光子晶体光纤布里渊温度传感系统实验.doc

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1、密 级学 号070240毕 业 设 计（论文）光子晶体光纤布里渊温度传感系统实验院（系、部）：机 械 工 程 学 院姓 名：班 级：测071专 业：测控技术与仪器指导教师：黄民双教师职称：教授 2011年 6 月 16 日北京北 京 石 油 化 工 学 院毕 业 设 计 （论 文） 任 务 书学院（系、部） 机械工程学院 专业 测控技术与仪器 班级 测07-1 学生姓名 姚 邈 指导教师/职称 黄民双 / 教授 1.毕业设计（论文）题目光子晶体光纤布里渊温度传感系统实验2.任务起止日期：2011 年 2 月 21 日 至 2011 年 5 月 28 日3.毕业设计（论文）的主要内容与要求一设计

2、任务1、查阅相关资料，了解光纤Brillouin传感器，明确设计任务。分析光纤Brillouin温度传感原理与探测方法，掌握各光学器件或仪器的原理作用和使用方法，对光路系统进行调试。测量光子晶体光纤中温度变化时的Brillouin散射谱，对测量数据进行分析处理，获得光子晶体的温度Brillouin频率变化曲线。外文资料翻译不少于2万字符。参考文献15篇，其中外文翻译3篇以上。 2、提交成果 1）英文翻译一份（包含英文原文）。 2）开题报告一份。 3）BOTD分布式光纤传感器实验系统图 4）毕业设计一份。二、主要参考文献1.有关光纤传感技术的书籍1-3本；2.有光电器件的书籍2-3本；3.有关分

3、布式Brillouin传感器的文章不少于10篇；4.与题目相关课题研究文章不少于6篇；三、进度计划及指导安排工作安排日期毕业设计动员，公布毕业设计（论文）要求及有关规定，毕业设计任务书下达给学生，使学生明确自己所需完成的任务和具体要求，清楚毕业设计规定的期限和毕业设计的进度。并进行分析设计题目与内容，讲解注意事项及设计方法。第1周资料查阅，熟悉布里渊散射原理。第1-2周外文资料的查阅、整理，翻译2万字符的外文资料，写文献综述。第3周搜集、分析、整理文献资料和实习资料，写出开题报告。第4周完成基于光子晶体的分布式光纤Brillouin传感器的原理分析。第5周完成基于BOTDA法的Brilloui

4、n散射信号的探测原理与方法分析；第6-7周完成温度变化时Brillouin散射谱的测量，基于光子晶体光纤Brillouin温度测量系统光路设计。第8-9周中期检查，检查学生工作日记、文献翻译、开题报告及任务所要求的相应内容。第10周对上面的数据进行数据拟合，做出各温度下的布里渊频移-温度曲线和不同温度下的频差曲线。第11-12周完成毕业设计（论文）包括（中英文摘要、文献综述、研究报告、参考文献等）第13-14周上交毕业设计（论文），答辩。第15周指导安排：每周二上午9：0011：00，每周五10：0012：00为固定集中指导与讨论时间，其它时间随时可以交流。地点：信息楼B206任务书审定日期

5、年 月 日 系（教研室）主任（签字） 任务书批准日期 年 月 日 教学院（系、部）院长（签字） 任务书下达日期 年 月 日 指导教师（签字） 计划完成任务日期 年 月 日 学生（签字） 摘 要光子晶体光纤具有高非线性特性和高双折射效应，是现代光纤通信、光纤传感、光纤器件研究的新型材料，本项目是研究光子晶体光纤的温度对布里渊频移的影响，具有很重要的意义。本文首先介绍了分布式布里渊光纤传感器的研究背景、研究状况和发展趋势，然后阐述了光子晶体光纤布里渊测量原理，建立了基于布里渊散射的NL-1550-POS-1光子晶体光纤的温度测量实验装置，系统由一台NP Photonics激光器、一台TeraXio

