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《大连理工大学》 2016年
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光纤光栅激光器及其传感应用研究

姚爽  
【摘要】:光纤光栅激光器传感器作为一种新型的传感器在近年来得到了快速发展。其核心传感元件是光纤光栅激光器,具有高信噪比和窄线宽等诸多优点。相对传统的基于电的传感器而言,基于光纤光栅激光器的传感器具有灵敏度高,抗电磁干扰,体积小巧等优点。而相对无源的光纤光栅传感器而言,它仍然具有窄线宽,高信噪比等独特的优势。在信号解调方面,除了波长信号解码方式之外,它还可以巧妙地利用相位和频率解调等方式对传感信号进行解调。例如,利用解调光纤激光器产生的频域信号对物理量进行探测,不仅能够提高灵敏度,而且降低解调系统的成本,因为对频域信号的电解调技术比传统的波长解调技术更加成熟。另外,根据吸收光谱学原理,基于光纤光栅激光器的传感器能够利用许多气体在近红外和中红外波长区域的吸收特性对CO2、CO和CH。等大气污染气体的浓度进行测量,形成结构简单的吸收型气体传感器系统,为环境健康监测提供了一种非常有效的方法。本论文主要根据不同的信号解调方式和传感用途设计并实现了两种光纤光栅激光器传感器:基于正交双频分布式布拉格反射(DBR)光纤激光器的磁场传感器和基于波长可调掺铥光纤光栅激光器的气体传感器。前者利用DBR光纤激光器的拍频信号对磁场和电流进行了高灵敏度的测量;后者利用结构简单的2μm可调掺铥光纤激光器对CO2气体浓度进行了高灵敏度的有效探测。本论文的主要研究工作和成果如下:1.介绍了光纤布拉格光栅和光纤光栅激光器以及它们在传感应用方面的发展情况,并对各自的传感特性进行了比较。详细介绍了光纤光栅激光器传感器的两种不同传感类型:拍频调制型和吸收型。拍频调制型传感器利用光纤激光器的拍频信号对待测量进行传感,解调方式简单且灵敏度高;吸收型传感器根据吸收光谱学原理,针对不同气体在紫外和红外区域存在的不同吸收特性来测量气体的浓度。2.研究了一种新颖的基于正交双频DBR光纤激光器的磁场传感器。根据相位掩模法利用扫描写入方式写制了光纤布拉格光栅,该方式利用193nm准分子激光器成功地在一根掺铒光纤上连续写制间隔一定距离的高、低反射率光栅,进而形成短腔DBR掺铒光纤光栅激光器。基于该激光器的磁场传感器利用通电导线在磁场中受到安培力的原理,将安培力横向作用于DBR光纤激光器,导致激光器的拍频信号产生变化,通过测量拍频信号的变化实现对磁场和电流的测量。实验结果显示:灵敏度和理论计算一致,分别是~258.92kHz/mT和~1.08727MHz/A,磁场传感器的最小可探测磁场达到高斯量级,为弱磁场探测领域提供了新的选择。3.基于实现CO2气体浓度现场高灵敏度探测的目的,我们设计并优化了一个全光纤线性结构的2μm掺铥光纤光栅激光器。根据相位掩模法利用定点写入方式写制了光纤布拉格光栅,该方式利用248nm准分子激光器在普通单模光敏光纤上分别写制了高、低反射率光栅,中间熔接一段掺铒/掺铥光纤形成掺铒和掺铥光纤光栅激光器,前者用做泵浦源为后者提供泵浦能量。对掺铥光纤光栅激光器进行了优化,首先优化其泵浦源——1600nm掺铒光纤光栅激光器,主要优化光纤光栅对和掺铒光纤两个要素,优化后的泵浦功率达到173.5mW,以其作为泵浦源制作掺铥光纤光栅激光器,用同样的方法优化掺铥光纤光栅激光器,最后得到在1874nm和1995nm两个波长的输出功率分别是35.5mW和10.6mW,为进一步的气体传感应用做了准备工作。4.为了提高2μm掺铥光纤光栅激光器在C02气体传感应用中的灵敏度和精确度,根据光纤光栅弯曲产生应变的机械特性,调谐激光器结构中的低反光栅(高反射率腔镜是在光纤端面通过银镜反应镀上的宽带银镜)使掺铥光纤光栅激光器实现波长可调,在1874nm和1995nm两个波长均实现30nm的调谐范围,其中1995nm激光器的波长可调谐到2004nm,在2μm波长区域,CO2气体在此波长具有最佳吸收特性。在波长调谐过程中,对输出激光的3dB带宽进行了观察和研究,提出一种有效抑制3dB加宽的方法,输出功率和波长调谐范围均满足稳定的气体传感研究。最后结合我们之前的实验结果,对此激光器应用于CO2气体传感进行了理论计算和分析,最小可探测CO2气体浓度为3.73×1016 molecule/cm3,即1254ppm,证明其应用于气体传感方面的优异特性和巨大潜力。
