单频光纤激光器

 作者：光库通讯（珠海）有限公司 葛 强 
前言
    大家所熟悉的光纤传感一般指的布拉格光栅+ASE宽带光源结构的光时域反射机制，尽管在解调方面大多依赖国外产品，但这种解决方案还是得到了相对广泛的应用，尤其是在桥梁、建筑物、马路和油罐等领域一般都可以满足中低端的民用需求。 
    窄线宽单频光纤激光器的出现为我们打开了光纤传感的另一扇门，而且其应用价值和社会意义更为重大！不同于普通光纤传感应用，该解决方案是专门针对超远距离、超高精度和超高敏感度市场应用的，主要有：石油勘探、军事国防、管道监控、激光雷达和海底通信等等，是光纤传感技术发展之最新成就。 
    本文所介绍的光纤传感技术起源于激光雷达的FMCW原理，采用相干探测进行检测，利用光纤本身进行直接传感，完全可以构建低成本的分布式传感网络，具有巨大的经济效益和现实意义。 
关键词： 窄线宽激光器 相干探测 混频 军事 石油 
光纤传感 
    受电信、半导体和消费电子行业的推动，光电技术和光纤技术在20世纪90年代取的了巨大成就。尽管这些行业在近几年遭受很多阻力而陷入低谷，但是其中很多先进技术却在其它行业比如光纤传感得到了全面发展，呈现出另一番蓬勃气象。光纤传感集成了在光纤技术、激光技术和光电探测等多领域所取得的巨大突破表现出极具活力和发展前途。同时，由于各相关光电子制造的成熟，它们的成本也大幅降低，大力推动了光纤传感的发展。 
与传统传感技术相比，基于光纤的传感器主要有如下几大优势： 
（1）重量轻、结构紧凑、易多路复用 
（2）抗恶劣环境、抗电磁干扰、抗化学腐蚀 
（3）在传感点无需用电、可以长距离分布式传感 
（4）可低成本大规模生产 
    继光纤通讯后，光纤传感迎来了重要的发展契机，在安保、军事、石油/天然气、电力以及科学研究方面享有广泛而巨大的应用价值，尤其是在西方发达国家更有燎原之势，前途不可限量！ 
单频光纤传感技术 
    然而目前市场上尤其是在中国，布拉格光纤光栅（配备ASE宽带光源）和基于光时域反射的分布式传感器是应用最为广泛的光纤传感技术，该技术基本上可以满足中低端一般市场的需求而被业内人士所熟知。而现在介绍的光谱线宽窄至2kHz的单频光纤激光器，及其引申出来的最新一代光 
传感技术完全有别于我们现在所乐道的光纤传感。这种新的技术方案完全胜任电传感和一般光纤传感无法完成的高端市场对超远距离、超高精度和超高敏感的更高需求，而这在中国尚处于立项和预研阶段。 
    采用单频光纤激光器做光传感，其光学原理就是光频时域反射，或称之为频率调制连续波技术（FMCW）。在该技术里，从众多传感头返回的信号光不再是被时间分割，而频率。在该全新的光纤传感系统里我们介绍的单频光纤激光器具有如下鲜明特点： 
（1）功率连续输出、波长线性可调 
（2）光谱线宽2kHz、相干长度100公里 
（3）频率稳定性10Mhz、相位噪声比DFB激光器低2个数量级 
（4）天生的线偏振功能、绝对单横/纵模 
    以上卓越的技术特点使得超高性能的光干涉传感成为可能和现实。基于FMCW技术的传感系统可以通过PZT波长调制功能充分利用该种激光器：从传感头返回的信号光与激光本机振器一起混频，产生一个拍频，然后再进行电处理和分析，这就是我们所说的相干探测。众所周知，相干探测有别与直接探测之最大特点就是灵敏度极高和探测距离超远，它一般可以探测到百亿分之一微弱的光信号，这是直接探测所不敢想象的。 
应用领域 
1、安保/军事 
    尤其是在美国9.11事件后，对生命财产和公共设施等的安全保护业已成为一个全球性的话题，且日益紧迫。光纤传感解决方案广泛应用在包括军事设施、机场、核电站和船舶等领域，可大大提升安全系数，尤其是在广袤的国土边界可实现高精度而低成本的实时传感和探测，这对国防保护和国家安全具有重大意义！在军事武器系统上，可应用于潜艇通信、雷达、非致命武器、激光测距和水雷探测。而一般的民用的光纤传感系统无法提供这些领域对高精度和远距离的要求，采用单频光纤激光器和相干探测几乎是唯一但却是最好的选择。 
2、石油/天然气 
    随着原油价格的不断上涨，以及探测新石油储量日益困难，石油公司都在考虑如何从现成的油田 
开采出更多的石油。据美国石油工业消息称，受目前地质勘探技术的限制，我们一般只能开采出油田实际储量的30%，而70%的石油储量因为勘探技术的落后而未能被发现和开采利用，这是一个天大的浪费！采用光纤传感技术来探测石油可以实现油田70%储量的探明量，整整提高了40%！同时，光传感系统价格大大低于任何替代方案，极合适大规模应用。
    另外，光传感在石油钻井和油/气输送管道上能大幅度地提高对压力和温度的测量。目前全球总共有880,000口石油井，而且每年新增80,000口。而目前这些油井绝大部分是通过电子监控系统来测量井下的压力和温度，这些电子系统在传感点上都需要用电，同时所需器件价格十分昂贵，既不安全又不经济。光纤传感应该取而代之，实在必行。 
    单就北美国家就有200万公里长的石油/天然气输送管道，全球大约有500万公里。如何确保这些管道的安全？目前一般的做法，也是最笨的方法，就是派人开车或乘专机沿着管道路线一路巡逻下去。无疑这不但劳民伤财，而且效率很低，很多潜在问题都无法及时发现而终成大错。采用单频光纤激光器做成的分布式光纤传感系统可同时探测温度和压力两个参数，对超过100公里长的运输管道进行实时监控，及时发现问题，随时找到潜在危险。 
3、电力系统 
    在美国大约有200,000公里的高压电源线，而据美国电力研究院估计，因为对高压电线的压力和温度缺乏精确测量，美国每年都要丢失数十亿美元的电能。那么在中国呢？一套单频光纤激光器组成的分布式的光纤传感系统可以提供温度小于1°C、压力小于10-6 的精度，传感距离超过100公里，实时监控。 
研究和开发 
    除了以上传感市场外，科学研究和技术开发单位，如各种高校、政府代理，他们对长相干长度、低相位噪声的光源越来越感兴趣。大学和研究实验室一般倾向于购买我们高功率的单频光纤激光器（最大功率可达5W）来做他们的各种实验，这包括电子工程、物理研究、激光和光学等等。