6、n 激光器、高速探测器、声光调制器、频谱分析仪及相关光纤耦合连接器件组成，并对各个部分的设计要求、器件原理及选择等进行了描述。分别测试了在25、35、45、55四个温度条件下的布里渊散射谱，利用洛伦兹曲线拟合了四个温度下的高非线性光子晶体光纤布里渊散射谱线。结果表明，布里渊频移的温度系数为1.53MHz/，略大于普通单模光纤的布里渊频移温度系数。关键词：布里渊散射，光子晶体光纤，布里渊频移温度系数AbstractPhotonic crystal fiber(PCF) with the characteristic of high nonlinearity and high birefringe

7、nce effect, which is the new material of modern optical fiber communication, optical fiber sensing and fiber-optic-components-researching. Our project would be to study the influence with temperature of PCF for Brillouin frequency shift, which inclouding very important significance. The research bac

8、kground was introduced firstly, which of researching status and development trend of distributed Brillouin fiber sensor, and then describing the measurement apparatus of PCF Brillouin, we established NL-1550-POS-1 photonic crystals optical fiber temperature which based on Brillouin scattering, this

9、system consists of a laser of NP Photonics, a laser of TeraXion, high-speed detectors, acousto-optic modulator, spectrum analyzers and devices composed of fiber-coupled connections, and expanded the design requirements, the device principle and selection of each part on. Experiments tested the Brill

10、ouin scattering spectrum at the temperature of 25,35,45,55, then use the Lorentz curve fitting the Brillouin nonlinear photonic crystal fiber scattering spectrum line of the four temperature. The results show that the Brillouin frequency shift of the temperature coefficient is 1.53MHz/, which slight

11、ly larger than the ordinary single-mode fiber Brillouin frequency shift temperature coefficient.Key words：Brillouin scattering, temperature coefficient of Brillouin frequency shift 目 录第一章 引言11.1 选题背景及研究意义11.2 国内外研究状况及发展趋势21.3 设计目标及内容4第二章 光子晶体光纤的布里渊温度测量原理52.1 光子晶体光纤52.1.1光子晶体光纤概述53.1.2 NL-1550-POS-1光

12、子晶体光纤63） 光纤的性能展示62.2 布里渊频移与温度的关系82.2.1 光纤中的布里渊散射82.2.2 光纤中布里渊散射的传感原理92.3布里渊散射光的放大技术102.3.1 问题提出102.3.2 布里渊散射放大原理10第三章 光子晶体光纤布里渊散射的温度测量系统123.1基于布里渊散射的温度测量系统的原理及组成123.2 实验系统中的其他组成部分133.2.1 NP Photonics激光器133.2.2 TeraXion 激光器163.2.2 探测器183.2.3 频谱分析仪213.2.4光耦合器213.2.5 环形器23第四章 实验步骤及结果244.1 实验系统的基本组成244.

13、2 布里渊散射谱实验步骤254.3实验数据274.4 实验数据拟合294.4.1对数据进行洛伦兹拟合294.4.2计算布里渊频移温度系数32五 结论33参考文献34致 谢35声 明36第一章 引言为了更好的研究分布式光纤传感器系统，本章对它的背景，研究意义和发展趋势等内容进行了详细介绍。1.1 选题背景及研究意义20 世纪 60 年代，激光的诞生在短短的几十年内就渗透到我们社会的各个领域。它作为跨学科的新技术，是一门既属于电子学又属于光学的光电子技术。激光技术最显著的特征是它对其他技术的广泛渗透性。由于激光具有色域宽，彩色饱和度高，易于控制等特点，在显示领域越来越受到人们的关注其中近几十年来，

14、激光扫描的研制和应用已经越来越受到人们的重视，它已经在半导体集成电路、生物、医学、地质等领域中得到了广泛的应用。激光扫描成像系统的研究工作首先是在美国的珀金-埃尔默公司开始的，并在 1963 年该公司提出了专利申请。70 年代以来，激光扫描成像系统的发展工作主要集中在两个方面：一是研制采用其它激光器做光源的扫描成像系统；二是发展激光扫描三维成像系统。目前，激光扫描主要有：机械转镜振镜系统扫、检流计扫描、谐振镜扫描和全息扫描等方式。其中机械转镜-振镜系统扫描因精度高、扫描角大、光损耗小、适于各种波长的扫描、抗干扰性能强、回转速度快、结构简单直观而受到广泛应用。激光扫描成像系统的应用十分广阔：1)