【关键词】:光纤光栅激光器 磁场传感器 拍频 吸收光谱学 气体传感器
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TP212;TN248
【目录】:
  • 摘要4-6
  • Abstract6-16
  • 主要符号表16-17
  • 1 绪论17-39
  • 1.1 光纤布拉格光栅17-23
  • 1.1.1 光纤布拉格光栅的制作方法18-19
  • 1.1.2 光纤布拉格光栅的基本特性19-20
  • 1.1.3 光纤布拉格光栅传感器20-23
  • 1.2 光纤光栅激光器及其传感应用23-35
  • 1.2.1 光纤激光器23-27
  • 1.2.2 光纤光栅激光器27-28
  • 1.2.3 光纤光栅激光器在传感上的应用28-35
  • 1.3 本文主要研究思路与内容35-39
  • 2 基于安培力的正交双频DBR光纤激光器磁场传感器39-53
  • 2.1 光纤布拉格光栅及DBR光纤激光器的制作40-45
  • 2.1.1 实验装置及结构图40-41
  • 2.1.2 实验过程和结果41-43
  • 2.1.3 DBR光纤光栅激光器的制作43-45
  • 2.2 磁场传感器原理45-47
  • 2.3 实验和结果47-51
  • 2.4 讨论51-52
  • 2.5 本章小结52-53
  • 3 掺铥光纤光栅激光器的设计和优化53-82
  • 3.1 光纤布拉格光栅以及掺铒和掺铥光纤光栅激光器的制作55-60
  • 3.1.1 实验装置及结构图55-56
  • 3.1.2 系统调试和校准56
  • 3.1.3 实验过程和结果56-57
  • 3.1.4 掺铒光纤光栅激光器的结构和制作57-59
  • 3.1.5 掺铥光纤光栅激光器的结构和制作59-60
  • 3.2 掺铒光纤激光器泵浦源的结构60-74
  • 3.2.1 增益介质——掺铒光纤的优化61-66
  • 3.2.2 反射镜——光纤布拉格光栅对的优化(1584和1600nm)66-71
  • 3.2.3 掺铒光纤激光器泵浦源的优化71-74
  • 3.3 掺铥光纤激光器的特性和优化过程74-80
  • 3.3.1 增益介质——掺铥光纤的优化74-76
  • 3.3.2 反射镜——光纤布拉格光栅对的优化(1874和1995nm)76-78
  • 3.3.3 掺铥光纤激光器的优化78-80
  • 3.4 本章小结80-82
  • 4 波长可调的2μm掺铥光纤激光器及其对CO_2气体浓度探测的理论分析82-96
  • 4.1 实验原理和结构83-86
  • 4.2 可调掺铥光纤激光器的特性86-87
  • 4.3 实验结果和理论分析的比较87-88
  • 4.4 可调激光器系统的应用和3dB带宽问题88-90
  • 4.5 应用于CO_2气体探测的理论分析90-94
  • 4.6 本章小结94-96
  • 5 结论与展望96-100
  • 5.1 主要研究内容和结论96-98
  • 5.2 创新点98
  • 5.3 展望98-100
  • 参考文献100-113
  • 附录A 16对光纤布拉格光栅对和三种型号最佳长度掺铒光纤组成激光器的输出功率测试和比较113-121
  • 附录B 新结构掺铒光纤激光器的输出功率测试和比较(结构中连接一段Er30掺铒光纤作为掺铒光纤放大器)121-124
  • 攻读博士学位期间科研项目及科研成果124-125
  • 致谢125-126
  • 作者简介126

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