是光纖中拉曼增益的直接結果。在該結構中法布裏-珀羅腔同時具有激光反射鏡和溫度傳(chuan) 感腔兩(liang) 個(ge) 功能。該光纖激光溫度傳(chuan) 感器在 15nm的波長範圍內(nei) 最大輸出功率大約為(wei) 4mW，同時可以在200℃的測量範圍內(nei) 溫度靈敏度達到約6pm/℃。

基於(yu) FP腔和隨機鏡的光纖溫度傳(chuan) 感器

2.4 壓力傳(chuan) 感器

在極端環境中如石油或地熱井中溫度高達130℃以上，傳(chuan) 統的電傳(chuan) 感器無法滿足持久的壓力監測需求，與(yu) 此同時能夠測量液體(ti) 或氣體(ti) 壓力的光纖激光傳(chuan) 感器引起了人們(men) 的興(xing) 趣。如下圖所示為(wei) 用於(yu) 測量流體(ti) 靜壓的偏振式法布裏-珀羅光纖激光傳(chuan) 感器[11]，使用雙折射光纖光柵和兩(liang) 段橢圓芯摻鉺光纖，基於(yu) 正交極化和拍頻原理，流體(ti) 作用在激光腔中的其中一個(ge) 橢圓芯光纖上，產(chan) 生兩(liang) 個(ge) 正交偏振模式的微分相位的偏移，從(cong) 而產(chan) 生相應縱向激光模式的拍頻的變化。另一個(ge) 光纖的橢圓芯方向具有90°偏移，補償(chang) 了溫度引起的相移。雙折射光纖布拉格光柵反射器中的色散用於(yu) 消除給定階次的偏振模式拍頻的近簡並性，該傳(chuan) 感器能夠測試的流體(ti) 壓力達100MPa。

基於(yu) FP的光纖流體(ti) 壓力傳(chuan) 感器

2.5 聲波傳(chuan) 感器

如下圖所示為(wei) 一種用於(yu) 聲波探測的高頻光纖激光傳(chuan) 感器[12]，超聲波能夠使光纖激光腔發生形變，引起外差輸出信號的頻率變化。傳(chuan) 感器在22MHz處發生頻率響應，其寬帶聲學傳(chuan) 感靈敏度為(wei) 2.25MHz/kPa，當采樣率為(wei) 100 MHz時，噪聲當量壓力達到45Pa。其針對球麵波的檢測帶寬達到18 MHz。沿光纖縱向的靈敏度隨激光空間模式而變化，並由光柵和腔這兩(liang) 個(ge) 參數決(jue) 定。在徑向方向上，靈敏度與(yu) 聲源和檢測器之間的距離的平方根成反比。通過減小腔的長度可以增強聲學靈敏度，短腔可以顯著提高傳(chuan) 感器的光生顯微鏡（PAM）對比度和穿透深度。

基於(yu) 寬帶光纖激光器的超聲傳(chuan) 感器

2.6 磁場傳(chuan) 感器

如下圖所示是用於(yu) 磁場檢測的基於(yu) 磁流體(ti) 的光纖環形激光傳(chuan) 感器[13]，在激光環型腔中接入塗覆有磁流體(ti) 的單模-無芯-單模光纖結構，可以同時作為(wei) 帶通濾波器和磁場傳(chuan) 感元件。基於(yu) 自映像效應，外界磁場改變時會(hui) 通過作用於(yu) 磁流體(ti) 從(cong) 而改變單模-無芯-單模光纖結構的濾波參數即輸出光譜波長，得到的帶通濾波邊模抑製比為(wei) 14 dB，插入損耗約為(wei) -1.03 dB。當外界磁場增大時，激光波長藍移。在15.9 Oe到222.3 Oe的磁場範圍內(nei) 傳(chuan) 感靈敏度為(wei) 12.05 pm/Oe。該傳(chuan) 感器具有高信噪比的輸出光譜、窄帶寬和高Q值等優(you) 點。

3. 總結

本文對光纖激光器的發展曆程和研究現狀進行了簡介，並介紹了光纖激光器在不同傳(chuan) 感應用下的傳(chuan) 感結構和實現原理。隨著科學研究和工程應用的需求不斷增加，用於(yu) 測量各種物理量的光纖激光傳(chuan) 感器得到了廣泛的研究和快速的發展，近年來尤其在聲波和磁場等一些不太常見的領域都有了長足的發展。隨著關(guan) 於(yu) 光纖激光器性能的不斷提高，以及更多光纖傳(chuan) 感結構和解調方法的實現，將會(hui) 產(chan) 生具有更優(you) 性能光纖激光傳(chuan) 感器並廣泛應用到各領域科學研究和實際工程中。

 參考文獻：

[1] Koester C J, Snitzer E. Amplification in a fiber laser[J]. Applied optics, 1964, 3(10): 1182-1186.

[2] Kapron F P, Keck D B, Maurer R D. Radiation losses in glass optical waveguides[J]. Applied Physics Letters, 1970, 17(10): 423-425.

[3] Hayashi I, Panish M B, Foy P W, et al. Junction lasers which operate continuously at room temperature[J]. Applied Physics Letters, 1970, 17(3): 109-111.

[4] Poole S B, Payne D N, Fermann M E. Fabrication of low-loss optical fibres containing rare-earth ions[J]. Electronics Letters, 1985, 21(17): 737-738.

[5] Tünnermann A, Schreiber T, Limpert J. Fiber lasers and amplifiers: an ultrafast performance evolution[J]. Applied optics, 2010, 49(25): F71-F78.

[6] Jeong Y C, Boyland A J, Sahu J K, et al. Multi-kilowatt single-mode ytterbium-doped large-core fiber laser[J]. Journal of the Optical Society of Korea, 2009, 13(4): 416-422.

[7] Melle S M, Alavie A T, Karr S, et al. A Bragg grating-tuned fiber laser strain sensor system[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 1993, 5(2): 263-266.

[8] Chen J, Liu Q, Fan X, et al. Ultrahigh resolution optical fiber strain sensor using dual Pound–Drever–Hall feedback loops[J]. Optics letters, 2016, 41(5): 1066-1069.

[9] Wang S, Liu S, Ni W, et al. Dual-wavelength Highly-sensitive refractive index sensor[J]. Optics express, 2017, 25(13): 14389-14396.

[10] Pinto A M R, Lopez-Amo M, Kobelke J, et al. Temperature fiber laser sensor based on a hybrid cavity and a random mirror[J]. Journal of Lightwave Technology, 2012, 30(8): 1168-1172.

[11] Bohnert K, Frank A, Rochat E, et al. Polarimetric fiber laser sensor for hydrostatic pressure[J]. Applied optics, 2004, 43(1): 41-48.

[12] Bai X, Liang Y, Sun H, et al. Sensitivity characteristics of broadband fiber-laser-based ultrasound sensors for photoacoustic microscopy[J]. Optics express, 2017, 25(15): 17616-17626.

[13] Bai X, Yuan J, Gu J, et al. Magnetic field sensor using fiber ring cavity laser based on magnetic fluid[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2016, 28(2): 115-118.