15、该系统不仅进行扫描，对场景的反射系数信息进行收集，而且还能进行激光测距，而获得距离信息，然后将反射系统信息与距离信息整合，得到场景的三维影像。2)该系统可以用于夜间侦察。由于此种侦察装置不需要闪光灯或其它大面积照明光源,就能得到非常清晰的高分辨率的图像，所以大大提高了载机在对方上空的生存能力。3)这钟装置也可用于敌我识别、地形测绘、夜间搜寻与救援以及环境的保护与监视等。4)随着激光、红外、微光、电视、光纤、全息和现代光学技术的发展以及它们与计算机技术、电子技术相结合，使得光电子技术、激光扫描成像技术在侦察、导航、制导、火控、指挥、控制、通信等军事领域的应用日益广泛。在未来的战争中，所产生出来的

16、各种各样的威胁将日益严重，因而如何对抗这种光电威胁是摆在我们面前的重要问题。激光武器的技术难度大，研制周期长，而且有一定危险。要研制出实用有效的扫描成像系统、激光武器，必须解决的关键技术问题：一是研制出具有足够能量和光束质量优异的高能激光器；二是研制出精密的瞄准跟踪系统；三是研制抗辐射的光束控制发射系统；四是弄清激光大气传输效应以及激光对靶材的破坏机理。5)在信息化的战争中，战争胜负决定于敌对双方掌握信息与信息技术的广度与深度.信息不仅是兵力倍增器，它本身就是武器和目标，是双方必争的制高点。利用激光技术、光电子技术、成像技术、计算机技术相结合制成的战争武器，其命中率远高于昂贵的炮击和轰炸，费效

17、比大为提高。这种技术革命已改变了现代局部战争的局面，现代化的局部战争，将是高科技的战争。战略激光武器将是未来战略威慑力量的一个重要组成部分，在积极发展激光武器的同时，全国及世界都在大力研制对抗激光武器的措施，预计激光武器领域中的对抗与反对抗的战争也必将趋于日益激烈。1.2 国内外研究状况及发展趋势自从Horiguchi和Culverhouse等人首次分别提出利用布里渊散射频移特性作为分布式应变和温度传感以来，在世界范围内，众多研究人员展开了基于布里渊散射的传感系统的研究，取得了可喜的成绩。目前，基于布里渊散射的温度/应变传感技术的研究主要集中在三个方面： (1)基于布里渊光时域反射(BOTDR

18、)技术的分布式光纤传感技术。(2)基于布里渊光时域分析(BOTDA)技术的分布式光纤传感技术。(3)基于布里渊光频域分析技术(BOFDA)的分布式光纤传感技术。初期的布里渊散射光纤温度传感系统与基于瑞利散射和喇曼散射的光纤温度传感系统类似，也是测量背向散射光的光学性质(强度、频移)，以此获得温度的变化信息。背向的布里渊散射的光信号强度介于瑞利散射和喇曼散射之间，大约为入射光强度的10-510-6，比瑞利散射的强度约小两个数量级，检测起来较为困难。初期的布里渊系统主要使用光电技术将微弱的布里渊散射信号从背向的散射信号中(主要是瑞利散射)分离出来，再进行强度、频移等方面的测量,这样的方法由于布里渊

19、散射光强度本身较弱，所达到的探测距离和探测精度并不十分令人满意3。日本的T. Horiguchi等人于20世纪90年代初提出了基于布里渊散射的光时域分析技术(BOTDA: Brillouin Optical Time-Domain Analysis)，采用受激布里渊散射效应对布里渊散射光进行了放大,显著地提高了信噪比，从而使得探测距离和探测精度得到了大幅提高。这项技术的原理如图1-1所示。图1-1 布里渊散射技术原理与初期的布里渊系统使用一台激光器作为入射光源不同，基于这项技术的温度传感系统使用了两台激光器。处于光纤两端的这两台可调谐激光器分别将一束脉冲光(泵浦激光)与一连续光(探测光)射入光

