锥形光纤在光纤传感和光纤激光器上的应用

� � 中图分类号: O436� � 文献标识码: A � � 文章编号: 1009- 2552( 2010) 10- 0113- 06 锥形光纤在光纤传感和光纤激光器上的应用 靖 � 涛, 王艳芳 (泉州师范学院, 泉州 362000) 摘 � 要: 介绍了近年来得到广泛研究的锥形光纤技术的发展现状, 尤其是在光纤传感和光纤激 光器上的应用。在光纤上直接拉制出的锥区可用于制作小型化、一体化、具有许多优良光学特 性的光纤器件。锥形光纤按束腰直径和光纤拉锥区的长度比, 可分为锐锥度光纤 (锥区长度和 锥区的束腰直径较接近 ) 和缓锥度光纤 (锥区的长度远远大于束腰的直径 )。锐锥度光纤可以制 作 M ichelson或者 Mach�Zehnder干涉仪可用来实现折射率传感器; 同时它还可改变激光光斑的强 度分布, 获得平顶光斑输出。利用单模缓锥度光纤可以实现窄线宽可调谐滤波器; 另外基于缓 锥度光纤可以实现多模光纤至单模光纤的转换器。锥形光纤结构紧凑, 制作简单、成本低, 必 将成为多种实用光纤器件的核心。 关键词: 光纤技术; 锥形光纤; 光纤激光器; 光纤传感器 Application of tapered fiber in fiber sensor and fiber laser JING T ao, WANG Y an�fang (Quanzhou N ormal Un iversity, Quanzhou 362000, Ch ina) Abstract: Th is paper g ives a brief introduction of deve lopm ent situat ion o f the recently w ide ly stud ied tapered fiber and a broad v iew o f its applications in f iber sensors and fiber laser. Opt ical dev ices made from fiber taper have lots o f fine properties. Tapered fiberm ain ly consists o f tw o categories: the abrupt taper and the gradual taper, in term s o f the rat io betw een w a ist diameter and the taper leng th. The abrupt taper can act as M ichelson andM ach�Zehnder interferometer, wh ich could be used as refract ive index senso rs; as w e ll as a laser beam shaper , w h ich can converts the Gaussian shaped beam into top�hat beam. The gradual taperedmade from sing le�mode fiber can be se t in to a fiber laser as a tunab le filter. It can a lso realizemultimode to sing lemode transm ission and improve the beam quality w hen it ism ade on a large mode area fiber. Tapered fiber ho ld a variety o f advantages inc luding compact configurat ion, simple manufacture and low cos,t and it is sure to be the core o fmultip le practic le optical dev ices. Key words: fiber technology; tapered f iber; fiber laser; fiber sensor 0� 引言 作为一种新颖的光纤器件, 锥形光纤因其结构 紧凑、制作简单、成本低已经成为近年来国内外的研 究热点。使用简单的锥形光纤可以代替很多昂贵复 杂的光学器件并且能达到相同甚至更好的效果。锥 形光纤根据其束腰半径和锥区长度的比值可分为锐 锥度光纤 (或叫突变锥, 锥区长度和锥区束腰直径 较接近 )和缓锥度光纤 (锥区的长度远远大于束腰 的直径 )。锥形光纤的制作是通过使光纤局部受 热,再在两端施加拉力使得受热部分的光纤直径变 小完成的。锥区被引入光纤后, 会对在光纤中传播 的模式产生显著影响, 不同模式之间会发生能量耦 合和干涉效应,基于这一原理可以实现多种光学元 件,本文就围绕这些应用展示锥形光纤的独特 优势。 � � � � 收稿日期: 2010- 09- 08 作者简介: 靖涛 ( 1959- ) , 女,副教授, 现从事通信与信息系统的 研究。 �113� 1� 锐锥度光纤 1. 1� 利用锐锥度光纤实现 M iche lson干涉仪 光纤 M ichelson干涉仪是基于两路波长相同,具 有一定相位差的激光的干涉叠加, 而相位差是源于 两路激光光程不同 (光纤长度不同, 或者所经介质 不同 )。传统的光纤 M ichelson干涉仪如图 1( a )所 示是用两根光纤作干涉仪的两臂,其中一根长度折 射率都不变,作为参考臂,另一个则长度或折射率可 变,用于感应信号。这种干涉仪最大的问题是参考 臂的稳定性难以保证,影响了干涉仪的精度。 图 1� 光纤 M ichelson干涉仪 � � 而在一根单模光纤上拉制一个突变锥之后 (保 护层被去除 ) ,激光在经过锥区时,在纤芯中传播的 基模能量会部分耦合到包层中成为高阶模, 这些高 阶模和在纤芯中传播的基模传播常数不同, 会产生 相差, 耦合叠加时会产生干涉效应,这就是单根光纤 上的 M iche lson干涉仪的基本原理。纤芯中激光的 传播常数不变, 可以作为 参考光 !, 而包层模的传 播常数依赖于包层外的介质折射率, 因而可以用来 作为外界介质折射率的传感器, 实验表明这种干涉 仪具有较好的稳定性。 加拿大女王大学的 Zhaobing T ian等人在一根 的单模通信光纤 ( Corning SM F- 28)上用熔接 机制作了一个突变锥, 并在光纤末端镀金作为反射 镜,使用广谱光源作为入射光,在输出端用光谱分析 仪 ( OSA )测量反射光谱, 即构成了单根光纤上的 M ichelson干涉仪 [ 1 ]。其结构图 1( b)所示。 观察反射光谱,如图 2所示,可以发现有明显的 干涉特征,当光纤部分浸在水中时,光谱发生了移动 (各峰值强度稍有变化 ), 了其对外界折射率的 传感作用。 图 2� 单根光纤 M ich elson干涉仪反射光谱 (在空气中 ( 0mm )以及在水中 (浸没长度 38mm ) ) � � � 图 3� 溶液折射率与衰减峰值波长的关系 � � 选择一个衰减的峰值位置作为测量光谱移动量 ��m的标准,实验发现,当浸在溶液中的光纤长度保 持不变时, �m 与溶液折射率亦成线性关系, 如图 3 所示,这表明单根光纤上的 M ichelson干涉仪具有很 好的传感特性,光谱移动量和折射率存在简单的线 性对应关系。 根据同样的原理, 仿照传统的 Mach - Zehnder 干涉仪,如图 4所示,在一根单模光纤上使用两个级 联的突变锥, 可以制造出单光纤 Mach- Zehnder干 涉仪,如图 5所示, 也可以用于折射率和应力传感, 实验表明,这种干涉仪同样具有线性的传感特性,如 图 6所示 [ 2 ]。 �114� 图 4� 传统光纤 M ach�Zehnder干涉仪 � 图 5� 单光纤双突变锥 M ach�Zehnd er干涉仪 图 6� 双锥 M ach�Zehnd er干涉仪线性的传感特性 � � 事实上在单根光纤上实现干涉仪还可以使用多 纤芯光纤以及光纤光栅, 但价格昂贵,制作复杂,性 价比均不如锥形光纤。利用突变锥制成的这两种干 涉仪还可以用于应力传感 [ 3] ,弯曲传感 [ 4]等。 1. 2 � 利用锐锥度光纤实现 平顶 !光斑 ( top�hat beam )的输出 利用突变锥导致的模式干涉效应, 可以改变激 光光斑强度分布,可以将原先的高斯型光斑变为平 顶光斑 (光强均匀分布的光斑 )输出。实际上长周 期光纤光栅可以达到相同的效果但制做光纤光栅成 本很高,对工艺精度要求也很高, 而突变锥成本低, 制作简单,因而性价比更高。 在光纤上引入一个 3dB的突变锥,如图 7所示, 能够将纤芯中传播的基模转换为包层模, 即 LP01 模被耦合入包层而成为高阶模 ( LP02 ~ LP09, 主要是 LP05 )传播,如图 8所示。不同的包层模的传播常数 不同, 因此到达观测面时的相位不同,而激光又有极 高的相干性,这些包层模之间会发生干涉,因而可以 实现光束的整形。 图 7� 用于光束整形的 3dB突变锥 图 8� 突变锥对光波模式的影响 � � 加拿大女王大学的 Zhaobing T ian等人在一根 标准的单模通信光纤 ( C orn ing SM F�28)上用熔接机 制作了一个长 700 m,束腰直径为 40 m的突变锥 实现了较好的平顶输出, 如图 9所示 [ 5] , 其平顶部 分的直径为 900 m, 占长个光斑直径 58% , 平顶强 度变化率低于 4% ,半发散角仅为 2. 5∀,其插入损耗 低于 3%。 �115� 图 9� 激光光斑光强分布图 2� 缓锥度光纤 2. 1� 利用单模缓锥度光纤实现窄线宽可调谐滤 波器 在一根单模光纤上拉制一个锥区, 其光纤直径 会减小,模场直径会相应增大。在进入锥区之前,光 以单模形式传播,在锥区, 这些能量会耦合入一些高 阶的模式,经过锥区后,这些高阶模式又会重新耦合 成单模。在锥区主要的高阶模式为 HE11和 HE12模, 在锥区之后这些高阶模和原先的单模叠加会产生干 涉效应, 进而影响输出地转换能量, 产生 拍频行 为!, 即在入射波长不变时, 拉伸锥区可以观察到 转,输出能量不断振荡, 显示出明显的干涉特征, 如 图 10所示。 