激光型光纤传感器在电流测量和光纤激光陀螺中的应用

【摘要】： 光纤激光器是指以光纤或掺杂光纤作为工作媒质的一类激光器,因为它具有低阂值、高效率、窄线宽、可调谐、稳定性可靠、紧凑小巧、重量轻和高性能价格比等众多优点,可以广泛的应用于传感、通信、医疗、军事等领域。特别是可以作为激光型光纤传感器(Polarimetric Fiber Laser Sensor),通过直接测量光纤激光器正交模式的拍频变化来监控外界扰动。由于它具有高灵敏度、易于测量等特点,近年来受到了广泛关注。目前,对激光型光纤传感器的研究主要集中在测量压力、电流、液压、温度等方面。 本论文的工作主要围绕着两种用作激光型传感器的光纤激光器及其在非互易测量(包括电流传感和陀螺)中的应用来展开。在激光型光纤传感器的设计、实验现象的理论解释等方面做了如下的研究工作: 光纤激光器的基本原理与设计方案 概述了激光和光纤激光器的基本原理,包括光与物质的相互作用,激光振荡的条件及频谱分布等激光产生的基本原理:掺铒光纤的增益性质,空间烧孔效应和外界扰动对激光输出稳定性的影响,光纤激光器的实际极限带宽等光纤激光器的相关知识;分别讨论了双向单纵模环形腔激光器和多波长激光器的设计方案;系统地分析了掺杂光纤饱和吸收体中形成的动态光栅的反射谱特性。 激光型电流传感器的实验研究 利用空间烧孔和饱和吸收体设计了一种三波长光纤F-P腔激光器,给出了设计原则以及激光器的本征偏振态:采用琼斯矩阵方法分析了三波长光纤激光器用作电流传感时的理论模型。着重分析了传感区光纤双折射对电流传感的影响,同时对温度特性进行了讨论;实验验证了激光器的设计方案,得到了稳定的三波长光纤激光器;通过外加感应区,得到了线性系数为3.05KHz/A的激光型电流传感器。 线偏振光光纤激光陀螺的研究 提出并设计了一个光纤非互易器件—方向相关偏振器,理论上分析了器件的工作原理并给出了测试方法。样品测试的结果为插入损耗为0.61dB,消光比大于23.35dB;首次采用方向相关偏振器和由窄带薄膜滤波器与M-Z干涉型梳状滤波器组合而成的混合滤波器实现了一种新型稳定的双向单纵模掺铒光纤环形腔激光器。对存在双折射时,温度变化对零漂的影响做了分析,得出在折射率差为0.01,温度变化0.01℃时,零漂约为10KHz的数量级:实验验证了线偏振态光纤环形腔激光器的设计方案,得到了激光阈值为16mW的双向单纵模光纤环形腔激光器。当泵浦功率为20mW—70mW时,在CW和CCW方向上始终保持为单纵模工作。用于光纤环形腔激光陀螺系统中时,其拍频输出有大于30dB的信噪比。调节腔内的偏振控制器,当零频偏置分别为1.68MHz和409KHz时,均得到了较好的拍频漂移量与角速度的线性曲线,其斜率分别为1.38KHz/(deg/sec)和1.23KHz/(deg/sec),零漂约为7kHz,与理论相符。对实验中出现的零频偏置较小时陀螺的比例因子降低的现象进行了分析,并给出解决思路。得到了第一台连续波的光纤激光陀螺。 圆偏振光光纤激光陀螺的研究 提出一种圆偏振态工作的光纤激光陀螺。从理论上分析了互易器件—圆偏振起偏器的原理,以及圆保偏光纤—扭转光纤的保偏特性,并改进了扭转光纤的制作方法;首次推导了光纤激光陀螺闭锁现象的解析表达式,并做了数值模拟,得到在FSR=34MHz,D=38cm,λ=1.55μm情况下,闭锁阈值约为Ω≈7.3°/s;首次实现和证实了圆偏振态激光器的设计方案,得到激光阈值为35mW的双向单纵模光纤环形腔激光器。实验中的工作泵浦功率用在50mW,处于连续波工作状态,运行基本稳定,工作波长为1549.956nm,两路输出功率相当,均可大于0.1mw。用于光纤环形腔激光陀螺系统中时,其拍频输出有大于30dB的信噪比;斜率(即比例因子)为2.67KHz/(deg/sec);零漂为±1.5KHz;灵敏度为1°/s:闭锁阈值约为10°/s,与理论相符。最后对实验中存在的一些问题进行了分析,并给出解决思路。证明了圆偏振光光纤激光陀螺工作机理的正确性。