1 引 言
近年來(lái)，隨著高亮度半導(dǎo)體泵浦技術(shù)、雙包層增益光纖技術(shù)、功率合束器等技術(shù)的進(jìn)步，高功率光纖激光器迅猛發(fā)展。目前，單模激光器的輸出功率已經(jīng)達(dá)到了20kW。在一定的制冷條件下，隨著光纖激光器輸出功率的提高，增益光纖中的溫度也隨之迅速升高。由于普通增益光纖涂覆層長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的許可溫度為 80℃，為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定工作，必須對(duì)光纖激光器增益光纖的溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制。此外，研究發(fā)現(xiàn)，光纖中的溫度分布能夠顯著影響高功率光纖激光器的性能。增益光纖中的高溫會(huì)使高功率光纖激光器的穩(wěn)定性下降，并導(dǎo)致激光器中模式不穩(wěn)定現(xiàn)象（Mode Instability，MI）的發(fā)生。相關(guān)研究表明，增益光纖中內(nèi)部溫度越高，越容易產(chǎn)生模式不穩(wěn)定現(xiàn)象，低溫則不容易產(chǎn)生模式不穩(wěn)定現(xiàn)象。另外，光纖中過高的溫度分布會(huì)影響其它的非線性效應(yīng)，影響光纖激光器的輸出特性。因此，為了保證高功率光纖激光器的穩(wěn)定輸出，避免增益光纖在使用過程中的損傷，對(duì)增益光纖中的溫度分布進(jìn)行監(jiān)測(cè)是非常有必要的。目前，對(duì)于光纖激光器中增益光纖的溫度測(cè)量尚無(wú)較多研究，本文主要介紹傳統(tǒng)分布式光纖傳感的基本原理， 并根據(jù)現(xiàn)有高功率增益光纖溫度測(cè)量的結(jié)果，對(duì)比并說(shuō)明何種傳感方式有望用于高功率光纖激光器的溫度測(cè)量中，以期對(duì)高功率光纖激光器的溫度場(chǎng)測(cè)量提供參考，并對(duì)模式不穩(wěn)定、非線性效應(yīng)等現(xiàn)象的研究提供一種新的認(rèn)知手段。
2 分布式溫度測(cè)量的分類
分布式光纖傳感技術(shù)不僅具有一般光纖傳感器高精度的優(yōu)點(diǎn)，而且可以在沿光纖路徑上同時(shí)得到被測(cè)量場(chǎng)在時(shí)間和空間上的連續(xù)分布信息，在橋梁、油漆罐、高壓線路等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。目前，分布式光纖傳感技術(shù)主要是基于光纖中的后向散射實(shí)現(xiàn)傳感，如瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射。基于后向瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)主要有光時(shí)域反射法（OTDR，Optical Time Domain Reflectometry）和光頻域反射法（OFDR，Optical Frequency Domain Reflectometry）。 基于拉曼散射的全分布式光纖傳感技術(shù)主要有拉曼光時(shí)域反射技術(shù)（ROTDR，Raman Optical Time Domain Reflectometry）和拉曼光頻域反射技術(shù)（ROFDR，Raman Optical Frequency Domain Reflectometry）。基于布里淵散射的全分布式光纖傳感技術(shù)主要有布里淵光時(shí)域反射技術(shù)（BOTDR，Brillouin Optical Time Domain Reflectometry）、布里淵光時(shí)域分析技術(shù)（BOTDA，Brillouin Optical Time Domain Analysis） 、布里淵光頻域分析技術(shù)（BOFDA，Brillouin Optical Frequency Domain Analysis）和布里淵相干域分析技術(shù)（BOCDA，Brillouin Optical Correlation Domain Analysis）。