基于FMCW技術(shù)原理的AFR光纖激光器的特點(diǎn)及應(yīng)用

AFR光纖激光器的特點(diǎn)

光庫通訊提供的1550nm光纖激光器最大的特點(diǎn)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(gè)數(shù)量級。該款激光器輸出功率可達(dá)150mW，邊模抑制比高于50dB，熱調(diào)協(xié)范圍20Ghz，同時(shí)兼?zhèn)?0Mhz/V的線性PZT調(diào)制功能。

除了對人眼安全的1550nm激光器外，光庫通訊還提供同樣性能的1000nm左右的光纖激光器，同時(shí)2000nm的光纖激光器也正在計(jì)劃之中。將來，光庫通訊還會(huì)推出波長覆蓋1000-1550nm全光纖化的單頻、高功率脈沖光纖激光器。歡迎您的關(guān)注。

圖1：激光器結(jié)構(gòu)

請見圖1為我們激光器的結(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(jì)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我們的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)！

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

光庫通訊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(yuǎn)至10公里的目標(biāo)進(jìn)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(hù)。

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(tǒng)中，該參考臂就充當(dāng)了一個(gè)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。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(gè)光拍頻，該頻率與它所經(jīng)歷的時(shí)間延遲差相對應(yīng)。傳感光纖上的遠(yuǎn)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。

圖2：FMCW技術(shù)原理圖

同時(shí)，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(shí)現(xiàn)目前其他任何光纖傳感技術(shù)所不能達(dá)到的超遠(yuǎn)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)直接影響反射回來的激光，從而實(shí)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(shí)現(xiàn)很高的空間精度和大的測量范圍。光庫通訊想你所想，為您量身打造各種超窄線款光纖激光器。這些激光器得益于美國的專利技術(shù)，頻率絕對單一，相干長度可達(dá)幾十公里，是FMCW技術(shù)中最理想的光源。配備光庫通訊的光纖激光器，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(yuǎn)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(yuǎn)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(bào)、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(yuǎn)距離成像和精確定位小目標(biāo)的移動(dòng)，比如運(yùn)載火箭和坦克。可是，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(shí)一直在ISR系統(tǒng)方面存在對低成本的、超遠(yuǎn)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(yuǎn)為10-20公里，這受限于它的動(dòng)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(shí)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(shí)激光測量的帶寬也就要大大提高。這無疑會(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性正比于反射回來的光信號能量，所以這些增強(qiáng)的噪聲就限制探測信號的敏感度。正是因?yàn)槿绱?，目前軍用的激光測距儀最長的測量距離只有10-20公里。

圖3：FMCW技術(shù)在激光測距上的應(yīng)用

基于FMCW技術(shù)原理，光庫通訊提供的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(yuǎn)距離的激光指示/測距由激光器、準(zhǔn)直器和接收器、信號分析儀組成（ 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(yuǎn)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。光庫通訊提供的光纖激光器線寬低至2Khz，要比世界上最好的半導(dǎo)體激光器的線寬低2-3個(gè)數(shù)量級。這個(gè)重要的特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)幾百公里的激光指示和測距，而精度高達(dá)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(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(wěn)定牢固以及容易安裝等等。

多普勒激光雷達(dá)

一般而言，相干雷達(dá)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(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(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)?；?，因?yàn)樗枰?jīng)常很麻煩地對各敏感分立光學(xué)部件進(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)還要匹配好來自主激光器的種子信號能順利耦合進(jìn)子激光器里。

光庫通訊公司的單頻、全光纖化的調(diào)Q脈沖光纖激光器可以滿足超強(qiáng)緊湊型的多普勒激光雷達(dá)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(dú)工作，也可以頻率鎖定做脈沖運(yùn)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(yàn)參考光與信號光混頻所產(chǎn)生的光電流來讀取。光庫通訊的連續(xù)波光纖激光器是您理想的種子源激光器，它與我們的全光纖化的脈沖光纖激光器具有高度的兼容性。所有的光電器件都被集成在一個(gè)小而輕的盒子里，非常合適野外工作。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(shí)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，這使得我們的摻鉺光纖激光器更具吸引力，從而成為激光雷達(dá)的最好光源之一。

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