20、纤，当泵浦光与探测光的频率差与光纤中某区域的布里渊频移相等时，在该区域就会产生受激布里渊散射效应,两光束之间发生相互的能量转换。当脉冲光的频率高于连续光的频率时，脉冲光的能量向连续光转移，这种传感方式称为布里渊增益型；当脉冲光的频率低于连续光的频率时，连续光的能量向脉冲光转移，这种传感方式称为布里渊损耗型。如果光纤上的温度呈均匀分布，则布里渊增益型传感方式会引起脉冲光能量的急剧降低，难以实现长距离探测。布里渊损耗型传感方式则会使脉冲光能量升高，从而实现长距离探测，因此目前大部分的BOTDA系统都采用布里渊损耗方式实现。由于布里渊频移与温度变化存在线形关系，对两激光器的频率进行连续调节和扫描的同

21、时，通过检测从光纤一端耦合出来的连续光的功率，就可确定光纤各小段区域上能量达到最大时所对应的频率差，从而获得光纤的温度信息，实现分布式测量。BOTDA系统的探测距离和探测精度较其他两种散射系统有了显著的提高，理论上探测距离可以达到100 km，探测精度可以达到0.1的温度分辨率和0.15 m的空间分辨率。加拿大渥太华大学的鲍晓毅等人已经实现了光纤长度为51 km的温度探测，对于距离较短的光纤(13 km)，使用BOTDA系统达到了1 m的空间分辨率和1的温度分辨率4。基于布里渊散射的分布式光纤传感器继承了分布式光纤传感器的优点，对于单一分布参数的测量有很高的精度和空间分辨率，但目前主要集中在温

22、度和应变，对于其它分布信息的测试将是它发展的一个重要热点。 用一套基于布里渊散射的分布式光纤传感器来同时测试多种分布信息是提高传感器性价比的很有价值的措施，目前只有人初步从理论和实验方面研究同时测量温度和应变，同时测试更多的分布信息还是空白，在这一点上理论和算法的突破是主要障碍。现在对于布里渊散射的分布式光纤传感器的研究还只是基于单根光纤并在光纤轴向上探测信息的一维的传感器，随着探测范围和信息量的增大仍将有局限性。所以我认为基于二维的分布式光纤传感器网络将是光纤传感器发展的一个重要方向5，它将可快速准确地传感大范围的分布信息，这将极大地推动智能复合材料等领域的研究进程，也将使飞机智能分布信息测

23、试研究进人一个新阶段。当然，伴随着基于布里渊散射的分布式光纤传感器的发展，温度测试范围和精度不断提高，也为信号处理算法和技术提出了更高的要求6，这也是光纤传感器发展中的一个重要问题。1.3 设计目标及内容1）根据相关资料，了解光纤Brillouin传感器。2）分析光纤Brillouin温度传感原理与探测方法，掌握各光学器件或仪器的原理作用和使用方法，设计光路系统并进行调试。3）测量光子晶体光纤中温度变化时的Brillouin散射谱，对测量数据进行分析处理，获得光子晶体的温度Brillouin频率变化曲线。第二章 光子晶体光纤的布里渊温度测量原理本章介绍光纤布里渊散射的原理和基本方法。2.1 光

24、子晶体光纤2.1.1光子晶体光纤概述图2-1 光子晶体光纤截面图光子晶体的概念最早出现在1987年，当时有人提出，半导体的电子带隙有着与光学类似的周期性介质结构。其中最有发展前途的领域是光子晶体在光纤技术中的应用。它涉及的主要议题是高折射率光纤的周期性微结构（它们通常由以二氧化硅为背景材料的空气孔组成）。这种被谈论着的光纤通常称之为光子晶体光纤（PCFs），这种新型光波导可方便地分为两个截然不同的群体。第一种光纤具有高折射率芯层（一般是固体硅），并被二维光子晶体包层所包围的结构。这些光纤有类似于常规光纤的性质，其工作原理是由内部全反射（TIR）形成波导；相比于传统的折射率传导，光子晶体包层的有