其中OTDR技術(shù)傳感距離長(zhǎng)（一般在千米量級(jí)），空間分辨率較低（一般在10m 左右），適用于測(cè)量長(zhǎng)距離光纖中的損耗和斷點(diǎn)。OFDR技術(shù)的傳感距離通常不超過100m，空間分辨率高（可以達(dá)到厘米量級(jí)甚至是微米量級(jí)），溫度分辨率高，適用于短距離光纖中高空間分辨率的溫度測(cè)量。ROTDR技術(shù)和ROFDR技術(shù)的傳感距離都較長(zhǎng)（幾百米至幾千米），空間分辨率較低（通常為幾十厘米）。BOTDR技術(shù)和 BOTDA 技術(shù)的傳感距離長(zhǎng)（千米量級(jí)），空間分辨率高（可達(dá)到厘米量級(jí)），能夠精確測(cè)量光纖中的溫度和應(yīng)力。BOFDA 技術(shù)和 BOCDA 技術(shù)的傳感距離較短（一般為幾十米至幾百米），空間分辨率高（可以達(dá)到厘米量級(jí)甚至是毫米量級(jí)），溫度分辨率高。表1對(duì)比了不同分布式傳感方法的優(yōu)缺點(diǎn)。 相比于傳統(tǒng)的分布式光纖傳感系統(tǒng)，高功率增益光纖中的溫度測(cè)量具有測(cè)量光纖長(zhǎng)度相對(duì)較短，空間分辨率和溫度分辨率要求較高，測(cè)量時(shí)間要求較短等特點(diǎn)。基于此，本文重點(diǎn)研究了OFDR 技術(shù)、BOTDA 技術(shù)、BOFDA 技術(shù)和 BOCDA 技術(shù)的原理、發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用于增益光纖中溫度測(cè)量的可行性。
表1 不同傳感方式的主要技術(shù)參數(shù)與應(yīng)用場(chǎng)合
3 不同傳感方式的原理與現(xiàn)狀
根據(jù)上文所述的分布式溫度測(cè)量的分類，考慮到高功率增益光纖溫度測(cè)量的空間分辨率要求較高，溫度分辨率要求較高，測(cè)量時(shí)間要求較短，而OTDR、ROTDR 和ROFDR等技術(shù)不能夠滿足上述條件。同時(shí)，在基于自發(fā)布里淵散射的 BOTDR 技術(shù)中，由于后向自發(fā)布里淵散射光較微弱（其功率比后向瑞利散射光功率低約20~30dB），其信號(hào)檢測(cè)比較困難。因此，本節(jié)主要介紹 OFDR 技術(shù)、BOTDA技術(shù)、BOFDA技術(shù)和BOCDA 技術(shù)的原理與現(xiàn)狀。
3.1 OFDR 技術(shù)的原理與現(xiàn)狀
3.1.1 OFDR 技術(shù)的基本原理
OFDR技術(shù)最初是由德國(guó)Hamburg-Harburg大學(xué)的W.Eickhoff于1981年提出的， 其基本原理如圖1所示，線性掃頻光源輸出連續(xù)光被光纖耦合器分為兩路。其中一路光波注入到待測(cè)光纖中，該路激光在光纖中傳播時(shí)會(huì)不斷產(chǎn)生后向瑞利散射光，這些后向瑞利散射光成為信號(hào)光通過光纖耦合器耦合到光電探測(cè)器中。另一路光束經(jīng)過固定反射鏡反射后作為參考光返回耦合器， 同樣被耦合到光電探測(cè)器中。 光電探測(cè)器中得到的是參考光和待測(cè)后向瑞利散射光的混頻信號(hào)，而后將信號(hào)輸入到頻譜儀中，對(duì)其進(jìn)行頻譜測(cè)量。由于OFDR 技術(shù)中的激光光源為線性掃頻光源，故在光纖上不同位置x處的后向瑞利散射光的光頻不同。因此，通過檢測(cè)探測(cè)器上的光頻，可以獲知光纖上的位置信息，返回的瑞利散射光的振幅與光纖的局部散射因子以及振幅衰減因子成正比。通過在頻譜分析儀中進(jìn)行傅里葉變換，可以同時(shí)獲知光纖中所有位置處的后向散射光信息，這些信息和頻譜分析儀中的頻率Ω直接對(duì)應(yīng)。
圖1 OFDR 技術(shù)的基本原理圖
