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)、相干長度超長以及噪聲超低等獨特性能，借用微波雷達上的FMCW技術(shù)可對超遠距離的目標(biāo)進行超高精度的相干探測，從而會改變市場對光纖傳感、激光雷達和激光測距等固有觀念，繼續(xù)把激光器應(yīng)用革命進行到底。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爭優(yōu)勢的單頻可調(diào)光纖激光器。
　　NP光纖激光器的特點
　　NP提供的1550nm光纖激光器最大的特點就是線寬超窄至2Khz，頻率穩(wěn)定性好于10Mhz，具有超長相干長度和超低噪聲，就是比世界上最好的DFB激光器都高出2個數(shù)量級。該款激光器輸出功率可達150mW，邊模抑制比高于50dB，熱調(diào)協(xié)范圍20Ghz，同時兼?zhèn)?0Mhz/V的線性PZT調(diào)制功能。
　　核心技術(shù)
　　請見圖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)計方案充分利用了我們美國合作方的專利技術(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://butianyuan.cn/article/201612/330992.htm

圖1激光器結(jié)構(gòu)

　　如此短的腔長極合適超高穩(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)，對遠至10公里的目標(biāo)進行探測、定位和分類。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，軍事基地以及國防邊界提供低成本的、全分布式的傳感安全保護。
　　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一個有固定反射率的參考臂中，在外差相干探測系統(tǒng)中，該參考臂就充當(dāng)了一個本地振蕩器（LO）的作用。充當(dāng)傳感作用的是另一跟很長的光纖，請見圖2。

圖2 PMCW 技術(shù)原理圖

　　從傳感光纖反射回來的激光與來自本地振蕩器的參考光一起混合產(chǎn)生一個光拍頻，該頻率與它所經(jīng)歷的時間延遲差相對應(yīng)。傳感光纖上的遠處信息就可以通過測量光譜分析儀上的光電流的拍頻來獲取。傳感光纖上的分布式反射可以是最簡單的瑞利后向散射。通過這種相干探測技術(shù)，敏感度低至-100db的信號都能很輕易地探測到。
　　同時，既然光電流的拍頻信號是與反射回來的光信號和來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光的功能，所以這種傳感技術(shù)可以實現(xiàn)目前其他任何光纖傳感技術(shù)所不能達到的超遠距離的動態(tài)測量。外部對傳感光纖干擾的因素，比如壓力、溫度、聲音和振動都會直接影響反射回來的激光，從而實現(xiàn)對這些外部環(huán)境的探測。
　　然而對于任何一套相干FMCW技術(shù)系統(tǒng)而言，最關(guān)鍵的部分是要一臺相干長度很長的光源來實現(xiàn)很高的空間精度和大的測量范圍。配備NP的光纖激光器，最長的傳感距離可超過10公里，而市場上的DFB激光二極管的探測距離卻只有數(shù)百米。由于只要配備一臺這樣的激光器和光電探測器就可以監(jiān)控超遠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目前的安保標(biāo)準(zhǔn)，從而可廣泛應(yīng)用于在大范圍、遠距離的國土安全和軍事領(lǐng)域。
　　激光指示和軍事測距
　　目前軍方的ISR（情報、監(jiān)視、偵察）綜合平臺通常裝備的是光電成像系統(tǒng)，它一般都能遠距離成像和精確定位小目標(biāo)的移動，比如運載火箭和坦克?？墒?，由于受成像系統(tǒng)的地形精度的影響，該系統(tǒng)一般都無法傳遞目標(biāo)的精準(zhǔn)位置給這些指揮平臺指引武器對準(zhǔn)目標(biāo)。軍方其實一直在ISR系統(tǒng)方面存在對低成本的、超遠距離的（幾百公里）、超高精度的（1米以下）激光目標(biāo)指示/測距的巨大需求。
　　目前一般的商業(yè)激光測距儀的測量距離最遠為10-20公里，這受限于它的動態(tài)范圍和測量敏感度，無法滿足軍方ISR系統(tǒng)需求。目前絕大多數(shù)的激光測距儀都是基于脈沖激光的光時域反射原理，它們由快速光電探測器和簡單的分析儀組成，直接探測從目標(biāo)反射回來的光脈沖信號，測量精度通常為1-10米，這受限于激光的脈沖寬度（相對3-30nm長激光脈沖）。激光脈沖越短，測量精度就越高，同時激光測量的帶寬也就要大大提高。這無疑會增大探測的噪聲，從而降低動態(tài)測量距離。由于光電流信號是成線性正比于反射回來的光信號能量，所以這些增強的噪聲就限制探測信號的敏感度。正是因為如此，目前軍用的激光測距儀最長的測量距離只有10-20公里。

　　圖3FMCW技術(shù)在激光測距上的應(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)指示和激光測距，從而可以十分低成本地搭建ISR平臺。一套超遠距離的激光指示/測距由激光器、準(zhǔn)直器和接收器、信Δf號分析儀組成（請見圖3）。窄線寬激光器的頻率成線性快速調(diào)制。通過測量從目標(biāo)處反射回來的的信號光與參考光一起混頻產(chǎn)生光電流便可獲取遠處的信息。在FMCW技術(shù)系統(tǒng)中，激光器的線寬或相干長度決定了測量的距離和敏感度。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個數(shù)量級。這個重要的特點可以實現(xiàn)幾百公里的激光指示和測距，而精度高達1米甚至1米以下。
　　采用這種光纖激光器做成的激光指示/測量儀要比目前絕大多數(shù)的基于脈沖激光的激光指示/測量儀擁有諸多優(yōu)勢，這包括非常長的動態(tài)距離，非常高的測量敏感度，對人眼安全，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
　　一般而言，相干雷達系統(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高功率的脈沖激光振蕩器，主激光器是一個低功率的卻十分穩(wěn)定的連續(xù)激光器，而電控部則主要是用來控制和維持子激光器能單頻振蕩。毫無疑問，這種傳統(tǒng)的單頻脈沖激光器體積過于龐大，而且在耐用性和牢固性方面面臨很大的挑戰(zhàn)而無法走向規(guī)?；驗樗枰?jīng)常很麻煩地對各敏感分立光學(xué)部件進行校準(zhǔn)，同時還要匹配好來自主激光器的種子信號能順利耦合進子激光器里。
　　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緊湊型的多普勒激光雷達系統(tǒng)。這種新穎的激光器既可以配合一臺本地振蕩器單獨工作，也可以頻率鎖定做脈沖運轉(zhuǎn)，還可以通過本地振蕩器作為注入激光種子源。反射回來的多普勒頻移能夠十分容易地通過檢驗參考光與信號光混頻所產(chǎn)生的光電流來讀取。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)對準(zhǔn)和調(diào)整。同時除非通過復(fù)雜的非線性頻率轉(zhuǎn)換，目前的晶體固態(tài)激光器一般都無法直接輸出對人眼安全的1550nm波長，這使得摻鉺光纖激光器更具吸引力，從而成為激光雷達的最好光源之一。