25、效折射率允许芯层有更高的折射率。因此，重要的是要注意到，这些我们所谓的内部全反射光子晶体光纤（TIR-PCFs） ，实际上完全不依赖于光子带隙（ PBG ）效应。与TIR-PCFs截然不同的另一种光纤，其光子晶体包层显示的是光子带隙效应，它利用这种效应把光束控制在芯层内。这些光纤（PBG-PCFs）表现出可观的性能，其中最重要的是能力控制和引导光束在具有比包层折射率低的芯层内传播。相比而言，内部全反射光子晶体光纤（TIR-PCFs）首先是被制造出来的，而真正的光子带隙传导光纤（PBG-PCFs）只是在近期才得到实验证明。2.1.2 NL-1550-POS-1光子晶体光纤1） 光纤的技术指标高非

26、线性光子晶体光纤通过实心的二氧化硅纤芯导光，包层由周期性排列的带有空气孔的石英管构成。具有传统光纤不具备的特殊性能。NL-1550-POS-1 高非线性光子晶体光纤通过对光纤纤芯的特殊设计，得到了类似于抛物线形状的色散曲线，在电信波长范围（1550nm）得到非常平坦的色散曲线。NL-1550-POS-1 比较小的正色散值能够支持光子传播，这使得该光纤在某些特定的应用领域变得有吸引力，例如超连续光谱产生，光参量放大等。表2-1为NL-1550-POS-1光子晶体光纤的技术指标。表2-1 光子晶体光纤的技术指标参数单位指标色散 1510-1620nmps/nm/km0.5色散 1480-1620n

27、mps/nm/km1.5衰减1510-1620nmdB/km9模场直径1550nmum2.80.5数值孔径1550nmNA0.400.5非线性系数1550nmW-1km-111熔接损耗1550nmdB0.5dB纤芯直径纤芯直径um2.10.3（三角形纤芯平均直径）包层直径um1285涂覆层直径um25010涂覆层材料单层丙烯酸聚酯纤芯和包层材料纯二氧化硅2） 光子晶体光纤的主要特性u 无截止单模u 灵活的色度色散u 小纤芯模场直径u 高非线性系数u 高双折射效应3） 光纤的性能展示分散度和衰减量是反映光纤性能的两个重要指标，图2-2、图2-3分别反应了光纤分散度、衰减量与光纤内传播光波长的关系

28、。图2-2 光纤内光波长与分散度的关系图2-3 光纤内光波长与衰减量的关系2.2 布里渊频移与温度的关系 2.2.1 光纤中的布里渊散射在光纤中传播的光波，其大部分是前向传播的，但由于光纤的非结晶材料在微观空间存在不均匀结构，有一小部分光会发生散射。光波在光纤中传播时，主要产生3种散射：瑞利、布里渊和喇曼散射。3种散射中，瑞利散射对温度不敏感，布里渊和喇曼散射对温度均敏感。布里渊散射的温度灵敏度为0.3%-1，喇曼散射的温度灵敏度为0.8%-1，但布里渊散射强度比喇曼散射高1个数量级，信噪比相对提高。因此，利用布里渊散射进行温度的分布式测量可以获得更高的温度分辨力和更远的传输距离。布里渊散射是

29、光波和声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散射过程，在不同的条件下，布里渊散射又分别以自发散射和受激散射两种形式表现出来7。光在光纤中传播时，因光纤分子的布朗运动而产生的声子与光子会产生非弹性碰撞，从而引起自发的布里渊散射。由此产生的布里渊散射光的频率相对于入射光有一个频移，称为布里渊频移。自发布里渊散射可用量子物理学解释如下：一个泵浦光子转换成一个新的频率较低的斯托克斯光子并同时产生一个新的声子；同样地，一个泵浦光子吸收一个声子地能量转换成一个新的频率较高地反斯托克斯光子。因此在自发布里渊散射光谱中，同时存在能量相当地斯托克斯和反斯托克斯两条谱线，其相对于入射光的频移大小与光纤材料声子的特性

