單頻可調光纖激光器的應用
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NP光纖激光器的特點(diǎn)
NP提供的1550nm光纖激光器最大的特點(diǎn)就是線(xiàn)寬超窄至2Khz，頻率穩定性好于10Mhz，具有超長(cháng)相干長(cháng)度和超低噪聲，就是比世界上最好的DFB激光器都高出2個(gè)數量級。該款激光器輸出功率可達150mW，邊模抑制比高于50dB，熱調協(xié)范圍20Ghz，同時(shí)兼備50Mhz/V的線(xiàn)性PZT調制功能。
核心技術(shù)
請見(jiàn)圖1為NP激光器的結構圖，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。該設計方案充分利用了我們美國合作方的專(zhuān)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(cháng)度少于5cm，這是傳統光纖技術(shù)所不可能完成的任務(wù)！
圖1激光器結構
如此短的腔長(cháng)極合適超高穩定性和跳模自由的單頻激光工作。該種激光器的線(xiàn)寬典型值為2Khz，而且都是線(xiàn)偏光輸出。結構緊湊和高穩定性能的光纖激光器就可以在如此短的激光腔基礎上完成制作。
在光纖傳感中的應用
NP的超窄線(xiàn)寬光纖激光器可以應用于分布式光纖傳感系統，對遠至10公里的目標進(jìn)行探測、定位和分類(lèi)。它的基本應用原理就是頻率調制連續波技術(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(jìn)一個(gè)有固定反射率的參考臂中，在外差相干探測系統中，該參考臂就充當了一個(gè)本地振蕩器（LO）的作用。充當傳感作用的是另一跟很長(cháng)的光纖，請見(jiàn)圖2。
圖2 PMCW 技術(shù)原理圖
從傳感光纖反射回來(lái)的激光與來(lái)自本地振蕩器的參考光一起混合產(chǎn)生一個(gè)光拍頻，該頻率與它所經(jīng)歷的時(shí)間延遲差相對應。傳感光纖上的遠處信息就可以通過(guò)測量光譜分析儀上的光電流的拍頻來(lái)獲取。傳感光纖上的分布式反射可以是最簡(jiǎn)單的瑞利后向散射。通過(guò)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(shí)，既然光電流的拍頻信號是與反射回來(lái)的光信號和來(lái)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(shí)現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(dòng)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(dòng)都會(huì )直接影響反射回來(lái)的激光，從而實(shí)現對這些外部環(huán)境的探測。
然而對于任何一套相干FMCW技術(shù)系統而言，最關(guān)鍵的部分是要一臺相干長(cháng)度很長(cháng)的光源來(lái)實(shí)現很高的空間精度和大的測量范圍。配備N(xiāo)P的光纖激光器，最長(cháng)的傳感距離可超過(guò)10公里，而市場(chǎng)上的DFB激光二極管的探測距離卻只有數百米。由于只要配備一臺這樣的激光器和光電探測器就可以監控超遠距離的傳感部位的變化，所以該傳感系統能夠以很低的成本升級目前的安保標準，從而可廣泛應用于在大范圍、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、監視、偵察）綜合平臺通常裝備的是光電成像系統，它一般都能遠距離成像和精確定位小目標的移動(dòng)，比如運載火箭和坦克?？墒?，由于受成像系統的地形精度的影響，該系統一般都無(wú)法傳遞目標的精準位置給這些指揮平臺指引武器對準目標。軍方其實(shí)一直在ISR系統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(dòng)態(tài)范圍和測量敏感度，無(wú)法滿(mǎn)足軍方ISR系統需求。目前絕大多數的激光測距儀都是基于脈沖激光的光時(shí)域反射原理，它們由快速光電探測器和簡(jiǎn)單的分析儀組成，直接探測從目標反射回來(lái)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(cháng)激光脈沖）。激光脈沖越短，測量精度就越高，同時(shí)激光測量的帶寬也就要大大提高。這無(wú)疑會(huì )增大探測的噪聲，從而降低動(dòng)態(tài)測量距離。由于光電流信號是成線(xiàn)性正比于反射回來(lái)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(cháng)的測量距離只有10-20公里。
圖3FMCW技術(shù)在激光測距上的應用
基于FMCW技術(shù)原理，NP提供的1550nm超窄線(xiàn)寬光纖激光器能夠廣泛應用于幾百公里的激光目標指示和激光測距，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、準直器和接收器、信Δf號分析儀組成（請見(jiàn)圖3）。窄線(xiàn)寬激光器的頻率成線(xiàn)性快速調制。通過(guò)測量從目標處反射回來(lái)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)系統中，激光器的線(xiàn)寬或相干長(cháng)度決定了測量的距離和敏感度。線(xiàn)寬低至2Khz的光纖激光器，要比世界上最好的半導體激光器的線(xiàn)寬低2-3個(gè)數量級。這個(gè)重要的特點(diǎn)可以實(shí)現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?jì)x要比目前絕大多數的基于脈沖激光的激光指示/測量?jì)x擁有諸多優(yōu)勢，這包括非常長(cháng)的動(dòng)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。然而傳統概念上，這種激光器一般都由子激光器、主激光器和復雜的電路控制三部分組成。其中子激光器是一個(gè)高功率的脈沖激光振蕩器，主激光器是一個(gè)低功率的卻十分穩定的連續激光器，而電控部則主要是用來(lái)控制和維持子激光器能單頻振蕩。毫無(wú)疑問(wèn)，這種傳統的單頻脈沖激光器體積過(guò)于龐大，而且在耐用性和牢固性方面面臨很大的挑戰而無(wú)法走向規?；?，因為它需要經(jīng)常很麻煩地對各敏感分立光學(xué)部件進(jìn)行校準，同時(shí)還要匹配好來(lái)自主激光器的種子信號能順利耦合進(jìn)子激光器里。
NP的單頻、全光纖化的調Q脈沖光纖激光器可以滿(mǎn)足超強緊湊型的多普勒激光雷達系統。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，還可以通過(guò)本地振蕩器作為注入激光種子源。反射回來(lái)的多普勒頻移能夠十分容易地通過(guò)檢驗參考光與信號光混頻所產(chǎn)生的光電流來(lái)讀取。由于光纖天然的波導結構，光纖激光器根本不需要光學(xué)對準和調整。同時(shí)除非通過(guò)復雜的非線(xiàn)性頻率轉換，目前的晶體固態(tài)激光器一般都無(wú)法直接輸出對人眼安全的1550nm波長(cháng)，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。
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