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增益光纤中的热效应是限制高功率光纤激光器输出功率的重要因素之一。采用基于分布式温度传感的方法对光纤激光器增益光纤的温度进行测量,有助于对光纤激光器形成保护,并有望对热致模式不稳定(MI)等非线性效应的产生机理提供一种新的认知手段。介绍了目前国内外主要的分布式光纤传感技术,重点介绍了光频域反射法(OFDR)、布里渊光时域分析(BOTDA)、布里渊光频域分析(BOFDA)和布里渊相干域分析(BOCDA)等技术在光纤温度和应力测量方面的应用。最后分析了利用各种分布式传感方案实现高功率光纤激光器温度测量的可行性,为高功率光纤激光器的温度测量提供参考。
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激光与光电子学进展
Laser&O
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toelectronicsPro
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中国激光
杂志社
分布式光纤传感在光纤激光中的应用研究
周 子 超
王 小 林
粟 荣 涛
张 汉 伟
周
朴
许 晓 军
国防科技大学光电科学与工程学院
湖南 长沙
摘要
增益光纤中的热效应是限制高功率光纤激光 器 输 出 功 率 的 重 要 因 素 之 一
采 用 基 于 分 布 式 温 度 传 感 的 方
法对光纤激光器增益光纤的温度进行测量
有助于对光纤 激 光器形 成 保护
并有 望 对热致 模 式不稳 定
等 非 线
性效应的产生机理提供一种新的认知手段
介绍了目前国内外主要的分布式光 纤 传感技 术
重点 介 绍了光 频 域反
射法
布里渊光时域分析
布里渊光 频 域 分 析
和 布 里 渊 相 干 域 分 析
等 技 术
在光纤温度和应力测量方面的应用
最后分析了利用各种 分布 式传 感方 案实 现高 功率 光纤 激光 器温 度测 量的 可
行性
为高功率光纤激光器的温度测量提供参考
关键词
光纤光学
高功率光纤激光器
温度测量
光纤传感
非线性效应
中图分类 号
文献标识 码
doi
:
.
/
LOP.
A
pp
licationofDistributedFiberSensin
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inFiberLasers
ZhouZichaoWan
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XiaolinSuRon
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NationalUniversit
y
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De
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Chan
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China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
收到修改 稿日期
网络出版 日期
基金项目
国家自然科学基金
湖南省自然科学基金项目
作者简介
周子超
男
硕士研究生
主要从事高功率光纤激光器方面的研究
导师简 介
许晓军
男
博士
研究员
博士生导师
主要从事气动光学
自适应光学和光纤
固体 激 光器相 干 合成
等方面的研究
通信联系 人
.
引
言
近年来
随着高亮度半导体抽运技术
双包层增益光纤技术
功率合束器等技术的进步
高功率光纤激光
器迅猛发展
目前
单模光纤激光器的输出功率已经达到了
在一定的制冷条件下
随着光纤激光
器输出功率的提高
增益光纤中的温度也随之迅速升高
由于普通增益光纤涂覆层长时间稳定的许可温度
为
为了实现长时间的稳定工作
必须对光纤激光器增益光纤的温度进行严格控制
此外
研究 发现
激光与光电子学进展
光纤中的温度分布能够显著影响高功率光纤激光器的性能
增益光纤中的高温会使高功率光纤激光器的稳
定性下降
并导致激光器中模式不稳定
现象 的发 生
相关 研究 表明
增益 光纤 中内 部温 度越 高
现
象越容易产生
低温下则不容易产生
现象
另外
光纤中过高的温度分布会影响其他非线性效应
影
响光纤激光器的输出特性
因此
为了保证高功率光纤激光器的稳定输出
避免增益光纤在使用过程中的损
伤
对增益光纤中的温度分布进行监测是非常有必要的
目前
对于光纤激光器中增益光纤的温度测量尚无
较多研究
本文主要介绍传统分布式光纤传感的基本原理
并根据现有高功率增益光纤温度测量的方法
对
比并说明何种传感方式有望用于高功率光纤激光器的温度测量中
以期为高功率光 纤激 光器 的温 度场 测量
提供参考
并对
等非线性效应现象的研究提供一种新的认知手段
分布式温度测量的分类
分布式光纤传感技术不仅具有一般光纤传感器精度高的优点
而且可以在沿 光纤 路径 上同 时得 到被 测
量场在时间和空间上的连续分布信息
在桥梁
油漆罐
高压线路等领域有着广泛的应用前景
目前
分布式
光纤传感技术主要是基于光纤中的后向散射来实现传感
如瑞利散射
拉曼散射和布里渊散射
基于后向
瑞利散射的全分布式光纤传感技术主要有光时域反射法
和光频域反射法
基于拉曼
散射的全分布式 光 纤 传 感 技 术 主 要 有 拉 曼 光 时 域 反 射
技 术
和 拉 曼 光 频 域 反 射
技
术
基于布里渊散射的全分布式光纤传感技术主要有布里渊光时域反射
技术
布里渊光时域
分析
技术
布里渊光频域分析
技术
和布里渊相干域 分析
技术
其中
技术传感距离长
一般在千米量级
空间分辨率较低
一般在
左右
适用于测量长距离光
纤中的损耗和断点
技术的传感距离通常不超过
空间分辨率高
可以达到厘米量级甚至是微
米量级
温度分辨率高
适用于短距 离光 纤中 高空 间分 辨率 的温 度测 量
技术 和
技
术的传感距离 都 较 长
几 百 米 至 几 千 米
空 间 分 辨 率 较 低
通 常 为 几 十 厘 米
技 术 和
技术的传感距离长
千米量级
空间分辨率高
可达到厘米量级
能够精确测量光纤中的温度
和应力
技术和
技术的传感距离较短
一般为几十米至几百米
空间分辨率高
可以达到
厘米量级甚至是毫米量级
温度分辨率高
表
对比了不同分布式传感方法的优缺点
相比于传统的
分布式光纤传感系统
高功率增益光纤中的温度测量具有测量光纤长度相对较短
空间分辨率和温度分辨率
要求较高
测量时间要求较短等特点
表
不同传感方式的主要特点与应用场合
不同传感方式的原理与现状
考虑到高功率增益光纤的温度测量对空间和温度分辨率要求较高
且 测 量 时 间 要 求 较 短
而
等技术不能够满足上述条件
同时
在基于自发布里渊散射的
技术中
后向自发
布里渊散射光较微弱
其功率比后向瑞利散射光功率低
其信 号的 检测 比较 困难
因此
此
处主要介绍
技术的原理与现状
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