30、又直接关系8。当大功率的入射光在光纤中传播时，光纤会产生电致伸缩效应，并产生出声波(与分子布朗运动所引起的声波不同)，该声波的产生会加剧布里渊散射现象的发生，激发出的布里渊散射光又加强了声波，从而产生出很强的布里渊散射现象，称为受激布里渊散射。具体过程是：当泵浦光在光纤中传播时，其自发布里渊散射光沿泵浦光相反的方向传播，当泵浦光的强度增大时，自发布里渊散射的强度增加，当增大到一定程度时，反向传输的斯托克斯光和泵浦光将发生作用，使光纤局部折射率大大增加，这样由于电致伸缩效应，就会产生一个声波，声波的产生激发出更多的布里渊散射光，激发出来的散射光又加强声波，如此相互作用，产生很强的散射，这就是受激

31、布里渊散射（SBS）。相对于光波而言，声波的能量可以忽略，因此在不考虑声波的情况下，这种SBS过程可以概括为频率较高的泵浦光的能量向频率低的斯托克斯光转移的过程。这样受激布里渊散射可以看成仅仅是在有泵浦光存在的情况下在电致伸缩材料中传播的斯托克斯光经历了一个光增益的过程。在受激布里渊散射中，虽然理论上反斯托克斯和斯托克斯光都存在，一般情况下只表现为斯托克斯光9。当环境温度发生变化时，光纤中声速和光纤的折射率都会随之变化，从而使布里渊频移和布里渊散射光强度发生变化，实验研究表明布里渊频移的大小与环境温度变化成线形关系。因此通过测量光纤中不同位置获得的布里渊频移和布里渊散射光强度就可获得整根光纤的

32、温度分布10。2.2.2 光纤中布里渊散射的传感原理如前面所述，光纤中的布里渊散射相对于泵浦光有一个频移，通常称此频移为布里渊频移。其中背向布里渊散射的布里渊频移最大，并由下式给出： （2-1）其中： 布里渊频移；光纤纤芯折射率； 声速； 泵浦光的波长。对于普通的硅玻璃光纤，=1.46，=5945m/s，当泵浦光的波长=1.55时，布里渊频移=11.2GHz。大量的理论和实验研究证明，光纤中布里渊散射信号的布里渊频移和功率与光纤所处环境温度和所承受的应变在一定条件下呈线形变化关系，并有下面的公式给出： （2-2） （2-3）其中：布里渊频移变化量；温度变化量；应变的变化量；布里渊频移温度系数；

33、布里渊频移应变系数；布里渊功率变化量；布里渊功率温度系数；布里渊功率应变系数。因此，在已知温度、应变系数的情况下，测定布里渊散射信号的频移和功率，通过（2-2）、（2-3）两个公式可以得到温度和应变信息，这就是基于布里渊散射的分布式传感技术的传感机理11。T. R. Parker等人通过实验对布里渊的温度、应变系数进行了测量，并得到以下结果12： （2-4） （2-5） （2-6） （2-7）对于实际的布里渊分布式传感系统，这些系数需通过对系统定标来得到。2.3布里渊散射光的放大技术由于光纤的自发布里渊散射光非常微弱，不容易检测到自发布里渊散射光，因此我们需要对背向布里渊散射光进行放大。2.3

34、.1 问题提出早期的布里渊系统主要使用光电技术将微弱的布里渊散射信号从背向的散射信号中(主要是瑞利散射)分离出来，再进行强度、频移等方面的测量，这样的方法由于布里渊散射光强度本身较弱，所达到的探测距离和探测精度并不十分令人满意。背向的布里渊散射的光信号强度介于瑞利散射和喇曼散射之间，大约为入射光强度的10-510-6，比瑞利散射的强度约小两个数量级，检测起来较为困难，所以需要将布里渊散射光信号放大，方便检测。2.3.2 布里渊散射放大原理当两束光反向传播时，当这两个光的频差等于布里渊频移VB时，弱的光信号将被强的光信号放大，称之为布里渊受激放大作用。如图2-4所示，光频率为VP的泵浦光经传感光