图 10� 拉制长锥过程中的输出转换能量振荡 图 11� 单模光纤上缓锥区的光谱响应以及对应力的平移响应 � � 从有缓锥区的单模光纤的光谱响应, 如图 11所 示,可以看到输出地转换能量近似呈正弦曲线,并且 当拉伸锥区 (不加热 )时, 光谱会发生整体移动, 形 状不变。这是源于两种主要模式的干涉 ( HE11和 HE12模 ) ,并且波长和作用距离是影响两者相位差 的主要因素。锥区的光谱响应是具有干涉特证的并 且可以通过伸缩锥区进行调谐。因此这种锥可以成 为可调谐的滤波器。 美国亚利桑那大学的 Khanh K ieu等人在掺镱 环形光纤激光器 (图 12)上引入缓锥度锥区, 并通过 伸缩锥区实现了 20nm的连续调谐, 整个激光器的 性噪比高于 45dB[ 6]。用线宽为 0. 05nm可调谐激 光做泵浦光源,通过伸缩锥区,可以实现输出波长在 1546nm ~ 1566. 5nm的 20. 5nm范围内连续调谐, 拉 伸锥区,输出波长蓝移, 缩短锥区, 输出波长红移。 图 13就显示了拉伸量和输出波长, 以及对应的输出 地波长的线性关系, 而波长在 1546nm ~ 1566. 5nm 内调谐时输出功率基本不变。要进一步提高调谐宽 度,需要使用调谐深度更大的锥, 或者使用级联 锥 [ 7- 8]。 �116� 图 12� 掺镱环形光纤激光器 图 13� 拉伸距离与输出波长,输出能量的关系以及斜率效率图 � � 哈尔滨工业大学张云军等人将缓锥度光纤用于 2 m双包层掺 Tm光纤激光器, 将原先的多纵模输 出变味了单纵模输出,如图 14所示 [ 10]。 图 14� 引入锥区前后 2 m 双包层掺 Tm光纤激光器的输出光谱 2. 2� 用缓锥度光纤实现多模光纤至单模光纤的转 换器 英国南安普顿大学光电子研究中心 ( ORC )的 Y ongm in Jung等人在标准光纤上拉制了一个缓锥度 锥区, 实现了对大模场面积光纤的稳定的单模化操 作,即实现了对高阶模式的滤波 [ 9]。它是由两个相 对的锥区和一个均匀的束腰部分组成, 如图 15所 示,可以将光束限制在一个很小的区域内,使得光在 经过它时与外围介质发声强烈的相互作用, 当束腰 区的光纤直径足够小之后, 即当锥区变成了非绝热 锥时,高阶模式会被转换成更高阶的模式或者辐射 模,因而被强烈的衰减, 在输出端输出地模式数就会 减小,甚至可以达到只输出一个基模的水平。并且, 经过 SOW滤波的激光还具有很好的稳定性能,在光 纤弯曲时,光斑基本保持不变,如图 16所示。 图 15� SOW对光波模式的影响 (非绝热锥 ) � � 上海光机所李立波等人在大规模场面积掺镱光 纤激光器上实施拉锥实现了光束质量和光斑亮度的 提高 [ 11]。在引入锥区后, 斜率效率由拉锥前的 71. 8%降到拉锥后的 54. 1%。光束质量因子 M2却 �117� 图 16� 拉锥前后光斑对比以及对光纤弯曲的响应 由 3. 08降至 1. 14,亮度变为原来的 5. 28倍。从光 斑图像 (图 17)可见其形状由拉锥前的不规则变为 了近似高斯分布。 图 17� 拉锥前后光斑光强分布图 3� 结束语 上述锥形光纤的种种应用都是基于锥区对光纤 中光波场模式的影响, 而这种影响既可以被用来作 为一种新的光纤传感原理,也可以被用来改善光束 本身的特性。近期国内外的实验结果表明, 锥形光 纤在光纤传感和光纤激光器中都有着良好的特性, 并且它相对于其他元件有着结构紧凑,易于制作,成 本低廉的巨大优势, 因而很可能在将来称为广泛使 用的光学元件。 参 考 文 献: [ 1] Zhaob ing T ian, S cott S�H. 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Opt icsC omm un icat ion s 281 ( 2008 ) 655- 657. 责任编辑:刘新影 信息天地 2010年国家级两化融合试验区工作座谈会在京召开 � � 日前, 工业和信息化部 国家级两化融合试验 区工作座谈会!在北京召开。工业和信息化部副部 长杨学山出席会议并做重要讲话。杨学山在讲话中 指出, 今年两化融合工作取得显著进展。一是试验 区对两化融合工作做到了心中有数, 并逐步走向成 熟和化;二是试验区两化融合工作思路逐步清 晰,初步形成了套路; 三是各地对两化融合工作做了 重要部署,也取得了积极成效。 杨学山在讲话中还提出了两点要求。首先是编 制好明年的两化融合工作计划,将两化融合融入 十 二五!相关规划中。目前许多企业两化融合水平与国 内外先进企业相比还具有较大差距,要紧紧把握信息 化条件下的生产和服务、信息化条件下的管理和决策 以及信息化条件下的研发和创新三大主线,统筹地安 排好两化融合工作的方向、目标和路径,构筑清晰的 工作蓝图;其次是对照年初确定的计划,结合今年部 内和地方部署,抓紧工作,充分体现两化融合对工业 和经济发展的推动作用,创造可以推广的新鲜经验, 高质量地完成今年的两化融合工作任务。 �118