35、纤，产生布里渊散射，其频率为V，斯托克斯光频率为VS。斯托克斯光和布里渊散射光方向一致，当VS=V时，布里渊散射受到了放大，此时发生受激布里渊散射。测试光纤激光器1激光器2VsVVp图2-4 布里渊散射放大原理第三章 光子晶体光纤布里渊散射的温度测量系统本章是介绍基于布里渊散射的温度测量系统，重点介绍整体系统组成及其他各部分的组成。3.1基于布里渊散射的温度测量系统的原理及组成图3-1为基于布里渊散射的温度测量系统的原理图，其具体原理为：当两束连续光反向传播时，在这两个光的频差等于布里渊频移VB时，发生受激布里渊散射。由于布里渊频移与温度变化存在线性关系，对两激光器的频率进行连续调节和扫描的同

36、时，通过检测从光纤一端耦合出来的连续光的功率，就可确定光纤各小段区域上能量达到最大时所对应的频率差，从而获得光纤的温度信息，实现分布式测量。99%环形器150mw激光器80mw激光器频率计数器耦合器350:50光电探测器耦合器2温控箱传感光纤耦合器1斯托克斯激光泵浦激光1级光123衰减器光功率计95%5%1%图3-1基于布里渊散射的温度测量系统系统按功能可以分成两个部分，第一部分是频差的测量，第二部分是受激布里渊散射光放大信号的测量。第一部分探测光从150mW的激光器其中打出来，经过95:5的偏振耦合器，5%作为斯托克斯激光进入声光调制器，从声光调制器出来的0级光与80mW激光源的99%输出经

37、衰减器后分别接入耦合器3两输入端，然后经光电探测器2和放大器后送到频率计数器中，实现泵浦光和斯托克斯探测光的频差测量。第二部分80mW激光器经99:1偏振耦合器2分成两束激光，其中1%作为泵浦激光，经过光隔离器，通过温控箱中的传感光纤，到达环形器后，光路从到端口3方向传出，过衰减器到光电探测器。声光调制器的1级光经环形器从端口2出来。在进行Brillouin散射频谱的测量实验时在3端接个光功率计，用来测量并观察泵浦光的功率变化。记录这些对应的变化，最终拟合出布里渊频移与温度变化的关系，得到布里渊频移温度系数。系统主要包括激光器、光子晶体光纤、探测器、放大器、频谱分析仪及相关光纤耦合连接器件，下

38、面将会对光学器件的设计要求，器件原理及选择作详细介绍。3.2 实验系统中的其他组成部分3.2.1 NP Photonics激光器NP Photonics的掺铒光纤窄带激光器的FLM-150-3-1550-1型号激光器作为150mW激光器，激光器的原理、使用及参数如下：1）NP Photonics激光器的工作原理:在光纤的纤芯中能产生激光的稀有元素(如铒、钕、镨等)，通过激光器提供的直流光激励，使通过的光信号得到放大。利用掺铒光纤的非线性效应，把泵浦光输入到掺铒光纤中，使光线中的铒原子的电子能级升高。当高能级向低能级跃迁时，向外辐射出光子。当有光信号输入时，辐射光的相位和波长会自发与信号光传输一

39、致。这样在输出端就可以得到功率较强的光信号，实现光信号放大。信号光在掺铒光纤的输出过程中可不断被放大。用半导体二极管或其他固体激光器作泵浦源还可产生可调谐激光。用掺铒光纤作成的光纤激光器，是光纤通信中不可缺少的部分14。在NP光纤激光器中，一个谐振腔是由两个光纤光栅组成，光纤光栅是融合拼接到一块的活性材料，如图3-2所示。窄的光栅用来连接激光信号的输出端。通过二级宽光栅用作单模泵浦二极管的输出，激活了了激光器。不过必须要控制好这两个光栅的温度才使激光器正常工作。通过改变这两个FBG的温度可以调节波长。在NB-FBG中，谐振腔模通过热调节来改变谐振腔腔的长度。 signalPCFPumpWB-F

40、BGActive fiberNB-FBGPCFWDMIOS图3-2 激光器结构图2）NP激光器的特点及参数与其它激光器相比，光纤激光器的优越性主要体现在：光纤激光器是波导式结构，可容强泵浦，具有高增益、转换效率高、阈值低、输出光束质量好、线宽窄、结构简单、可靠性高波长，可调谐性好，散热效果好等特性，易于实现光纤集成和降低与光纤线路的耦合15。这些光纤激光器的特点NP Photonics激光器都有，除此之外，NP Photonics激光器有低于3KHz超窄线宽，中心波长超过1550nm，激光泵、控制器、隔离器结合成一体。输出功率达到150mW，波长高度稳定。光纤激光器，泵浦二极管，电子驱动，监测

41、光电二极管，光子分离器，波分复用泵被放在一个盒子里。激光器装有25个插头连接器，通过这个连接器，激光器得到电流供应，模拟控制及RS232与计算机接口。操作激光器不需要计算机，计算机也可以位于NP接口组件后面的RS232连接器连接，通过激光用户软件，激光器很方便地被控制。FLM-150-3-1550-1型号激光器参数如下u 波长范围：1530-1565，1047，1053，1064nmu 输出功率：25，50，80，100，150mWu 波长精度：50MHzu 调谐范围：10GHzu 快频调制范围：100MHzu 调节速度：10KHzu 电源稳定性：1%u 连接口：FC/APC3）激光器的安装及

42、连接：在ESD安全环境下操作光纤激光器。否则，将发生激光辐射泄露。计算机是可选的，可以不用计算机来操作激光器。输出可以用FC或者APC连接器输出，以下是电路连接的步骤：1） 在NP接口模块上插入外部5VDC的电流供应2） 插入光纤激光接口线3） 确保关键按钮处于关闭状态4） 把电流供应插入100-140VAC，47-63Hz的外部接口5） 如果你打算通过计算机来操作监控激光器，把零调制解调器线连接到计算机和电流供应上4）计算机界面及NP控制面板程序在驱动盘CD的目录中有一个SETUP.EXE文件。打开默认设置或按需要改动选项。在打开组件电源之前，把RS232连接到个人电脑上，然后打开激光器的电

43、源。在WINDOWS环境下，从START/PROGRAMS/NP CONTROL PANEL/.中启动NP控制面板程序。确保组件的电源与RS232连接。NP光纤激光器可以用于任何有效COM端口。一启动，程序就会自动在默认地址下默认COM端口搜索激活的组件。如果想用不同的COM端口，可以在COM端口的下拉菜单中选择。单击CONNECT继续。图3-3显示了 这个程序的软件界面。它有五个主要的部分，泵浦监控和二级模块指示器、温度控制、温度监控、波长调节。可以调节温度或者波长来改变两个激光器的频差。图3-4为激光器的实物图。图3-3 NP Photonics激光器软件界面图3-4 NP Photoni

44、cs激光器实物图3.2.2 TeraXion 激光器1）激光器的特点及参数PS-NLL是一个紧凑的低噪声并且具有窄线宽的激光模块。这个模块拥有极高的光谱纯度，同时有极佳的相对强度噪声和频率稳定度。PS-NLL提供TeraXion 3518-PS-NLL-010-MAN型号激光器参数如下：u 波长范围：1000-2500nmu 输出功率：500mWu 波长精度：50MHzu 调谐范围：10GHzu 快频调制范围：100MHzu 调节速度：10KHzu 电源稳定性：1%u 连接口：FC/APC2）计算机界面及TeraXion控制面板程序在驱动盘CD的目录中有一个SETUP.EXE文件。打开默认设置

45、或按需要改动选项。在打开组件电源之前，把COM4连接到个人电脑上，然后打开激光器的电源。在WINDOWS环境下，从START/PROGRAMS/TeraXion/.中启动TeraXion控制面板程序。确保组件的电源与USB连接。TeraXion光纤激光器可以用于任何有效USB端口。启动后，点击connect按钮，程序就会自动由默认USB端口激活激光器使之工作。图3-5显示了这个程序的软件界面。它有三个主要的部分，激光参数监控、激光器PC控制部分和产生激光的基本参数设置部分。可以由PC机控制激光器的工作与否。图3-6为激光器的实物图。图 3-5 TeraXion激光器软件界面图3-6 TeraXion激光器实物3.2.2 探测器1）光电探测器本实验系统对光